低共熔溶劑制備及應用的研究進展

韋少輝，楊世平，蒙啟洋，詹阿慧，李堅斌

（廣西大學輕工與食品工程學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

低共熔溶劑（DESs）是一種對環境友好的溶劑，有其獨特的化學性質和特點。DESs是通過混合2種或3種氫鍵受體（HBA）和氫鍵供體（HBD），并按照特定的摩爾比進行組合而成。這類溶劑的凝固點顯著低于各物質純組分的熔點，這是由于共晶體或低共熔分子的形成使原單組分分子的晶格發生畸變，晶格能下降，造成熔點下降，在室溫下呈現液體狀態［1］。在一般化學工藝中，經常使用溶劑來溶解反應物、改變反應物的化學特性、提取和洗滌產品、分離混合物。一般有機溶劑盡管有許多優點，但普遍對環境有害，且具有急性或慢性毒性、致癌性、生態毒性和不可生物降解性［2，3］。為確保人類的生命健康和生態環境不受有害有機揮發性溶劑的影響，科研人員努力開發出可替代的綠色反應介質。近年來，由生物相容性佳的天然物質（如膽堿、氨基酸和糖等）所合成的天然低共熔溶劑（NADESs）因組分材料價廉易得、無毒環保、易生物降解等特點，在萃取分離應用方面受到廣泛關注。孫浩原［4］的研究表明，DESs中的氫鍵網絡結構有利于提高目標提取物的穩定性，故有望取代有機溶劑和離子液體，應用在生物分離過程中。

1 DESs的制備方法研究

由于制備方法的溫度、壓力、水含量存在差異，不同制備方法對DESs的最終狀態會產生影響，進而影響其理化性質和穩定性。雜質也可能會影響DESs的穩定性，導致溶劑作用效果減弱，且不同類型的HBA和HBD會使制成的DESs具有特定的理化性質。由于上述原因，使用相同原料在不同方法下制備的DESs穩定性和純度都會有一定差別，甚至是在給定制備方法下得到的DESs，在實際應用中仍然會存在性能差異。因此，制備DESs時需要選擇合適的方法，才能獲得預期效果。以下主要比較4種DESs制備方法［5，6］。

1.1 加熱制備方法

加熱制備技術是制備DESs最常用的方法，操作步驟最簡單。如果DESs的組分為干燥化合物且具備較好的熱穩定性時，可采用加熱法制備。在該方法中，通常是將DESs的HBA和HBD混合并均勻加熱，直到獲得均勻透明的液體。根據Smith等［7］的報道，適合合成DESs的溫度低于100 ℃，混合時間為60～90 min。HBA和HBD的摩爾比、加熱溫度和混合持續時間均可調整；Xin等［8］分別以1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5 和1∶6 的摩爾比將海藻糖和氯化膽堿（ChCl）在80 ℃下混合加熱，最終制得透明的DESs。

1.2 研磨制備方法

當使用ChCl和羧基酸（R-COOH）作為DESs的組分時，ChCl中的Cl原子和羧基酸中的-COOH之間在高于100 ℃的溫度下可能發生反應并生成酯和鹽酸之類的雜質。為避免形成雜質，Florindo等［9］發明了室溫下的研磨制備方法：將各組分在帶有研杵的研缽中研磨，在持續混合下各組分相互反應形成DESs。盡管生成的DESs比通過加熱制備方法合成的產品更純凈，但操作比加熱制備方法復雜。

1.3 旋轉蒸發制備方法

與上述2種方法不同，旋轉蒸發制備方法需要3種組分。第3種成分是像水這樣的溶劑。首先將HBA和HBD全部溶解在溶劑中，再置于旋轉烤箱內，使混合物在一定溫度下蒸發掉大部分水分和溶劑，以獲得均勻透明的DESs液體，獲得的液體可保存在硅膠干燥器中并進一步脫水以達到恒定重量［10］。Wikene等［11］將3種組分溶于溫水中，并在45 ℃下用旋轉蒸發器蒸發15 min制得NADESs。

1.4 冷凍干燥制備方法

冷凍干燥制備方法是應用最少的方法，一般是將DESs每種組分的水溶液混合，然后將最終混合物在不同溫度下冷凍干燥，以獲得均勻、黏稠的液體［12］。這種方法無法從DESs結構中除去所有水分子，并且水分子可能與DESs的組分反應，因此很少使用。Gutierrez等［13］將尿素和ChCl的水溶液以2∶1的摩爾比進行混合，將制得的水溶液冷凍，然后冷凍干燥，最后得到透明的DESs。

2 DESs的應用研究

在過去的20年里，作為一種新型綠色溶劑，DESs靈活的組成成分使其產生了多樣的特性，因而具有多種應用價值，以下簡要介紹其三大應用。

2.1 DESs在溶解和分離中的應用

由于DESs能提供或接受電子或質子以形成氫鍵，因此DESs有良好的溶解性能。在許多研究中，DESs作為添加劑應用于多糖等天然產物的加工過程中，或用于溶解、提取和分離其他生物活性化合物［14］。

2.1.1 溶解金屬氧化物

在金屬分離和回收領域，DESs作為一種重要的新型溶劑可用于溶解各種金屬氧化物。Abbott等［15］曾利用尿素、丙二酸和乙二醇這3種物質作為HBA分別與ChCl組成DESs（后文用HBA/HBD表示對應組分制備的DESs），將其用于測定元素周期表中鈦到鋅范圍內金屬組成的17種常見金屬氧化物的溶解度，結果顯示，在使用尿素和乙二醇作為HBA的DESs中，金屬氧化物的溶解度高于傳統金屬氧化物溶劑，這為冶金工藝提供了新思路。且DESs還可回收利用，這更有利于其在冶金工業的應用。

2.1.2 溶解藥物

目前，對DESs溶解性的研究主要集中在對金屬氧化物的溶解上，關于DESs溶解有機大分子的研究非常少。Gutierrez等［16］用DESs、普通緩沖溶液和水分別溶解難溶性藥物，試驗結果表明DESs對難溶性藥物的溶解效果較普通緩沖溶液和水明顯更強；Morrison等［17］檢測了苯甲酸、灰黃霉素等難溶性藥物在尿素/ChCl和丙二酸/ChCl中的溶解度，在純DESs（摩爾比75∶25）、DESs和水的混合物（摩爾比50∶50）和純水中測量溶解度，模型藥物在純DESs（尿素/ChCl和丙二酸/ChCl）中的溶解度是在純水中的5～22000倍，而單獨使用尿素、ChCl或丙二酸的水溶液不會導致藥物溶解度增加，說明DESs有促進藥物溶解的作用。

2.1.3 提純生物柴油

DESs具有高極性，可以用來溶解甘油等極性溶劑，所以也被用于從生物柴油原料中分離殘余甘油。作為化石能源的可再生替代品，生物柴油的應用受到廣泛關注。生物柴油是通過植物油與甲醇或乙醇中的酯交換反應產生，在該反應中，甘油作為副產物被釋放。甘油的極性很強，其粘度大的特性會對柴油發動機高壓噴射系統造成損害，因此需要提純［18-20］。Abbott等［21］將ChCl、三甲基乙基二氯化銨（ClEtMe3NCl）、四丙基溴化銨（Pr4NBr）、乙基氯化銨（EtNH3Cl）、乙酰膽堿氯化物（AcChCl）5種季銨鹽與甘油形成的DESs與水進行混溶，從生物柴油混合物中分離出甘油，達到提純目的。

2.2 DESs在催化中的應用

在催化過程中，溶劑需要確保反應物和催化劑之間有更充分的接觸，并且溶劑還會影響后續處理程序和再循環處理方法的選擇，因此溶劑的選擇非常重要。由于具有廉價、安全、離子導電性和高極性等特點，DESs在催化領域得到廣泛應用［22-23］。

2.2.1 酸堿催化

Abbott等［24］研究結果表明MCl2（M=Zn或Sn）/ChCl是某些Diels-Alder反應的有效介質，這是由于此類DESs有著路易斯酸的部分性質，可以顯著提高Diels-Alder反應速度；Sanap和Shankarling［25］研究表明尿素/ChCl和甘油/ChCl可同時用作芳胺N-單烷基化的催化劑和溶劑，尿素/ChCl共晶混合物比甘油/ChCl效果更佳，可能是因為尿素/ChCl堿性更大；在50 ℃下，尿素/ChCl作為催化劑能以70%～89%的產率產出單-N-烷基化胺。

2.2.2 過渡金屬材料催化

Gage等［26］采用摩爾比1∶2的尿素與ChCl合成DESs，將其作為反應介質，添加到乙酸鎳四水合物中，在320～600 ℃范圍內進行熱解，合成了1種能將Ni/Ni3嵌入到氮摻雜碳基質中的納米結構；Cun等［27］以摩爾比1∶2的乙二醇與ChCl制備的DESs作為溶解鋅鹽和固體氫氧化鈉的溶劑，在溶液中以醋酸鋅作為金屬源，通過一種簡便、環保的電離熱法制備均勻的ZnO納米顆粒。上述研究表明DESs作為一種低成本的反應介質，可用于工業規模合成多種專業且使用方式簡便的金屬氮化物催化劑和混合金屬氮化物催化劑。

2.2.3 生物催化

Juneidi等［28］研究了膽堿類DESs作為共溶劑和催化劑在脂肪酶催化水解反應中的應用，研究發現在尿素/ChCl中，酶表現出穩定性，原因在于DESs的氫鍵網絡能削減離子液體對酶的化學反應性；Durand等［29］研究發現，南極假絲酵母脂肪酶B（CALB）在DESs中展示出高活性和高穩定性，與使用水作為共溶劑相比，在戊酸乙酯與1-丁醇的酯交換過程中使用尿素/ChCl作為CALB酶的共溶劑時，CALB酶的穩定性提高了20～35倍。

2.3 DESs在材料制備中的應用

DESs在合成過程中有多種用途，例如：作為溶劑溶解化合物，作為模板劑在合成中引導和控制分子自組裝，作為反應物參與促進化學反應等。由于其凝固點低、穩定性強，DESs在材料的離子熱合成和新型結構設計方面得到廣泛應用。目前，沸石型材料、金屬有機框架、金屬氧化物、納米材料、碳材料等無機材料都采用離子熱合成制造［30-32］。

2.3.1 DESs在電化學中的應用

DESs和離子液體相似，在電化學領域中可被用作金屬電鍍的電解質，也可作為電化學反應和電拋光（即金屬溶解）的溶劑。電解液中包含的金屬（陽離子形式）在陰極被還原成金屬的電沉積，可被廣泛用于功能化表面制造，以獲得印刷工業中耐腐蝕性、可電催化的光活性半導體（光電）電板和電子工業中的工程部件［33-36］。Saravanan和Moham［37］用直流和脈沖電沉積技術研究制備了1種新型的不含鉻絡合劑、光亮劑和應力降低劑的DESs，動電位極化和電化學阻抗譜結果表明，通過脈沖電沉積技術沉積的Co65.44Cr34.55合金與Co80.04Cr19.95-（DCD）和軟鋼基體相比，具有非常高的電荷轉移電阻值和較慢的腐蝕速度；Yang等［38］在DESs（ChCl/尿素，摩爾比為1∶2）中加入0～1200 mg/L煙酸，將金屬鎳通過電沉積到銅基體上，電沉積反應的電流效率接近100%。以上研究證實DESs在電化學實際應用中具有重要價值。

2.3.2 DESs在有機合成中的應用

在有機合成領域，溶劑需要保證催化劑和反應物之間有良好的接觸，溶劑的種類還決定了溶劑回收再利用和攪拌技術的策略選擇。使用DESs代替有機溶劑，綠色環保且能降低工藝成本。Zhang等［39］研究結果表明，在酒石酸/尿素中可以通過Friedlander反應快速合成喹啉衍生物（苯胺和酮的衍生物），并且以高達93%的產率獲得所需目標產物；Azizi和Manocheri［40］報道了在適量硼氫化鈉和室溫條件下，ChCl/尿素可以選擇性還原官能化羰基衍生物和環氧化物，碳酸鈉/尿素可以還原大量環氧化物，所得醇的產率為75%～95%。

3 展望

DESs由于具有低熔點、極高的物理和化學穩定性、出色的溶解能力和極強的可設計性，在學術界引起了研究者的興趣。DESs作為溶劑在物質萃取和分離、生物催化、電化學應用、材料合成和生物醫學等領域有良好的應用前景。由于可制備DESs的化合物種類繁多，預期需求方向不同，因此，保證DESs在制備方法、后續處理方案和實踐應用等方面具有重現性仍是未來研究的首要問題。目前的研究重點集中在不同類型氫鍵為組分的DESs，最常見的是ChCl為組分的DESs，而對采用天然物質制備的DESs研究較少，尤其是對其結構和理化性質的全面探究。目前對DESs的研究尚處在初級階段，在未來一段時間里，對DESs仍需進行更加深入的研究，特別是DESs的合成機理和DESs的深層次應用前景，以期為制備不同性質的DESs探尋適當制備方法，為DESs在各領域的研究和應用提供參考。