论文总字数：32430字

摘 要

本文以AmimCl, EmimCl、EtmimCl、BmimCl, HmimCl、OmimCl和癸烷硫酸钠等为原料，合成含硫酸根阴离子表面活性离子液体。利用高斯软件Gaussian 16W，并结合量子化学方法中的密度泛函理论，来优化含硫酸根阴离子表面活性离子液体与不同水分子的最优化结构，并阐明结构随着水分子数目的增加，极性头电荷、键长、键角的变化。同时计算水合物的结合能、结合能差，对水分子与硫酸根阴离子表面活性离子液体的分子作用机理及作用规律进行总结。

根据实验及分子模拟结果，本文取得以下成果：

1. [Bmim] 和[Etmim] 的烃链长度反映了阳离子间不同的疏水作用，阐明了阳离子取代基对[Bmim][C₁₀H₂₁SO₄]或[Etmim][C₁₀H₂₁SO₄]胶束化的重要作用。
2. 阳离子的原子电荷分布对水分子的进一步水合对[C₁₀H₂₁SO₄]^-阴离子的静电吸引起重要作用。
3. 典型的氢键和原子电荷变化有利于极性基团之间的静电吸引和静电排斥。表面活性离子液体极性群间的静电排斥和静电吸引影响[Bmim][C₁₀H₂₁SO₄]或[Etmim][C₁₀H₂₁SO₄]的CMC值。

（4）结合能D₀和结合能差ΔD₀的变化证实了[Bmim][C₁₀H₂₁SO₄]胶束的形成趋势高于[Etmim][C₁₀H₂₁SO₄]。

关键词：阴离子表面活性离子液体 胶束化 界面性能 密度泛函理论计算

Calculation and Simulation of interfacial properties of surface active ionic liquids containing sulfate

Abstract

In this paper, AmimCl, EmimCl、EtmimCl、BmimCl, HmimCl、OmimCl and sodium decane sulfate were used as raw materials to synthesize sulfate anion surface active ionic liquids. Using Gaussian 16W software and the density functional theory of quantum chemistry method, the optimal structure of the surface active ionic liquid containing sulfate anion and different water molecules is optimized. The changes of the polar charge, bond length and bond angle with the increase of the number of water molecules are explained. At the same time, the binding energy and the difference of binding energy of hydrate were calculated, and the molecular mechanism and law of action of water molecule and sulfate anion surface active ionic liquid were summarized.

Based on experimental data and molecular simulation results, the paper achieved the following results:

1. The hydrocarbon chain length of [Bmim] and [Etmim] reflects the different hydrophobic interaction between cations. The important role of cation substituents in micellization of [Bmim][C₁₀H₂₁SO₄] or [Etmim][C₁₀H₂₁SO₄] is clarified.
2. The atomic charge distribution of cations plays a critical role in the further hydration of water molecules for the electrostatic attraction of [C₁₀H₂₁SO₄]^- anions.
3. The typical changes of hydrogen bond and atomic charge are favorable for electrostatic attraction and repulsion between polar groups. The CMC values of [Bmim][C₁₀H₂₁SO₄] or [Etmim][C₁₀H₂₁SO₄] are influenced by electrostatic repulsion and electrostatic attraction between polar groups of surface active ionic liquids.
4. The change of binding energy D₀ and binding energy differenceΔD₀ confirmed that the formation trend of [Bmim][C₁₀H₂₁SO₄] micelles was higher than[Etmim][C₁₀H₂₁SO₄].

Key words: Anionic surface active ionic liquid；Micellization；Interface performance；Density functional theory calculation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 前言 1

1.2 表面活性离子液体的研究发展 1

1.2.1 表面活性离子液体的概述 1

1.2.2 表面活性离子液体的应用 2

1.2.3 表面活性离子液体的性能 2

1.3 高斯软件进行量子化学分析 3

1.3.1 密度泛函理论计算 3

1.3.2 量子化学研究进展 3

1.3.3 量子化学分析 3

1.4 本文的立题依据和研究内容 4

1.4.1 立题依据 4

1.4.2 研究内容 4

第二章 实验部分 5

2.1 实验药品与仪器 5

2.1.1 实验原料 5

2.1.2 仪器 5

2.2含硫酸根阴离子表面活性离子液体的合成 6

2.2.1 [Etmim][C₁₀H₂₁SO₄]的合成 6

2.2.2 [Bmim][C₁₀H₂₁SO₄]的合成 6

2.2.3 [Amim][C₁₀H₂₁SO₄]的合成 7

2.2.4 [Omim][C₁₀H₂₁SO₄]的合成 7

2.2.5 [Emim][C₁₀H₂₁SO₄]的合成 7

2.2.6 [Hmim][C₁₀H₂₁SO₄]的合成 8

2.3 分子模拟 8

第三章 结果与讨论 9

3.1 分子模拟 9

3.2 咪唑阳离子水合物的分析 10

3.2.1 咪唑阳离子[Etmim] 与不同数量水分子的相互作用 10

3.2.2 咪唑阳离子[Bmim] 与不同数量水分子的相互作用 14

3.3 阴离子水合物的分析 16

3.4 阴离子表面活性离子液体水合物的分析 19

3.4.1 阴离子表面活性离子液体[Etmim][C₁₀H₂₁SO₄]水合物 19

3.4.2 阴离子表面活性离子液体[Bmim][C₁₀H₂₁SO₄]水合物 23

3.5 水合配合物的总能（E）、结合能（D0）、结合能差（ΔD0） 26

第四章 结论与展望 29

4.1 结论 29

4.2 展望 30

参考文献 31

致 谢 34

第一章 文献综述

1.1 前言

近年来，随着环境友好化学处理的挑战日益严峻，离子液体（ILs）在胶体化学、电化学等绿色化学方向有着广泛的应用前景，更重要的是，通过改变阳离子、阴离子和取代基组分，它们的化学和物理性质可以被有效而容易地调整。长烷基链的ILs可以看作是一类新型的两亲性化合物。由于其固有的分子性质，它们被称为表面活性离子液体(SAIL)，可以形成具有特定结构、形状和性质的热力学稳定聚集体^[1]。

阴离子表面活性离子液体（如十二烷基磺酸盐阴离子SAIL）可以由普通咪唑离子液体通过阴离子交换反应制备。阴离子在阴离子SAILs的表面性质中起着重要作用，影响着阴离子SAILs的潜在应用^[2]。以往的研究主要集中在阴离子对阴离子SAILs的表面性质和潜在应用的决定作用上，而很少考虑阳离子对SAILs的影响。然而阳离子，特别是不同取代基、烷基链对阴离子SAILs胶团化或聚集性能的影响值得进一步研究。

1.2 表面活性离子液体的研究发展

1.2.1 表面活性离子液体的概述

功能型SAIL是一种同时具备离子液体和表面活性剂两种性质的表面活性离子液体。随着SAIL在有机合成、纳米技术、生物技术、表面活性剂驱油和石油工业提高采收率等领域的迅速发展，阐明SAIL水溶液的分子结构与性能之间的关系具有十分重要的意义。按照SAILs结构特点，SAILs可细分为阴离子型SAILs（磺酸根、硫酸根等）、阳离子型SAILs（咪唑型、吡啶型等），阴、阳离子表面活性离子液体(缩写为CaSAILs）

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