深共晶溶媒

深共晶溶媒（DES）は、ルイス酸またはブレンステッド酸と塩基の溶液で、共晶混合物を形成します。^[1]深共晶溶媒は、親成分の構造または相対比を変えることで高度に調整可能であるため、触媒、分離、電気化学プロセスなど、さまざまな用途に使用できます。^{[1] [2]}深共晶溶媒の親成分は複雑な水素結合ネットワークに関与し、その結果、親化合物に比べて凝固点が大幅に低下します。^[3] DESで観察される凝固点低下の程度は、モル比1:2の塩化コリンと尿素の混合物でよく説明できます。塩化コリンと尿素はどちらも室温で固体で、融点はそれぞれ302 °C（分解点）と133 °Cですが、この2つをモル比1:2で混ぜると、凝固点12 °Cの液体になります。^[4] DESは、調整可能性や​​不燃性などイオン液体と類似した特性を共有していますが、イオン液体は個別のイオンのみで構成された純粋な塩であるという点で異なります。^[1]揮発性有機化合物などの通常の溶媒とは対照的に、DESは不燃性であり、蒸気圧と毒性が低いです。^[5]

従来の共晶溶媒は、第四級アンモニウム 塩と、アミンやカルボン酸などの水素結合供与体の混合物です。典型的な例としては、コリンやさまざまな尿素があります。

DESはその構成に基づいて分類することができる: ^[6]

タイプ I 共晶には、1980 年代に広く研究された広範囲のクロロメタレートイオン性溶媒、例えば AlCl ₃ + 1-エチル-3-メチルイミダゾリウム塩化物の混合物に基づくイミダゾリウムクロロアルミネートなどが含まれます。^[7]タイプ II 共晶は、組成がタイプ I 共晶と同一ですが、金属ハロゲン化物の水和形態を含みます。タイプ III 共晶は、第四級アンモニウム塩 (例: 塩化コリン) などの水素結合受容体と、水素結合供与体 (例: 尿素、エチレングリコール) で構成され、金属を含まない深共晶溶媒のクラスが含まれます。^{[2] [8]}タイプ III 共晶は、電着、電解研磨、金属抽出などの金属処理用途で効果的に使用されてきた。タイプIV共晶はタイプIIIと似ていますが、第四級アンモニウム塩の水素結合受容体を金属ハロゲン化物水素結合受容体に置き換え、尿素などの有機水素結合供与体を使用しています。タイプIV共晶はカチオン性金属錯体を生成し、電極表面に近い二重層に高い金属イオン濃度を持たせるため、電着に適しています。^[8]

DES は比較的高い粘度と低いイオン伝導性のため、工業プロセスやデバイスで広く実用化されていません。さらに、親化合物の構造と溶媒機能の関係が理解されていないため、一般的な設計ルールの開発が妨げられています。構造と機能の関係を理解するための作業が進行中です。

天然深共晶溶媒（NADES）はバイオベースの深共晶溶媒であり^{[9] [10]、一般的に植物由来の}一次代謝物である2つ以上の化合物、すなわち有機酸、糖、アルコール、アミン、アミノ酸で構成されています。^{[11] [12] Choi、Spronsen}らによる研究^[11]では、水が溶媒の一部として存在し、液体中に強く保持され、蒸発できないことが示されました。

多くの特性を共有しながらもイオン性化合物でありイオン性混合物ではないビストリフルイミドなどの個別のアニオンに基づく現代のイオン性液体と比較すると、DESは製造コストが安く、場合によっては生分解性である。^[13]そのため、DESは安全で効率的、シンプルで低コストの溶媒として使用できる。

現在までに、DESの用途は数多く研究されている。DESの成分とそのモル比を変えることで、新しいDESを生産することができる。このため、毎年多くの新しい用途が文献に発表されている。^[14] DESの最も初期の用途のいくつかは、DESを電解質として使用する金属の電解仕上げであった。^[15] 安息香酸（溶解度0.82 mol/L）などの有機化合物はDESに非常によく溶解し、これにはセルロースも含まれます。^[16] [1] Archived 2017-03-04 at the Wayback Machineこのため、DESは複雑なマトリックスからそのような材料を抽出するための溶媒として適用されました。ナフサから芳香族炭化水素を分離するための抽出溶媒としてのDESも研究され、2012年に有望な結果が発表されました^{[17] [18]}および2013年に^。[19]

また、バイオディーゼルの製造と精製への応用性についても研究された。 ^{[20] [21]}また、分析のために金属を抽出する能力についても研究された。^[22] 深共晶溶媒にマイクロ波加熱を組み合わせると、DESの溶解力を効率的に高め、大気圧下で生物学的サンプルを完全に溶解するのに必要な時間を短縮することができる。^[23]プロトン伝導性DES（例えば、イミダゾリウムメタンスルホネートと1H-1,2,4-トリアゾールの1:3モル比の混合物、または1,2,4-トリアゾリウムメタンスルホネートと1H-1,2,4-トリアゾールの1:3モル比の混合物（ブレン​​ステッド塩基が水素結合供与体として機能する））は、燃料電池のプロトン伝導体としての用途も見出されていることは注目に値する。^{[24] [25]}

DESは、そのユニークな組成により、溶質の構造と自己組織化に影響を与える有望な溶媒和環境です。たとえば、 DES中のドデシル硫酸ナトリウム（SDS）の自己組織化が最近研究され、DESが水中とは異なるマイクロエマルジョンを形成できることが示唆されました。^{[26]別のケースでは、DES中のポリマー}ポリビニルピロリドン（PVP）の溶媒和は水とは異なり、DESはポリマーにとってより優れた溶媒であるように見えます。^[27]また、溶質の物質の状態に応じて、均質または不均質の混合物が形成されることも示されています。^[28]

DES は、金やその他の貴金属を鉱石から抽出するための、より環境に優しい溶媒として使用できる可能性についても研究されてきました。^[29] DES 溶媒を使用した溶媒抽出作業がいくつか行われており、Chalmersの Mark Foremanは近年このテーマに関する論文をいくつか発表しています。彼は、応用的な観点から電池リサイクルのための溶媒の使用について執筆し^[30]、DES からの金属の溶媒抽出に関するおそらく初めての本格的な研究も発表しました。^{[31] Foreman は、DES の}活性の問題に関する純粋な研究論文も 2 つ発表しており、最初の論文^{[32]では、DES の活性係数が}塩化ナトリウム溶液の値から大きく逸脱しているように見えることを指摘し、後の論文^[33]では、SIT 方程式を使用して DES の活性係数の数学的モデルを示しています。最後に、熱電場における DES の関与は、改良された熱電ポリマーフィルムの合成のために熱電ポリマーに DES を組み込むことによって研究されました。^[34]