论文总字数：27648字

摘 要

表面活性离子液体具有许多重要的应用，但目前的研究还存在一些局限。本论文采用量子化学方法从分子水平上研究含羧酸根表面活性离子液体与溶剂分子的相互作用，不仅能促进表面活性离子液体领域中量子化学方法的应用，也能对表面活性离子液体在气液界面上的吸附提供更好的理论解释。

论文运用密度泛函理论（DFT），优化了不同咪唑阳离子、十二羧酸根阴离子、系列含羧酸根阴离子表面活性离子液体及对应水合物的结构，并对其氢键、电荷变化和结合能进行了分析，以此来研究含羧酸根阴离子表面活性离子液体在气-液界面处的吸附性能。

含羧酸根阴离子表面活性离子液体吸附性能的差异主要取决于其咪唑阳离子、羧酸根阴离子和羧酸根阴离子SAILs的疏水作用和静电作用（静电排斥或静电吸引）。不同咪唑阳离子的烃链长度反映了不同的疏水作用。典型的氢键和典型原子的电荷变化有利于SAILs极性基团之间的静电吸引和静电排斥，进而影响其吸附性能。结合能（D₀）和结合能差（ΔD₀）的变化反映了不同羧酸根阴离子表面活性离子液体在气-液界面处的吸附性能差异。

关键词：羧酸根 表面活性离子液体 表面活性 密度泛函理论计算

Adsorption performance of alkylcarboxylate-based surface active ionic liquids：molecular simulation study

Abstract

Surface active ionic liquids have many important applications, but current research has some limitations. In this paper, quantum chemistry is used to study the interaction between carboxylate surface active ionic liquids and solvent molecules at the molecular level, which can not only promote the application of quantum chemistry methods in the field of surface active ionic liquids, but also theoretically provide a better explanation for the adsorption of surface-active ionic liquids on the gas-liquid interface.

The paper uses density functional theory (DFT) to optimize the structure of different imidazole cations, dodecyl carboxylate anions, a series of alkylcarboxylate-based surface active ionic liquids and corresponding hydrates, and conduct hydrogen bonding, charge change and binding energy in order to study the adsorption performance of alkylcarboxylate-based surface active ionic liquids on the gas-liquid interface.

The difference in adsorption performance of alkylcarboxylate-based surface active ionic liquids mainly depends on the hydrophobic and electrostatic effects (electrostatic repulsion or electrostatic attraction) of their imidazole cations, carboxylate anions and SAILs. The hydrocarbon chain length of different imidazole cations reflects different hydrophobic effects. Typical hydrogen bonds and charge changes of typical atoms are beneficial to electrostatic attraction and electrostatic repulsion between polar groups of SAILs, which in turn affects their adsorption properties. The changes of binding energy (D₀) and binding energy difference (ΔD₀) reflect the difference in adsorption performance of different alkylcarboxylate-based surface active ionic liquids on the gas-liquid interface.

Key words: Alkylcarboxylate; Surface active ionic liquids; Surface active; Density functional theory calculation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 5

1.1. 前言 5

1.2. 表面活性离子液体的研究进展 5

1.2.1. 表面活性离子液体概述 5

1.2.2. 表面活性离子液体的类型 5

1.2.3. 表面活性离子液体的合成 6

1.2.4. 表面活性离子液体的表界面性能 6

1.2.5. 含羧酸根阴离子表面活性离子液体 8

1.3. 分子模拟的研究进展 9

1.3.1. 分子模拟概述 9

1.3.2. 离子液体及表面活性离子液体的分子模拟研究 10

1.4. 本文的立题依据和研究内容 11

1.4.1. 立题依据 11

1.4.2. 研究内容 11

第二章 实验部分 13

2.1. 实验药品与仪器 13

2.1.1. 药品 13

2.1.2. 仪器 13

2.2. 含羧酸根表面活性离子液体的合成 13

2.3. 含羧酸根表面活性离子液体吸附性能的计算模拟 14

第三章 结果与讨论 15

3.1. 系列含羧酸根阴离子表面活性离子液体的优化结构 15

3.2. 咪唑阳离子水合物（[Etmim] (H₂O)_n）的分析 16

3.1.1. 氢键分析 16

3.1.2. 电荷变化分析 18

3.3. 羧酸根阴离子水合物（[C₁₁H₂₃COO]^-(H₂O)_n）的分析 19

3.1.3. 氢键分析 20

3.1.4. 电荷变化分析 22

3.4. 阳、阴离子水合物的总能量（E）、结合能（D₀）、结合能差（ΔD₀） 23

3.5. 系列羧酸根阴离子表面活性离子液体的分析 24

3.1.5. 氢键分析 24

3.1.6. 电荷变化分析 28

第四章 结论 30

参考文献 31

致 谢 35

1. 文献综述
   1. 前言

随着人们环保意识的增强，化工行业也在向着清洁低耗的“绿色化学”方向发展。大多数的化学反应都需要在溶液中进行，而常用的传统有机溶剂易挥发、污染大；同时，伴随着1950年代石油化工行业的发展而兴起的表面活性剂，也面临着同样的环境污染问题。在此情况下，作为一种环境友好型的溶剂和表面活性剂，离子液体得到了广泛的研究与应用。

• 1. 表面活性离子液体的研究进展
     1. 表面活性离子液体概述

离子液体（ILs）是指完全由离子组成并且低温（＜100℃）下呈液态的熔盐物质，一般由有机阳离子和无机或有机阴离子组成^[1]。表面活性离子液体（Surface active ionic liquids，缩写为SAILs）是一种新型功能化离子液体，兼具有离子液体的结构可设计性和表面活性剂形成分子有序聚集体的能力，通过调整阴阳离子组合、烷基取代基链长以及引入不同的功能基团等方法，可以改变离子液体的亲水/亲油性以满足不同的需求^[2]。

• • 1. 表面活性离子液体的类型

根据所带电荷种类，可将表面活性离子液体分为三类：

1. 阳离子型表面活性离子液体：在离子液体的阳离子母体上引入长的疏水基，就形成了阳离子型表面活性离子液体。其结构特征如下：

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