Gemini离子液体（Gemini Ionic Liquids,GILs）是在分子设计理念中融合双子星分子框架和离子液体分子砌块而获得的一类新型离子液体和功能软材料,其分子结构中包含一个通过联接基共价连接的双阳离子和两个单独的阴离子,并显示ILs的独特性能,具有比传统ILs更高的热稳定性、更优良的可设计性。但GILs的主要缺点是熔点高（>100℃）和黏度大,有些甚至在高温下也表现出较高的黏度,这不仅损害了ILs的重要特性,而且导致实际使用过程中传质速率降低和传输成本增加。因此,在保持Gemini分子框架和ILs特性的前提下,能否利用GILs优良的可设计性克服上述不良效应成为亟需解决的科学问题之一。本文试图采用构造非对称GILs的思路解决上述瓶颈问题,即通过对不同阴、阳离子的选择和匹配实现对GILs物化性能的调控,达到降低熔点,调控黏度和溶解性的目标,为其用作溶剂和功能材料提供理论和实践基础。其次,含GILs混合溶液的体积和黏度性质,以及GILs用于糖转化时对糖的高溶解能力也是将GILs用于生物质加工领域所必需的基础数据。此外,功能性GILs作为一种新型Gemini离子液体,其结构是在阴、阳离子中引入一个或多个官能团赋予其除了离子液体性能之外的某种特殊功能或特性,如表面活性、催化性能等。针对上述科学问题和应用需要,本文主要研究内容、结果和结论如下:构造非对称GILs,以期显著降低其熔点和黏度。本文选择三甲基叔胺为阳离子母体,分别与1-甲基咪唑、吡啶、1-甲基哌啶进行匹配,选择双氰胺根为阴离子,经分子设计并合成出3种新型非对称GILs;构造非对称Gemini离子液体表面活性剂,以期充分利用双子表面活性剂和离子液体的优良特性。通过在咪唑环上引入系列链长的直链烷基合成N-烷基咪唑,并与不同链长烷基叔胺进行匹配,设计合成出4种新型非对称Gemini离子液体表面活性剂。通过¹H NMR、¹³C NMR和元素分析确定了上述GILs的化学结构。研究了所设计合成的双氰胺类非对称GILs的物理化学性能,包括熔点、密度、黏度、热容、热稳定性。结果表明,熔点均低于-70℃。密度随温度升高线性降低,计算得到热膨胀系数（α）、标准摩尔体积（V_m）、分子体积（V）、标准熵（S⁰）、晶格势或晶体能(U_POT);黏度随温度的升高而降低,黏度-温度的变化关系符合VTF和mVTF方程;摩尔热容-温度的变化关系以多项式方程定量描述,得到相应热力学函数(相对焓H_T-H_{298.15 K}和相对熵S_T-S_{298.15 K});热稳定性较高,热稳定性大小顺序为:[N₁₁₁C₃MIM][N（CN）₂]₂>[N₁₁₁C₃Py][N（CN）₂]₂>[N₁₁₁C₃MPi][N（CN）₂]₂,提出了双氰胺类非对称GILs热分解模型。实验结果表明非对称GILs的熔点较低,黏度适中,这是由其结构不对称性或结构差距变大,再加上阴离子[N（CN）₂]^-具有较强的配位能力,发生电荷的离域,导致阴阳离子间库仑引力减弱所造成的,证明构造非对称GILs的思路,实现了低熔点、低黏度GILs的设计合成。非对称GILs用作溶剂时,由于价格高,通常需要与分子溶剂混合使用,因此含GILs溶液的体积和黏度性质是进一步研究其他热力学性质和传递特性所必需的基础数据。本文在283.15³33.15 K温度范围内,从超额摩尔体积（V_m^E）和超额黏度（Δε）视角研究了GILs分别与乙腈（MeCN）、甲醇（MeOH）、乙醇（EtOH）、异丙醇（IPA）组成的混合体系偏离理想溶液的行为规律。发现二元混合物与理想溶液间均为负偏差,且存在最低点;极性有机分在离子液体网络结构中的堆积和填充对影响V_m^E的变化起主导作用;分子溶剂与GIL间的溶剂化作用、色散力及异种分子间氢键作用力对Δε的变化起主要作用。V_m^E和Δε随组成的变化关系符合Redlich–Kister模型。混合体系的黏性流动的超额吉布斯自由能(ΔG^*E)结果表明,GILs和溶剂分子间存在较强的相互作用。上述研究结果为从分子间相互作用层面解释混合体系的性质和作用强度方面提供了特别有用的信息,也为GILs工业应用和溶液热力学的研究提供了基本数据和依据。GILs用于糖转化的优势包括对糖的高溶解能力、易回收性、可提供相对温和的反应环境、选择性和产率高等。本文系统研究了D-（+）-葡萄糖和D-（-）-果糖在[N₁₁₁C₃MIM][N（CN）₂]₂、[N₁₁₁C₃Py][N（CN）₂]₂和[N₁₁₁C₃MPi][N（CN）₂]₂中的溶解规律,D-（-）-果糖在三种GILs中的溶解度高于D-（+）-葡萄糖,这与D-（-）-果糖的结构和热特性参数有关。糖分子中的羟基与GILs分子中阴离子间所形成的强的氢键对溶解度影响最大,阳离子基团中的正电荷离域度及阳离子与阴离子之间的库仑相互作用强度也可对GIL溶解单糖能力产生相当大的影响。溶解度-温度定量关系分别符合Apelblat、λh、NRTL、Wilson和UNIQUAC模型,特别是UNIQUAC模型,其平均偏差小于4%。表观热力学函数值(Δ_dissH⁰、Δ_dissS⁰)均为正值,表明D-（+）-葡萄糖和D-（–）-果糖的溶解过程为吸热、焓驱动过程。对单糖在GILs中的溶解过程进行了探讨。上述研究结果为单糖在GILs中的转化过程中GILs的回收及产物的分离提供了基础热力学数据,所建立热力学模型为预测溶解度提供了依据,同时为生物质原料加工工艺过程开发和设计提供了基础。系统研究了Gemini离子液体表面活性剂[N_11nC₃C_nIM][Br]₂（n=10,12,14,16）的表面活性、缓蚀性能以及其与牛血清蛋白（BSA）的相互作用。结果表明Krafft温度随着疏水基中碳原子数目的增加逐渐增加,cmc随着疏水基中碳原子数目的增加而降低,γ_cmc在35 mN·m^–1左右,具有较好的表面活性;Γ_max随着温度的升高而降低。[N₁₁₁₀C₃IMC₁₀][Br]₂、[N₁₁₁₂C₃IMC₁₂][Br]₂和[N₁₁₁₄C₃IMC₁₄][Br]₂的胶束形成过程是熵驱动,而[N₁₁₁₆C₃C₁₆IM][Br]₂为焓驱动。此类表面活性剂为混合型缓蚀剂,主要是抑制阳极。[N₁₁₁₂C₃C₁₂IM][Br]₂/BSA体系的cmc和γ_cmc随着BSA的加入逐渐增加,二者发生了相互作用并且形成了复合物,α-螺旋结构含量发生了变化。此类表面活性剂的Krafft温度明显低于季铵类阳离子表面活性剂,cmc比普通阳离子表面活性剂低1²个数量级,具有较好的缓蚀性能,可造成蛋白质构象的变化,上述研究为将非对称GILs的实际应用拓宽到表面活性剂领域作出了尝试。