咪唑基离子液体捕获甲苯的分子机制研究：阴离子选择与烷基链调控的协同效应

本研究针对挥发性有机物(VOCs)污染治理难题，通过理论计算系统探究了[BF4]-、[PF6]-和乙酸根阴离子配位的咪唑基离子液体(ILs)捕获甲苯的分子机制。发现乙酸基ILs具有最高相互作用能和结合能，且烷基链延长可增强捕获效能，为设计高效VOCs吸收材料提供了理论依据。

　　

随着工业化进程加速，挥发性有机物(VOCs)污染已成为威胁环境和人类健康的重大挑战。其中，甲苯等芳香族VOCs作为汽油添加剂和工业溶剂的主要成分，不仅参与光化学反应形成二次污染物，更被证实具有致癌风险。传统吸附剂和有机溶剂在VOCs处理中存在效率低、二次污染等问题，而具有"可设计溶剂"之称的离子液体(ILs)因其近乎零蒸气压、高热稳定性等特性，被视为突破性解决方案。然而，如何通过分子设计优化ILs对特定VOCs的捕获效能，仍是亟待解决的科学问题。

沙希德·查姆兰大学的研究团队在《Journal of Molecular Graphics and Modelling》发表研究，采用量子化学计算方法系统探究了三种阴离子（乙酸根、四氟硼酸根[BF₄]^-、六氟磷酸根[PF₆]^-）配位的咪唑基ILs与甲苯的相互作用机制。通过结合分子静电势分析(MEP)、自然键轨道理论(NBO)和非共价相互作用指数(NCI)等多尺度模拟技术，揭示了阴离子类型与烷基链长度对捕获效率的调控规律。

主要技术方法
研究采用PM3半经验算法进行构象搜索，RB3LYP/6-311++G(d,p)水平优化几何结构。通过计算相互作用能和结合能评估捕获效能，利用Multiwfn程序生成MEP表面，NBO分析电荷转移，NCI方法可视化弱相互作用区域。

结果与讨论
Computational methods
构建了包含[C_nmim]⁺(n=2,4,6,8)阳离子的12种ILs模型，采用色散校正的ωB97XD方法处理π-π堆积作用。

Results and Discussion
几何分析显示乙酸根ILs中阴离子与咪唑环共平面，而[BF₄]^-/[PF₆]^-体系呈非平面构型。能量计算表明乙酸基ILs的相互作用能(-58.2 kJ/mol)显著高于[BF₄]^-₆]-

Conclusions
研究证实阴离子的氢键受体能力是决定捕获效能的关键因素，乙酸根通过强氢键和静电作用实现高效捕获。MEP显示咪唑环C2-H区域是主要作用位点，NCI证实烷基链增长可增强范德华作用。该发现为定向设计VOCs捕获材料提供了分子水平指导。

这项研究的创新性在于建立了"阴离子特性-烷基链长度-捕获效能"的定量构效关系，不仅解决了ILs筛选的盲目性问题，更推动了绿色溶剂在环境治理中的应用。通过理论预测乙酸基ILs的优越性能，避免了大量实验试错，为开发新一代VOCs处理技术奠定了理论基础。