系列N-烷基吡啶氯盐的合成、表征及在双水相中液/液/固边界线的研究

朱新儒，余垒，张海德

（海南大学食品学院，海南海口570228）

离子液体（ionic liquid）作为一种环境友好的绿色溶剂，它的应用领域从合成化学和催化反应扩展到分离纯化、功能材料、资源环境等诸多领域[1-3]。1951年，Hurley等把N-烷基吡啶加入到在AlCl3中，随后加热这两种固体混合物，发现可以形成透明澄清的液体，即氯铝酸盐离子液体AlCl3-[EPy][Br]，这是室温离子液体的雏型[4]。在这之后，各类离子液体相继合成，尤其是功能性离子液体越来越被学者们关注。离子液体主要由有机阳离子和无机或有机阴离子组合而成。离子液体阳离子类型见图1。

图1 离子液体阳离子类型Fig.1 The cationic type of ionic liquid

如图1所示，其中阳离子类型主要是吡啶、咪唑、季磷、季铵等；阴离子类型有 BF4-、PF6-、CF3COO-、NO3-、ClO4-、Cl-、Br-等[5-8]。

离子液体双水相（ionic liquid aqueous two-phase system，ILATPS）萃取技术，是近年来出现的极有前途的分离新技术[9-11]。王伟涛等[12]运用[C4mim]Br-K2HPO4双水相提取木瓜蛋白酶，酶活性回收率高达91.20%。刘曼[13]运用[C4mim]BF4-（NH4）2SO4双水相萃取红酒中的痕量氯酚类物质，加标回收率为87.73%。这些研究都表明此技术有很好的用途。

对于亲水有机溶剂/盐双水相系统，研究其液/液/固边界线，可以测定双水相中各成相剂的含量，为双水相萃取技术的应用做准备。南二龙[14]以乙醇-（NH4）2SO4体系的液/液/固边界为例，测定了体系中乙醇和（NH4）2SO4的含量。然而，现阶段关于离子液体双水相体系的液/液/固边界线的研究报道很少。

由于离子液体具有蒸汽压低、可操作温度范围宽、热化学稳定性高等独特的理化性能[15-17]，很适合用作分离提纯的溶剂。相对于由聚乙二醇组成的双水相，离子液体双水相的体系黏度低、不易乳化、分相速度更快[18-19]。但是离子液体价格却相当昂贵，它是决定ILATPS萃取技术成本的关键因素，而液/液/固边界线是此技术能否应用的基础。

关于离子液体合成的研究，多是咪唑类，而对于吡啶氯盐离子液体合成的研究较少。徐维元[20]合成的N-辛基咪唑溴盐，产物得率为79.8%，且合成工艺较繁琐；付林林[21]运用两步法合成[BPy]NO3、[BPy]BF4吡啶类离子液体，合成过程成本较高、时间较长。因此，从吡啶氯盐离子液体的合成开始研究，并将其运用于[CnPy]Cl（n=2、4、6）-K2HPO4双水相体系，探究其相图及液/液/固边界线，以此判断3种N-烷基吡啶氯盐的成相能力，可在此类双水相萃取系统的实际应用时，提供相图成相范围选择的依据。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

乙酸乙酯、吡啶、K2HPO4（均为分析纯）：广东西陇科学股份有限公司；1-氯乙烷、1-氯丁烷、1-氯己烷（纯度＞98%）：阿拉丁化学试剂公司；试验用水为超纯水。

FA 2104电子天平：上海舜宇恒平科学仪器有限公司；RE-2000A旋转蒸发器：上海亚荣生化仪器厂；DF-2A集热式磁力搅拌器：常州申光仪器有限公司；WH-866旋涡混合器：太仓市华利达实验设备有限公司；Q100差示扫描量热仪：美国TA Instruments公司；SH 220石墨消解仪：济南海能仪器有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 系列N-烷基吡啶氯盐的一步合成法

参照彭全明等[22-24]方法，安装回流装置，将吡啶和氯代烷（CnH2n＋1Cl，n=2、4、6）按一定摩尔比加入到250 mL圆底烧瓶中，加入100 mL乙酸乙酯做溶剂进行合成反应。合成反应后待温度冷却至室温，观察到烧瓶内出现分层现象，烧瓶底部有晶体析出，将反应液转移至分液漏斗中，过滤掉上层溶液，将下层固液混合物放入旋转蒸发仪，经旋蒸后得到粗产品，用乙酸乙酯洗涤粗产品3次后，将产物真空干燥48 h，得到白色固体物质，即为N-烷基吡啶氯盐。N-烷基吡啶氯盐的一步合成法见图2。

图2 N-烷基吡啶氯盐的一步合成法Fig.2 The one-step synthesis method of N-alkyl pyridine chlorine salt

1.2.2 DSC表征吡啶氯盐产物

运用Q100差示扫描量热仪测定3种吡啶氯盐产物熔点，设定检测温度在0℃～200℃范围内，升温速率为10℃/min，以此判断产物纯度。

1.2.3 双水相相图的测定

参照高向阳等[25]方法，测定相图：在25℃的体系环境下，采用清-浊点辅助相图制作法测定吡啶氯盐离子液体双水相体系的双节线。进一步选取适当的点配制相应浓度的溶液体系，绘制三角相图。分别量取质量分数为 50%的 [C2Py]Cl、[C4Py]Cl、[C6Py]Cl溶液放在10.0 mL小试管中，用移液枪逐滴向小试管中滴加质量分数为35%的K2HPO4溶液，用旋涡混合器振荡，观察到体系出现浑浊点为止。在分析天平上称量后计算出吡啶氯盐离子液体溶液和K2HPO4溶液在浑浊点时对应的质量分数。随后向已浑浊的双水相体系中逐滴加入超纯水，观察到体系又变澄清为止，即出现清点。准确称量后，再向试管中滴加质量分数为35%的K2HPO4溶液，至体系再次变浑浊为止。依次交替加入超纯水和K2HPO4溶液，计算每一个清点、浊点对应的质量分数。

1.2.4 相转变法绘制液/液/固边界线

采用相转变的方法测定液/液/固边界线[26]。取一定质量的K2HPO4，称其质量m0，加入质量为m1的超纯水，振荡，使盐充分溶解，溶液澄清。然后逐滴加入吡啶氯盐[C2Py]Cl、[C4Py]Cl、[C6Py]Cl，每次滴加后，在旋涡振荡器上充分混匀。当体系由澄清变得浑浊时，说明体系最终会形成双水相。继续加吡啶氯盐，直到体系刚好出现沉淀为止，称量并计算加入到体系的吡啶氯盐的总质量m2。利用公式（1）、（2）计算出每一个点的坐标（XS，YIL），依次重复试验。整个体系在不同温度下的恒温水浴槽中进行，称量时尽量擦干水分，避免水分带来误差。各组分含量计算公式：

式中：m0、m1、m2分为加入到体系的 K2HPO4的质量、超纯水的质量、吡啶氯盐的质量，g；XS为K2HPO4的质量分数；YIL为吡啶氯盐的质量分数。

每一组（Xs，YIL）都是液/液/固边界线上的一点，在直角坐标系中将这些点连接起来就得到液/液/固边界线。

1.2.5 数据处理

采用SPSS20.0分析数据，Chemical Draw、Origin8.5绘图，每组试验均重复3次。

2 结果与分析

2.1 影响N-烷基吡啶氯盐合成的因素

研究反应温度、反应时间及配料摩尔比等因素对吡啶氯盐产物得率的影响。

2.1.1 单因素试验结果

2.1.1.1 温度对N-烷基吡啶氯盐得率的影响

反应温度是影响反应速度及得率的重要因素[27]，反应温度对N-烷基吡啶氯盐得率的影响见图3。

图3 反应温度对N-烷基吡啶氯盐得率的影响Fig.3 The influence of temperature on the yield of N-alkyl pyridine chlorine salt

由图3可知，在60℃～80℃的温度范围内，随着温度的升高，自由基数量大增，反应速度加快，N-烷基吡啶氯盐得率增加，在80℃时N-烷基吡啶氯盐得率达到最大值92.45%。80℃之后，N-烷基吡啶氯盐得率随着温度的升高而降低，可能是因为反应温度太高，导致部分反应物和溶剂分解，从而使N-烷基吡啶氯盐得率下降。所以，N-烷基吡啶氯盐合成的适宜温度选择80℃。

2.1.1.2 时间对N-烷基吡啶氯盐得率的影响

时间对N-烷基吡啶氯盐得率的影响见图4。由图4可知，在36 h～72 h的时间范围内，随着反应时间的增加，反应进行得越完全[28]，N-烷基吡啶氯盐得率逐渐增加，且在72 h时得率达最大值91.77%。72小时之后，N-烷基吡啶氯盐得率随着反应时间的增加而减少，可能是因为在较高的反应温度下，长时间的高温加热导致部分反应物和溶剂分解，从而使N-烷基吡啶氯盐得率降低。所以，N-烷基吡啶氯盐合成的时间选择72 h较为适宜。

2.1.1.3 配料摩尔比对N-烷基吡啶氯盐得率的影响

配料摩尔比对N-烷基吡啶氯盐得率的影响见图5。

图4 时间对N-烷基吡啶氯盐得率的影响Fig.4 The influence of time on the yield of N-alkyl pyridine chlorine salt

图5 配料摩尔比对N-烷基吡啶氯盐得率的影响Fig.5 The influence of dosing molar ratio on the yield of N-alkyl pyridine chlorine salt

由图5可知，当原料配比等于计量比时，产物得率并不是最大值，当吡啶或氯代烷少量过量时，都能提高产物得率。配料摩尔比（吡啶∶氯代烷）=1.0∶1.2时产物得率达最大值91.96%。根据化学平衡原理，当进配比等于计量系数比时，两种原料此时都可能没有完全反应，因而造成目标物得率较低；而若当其中一种原料过量，此时另一原料反应程度将接近完全反应，因而目标物得率就会提高[29]。当进料摩尔比为1.0∶1.2时吡啶反应接近完全，N-烷基吡啶氯盐得率最高。当进料摩尔比在1.0∶1.4之后，氯代烷过量较多，会发生副反应，导致N-烷基吡啶氯盐得率下降。当吡啶过量较多时也会生成副产物。所以，N-烷基吡啶氯盐合成的适宜配料摩尔比为1.0∶1.2。

2.1.2 正交试验结果

在单因素试验的基础上，选择配料摩尔比、反应温度和反应时间进行三因素三水平正交试验优化合成工艺。正交试验因素水平设计见表1，正交试验设计方案及结果见表2。

表1 正交试验因素水平Table 1 Factors and levels in the orthogonal array design

表2 一步法合成N-烷基吡啶氯盐的正交试验设计方案及结果Table 2 Orthogonal experimental design scheme and results of the synthesis of N-alkyl pyridine chlorine salt by one-step method

由表2中的极差R分析可得，各个因素对N-烷基吡啶氯盐合成的影响程度依次是配料摩尔比＞反应温度＞反应时间。最优工艺组合为A2B2C3，即反应温度80℃、时间 72 h、配料摩尔比（吡啶∶氯代烷）为 1.0∶1.2。

2.1.3 正交试验方差分析及多重比较结果

运用One-Way ANOVA单因素方差分析，对各因素进行差异性分析，结果见表3。

表3 正交试验方差分析结果Table 3 Variance analysis of orthogonal experiments

由表3可知，因素A、B、C不同水平之间均有显著性差异，表明反应温度、反应时间及配料比均对吡啶氯盐得率有显著影响。

通过Duncan新复极差法深入分析各显著因素不同水平间的差异，分别对A、B、C三因素进行多重比较，结果见表4。

表4 A、B、C三因素三水平N-烷基吡啶氯盐得率均值的多重比较Table 4 Multiple comparisons of yield of N-alkyl pyridine chlorine salt at different levels of factor A，B，C

由表4可知，A2水平对吡啶氯盐得率的影响显著高于A1、A3水平，所以A2作为A因素的最优水平。B2水平显著高于B1、B3水平，所以B2作为B因素的最优水平。C3水平显著高于C2水平，C2水平显著高于C1水平，所以C3作为C因素的最优水平。因此，最终确定最优合成工艺组合为A2B2C3，即反应温度80℃、时间72 h、配料摩尔比（吡啶∶氯代烷）为1.0∶1.2。

在最佳合成条件下进行3批次的验证试验，平均产物得率为90.80%，与正交试验的最高得率91.66%很接近，相对误差为0.94%。理论值与试验值一致性良好，而且收率稳定，重现效果好。

2.2 产物的DSC表征

DSC曲线图见图6。合成的[C2Py]Cl为白色固体，得率92.42%。由图6（a）知，对应DSC图上仅在127.77℃有1个吸热峰，所以[C2Py]Cl的熔点为127.77℃，再经石墨消解仪验证熔点，石墨消解仪测得熔点为127℃～128℃，因此产物纯度理想。

图6 [CnPy]Cl（n=2、4、6）的DSC曲线图Fig.6 The DSC curve of[CnPy]Cl（n=2，4，6）

合成的[C4Py]Cl为白色固体，得率90.07%。由图6（b）知，对应DSC图上在100.35℃和131.98℃有2个吸热峰。查阅相关文献可知，离子液体极易吸潮，100.35℃为水峰，表示[C4Py]Cl在此阶段失去水分子[30]。131.98℃为 [C4Py]Cl离子液体由固相转变为液相的吸热过程，再经石墨消解仪验证熔点，石墨消解仪测得熔点在130℃～132℃，因此产物纯度较理想。

合成的[C6Py]Cl为淡黄色蜡状固体，得率85.67%。由图6（c）知，对应DSC图上88.59℃有1个吸热峰，88.59℃为[C6Py]Cl离子液体由固相转变为液相的吸热过程，经石墨消解仪验证熔点，石墨消解仪测得熔点为88℃～89℃，因此产物纯度较理想。

2.3 体系双节线数据的关联及三角相图的绘制

试验中运用Merchuk方程关联体系的双节线数据，并绘制体系的三角相图。

式中：a、b、c为方程拟合参数，利用浊点数据的最小二乘回归算出。wil和ws分别代表[CnPy]Cl和K2HPO4的质量分数，%。Merchuk方程的形式简单，较好地运用于离子液体/盐双水相体系的双节线数据的关联，且关联效果较好[31]。分别以吡啶氯盐离子液体、K2HPO4、水为3个顶点，制作三角相图，如图7所示。

图7 25 ℃温度下[CnPy]Cl（n=2、4、6）-K2HPO4双水相体系三角相图Fig.7 Triangular phase diagram for[CnPy]Cl（n=2，4，6）-K2HPO4system at 25℃

由图7（a）、7（b）、7（c）可得，双节线是单相区与双相区的临界线，表示双水相达到平衡时，上下相与总组成的关系[32]。双节线左侧是单相区，此时溶液是均一的相，无分层现象。双节线右侧为双相区，是无限个不同浓度组成的两相系统，上相是[CnPy]Cl富集相，下相是 K2HPO4富集相。相关系数（R2）、标准偏差（sd）和方程参数见表5。

表5 25℃时[CnPy]Cl（n=2、4、6）-K2HPO4体系双节点关联结果Table 5Binodal correlation results of[CnPy]Cl（n=2，4，6）-K2HPO4system at 25℃

2.4 液/液/固边界线线性分析

通过测定25℃温度下[CnPy]Cl（n=2、4、6）-K2HPO4双水相体系的液/液/固边界点来研究不同碳链长度的影响，并进行了线性拟合，通过分析回归系数进行线性判断。

在15、25、35℃温度下，通过测定[C4Py]Cl-K2HPO4双水相体系的液/液/固边界点来研究体系温度的影响，并分析双水相线性液/液/固边界线的特点。

2.4.1 离子液体侧烷基链长度对液/液/固边界线的影响

试验中分别加入[CnPy]Cl（n=2、4、6）3种不同离子液体，使体系出现液/液/固边界，线性分析见表6，25℃温度下离子液体侧烷基链长度对液/液/固边界线的影响见图8。

图8 25℃下离子液体侧烷基链长度对液/液/固边界线的影响Fig.8 The influence of the length of ionic liquid side alkyl chain on liquid/liquid/solid boundary line at 25℃

由图8、表6可知，当[CnPy]Cl侧烷基链长度n=2变为n=6时，液/液/固边界线的斜率由-1.1258降低到-1.308 9，截距由 59.090 6 变为 75.502 9，[C6Py]Cl体系的液/液/固边界线较其他的远离坐标原点。

表6 25 ℃下 [CnPy]Cl（n=2、4、6）-K2HPO4液/液/固边界线的线性关系Table 6 The liquid/liquid/solid boundary linear relationship of[CnPy]Cl（n=2，4，6）-K2HPO4at 25 ℃

从相关资料上可知，随着碳链长度的增加，3种离子液体的极性顺序为[C2Py]Cl＞[C4Py]Cl＞[C6Py]Cl[33]。因为离子液体/盐双水相体系，是离子液体与无机盐竞争水分子而形成的[34]。极性越大的离子液体，它与水分子结合的能力就越大。因此当它形成双水相体系时，达到液/液/固边界所需的量就越少。斜率越大，代表相应的离子液体越易与水分子结合，从而被盐析出来形成双水相就越难。所以成相能力大小顺序为：[C6Py]Cl＞[C4Py]Cl＞[C2Py]Cl。

2.4.2 体系温度对液/液/固边界线的影响

分别在 15、25、35℃下，测定[C4Py]Cl-K2HPO4双水相体系的液/液/固边界线。线性分析结果见表7，[C4Py]Cl离子液体对液/液/固边界线的影响见图9。

图9 15、25、35℃下[C4Py]Cl离子液体对液/液/固边界线的影响Fig.9 The influence of[C4Py]Cl ionic liquid on liquid/liquid/solid boundary line at 15，25，35 ℃

表7 [C4Py]Cl在15、25、35℃下液/液/固边界线的线性关系Table 7 The liquid/liquid/solid boundary linear relationship of[C4Py]Cl at 15，25，35℃

由图9、表7可知，[C4Py]Cl在 15、25、35℃下时，液/液/固边界线的斜率分别为-1.060 0、-1.181 5、-1.236 8，斜率依次降低。此种变化可以通过以下原理解释：温度的升高能破坏吡啶氯盐离子液体和水之间形成的氢键。与此同时，温度的升高使K2HPO4在水中的溶解度增加。这两个方面的联合作用使得斜率降低。斜率越小，意味着吡啶氯盐离子液体越容易被盐析出来，就越容易形成双水相[35]。因此斜率可以用来判断各种离子液体形成双水相的能力。[C2Py]Cl、[C6Py]Cl验证了同样的规律。

由表6、表7可得，3种离子液体双水相体系的液/液/固边界点线性相关系数R2均高于0.998，标准偏差sd均小于2%，说明临界点为一次线性相关。侧烷基链长度和体系温度的改变，使得3种体系液/液/固边界线的斜率K和截距C均不一样，说明不同离子液体形成双水相体系的能力不同。

通过分析液/液/固边界线，可知只在双水相系统中才存在此线性边界。液/液/固边界线是在体系由液/液两相变成液/液/固三相时才出现的，因此可用来表征特定的双水相。对于不同种类的离子液体与同—种盐溶液形成的双水相体系，可用斜率作为判断其成相能力的标准。

3 结论

1）通过正交试验进行合成条件的优化，确定系列N-烷基吡啶氯盐合成的最佳条件为反应温度80℃、时间72 h、配料摩尔比（吡啶∶氯代烷）=1.0∶1.2，及溶剂乙酸乙酯用量 100 mL。[C2Py]Cl、[C4Py]Cl、[C6Py]Cl这3种吡啶氯盐产物得率分别达：92.42%、90.07%、85.67%，且产物均经差示扫描量热法（DSC）表征，并经过石墨消解仪验证熔点，杂质峰很少，表明已经合成了较纯的目标物。

2）在25℃下利用清-浊点辅助法测定[CnPy]Cl（n=2、4、6）-K2HPO4体系的双节线，制作三角相图，并用Merchuk经验方程拟合双节线，相关系数R2均在0.996以上，关联结果成功。

3）分别测定了在15、25、35℃下的[CnPy]Cl（n=2、4、6）-K2HPO4双水相体系的液/液/固边界线并进行了线性拟合，3种离子液体双水相体系的液/液/固边界线的线性相关系数R2均高于0.998，结果理想。

将合成的N-烷基吡啶氯盐成功运用于双水相体系。通过对液/液/固边界线的研究，探讨不同碳链长度的N-烷基吡啶氯盐形成双水相的能力。结果表明离子液体侧烷基链长度和体系温度的改变，使得液/液/固边界线的斜率K和截距C不尽相同，可用此斜率判断不同吡啶氯盐离子液体形成双水相的能力，为进一步双水相萃取技术的应用做准备。