一种甲酸甲胺离子液体的制备方法

技术领域

本发明涉及有机合成技术领域，尤其涉及一种甲酸甲胺离子液体的制备方法。

背景技术

离子液体作为一种新型的对环境友好的材料，可被用于合成、分离、电化学和纳米材料等领域。随着人们对环境保护的重视，绿色材料离子液体的应用需求日益增长。特别是以离子液体作为溶剂的钙钛矿太阳电池前驱体溶液具备环境友好的特点，对推动新型光伏技术的绿色制备及其发展具有重要意义。

目前甲酸甲胺离子液体的传统合成方法过程繁琐，进而导致离子液体的质量不稳定，纯度低。同时，制备甲酸甲胺离子液体的反应条件还非常苛刻，反应过程中需要通过氮气吹扫营造干燥环境，这是因为采用高纯度的甲酸原料，水热反应过程中甲酸滴加时会与空气中的水接触形成白烟，存在一定危险性，且若反应环境中存在水分，白烟的形成会阻碍原料之间的充分接触，影响反应收率和产物的纯度。此外，这类离子液体的传统合成方法还需要在恒定低温的条件下进行反应，条件苛刻，操作繁琐，重复性低，也导致了离子液体纯度低。

发明内容

鉴于此，本申请提供一种甲酸甲胺离子液体的制备方法，采用超声波辅助实现了在常温下反应得到纯度99％以上的甲酸甲胺离子液体。

为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：

一种甲酸甲胺离子液体的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一、将甲酸加入到置有甲胺溶液的反应器中，于温度为20℃～30℃，频率为20KHz～130KHz，功率为0.1KW～3KW的超声波条件下反应15min～45min，得离子液体混合物；

步骤二、将所述离子液体混合物进行减压旋蒸，得甲酸甲胺离子液体。

相对于现有技术，本申请提供的甲酸甲胺离子液体的制备方法具有以下优势：

本申请采用超声波辅助的方式，在特定的频率和功率条件下，实现了在常温下20℃～30℃得到高收率、高纯度的离子液体，同时大幅缩减了反应时间，提高了反应效率，简化了操作步骤，保证了合成离子液体的质量和重复性。

甲酸与甲胺的反应过程如图1所示，本申请提供的制备方法克服了低温反应条件的限制，可实现在室温环境下进行反应，反应条件更加温和，省去了恒定低温环境的营造，避免了由于控温的需求反复补充冷却介质，同时避免氮气吹扫干燥环境的营造，进一步降低合成难度和成本。

可选的，所述反应的频率为20KHz～30KHz，功率为1KW～3KW，时间为15min～30min。

可选的，所述甲酸的加料方式为滴加，且所述滴加的速度为1mL/min～30mL/min。

进一步可选的，所述滴加的速度为3mL/min～9mL/min。

可选的，所述甲酸采用注射器或注射泵进行加料，且所述注射器或注射泵的加料口位于所述甲胺溶液的液面以下。

优选的加料方式有利于促进甲酸与甲胺充分接触，进而促进反应的充分进行，还能避免甲酸发烟问题的产生。

可选的，所述甲酸和甲胺的摩尔比为1:1～1.5。

进一步可选的，所述甲酸和甲胺的摩尔比为1:1～1.2。

优选的摩尔比不仅能够提高原料的利用率，提高离子液体的收率和纯度，并且避免原料的浪费，进一步降低生产成本。

可选的，所述减压旋蒸的条件为：温度为30℃～90℃，时间为1h～3h，真空度为-0.1MPa～-0.07MPa。

进一步可选的，所述减压旋蒸的条件为：温度为60℃～70℃，时间为1h～2h，真空度为-0.1MPa～-0.09MPa。

优选的减压旋蒸条件，有利于将离子液体混合物中杂质和水分除去。

可选的，所述甲胺溶液为甲胺水溶液或甲胺甲醇溶液。

可选的，所述甲胺水溶液中甲胺的浓度为5wt％～70wt％。

进一步可选的，所述甲胺水溶液中甲胺的浓度为30wt％～50wt％。

可选的，所述甲胺甲醇溶液中甲胺的浓度为5wt％～70wt％。

进一步可选的，所述甲胺甲醇溶液中甲胺的浓度为25wt％～40wt％

优选的甲胺溶液可为甲胺水溶液或甲胺甲醇溶液，有利于促进甲酸与甲胺进行反应，还扩大了原料的选择空间，降低了离子液体的合成难度。

可选的，步骤一中，所述反应的湿度条件为0RH％～80RH％。

本申请反应条件温和，可在一定湿度条件下进行，避免氮气吹扫干燥环境的营造，简化反应条件。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的甲酸和甲胺合成离子液体的合成路线；

图2是本发明实施例提供的合成离子液体的装置示意图，

其中，1、注射器，2、超声发生器，3、温度计，4、三口烧瓶。

图3是本发明实施例1提供的离子液体的红外谱图；

图4是本发明实施例1提供的离子液体的核磁氢谱图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本发明实施例提供一种甲酸甲胺离子液体的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一、按照甲酸与甲胺的摩尔比为1:1.2进行计量，参考图2的装置示意图，将浓度为40wt％的甲胺水溶液加入到三口烧瓶4中，将所述甲酸加入到注射器1中，甲酸开始注射时，即设置超声发生器2的温度为20℃，频率为25KHz，功率为1.5KW，注射完毕后，反应15min，得离子液体混合物，其中，甲酸的注射速度为6mL/min；

步骤二、将所述离子液体混合物于温度为60℃、真空度为-0.1MPa的条件下进行减压旋蒸2h，得甲酸甲胺离子液体MAFa，收率为98.8％，纯度为99.4％。

将上述制备的甲酸甲胺离子液体进行红外分析，红外谱图如图3所示。从图3中可以看出，红外谱图中分别出现了：N-H的伸缩振动峰、C-H伸缩振动峰、N-H弯曲振动峰和C-H弯曲振动峰，其均为离子液体MAFa的主要红外特征峰，由此说明实施例1制备的离子液体即为甲酸甲胺离子液体MAFa。

将上述制备的甲酸甲胺离子液体进行磁氢谱测试，结果如图4所示。从图4中可以看出，峰1代表与甲胺氮原子相连的氢原子，峰2代表与羧基碳原子相连的氢原子，峰3和峰4均代表与甲胺碳原子相连的氢原子，由此说明实施例1制备的离子液体即为甲酸甲胺离子液体MAFa。

将上述制备的甲酸甲胺离子液体通过卡尔费休水分测试仪，测定其水含量为0.5％。

实施例2

本发明实施例提供一种甲酸甲胺离子液体的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一、照甲酸与甲胺的摩尔比为1:1进行计量，参考图2的装置示意图，将浓度为33wt％的甲胺甲醇溶液加入到三口烧瓶4中，将所述甲酸加入到注射器1中，甲酸开始注射时，即设置超声发生器2的温度为25℃，频率为20KHz，功率为2KW，注射完毕后，反应30min，得离子液体混合物，其中，甲酸的注射速度为9mL/min；

步骤二、将所述离子液体混合物于温度为65℃、真空度为-0.095MPa的条件下进行减压旋蒸2h，得甲酸甲胺离子液体MAFa，收率为98.2％，纯度为99.0％。

将上述制备的甲酸甲胺离子液体通过卡尔费休水分测试仪，测定其水含量为0.8％。

实施例3

本发明实施例提供一种甲酸甲胺离子液体的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一、按照甲酸与甲胺的摩尔比为1:1.1进行计量，参考图2的装置示意图，将浓度为35wt％的甲胺甲醇溶液加入到三口烧瓶4中，将所述甲酸加入到注射器1中，甲酸开始注射时，即设置超声发生器2的温度为30℃，频率为25KHz，功率为3KW，注射完毕后，反应20min，得离子液体混合物，其中，甲酸的注射速度为3mL/min；

步骤二、将所述离子液体混合物于温度为70℃、真空度为-0.09MPa的条件下进行减压旋蒸1h，得甲酸甲胺离子液体MAFa，收率为98.5％，纯度为99.2％。

将上述制备的甲酸甲胺离子液体通过卡尔费休水分测试仪，测定其水含量为0.6％。

实施例4

本发明实施例提供一种甲酸甲胺离子液体的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一、按照甲酸与甲胺的摩尔比为1:1.3进行计量，参考图2的装置示意图，将浓度为70wt％的甲胺水溶液加入到三口烧瓶4中，将所述甲酸加入到注射器1中，甲酸开始注射时，即设置超声发生器2的温度为20℃，频率为100KHz，功率为0.1KW，注射完毕后，反应20min，得离子液体混合物，其中，甲酸的注射速度为1mL/min；

步骤二、将所述离子液体混合物于温度为30℃、真空度为-0.07MPa的条件下进行减压旋蒸3h，得甲酸甲胺离子液体MAFa，收率为98.4％，纯度为99.2％。

将上述制备的甲酸甲胺离子液体通过卡尔费休水分测试仪，测定其水含量为0.6％。

实施例5

本发明实施例提供一种甲酸甲胺离子液体的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一、按照甲酸与甲胺的摩尔比为1:1.5进行计量，参考图2的装置示意图，将浓度为5wt％的甲胺水溶液加入到三口烧瓶4中，将所述甲酸加入到注射器1中，甲酸开始注射时，即设置超声发生器2的温度为25℃，频率为130KHz，功率为0.5KW，注射完毕后，反应20min，得离子液体混合物，其中，甲酸的注射速度为3mL/min；

步骤二、将所述离子液体混合物于温度为90℃、真空度为-0.09MPa的条件下进行减压旋蒸2h，得甲酸甲胺离子液体MAFa，收率为98.7％，纯度为99.1％。

将上述制备的甲酸甲胺离子液体通过卡尔费休水分测试仪，测定其水含量为0.7％。

实施例6

本发明实施例提供一种甲酸甲胺离子液体的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一、按照甲酸与甲胺的摩尔比为1:1.2进行计量，参考图2的装置示意图，将浓度为70wt％的甲胺甲醇溶液加入到三口烧瓶4中，将所述甲酸加入到注射器1中，甲酸开始注射时，即设置超声发生器2的温度为30℃，频率为70KHz，功率为0.8KW，注射完毕后，反应45min，得离子液体混合物，其中，甲酸的注射速度为9mL/min；

步骤二、将所述离子液体混合物于温度为70℃、真空度为-0.09MPa的条件下进行减压旋蒸2h，得甲酸甲胺离子液体MAFa，收率为98.5％，纯度为99.1％。

将上述制备的甲酸甲胺离子液体通过卡尔费休水分测试仪，测定其水含量为0.7％。

为了更好的说明本发明的技术方案，下面还通过对比例和本发明的实施例做进一步的对比。

对比例1

本对比例提供一种甲酸甲胺离子液体的制备方法，将超声发生器2的温度设置为15℃，其余条件与实施例1一致，不再赘述。

本对比例得到的离子液体的收率为89.7％，纯度为92.4％。

将上述制备的甲酸甲胺离子液体通过卡尔费休水分测试仪，测定其水含量为0.7％。

对比例2

本对比例提供一种甲酸甲胺离子液体的制备方法，将超声发生器2的温度设置为35℃，其余条件与实施例1一致，不再赘述。

本对比例得到的离子液体的收率为82.7％，纯度为94.4％。

将上述制备的甲酸甲胺离子液体通过卡尔费休水分测试仪，测定其水含量为0.6％。

实施例2～6制备的离子液体进行红外和氢谱分析，均达到与实施例1相同的测试结果，由此说明，实施例2～6制备的离子液体均为甲酸甲胺离子液体MAFa。

只要甲胺溶液、旋蒸条件、湿度条件、甲酸和甲胺的摩尔比、功率、频率和温度在本发明优选的范围内，均可达到本发明实施例1～6中的相同或相应的技术效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。