열처리 조건 및 광 조사에 따른 이미다졸계 이온성 액체의 색변화

Abstract

Recently ionic liquids have attracted attention as a solvent to replace the toxic highly organic solvent to save environment through using green solvents. Ionic liquids have low volatility, minor toxicity, stability in the liquid state at high temperature, thus there is no comparable candidate in terms of environment friendly solvents. However, the high temperature stability of ionic liquids should carefully be investigated to substitute the organic solvent in industrial processes. A few research showed the darkened color change of ionic liquids at elevated temperature, the exact mechanism is not fully understood yet. We investigated color change mechanism of imidazolium based ionic liquids according to temperature, atmosphere, and UV irradiation. Mass variation of the ionic liquid corresponding to the temperature was analyzed by thermogravimetric analyzer(TGA). Imidazolium based ionic liquids of [C2mim][TFSI], [C8mim][TFSI], [C12mim][TFSI], which have different alkyl chain length, were used. The color change was evaluated by UV-visible spectrophotometer. The structure change was verified by pH measurements and NMR. As the temperature and oxygen concentration increase, the color of the ionic liquid turns to dark brown. The pH number was lowered according to color darkening. [C8mim][TFSI] showed faster color change compared to [C2mim][TFSI]. Color change of [C12mim][TFSI] was slower and light brown despite long alkyl chain than [C8mim][TFSI]. The color change is strongly related to the thermal stability. Coulombic packing by symmetry affects the thermal stability larger than Van der Waals force generated by the alkyl chain. The deprotonation of the 2-position of the cation was revealed to cause the color change by the pH measurement and the NMR measurement. To turn back to original color, ionic liquid was illuminated by UV-A (352nm), UV-B (306nm), and UV-C (254nm). UV-B (306nm) was proved to be effective to returning color compared to UV-A and UV-C because absorption wavelength (330nm) of imidazole is similar to UV-B. This research might enlarge application of ionic liquid in chemical processes by providing color change mechanism of imidazolium based ionic liquids according to temperature, atmosphere, and UV irradiation. |최근 녹색성장과 함께 녹색용매에 대한 관심이 높아지면서 유해성이 높은 유기용매를 대체할 용매로 이온성 액체가 주목받고 있다. 이온성 액체는 휘발성이 낮고 독성이 적으며 고온에서도 액체 상태로 안정하기 때문에 친환경적인 용매로 손색이 없다. 그러나 산업공정에서 유기용매를 대체하기 위해서는 이온성 액체의 안정성이 검증되어야 한다. 현재 이온성 액체에 대한 많은 연구가 진행되고 있지만 색변화에 대한 정확한 메커니즘은 규명되지 못하고 있다. 본 연구에서는 열처리 조건 및 광 조사에 따른 이미다졸계 이온성 액체의 색변화에 관하여 고찰하였다. 이온성 액체는 양이온의 알킬 체인 길이가 다른 [C2mim][TFSI], [C8mim][TFSI], [C12mim][TFSI] 세 종류를 사용하였다. 이온성 액체의 온도에 따른 질량 변화는 열 중량분석(TGA)으로 분석하였고, 색변화는 분광 광도계, 구조변화는 NMR, pH 변화는 리트머스 종이와 pH meter로 분석하였다. 온도와 산소의 농도가 증가할수록 이온성 액체의 색은 짙은 갈색으로 변하였다. pH수치는 이온성 액체의 색변화가 짙어질수록 산성화되었다. 색의 변화는 [C8mim][TFSI] > [C12mim][TFSI] > [C2mim][TFSI] 순으로 나타났다. 색변화는 열 안정성과 비례하고 열 안정성은 대칭성에 의한 coulombic packing이 알킬 체인에 의해 발생하는 Van der Waals 힘 보다 영향이 크다는 것을 알 수 있다. 색변화의 원인은 pH 측정과 NMR 측정을 통하여 양이온의 2-position의 탈 양성자로 확인하였다. 색 변화된 이온성 액체의 색을 가역하기 위해 UV-A(352nm), UV-B(306nm), UV-C(254nm) 램프로 광 조사하였다. 이미다졸의 흡수파장(330nm)을 포함하는 UV-B(306nm) 램프로 조사한 이온성 액체에서 연한 갈색으로 색깔이 옅어지는 것을 확인하였다. 열처리 온도 및 분위기에 따른 색변화의 메커니즘을 제시함으로써 화학공정에서 이온성 액체가 다양한 용도로 활용될 것으로 기대한다.