離子液體在天然產(chǎn)物化學(xué)中的應(yīng)用

摘

要：首先介紹了離子液體的發(fā)展歷史以及離子液體的種類、特點、制備方法，重點綜述了離子液體在天然產(chǎn)物提取分離中的應(yīng)用，主要分析了離子液體微波輔助萃取分離、離子液體超聲強化萃取分離以及離子液體雙水相萃取分離方面的研究進展，并指出了離子液體在天然產(chǎn)物提取分離的應(yīng)用中存在的問題，介紹了兩種改進方法——固定化離子液體和聚離子液體技術(shù)。其次概括了離子液體在色譜分析中的應(yīng)用，包括氣相色譜、高效液相色譜及毛細管電泳。最后對離子液體在天然產(chǎn)物中的應(yīng)用進行了總結(jié)與展望，指出了其所面臨的挑戰(zhàn)及未來的研究方向。關(guān)鍵詞：離子液體；天然產(chǎn)物；提取分離；色譜分析

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引言離子液體（Ionicliquids，ILs）通常由有機陰離子和無機陽離子構(gòu)成，是一種在室溫或近于室溫下呈液態(tài)的離子化合物，故又稱室溫離子液體。離子液體具有揮發(fā)性極低、不易燃、對熱穩(wěn)定等特點，是一種極具潛力的新型綠色環(huán)保溶劑。同時，離子液體的諸多物化性質(zhì)，如熔點、密度、酸堿性及溶解能力等，可以通過改變陰陽離子或結(jié)構(gòu)而得到調(diào)整，以滿足應(yīng)用中的特殊需求。因此，離子液體技術(shù)受到了各領(lǐng)域研究者的關(guān)注。目前，離子液體已被廣泛應(yīng)用于電化學(xué)、有機合成、催化、提取分離等領(lǐng)域。天然產(chǎn)物的化學(xué)組成復(fù)雜多樣，在萃取分離時大多存在提取效率低、污染大、能耗高等問題，較大地限制了天然產(chǎn)物的發(fā)展。因此，改進天然產(chǎn)物的萃取分離技術(shù)是該領(lǐng)域研究過程中亟待解決的一個關(guān)鍵問題。近年來，離子液體技術(shù)在天然產(chǎn)物化學(xué)的運用越來越受到關(guān)注。本文對離子液體的發(fā)展史進行了概述，在此基礎(chǔ)上分析論述了離子液體在天然產(chǎn)物化學(xué)中的應(yīng)用，指出其在發(fā)展過程中存在的問題及未來的研究方向，以期為該技術(shù)在天然產(chǎn)物化學(xué)方面的應(yīng)用提供借鑒與參考。1

概述1.1

離子液體的發(fā)展歷史離子液體的發(fā)展歷史可以追溯到1914年，當(dāng)時利用濃硝酸和乙胺反應(yīng)制得硝基乙基胺（[EtNH3][NO3]），這是合成的第一個在室溫下呈液態(tài)的有機鹽，但由于其在空氣中很不穩(wěn)定、極易發(fā)生爆炸，它的發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時并沒有引起人們的興趣。1951年，選擇N-乙基吡啶作為陽離子，合成溴化正乙基吡啶和氯化鋁的混合物，這是首次合成的在環(huán)境溫度下為液體狀態(tài)的離子液體。這一發(fā)現(xiàn)為離子液體的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，開創(chuàng)出第一代離子液體，稱為氯鋁酸鹽離子液體。1976年，美國Colorado州立大學(xué)的Robert在進行有機電化學(xué)研究時，發(fā)現(xiàn)所利用的AlCl3/[N-EtPy]Cl電解液——一種室溫離子液體性能很好，可以與有機物混溶，不含質(zhì)子，且電化學(xué)窗口較寬。1992年，相繼合成出二烷基咪唑類四氟硼酸、六氟磷酸等離子液體，該類離子液體具有較強的穩(wěn)定性和抗水性，標志著第二代耐水性離子液體的誕生，此后離子液體的應(yīng)用研究才真正得到廣泛開展。而之后手性離子液體的成功合成，標志著離子液體的研究進入功能化體系，即根據(jù)應(yīng)用需求，設(shè)計并合成具有特定功能的離子液體，如酸性離子液體、堿性離子液體、手性離子液體等。21世紀以后，離子液體研究步入新階段，研究者致力于開發(fā)功能化離子液體——第三代離子液體。如今新型離子液體不斷涌現(xiàn)，應(yīng)用空間持續(xù)擴大，離子液體技術(shù)已成為當(dāng)前極具發(fā)展前途的一項新技術(shù)。1.2

離子液體的種類離子液體通常由無機陰離子和有機陽離子構(gòu)成，通過不同陰陽離子的組合，可合成出多種類型及功能的離子液體。目前，研究較多的離子液體中的陽離子主要是烷基季銨離子（[NRxH4-x]+）、烷基季磷離子（[PRxH4-x]+）、烷基取代咪唑離子（[RR,im]+）、烷基取代吡啶離子（[RPy]+）；而離子液體中的陰離子可分為多核陰離子和單核陰離子，常見的多核陰離子有Al2C17-、Al3C110-、Fe2C17-等，單核陰離子有BF4-、PF6-、SbF6-、InCl3-、CuCl2-、SnCl3-、AlCl4-、N（CF3SO2）2-、N（FSO2）2-、CF3CO2-、CF3SO3-、CH3SO3-等。離子液體按構(gòu)成的陽離子不同可分為季銨鹽類、季磷鹽類、咪唑類、吡啶類；按構(gòu)成的陰離子不同可分為鹵素類、四氟硼酸鹽類及六氟磷酸鹽類等。離子液體還可以根據(jù)在水中溶解性的不同分為親水性離子液體，如[BMIM]BF4、[EMIM]BF4、[EMIM]Cl、[BPy]BF4等；疏水性離子液體，如[BMIM]PF6、[OMIM]PF6、[BMIM]SbF6、[BPy]PF6等。此外，根據(jù)離子液體的酸堿性可將其分為：Lewis酸性、Lewis堿性、Bronsted酸性、Bronsted堿性和中性離子液體。Lewis酸性離子液體是指能夠接受電子對的離子液體；相反，Lewis堿性是指能夠給出電子對的離子液體。Lewis酸性或堿性離子液體主要為氯鋁酸類的。Bronsted酸性離子液體指能夠給出質(zhì)子（或含有活潑酸性質(zhì)子）的離子液體，如[HMIM]BF4；Bronsted堿性離子液體指能夠接受質(zhì)子（或陰離子為OH-）的離子液體，如[BMIM]OH。中性離子液體主要有[BMIM]BF4、[EMIM]BF4。還有一些分類將離子液體分為手性離子液體和非手性離子液體。手性離子液體在光譜識別、色譜分離、不對稱合成催化及其液晶復(fù)合材料等方面具有廣泛的應(yīng)用。1.3

離子液體的特點離子液體作為新型溶劑具有許多突出的優(yōu)點，主要表現(xiàn)在：（1）蒸汽壓極小，不易揮發(fā)，在使用、儲藏中不會蒸發(fā)散失，可以循環(huán)使用，消除了揮發(fā)性有機化合物（VOCs）的環(huán)境污染問題；（2）液態(tài)范圍廣，從低于或接近室溫到300℃以上，均具備熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性；（3）電導(dǎo)率高，電化學(xué)窗口大，可作為許多物質(zhì)電化學(xué)研究的電解液；（4）分子具有可設(shè)計性，可根據(jù)需要設(shè)計合成出功能不同的室溫離子液體；（5）對大量無機和有機物質(zhì)都表現(xiàn)出良好的溶解能力，且具有溶劑和催化劑的雙重功能，可以作為許多化學(xué)反應(yīng)溶劑或催化活性載體。1.4

離子液體的制備離子液體的合成大體上有兩種方法，即直接合成法和兩步合成法。1.4.1

直接合成法親核試劑叔胺（磷）與鹵代烴或者酯類發(fā)生親核加成，或利用叔胺的堿性與相應(yīng)的酸進行中和反應(yīng)，得到目標離子液體。前者發(fā)生的親核反應(yīng)可生成類似季銨鹽鹵化型離子液體，同時它也是合成非鹵化型離子液體的前體。直接合成法具有操作經(jīng)濟簡單、沒有副產(chǎn)物、產(chǎn)品易于提純等特點。1.4.2

兩步合成法陽離子來自上述直接合成法中的季銨離子，然后通過絡(luò)合反應(yīng)、復(fù)分解反應(yīng)、離子交換等方法將鹵素離子用Lewis酸或含有所需陰離子的堿金屬鹽置換，從而制備目標離子液體。兩步合成法的關(guān)鍵是讓復(fù)分解反應(yīng)盡可能徹底，以提高目標產(chǎn)物的收率，方便產(chǎn)物的分離純化。2

離子液體在天然產(chǎn)物提取分離中的應(yīng)用2.1

離子液體萃取機制離子液體對天然產(chǎn)物的萃取機制：（1）離子液體可以與某些有機物的基團發(fā)生氫鍵作用、靜電作用、色散作用等分子間的作用進而實現(xiàn)萃?。唬?）離子液體的疏水性使得其對某些有機物具有良好的溶解能力，離子液體的疏水性主要受其陰、陽離子種類的影響，隨著離子液體疏水性的增強，親油性有機物的分配系數(shù)也相應(yīng)增大。2.2

離子液體微波輔助萃取分離微波輔助萃取的特點主要是快速高效、溶劑用量少、能耗低，而離子液體對微波能量具有良好的吸收效果，故將離子液體作為微波萃取的溶劑，能有效地促進萃取速度和效率，這就體現(xiàn)出離子液體與微波輔助萃取結(jié)合的獨特優(yōu)勢。以[Bmim]Br、[Bmim]BF4、[Hmim]Br、[Hmim]BF4離子液體為提取劑，微波輔助提取酸棗仁中的黃酮。通過單因素試驗，考察了離子液體種類、離子液體濃度、提取時間和液固比對酸棗仁中黃酮含量的影響。結(jié)果顯示：以[Hmim]Br為提取劑，在離子液體濃度V[Hmim]Br/V乙醇為1:6、提取時間15min、液固比60:1（mL/g）條件下，黃酮提取效果較好。另一方面，該方法可大幅縮短提取時間，節(jié)約資源。利用離子液體微波輔助提取虎杖中蘆薈大黃素、大黃酸、大黃酚和大黃素甲醚，并對該工藝進行響應(yīng)面優(yōu)化，確定了虎杖5種蒽醌類成分的最佳提取工藝：加入40倍0.6mol/L的C8[MIM]Br，微波提取功率200W，提取溫度31℃，提取時間8min，此時5種蒽醌類成分總提取率為11.69mg/g。為提取川芎中的洋川芎內(nèi)酯I和H及藁本內(nèi)酯，開發(fā)出一種以離子液體與微波輔助萃取結(jié)合的新方法，使用的離子液體為1-丁基-3-甲基咪唑雙三氟甲基磺酰亞胺鎓鹽（[Bmim]Tf2N）。結(jié)果表明：該方法具有萃取效率高、萃取時間短等優(yōu)勢。比較了不同方法對提取八角茴香、肉桂、連翹中的揮發(fā)油成分的影響。結(jié)果顯示，與其他傳統(tǒng)方法相比，離子液體微波輔助萃取法所得揮發(fā)油在含量上沒有明顯差別，但提取時間最短，溶劑和樣品使用量更小，操作更加簡便。利用離子液體微波輔助萃取技術(shù)提取蓮子心中的3種酚性生物堿。研究表明：離子液體是微波萃取技術(shù)的良好溶劑，其萃取效率明顯優(yōu)于甲醇等有機溶劑，具有快速、高效等優(yōu)點。2.3

離子液體超聲強化萃取分離超聲波的空化作用使得超聲提取具有相間傳質(zhì)速率快、提取溫度低的優(yōu)點，而離子液體具有揮發(fā)性極低以及結(jié)構(gòu)可設(shè)計的特性，因而基于離子液體的超聲輔助萃取有利于強化對某些熱不穩(wěn)定的中藥資源性化學(xué)成分的快速高效提取。合成了一系列C2～C12咪唑溴銨類離子液體，將其與超聲輔助提取技術(shù)結(jié)合萃取甘草中的異甘草素、甘草苷及甘草酸。結(jié)果顯示：以[Bmim]Br為萃取劑，有效成分的提取率可達90%以上。比較了一系列不同陰陽離子組合的1-烷基-3-甲基咪唑類離子液體超聲輔助提取人參皂苷的效率。結(jié)果表明：改變離子液體中的陰離子對提取的影響并不顯著，而有機陽離子的烷基鏈長度是主要影響因素，以C-3為最佳，在優(yōu)化的提取條件下，[C3mim]Br對人參總皂苷的提取量達到17.81mg/g，比超聲法提取效率提高了3.16倍，時間縮短33%。在香豆素的提取中也運用了相同的原理，他們研究了不同烷基結(jié)構(gòu)咪唑溴鹽離子液體對秦皮中總香豆素提取的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)離子烷基鏈碳數(shù)目大于4時，提取效率降低，其原因可能是隨著烷基碳鏈增長，離子液體中的陽離子極性降低，空間位阻增大，使其與目標活性物質(zhì)之間的作用力減弱，從而導(dǎo)致提取效率降低。以離子液體為萃取劑，采用超聲技術(shù)輔助提取籽瓜中的果膠，考察了超聲功率、超聲時間、提取溫度、料液比等因素，并進行了響應(yīng)面優(yōu)化實驗，以果膠提取液中半乳糖醛酸的含量高低作為評價標準。結(jié)果顯示：該法所得果膠含量更高，由此推測離子液體能更強地破壞植物細胞壁，從而減小有效成分的傳質(zhì)阻力。此外，離子液體超聲強化萃取技術(shù)還被應(yīng)用于黃酮、總生物堿等有效成分的提取方面。

2.4

離子液體雙水相萃取分離離子液體雙水相體系是通過向親水無機鹽溶液加入親水性離子液體而形成的。離子液體雙水相體系具有使用溫度及酸度范圍廣、黏度相對較低、分相迅速、界面清晰、萃取過程不發(fā)生乳化現(xiàn)象、環(huán)境友好等優(yōu)點。比較了[Bmim]BF4/（NH4）2SO4和[Bmim]BF4/NaH2PO4這兩種室溫離子液體雙水相體系萃取葛根素的性能，發(fā)現(xiàn)在離子液體中加入醇有利于提高葛根素的萃取率。以親水性離子液體溴化N-丁基吡啶（[BPy]Br）和磷酸氫二鉀形成的雙水相體系結(jié)合微波輔助萃取技術(shù)提取姜黃中的姜黃素類化合物，在正交試驗確定的最佳工藝條件下，姜黃素得率達4.99%，遠高于傳統(tǒng)熱回流法的得率（0.042%）。離子液體雙水相萃取技術(shù)在食用色素的提取上也是一項新技術(shù)。運用親水性離子液體四氟硼酸1-丁基-3-甲基咪唑（[Bmim]BF4）和NaH2PO4形成的雙水相體系對莧菜紅進行萃取分離研究。結(jié)果表明：NaH2PO4加入量在2～2.5g，離子液體量在1.0～2.0mL，莧菜紅溶液量在1.5mL，溶液酸度pH在4～6時，離子液體雙水相體系對莧菜紅有較高的萃取率。比較了不同離子液體與K2HPO4形成的雙水相體系對菜籽蛋白提取的影響，以選取最佳離子液體雙水相體系。結(jié)果顯示：[Bmim]Cl/K2HPO4為最佳離子液體雙水相體系，在最優(yōu)工藝條件下，菜籽蛋白提取率達99.1%。由此可見，離子液體雙水相體系在生物活性物質(zhì)的提取方面具有較好效果，同時該研究也為進一步放大實驗或規(guī)?；a(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。2.5

存在問題及技術(shù)改進2.5.1

固定化離子液體疏水性離子液體可直接萃取中藥及天然產(chǎn)物化學(xué)成分，但與水的直接接觸，會導(dǎo)致少部分離子液體溶解于水中，造成損失。固定化離子液體是通過物理吸附、包埋或化學(xué)鍵合的方法將離子液體填充入多孔無機或有機載體的空隙形成的液體膜。離子液體的固定化，一方面可以解決離子液體在提取物中有殘留和毒性的問題，使其在食品、生命科學(xué)及醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用更為安全；另一方面，可以減少離子液體的流失，在與提取物的分離、溶劑交叉污染及回收重復(fù)利用等方面也具有明顯的優(yōu)勢。利用N-甲基咪唑鍵合硅膠固定化離子液體（SilprMim）吸附黃酮類化合物。結(jié)果表明：SilprMim對染料木素、木犀草素及槲皮素的飽和吸附量均超過47mg/g，吸附效率達90%以上；采用甲醇作為洗脫劑，可實現(xiàn)染料木素、木犀草素、槲皮素的順序洗脫，染料木素、木犀草素及槲皮素的解吸率均超過83%。同時，該研究者還利用SilprMim富集分離金邊瑞香中的雙黃酮和雙白瑞香素，使得分離富集能力較之前有了很大的提高，通過考察SiO2·Im+·Cl-、SiO2·Im+·BF-、SiO2·Im+·PF6-這三種SilprMim對活性成分富集分離能力的差異，發(fā)現(xiàn)不同的SilprMim對富集分離有較明顯的影響，因此在研究過程中要選擇合適的SilprMim。此外，根據(jù)Cl、B元素在洗脫組分中的殘留量，推測出固定化離子液體殘留量約為68.6ppm、67.7ppm，其對有效成分的影響還有待考察，在SilprMim循環(huán)使用第三次時，預(yù)富集分離能力明顯降低。研究發(fā)現(xiàn)固定化離子液體對八角茴香中的莽草酸具有良好的吸附特性，在采用SiO2·Im+·Cl-對八角茴香中的莽草酸進行富集分離時，相比大孔吸附樹脂和硅膠柱色譜，其吸附速率和吸附量均有所提高，富集率高達80.34%。2.5.2

聚離子液體離子液體價格較高，較高的黏度使其不利于回收，且要分離所獲產(chǎn)物中殘留的離子液體較為困難，需用有機溶劑或超臨界CO2進行反萃。另外，負載的離子液體在操作過程中也容易流失，每次萃取后都需重新負載，離子液體還存在一定的生物毒性，這些缺點使離子液體的進一步開發(fā)利用面臨著較大的挑戰(zhàn)。聚離子液體（PIL）材料是在組成上含有陰、陽離子基團的聚合物。它可以保留離子液體的優(yōu)良特性，同時具有易回收、方便負載和毒性小等特點。目前，研究應(yīng)用較為廣泛的是聚咪唑陽離子型離子液體。2008年，將聚乙烯基咪唑雙[（三氟甲基）磺酰基]酰亞胺鹽聚離子液體負載在纖維上，用于固相微萃取，成功地從酒類中分離脂肪酸甲酯和酯類物質(zhì)。這一應(yīng)用體現(xiàn)了PIL具備良好的化學(xué)性能和熱穩(wěn)定性、較優(yōu)的分離效率及較長的使用壽命等優(yōu)點。但是，PIL研究時間較短，還存在許多需要改進的方面。首先，需要系統(tǒng)了解、掌握其與天然產(chǎn)物化學(xué)成分間相互作用的機理，進一步研究PIL的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，以增加其對分離效率和選擇性影響規(guī)律的認識，指導(dǎo)高效PIL的設(shè)計和定制。其次，要降低其在分離過程中的使用成本，可以從設(shè)計易回收再利用的PIL、開發(fā)廉價的高性能離子液體原料考慮，或從共聚物鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，充分發(fā)揮PIL中IL單元的使用效率，減少PIL中IL的用量。最后，由于PIL熱穩(wěn)定性較差等局限性，還需開發(fā)新型液態(tài)PIL。3

離子液體在色譜分析天然產(chǎn)物中的應(yīng)用3.1

離子液體在氣相色譜方面的應(yīng)用離子液體具有不易揮發(fā)、溶解能力好的優(yōu)點，這些特性使其成為氣相色譜中的獨特固定相。將離子液體涂抹在熔融的毛細管表面，作為氣相色譜的固定相，分離并分析了茴香、肉桂、肉豆蔻的精油成分。結(jié)果表明：改性的離子液體GC色譜柱具有分離極性和非極性的雙重性質(zhì)，并且選用具有2個陽離子的1，9-二（3-乙烯基咪唑）壬烷（NVImNTf2）和雙（三氟甲基）磺?；鶃啺彼狨C9（Vim）2NTf2]作為混合固定相時，對極性和非極性化合物的分離效果比單獨使用聚硅氧烷要好，表明混合固定相之間具有協(xié)同作用。采用一維、二維GC檢測海藻中的脂肪酸成分，對離子液體固定相進行了評價。結(jié)果表明：離子液體固定相與傳統(tǒng)的液體固定相（聚乙二醇及氰基取代的極性固定相）對脂肪酸成分具有相同的分離效能且具有較低的柱流失。在二維GC中，采用非極性的聚二甲硅氧烷柱×極性的離子液體柱對不同鏈長的脂肪酸成分具有非常好的分離效果。3.2

離子液體在高效液相色譜方面的應(yīng)用高效液相色譜（HPLC）的色譜柱中，弱酸性的硅羥基易與堿性樣品結(jié)合而使色譜峰拖尾、峰展寬。咪唑陽離子作為質(zhì)子給予體與柱子內(nèi)壁的硅羥基發(fā)生作用，可有效抑制上述不良影響。疏水性離子液體可取代疏水性溶劑，降低流動相表面張力，使洗脫劑強度增大，從而改善分離。離子液體在HPLC中可用作流動相添加劑或固定相。用[Bmin]BF4作為HPLC流動相添加劑以分離苦參中的5種生物堿。結(jié)果顯示：離子液體不僅能減少拖尾峰的產(chǎn)生，而且對比三乙胺，離子液體對生物堿的保留意向較小，在濃度相同的情況下，能明顯提高分離效率。研究了將1-烷基-3-甲基咪唑離子液體用作流動相的添加劑、C18用作色譜分離柱時，對麻黃堿類化合物分離的影響，由于麻黃堿類是極性的堿性化合物，若流動相中含水將導(dǎo)致色譜峰嚴重拖尾且峰形很寬。當(dāng)使用咪唑基離子液體做添加劑時，峰形、柱效和分離度都得到較大的提高，同時還發(fā)現(xiàn)咪唑陽離子上的烷基鏈和陰離子的類型影響著保留性能和柱效。離子液體作為流動相的添加劑能提高分離效率，且操作安全。另外離子液體也不會影響流動相的pH值。離子液體烷基鏈和色譜柱的硅羥基化學(xué)鍵合固定相，被固載化后與溶質(zhì)之間形成靜電及離子交換等作用，可用于分離有機、無機離子及胺類、酚類、堿基等化合物。制備了3種咪唑離子液體修飾的固定相，用于3個生物堿（咖啡因、茶堿和可可堿）的分離分析。此外，他們還在柱上鍵合咪唑離子液體后，考察了木糖和果糖的保留行為，結(jié)果優(yōu)于傳統(tǒng)的氨基柱的分離效果。3.3

離子液體在毛細管電泳方面的應(yīng)用由于離子液體具有良好的電導(dǎo)率，可以作為毛細管電泳的電解質(zhì)添加劑。其在毛細管表面形成帶電薄膜，兩者間存在的相互作用使得樣品在毛細管中的遷移效果更好，分離效果更強。報道了四乙胺四氟硼酸離子液體及1-烷基-3-甲基咪唑離子液體作為毛細管電泳色譜的泳動液可有效分離葡萄籽中的多酚類化合物，通過改變離子液體的種類及濃度，推測分離的機理是離子液體的陽離子與多酚之間的相互作用，離子液體在毛細管表層形成帶電薄層，咪唑離子液體的陽離子與樣品作用，促進了樣品在毛細管中的遷移，從而達到分離的目的。離子液體還被應(yīng)用在毛細管膠束電泳