热可逆离子液体-低共熔溶剂双水相体系的相行为及理化特性研究

2021-06-03张莉莉李艳高静

化工学报 2021年5期

张莉莉，李艳，高静

（1广东药科大学食品科学学院，广东中山528458；2广东海洋大学食品科技学院，广东湛江524088）

引言

双水相体系(aqueous biphasic systems)分离萃取技术历史悠久，具有条件温和、生物相容性高、无有机溶剂残留、可连续操作和易于放大等优点，在食品、医药等领域应用广泛。然而，传统聚合物双水相体系黏度大、选择性低，且不利于萃取分子的分离纯化。离子液体(ionic liquids,ILs)具有可设计性，以咪唑类为代表的离子液体溶解能力强、热化学性质稳定、可循环利用，是理想的溶剂和反应介质[1-2]。2003年，Gutowski等[3]利用咪唑基离子液体与K3PO4构建双水相体系。后来，以不同种类的离子液体为chaotropic组分、以无机盐或有机盐为kosmotropic组分构建的双水相体系不断发展。低共熔溶剂(deep eutectic solvents,DESs)是由氢键供体(HBD)和氢键受体(HBA)[4]或电子给体与电子受体[5-7]通过非共价相互作用所形成的共晶混合物，具有与离子液体相近的物化性质，可以设计成低毒或绿色的溶剂体系，而且具有廉价易得和可生物降解的优势。Zeng等[8]用氯化胆碱和尿素形成的低共熔溶剂与K2HPO4构建新型双水相体系并成功提取牛血清白蛋白。近年来，离子液体双水相体系和低共熔溶剂双水相体系在蛋白质[9-10]、核酸[11-12]等生物分子的萃取领域中发展迅速。但是，以K3PO4、K2HPO4为代表的kosmotropic盐形成的双水相体系多表现出强碱性。不但腐蚀萃取设备，而且不利于保持生物分子稳定性和生物活性，引起研究者们的重视。

溶剂体系的化学平衡与温度、组分的性质和溶质的性质密切相关，理解萃取过程或化学反应最有效的途径是考察介质的物化性质[13]。因此，设计一种适用于生物分子萃取的双水相体系需要考虑体系结构、溶液pH以及环境温度等因素[14-16]。其中，温度对双水相体系的作用较为复杂。早期，Zafarani-Moattar等[17]指出温度对双水相体系没有显著的影响。因此，在萃取生物分子的许多研究中也忽略了对温度的控制[18-19]。然而，Sadeghi等[20]提出离子液体-盐双水相的成相能力随温度的升高而减弱，表现为具有高临界共熔温度(upper critical solution temperature，UCST)的相转变行为。这一结论得到了众多学者的大力支持[21]。UCST型离子液体双水相体系已在分离蛋白质[22-23]、酶[24]等方面获得广泛肯定。近年来，研究发现，三丁基辛基溴化([P4448]Br)与K3PO4构成的双水相成相能力随温度升高而增强，表现为具有低临界共熔温度(lower critical solution temperature，LCST)的相转变行为[25]。UCST和LCST型离子液体-盐双水相体系的建立成为重新审视温度对离子液体双水相体系影响作用的重要突破口。

本文以氯化胆碱(ChCl)和碳水化合物分别作HBA和HBD合成环境友好的低共熔溶剂，以此替代无机盐/有机盐与离子液体形成一种溶液环境温和的双水相体系。通过考察不同离子液体-低共熔溶剂双水相体系相行为随温度变化的规律，筛选出具有UCST型和LCST型相转变行为的两类双水相体系，系统研究了热可逆离子液体-低共熔溶剂-水三元体系的黏度、密度、电导率以及pH与温度的相关性，并利用量子化学计算从微观角度分析离子液体、低共熔溶剂与分子之间的相互作用，旨在揭示离子液体-低共熔溶剂双水相体系形成的机理，为双水相体系在绿色萃取领域的应用提供理论依据。

1 实验材料和方法

1.1 材料

1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([C4mim]BF4)、1-丁基-3-甲基咪唑溴盐([C4mim]Br)、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐([C4mim]Cl)、1-丁基-3-甲基咪唑三氟乙酸盐([C4mim]CF3COO)、四丁基四氟硼酸([P4444]BF4)、四丁基溴化([P4444]Br)、四丁基氯化([P4444]Cl)、四丁基三氟乙酸([P4444]CF3COO)、三丁基辛基四氟硼酸([P4448]BF4)、三丁基辛基溴化([P4448]Br)、三丁基辛基氯化([P4448]Cl)、三丁基辛基三氟乙酸([P4444]CF3COO)、四丁基四氟硼酸铵([N4444]BF4)、四丁基溴化铵([N4444]Br)、四丁基氯化铵([N4444]Cl)、四丁基三氟乙酸铵([N4444]CF3COO)(纯度均≥98%)，中国科学院兰州化学物理研究所；氯化胆碱(ChCl)(纯度＞98%)、D-果糖(Fru)(纯度＞99%)，上海Aladdin化学试剂公司；D-核糖(Rib)(纯度＞99%)，源叶生物有限公司；D-葡萄糖(Glu)(分析纯)、蔗糖(Sur)(分析纯)，广东光华有限公司；4-硝基苯胺(NA)，北京百灵威科技有限公司；N,N-乙基-4-硝基苯胺(DENA)，Fluorochem有限公司；甜菜碱30(RD)，Sigma-Aldrich有限公司。离子液体及低共熔溶剂化学结构如图1所示。

图1 离子液体及低共熔溶剂的化学结构Fig.1 Chemical structure of ionic liquid sand deep eutectic solvents

1.2 仪器与设备

HAAKEMARSIII模块化高级流变仪，德国赛默飞世尔科技；Cary60紫外可见分光光度计，安捷伦有限公司；STA449F3同步热分析仪，德国耐驰仪器制造有限公司；DDSJ-308A电导率仪，上海仪电科学仪器股份有限公司；PHSJ-3FpH计，上海仪电科学仪器股份有限公司；KQ-300超声波清洗器，上海精科实业有限公司；HH-6数显电子恒温水浴锅，常州国华电器有限公司；AW120电子天平，日本岛津公司。

1.3 实验方法

1.3.1 离子液体和低共熔溶剂基本性质测定水分测定采用GB5009.3—2016测定方法，电热恒温鼓风干燥箱101.3 kPa，378.15 K。黏度测定：模块化高级流变仪，298.15 K、直径20 mm、间隙1 mm平行几何板结构，平衡样品温度2 min、1 s-1剪切速率测定30 s。极性测定[26-28]：紫外可见分光光度计298.15 K，NA、DENA、RD、甲醇、离子液体的Kamlet-Taft极性参数和极性指数由式(1)～式(6)计算。热重分析[29]：同步热分析仪N2，298.15～973.15 K，进样量4～6 mg，加热速率10 K·min-1，吹扫气流20 cm3·min-1。所有的样品进行三次重复测定。

式中，vmax(dye)是染料的最大波数，cm-1；λmax(dye)是染料的最大吸收波长，nm；ET(30)是甜菜碱30染料的极性指数，kcal·mol-1(1 kcal=4185.85 J)；ENT是以水(ENT=1.00)和四甲基硅烷(ENT=0.00)为参比溶剂进行无量纲标准化的值，kcal·mol-1；ET(solvent)为溶剂的极性指数，kcal·mol-1；α是氢键酸性；β是氢键碱性；π*是偶极子/极化率。

1.3.2 相图绘制双水相体系相图采用“浊点滴定”法绘制[6]。准确称取1 g离子液体水溶液(6∶4,质量比)于试管，置于恒温水浴锅(298.15、308.15、318.15、328.15 K)，随后向试管中逐滴加入低共熔溶剂水溶液(8∶2,质量比)，至混合体系由澄清变为混浊，记录各组分数值。再逐滴加入水至体系变澄清，记录各组分数值。如此反复，直至形成与单相状态相对应的清澈透明的溶液[6]。计算并记录各组分的质量百分数，绘制双水相体系相图。利用式(7)中的数学方法拟合离子液体-低共熔溶剂双水相体系数值从而描述和关联离散点组与坐标之间的函数关系[10]。

式中，Y是离子液体的质量分数，%；X是低共熔溶剂的质量分数，%；A、B、C是用最小二乘法回归得到的拟合参数。

1.3.3 三元混合体系的理化特性测定以质量比

为0.30∶0.10∶0.60配制8种温敏性离子液体-低共熔溶剂-水溶液，测定了三元体系在298.15～338.15 K下的黏度、密度、电导率和pH变化规律，记录测定数值[30]。所有的样品进行三次重复测定。

1.3.4 量子化学计算分别构建[P4448]Cl、ChCl、Fru、H2O的三维结构，采用Molclus分别搜索初始构象，体系有：[P4448]Cl、[P4448]Cl-H2O、ChCl、[ChCl][Fru]、

[ChCl][Fru]-H2O(1∶1)、[P4448]Cl-[ChCl][Fru]-H2O(1∶1∶1)[31]。使用MOPAC程序中的PM7半经验方法优化初始结构，采用能量(0.5 kcal·mol-1)和构象差异[0.25 Å(1Å=0.1 nm)]方法进行聚类[32]。采用DFT方法在B3LYP-D3/6-31G*水平下进行结构优化，对最后优化的前3个构象进行单点能计算，计算水平为B3LYP-D3/def2-TZVP，按照能量进行排序，取能量最低的构象计算相互作用能[33-34]。计算时添加基组重叠误差(basis set superposition error,BSSE)较正[35-36]。最终结合能采用式(8)计算：

式中，Einteraction是复合物的能量，kJ·mol-1；EA和EB分别为两个相互作用组分的能量，kJ·mol-1；EBSSE表示BSSE较正能，kJ·mol-1。

2 实验结果与讨论

2.1 离子液体、低共熔溶剂的基本性质比较

根据“液体孔洞”理论，水分子与kosmotropic低共熔溶剂形成配合物，引起水分子氢键网络空腔表面张力增加，导致chaotropic离子液体与水分子作用减弱，从而形成相分离。但是，由不同阴、阳离子排列组合形成的离子液体数目达1018，不同HBA和HBD组合也可以形成数量庞大的低共熔溶剂系列。Zafarani-Moattar等[37]通过测定由氯化胆碱和蔗糖合成的低共熔溶剂与聚乙二醇400构建的体系的密度和声速，指出该体系与半理想溶液存在负偏差，不利于溶剂-溶剂相互作用，从而导致相分离。因此，利用离子液体和低共熔溶剂的双重“可设计性”，探索双水相体系组分的基本性质是构建和设计离子液体-低共熔溶剂双水相体系的核心。

表1列举了16种离子液体和4种低共熔溶剂的黏度。整体来看，离子液体和低共熔溶剂的黏度均明显大于乙醇等有机试剂的黏度，而且低共熔溶剂的黏度普遍显著高于离子液体。其中，黏度最大的离子液体是[P4448]Cl，黏度最小的低共熔溶剂是[ChCl][Rib]。在298.15 K下[ChCl][Rib]的黏度为(23.40×103±0.25×103)mPa·s，是[P4448]Cl的18.57倍，而乙醇的黏度只有1.074 mPa·s。黏度大导致传质困难，进而抑制了生物分子的提取效率，这是离子液体和低共熔溶剂在萃取应用中面临的共同难题。

表1 离子液体及低共熔溶剂的基本性质Table 1 Properties of ionic liquids and deep eutectic solvents

不过，[C4mim]CF3COO和[ChCl][Fru]的最低降解起始温度分别为454.05和432.75 K，两者所表现出的良好热稳定性为构建萃取体系提供了较大的温度范围选择空间。在利用程序控制温度的过程中，离子液体和低共熔溶剂在加热过程中发生升华、气化、分解出气体或失去结晶水等物理现象，质量逐渐减小。由表1可知，整体上看，离子液体较低共熔溶剂表现出更高的降解起始温度(Ti)和降解终止温度(Tf)，但是，与离子液体相比，低共熔溶剂的主要质量损失(Wlost)较低，973.15 K下的残余质量(W973.15)更大，说明低共熔溶剂的热稳定性更好。例如，W973.15最大的离子液体是[C4mim]CF3COO，最小的低共熔溶剂是[ChCl][Fru]，[ChCl][Fru]的残余质量(W973.15=16.17%)是[C4mim]CF3COO(W973.15=7.16%)的2.26倍。

极性是描述离子液体、低共熔溶剂对水分子以及萃取目标分子溶解能力的重要参数。离子液体往往同时具有疏水、不饱和键、氢键供体、氢键受体、静电等多种结构片段，可与溶质之间发生疏水、氢键、静电、π-π等多种相互作用[38]。低共熔溶剂的HBD和HBA之间不仅存在氢键作用，还有C—H…O和C—H…π相互作用[39]。由于纯低共熔溶剂黏度过大，无法测定极性。表1列举了在298.15 K下测定的离子液体的Kamlet-Taft探针行为和极性指数。一般情况下，具有较小β值的咪唑类离子液体形成氢键的能力更强。例如，与[C4mim]CF3COO(0.71±0.03)相比，[C4mim]BF4(0.32±0.01)酸性显著，具有更强的氢键形成能力。季盐离子液体的β值规律为:[P4448]Cl＞[P4448]CF3COO＞[P4448]BF4。由此可见，相同阳离子的离子液体其阴离子氢键碱性变化遵循:Cl-＞CF3COO-＞BF4-。

2.2 离子液体-低共熔溶剂双水相体系的相行为

2.2.1 温度的影响生物活性分子对温度十分敏感，因此明确温度对离子液体双水相萃取体系稳定性的影响至关重要。但是，温度对离子液体双水相体系的作用始终存在争议，随着离子液体双水相体系种类的增加，情况也越来越复杂。Passos等[40]构筑了一种对温度敏感的热可逆离子液体-聚合物双水相体系，而且明确指出低温利于该体系的形成。许多研究表明低温有利于离子液体-盐双水相体系的形成，表现出具有UCST型的相转变行为[41]。Griffin等[42]观察到在聚乙二醇-盐双水相中，kosmotropic盐浓度增加与温度升高在促进双水相体系熵贡献的过程中具有类似的效果，即通过升高温度增加相的不混溶性从而扩大两相区域面积，表现为LCST型双水相体系。Gao等[25]最新研究发现：由三丁基辛基溴化([P4448]Br)构成的离子液体-盐双水相的成相能力随着温度的升高而增强，也表现出具有LCST型的相转变行为。

本文测定了16种离子液体与4种低共熔溶剂在298.15～328.15 K的相图，筛选出3种UCST型和19种LCST型离子液体-低共熔溶剂双水相，结果见表2。其中，仅有[C4mim]BF4能形成UCST型双水相体系体系，而[P4444]Br、[P4444]Cl、[P4448]Br、[P4448]Cl、[N4444]CF3COO能形成LCST型双水相体系。因此，离子液体的阳离子结构与其热致相变的能力密切相关。图2列举了分别以[C4mim]BF4和[N4444]CF3COO为代表的UCST型[图2(a)]和LCST型[图2(b)]双水相。类似地，Schaeffer等[43]指出[P44414]Cl-HCl表现为LCST型双水相。由此可见，离子液体的种类是决定溶剂体系热诱导相转变类型的关键因素。

表2 热可逆离子液体-低共熔溶剂-水体系的构建Table 2 Construction of thermo reversible ILs-DESs-H 2O system

图2 UCST型(a)与LCST型(b)离子液体-低共熔溶剂体系的双水相相图Fig.2 Phase diagrams of UCST(a)and LCST(b)of IL-DES-H2O

2.2.2 离子液体的影响研究表明β值介于0.38～0.60之间的咪唑类离子液体具有良好的成相能力[44]。例如，较高氢键碱性的[C4mim]Cl(β=0.87，数据来自文献[44])和[C4mim]CF3COO(β=0.71±0.03)因亲水性强而不利于双水相的形成，而[C4mim]BF4具有适中的氢键碱性(β=0.32±0.01)，更易形成双水相体系。图3对比了308.15 K下6种离子液体分别与低共熔溶剂[ChCl][Fru]和[ChCl][Sur]构建的双水相体系的成相能力。可以看出，离子液体成相能力的规律为[P4448]Br＞＞[P4448]Cl＞[N4444]CF3COO＞[C4mim]BF4＞[P4444]Br＞[P4444]Cl。与阴离子相比，离子液体的阳离子种类对其成相能力的影响更为显著，其成相能力的差异性主要表现在阳离子电荷分布不同[23]。[P4448]+具有较长的侧链，与水相互作用的自由能大，分子有逃逸水相的倾向，导致水溶液摩尔体积增大，因此成相能力大[45]。阴离子对成相能力的影响规律为：Br-＞Cl-。在季基/季铵基离子液体与磷酸钾形成双水相体系的研究中也有相似的规律[46]。因为Br-可与阳离子形成较强的库仑力，从水中接受质子能力比Cl-弱，利于相分离[47]。

2.2.3 低共熔溶剂的影响糖类物质作为HBA与氯化胆碱合成的低共熔溶剂因稳定性强、廉价易得

图3 离子液体-[ChCl][Fru]和离子液体-[ChCl][Sur]在308.15 K下的双水相相图Fig.3 Phase diagrams of ILs-[ChCl][Fru]-H2Oand ILs-[ChCl][Sur]-H2Oat 308.15 K

且绿色的特点常用于双水相体系的构建和生物分子的萃取。如图4所示，低共熔溶剂与离子液体形成双水相的能力大小为:[ChCl][Sur]＞[ChCl][Glu]＞[ChCl][Fru]＞[ChCl][Rib]。蔗糖具有较多的氢键结合位点，可形成更多的交联结构，与水分子之间存在较强的氢键作用，有利于与离子液体竞争水分子，因此其相形成能力更强。另一方面，结合表1中的黏度数据发现，低共熔溶剂的黏度大小影响双水相体系两相间的物质传递，是设计双水相体系的重要参考因素。例如，[ChCl][Sur]的黏度最大[大于(2201.00×103±83.00×103)mPa·s]，而[ChCl][Rib]的黏度最小[(23.40×103±0.25×103)mPa·s]，其黏度大小与成相能力规律完全一致。

2.2.4 双水相体系数学模型利用经验公式(7)对

本文所有双水相体系的双节线相图进行拟合，相关参数见表3。图5列举了308.15 K下[P4444]Br-[ChCl][Fru]双水相体系双节线拟合的结果。结果表明离子液体-低共熔溶剂双水相体系离散点组数值符合方程拟合模型。通过在统计学范围内拟合数据得到线性回归分析，并以最小二乘法进行参数估计，为双水相体系的工业化应用提供重要的设计依据。

2.3 离子液体-低共熔溶剂-水三元体系的理化性质

2.3.1 黏度针对表2构建的热可逆UCST型和LCST型离子液体-低共熔溶剂双水相体系，测定了离子液体-低共熔溶剂-水(0.30∶0.10∶0.60)三元体系的理化性质的变化情况（图6）。图6（a）是三元体系黏度随温度的变化趋势。结果表明，其黏度高度依赖温度，且呈指数变化，实验数据通过式(9)拟合处理。温度升高加快分子振动，引起黏聚性降低，导致黏度减小[48]。纯离子液体黏度(表1)较离子液体-低共熔溶剂-水三元体系[图6（a）]黏度显著降低。除去固体状态未测定的离子液体，三元体系与单独组分黏度大小规律一致。低共熔溶剂对三元体系黏度影响不大，而相同[ChCl][Fru]条件下，三元体系黏度变化规律为[P4448]Cl＞[P4444]Cl＞[N4444]CF3COO＞[P4444]Br＞[C4mim]BF4。表明离子液体种类是影响三元体系黏度变化的主要因素。黏度取决于流体的分子结构，高度依赖于组成离子之间的相互作用:静电，范德华力和氢键[49]。水分子破坏了离子液体阴、阳离子的链结构，降低相互之间的库仑作用，使其分离出阴阳离子壳层，最终导致黏度降低[50]。

表3 离子液体-低共熔溶剂体系双水相相图实验数据相关性拟合Table 3 Phase diagram of ILs-DESs-H 2O with the corresponding fitting of the experimental data

图4 [P4444]Br-低共熔溶剂(a)和[N4444]CF3COO-低共熔溶剂(b)在308.15 K下的双水相相图Fig.4 Phase diagrams of DESs-[P4444]Br-H2O(a)and DESs-[N4444]CF3COO-H2O(b)at 308.15 K

图5 308.15 K下[P4444]Br-[ChCl][Fru]双水相相图实验数据相关性拟合Fig.5 Phase diagramof[P4444]Br-[ChCl][Fru]-H2Owith the corresponding fitting of the experimental data at 308.15 K

式中，η是三元体系黏度，mPa·s；T为三元体系温度，K；A′、B′、C′是拟合参数。

图6 不同温度下离子液体-低共熔溶剂-水三元体系黏度、密度、电导率和pH的变化趋势Fig.6 Viscosities,densities,conductivities,pH for ILs-DESs-H 2Oas a function of temperature

2.3.2 密度密度是温度的函数，一般来说，体系密度随环境温度升高逐渐降低。图6(b)测定了不同温度下离子液体-低共熔溶剂-水三元体系密度变化，实验数据经式(10)拟合处理。结果表明,由不同离子液体构成的双水相其密度关系为[C4mim]BF4＞[P4444]Br＞[P4444]Cl＞[P4448]Cl＞[N4444]CF3COO。离子液体的阳离子是影响密度的重要因素。季盐离子液体的阳离子烷基侧链链长增加，密度减小。Bounsiar等[51]研究发现1-丁基-双酰亚胺吡啶比1-己基-双酰亚胺吡啶的密度大，也是因为阳离子上的烷基链链长增加，分子摩尔体积变大，导致密度降低。另外，阴离子的密度与分子量呈正比，含Br-(79.904)的阴离子比含Cl-(35.453)的密度大。

如图7，通过对密度数据进行式(11)～式(14)的处理，得到标准摩尔体积(Vm)、分子体积(V)、标准熵(SӨ)等相关参数[52]。可以看出，标准摩尔体积与标准摩尔熵随温度升高而增大，而晶格能随温度升高逐渐降低。标准摩尔体积与体系内部分子间距密切相关，当温度升高，体系内分子热运动加快，分子间缔合作用减弱，分子间距增大，体系标准摩尔体积增加[图7(a)]。另外，温度升高导致体系内微粒混乱，标准熵增大[图7(b)]。计算三元体系的晶格能，可以获得其稳定性的相关信息。与NaCl(786 kJ·mol-1)相比，三元体系内阳离子的不对称性以及体积大的性质增大了空间位阻，减少了阴阳离子的相互作用，增大了晶格稳定性[图7(c)]。但是，温度的增加增强了体系内部离子之间的相互作用，三元体系的晶格稳定性降低。

式中，ρ为三元体系密度，g·cm-3；T为三元体系温度，K；Vm为标准摩尔体积，cm3·mol-1；M为摩尔质量，g·mol-1；V为分子体积，cm3；NA为Avogadro常数，mol-1；SӨ为标准摩尔熵，J·K-1·mol-1；UPOT为晶格能，kJ·mol-1；A″、B″、C″是拟合参数。

2.3.3 电导率为明确三元体系受温度影响内部电荷流动的难易程度，测定了混合溶液电导率值随温度变化的基础数据，实验结果通过式(15)拟合。如图6(c)，三元体系电导率随温度增大逐渐降低，离子液体种类是引起电导率变化的关键因素，这是因为由离子键结合的离子液体溶于水且在加热状态下解离成自由移动的离子，而不同离子液体解离后的电解质导电能力具有差异性。另外，具有相同阴离子[Cl]-的离子液体阳离子烷基链长度增加，电导率降低。烷基链长度增加了液相中的分散相互作用，导致离子迁移困难[53]。

图7 不同温度下离子液体-低共熔溶剂-水三元体系摩尔体积(V m)、标准摩尔熵(SӨ)和晶格能(U POT)的变化趋势Fig.7 Molar volume(V m),standard molar entropy(SӨ)and lattice energy(U POT)for ILs-DESs-H 2Oas a function of temperature

式中，σ为三元体系电导率，μS·cm-1；T为三元体系温度，K；A‴、B‴、C‴是拟合参数。

2.3.4 pH 为表征不同温度下溶液中氢离子活度，测定了离子液体-低共熔溶剂-水三元体系pH随温度变化的趋势，实验数据经式(16)拟合处理。整体来看，离子液体-低共熔溶剂-水三元体系在温度298.15～328.15 K范围内pH呈现中性或者酸性。只有[N4444]CF3COO-[ChCl][Fru]-H2O体系呈现碱性[图6(d)]。与离子液体-K3PO4体系或低共熔溶剂-K3PO4相比，本文构建的新型萃取体系更加温和，利于保持生物分子的稳定性和活性。此外，相同低共熔溶剂条件下，含不同离子液体的三元体系pH规律为

[N4444]CF3COO＞[P4444]Br＞[C4mim]BF4＞[P4448]Cl＞[P4444]Cl。

由离子液体和低共熔溶剂构建的含水三元体系pH可调节范围为3～8，受到离子液体种类影响作用明显，可为萃取生物分子提供了设备选型和工艺设计参考。

式中，T为三元体系温度，K；A″″、B″″是拟合参数。

2.4 离子液体-低共熔溶剂-水三元体系的量子化学计算

Hofmeister离子效应是描述特定离子对大分子在水溶液中的溶解度影响。其中，离子与溶质之间的结合最受关注。Xue等[54]应用核磁共振波谱研究了特定离子对聚(2-乙基-2-唑啉)和聚(N-异丙基丙烯酰胺)的模型化合物N,N-二甲基丙酰胺(NDA)和N-异丙基异丁酰胺(NPA)水溶液的局域环境影响，指出Hofmeister效应可能是一种全局效应，而离子与溶质的局部相互作用也具有关键作用。傅里叶变换红外光谱结果表明离子对水结构的影响可能是水弯曲振动的关键[55]。为了探究离子液体-低共熔溶剂-水三元体系内部各分子之间的相互作用，对比分析离子液体与H2O、低共熔溶剂与H2O之间的相互作用的差别，以[P4448]Cl-[ChCl][Fru]-H2O为例，通过Gaussian 09量子化学计算软件，得出[P4448]Cl离子对、[P4448]Cl-H2O(1∶1)、[ChCl][Fru]、[ChCl][Fru]-H2O(1∶1)、[P4448]Cl-[ChCl][Fru]-H2O(1∶1∶1)在DFT/B3LYP-D3/6-31G*水平优化后的最优几何平衡构型(图8)，并计算了复合物之间的相互作用能(表4)。

当低共熔溶剂与水分子发生氢键相互作用时，N—Cl以及水中的H原子与Cl原子键长增加，氯化胆碱中的H原子与Cl原子键长缩短，符合“键级守恒原理”[56]。由于水分子的加入，[P4448]Cl-H2O体系氢键作用增强从而改变了P—Cl共价键的键长。单独的Cl-电荷数为-1，当其与阳离子[P4448]+形成离子对[P4448]Cl时，电荷为-0.727。水分子使离子液体的阴离子电荷发生部分转移，电荷的分散作用导致离子对之间的静电作用减弱。虽然水分子与离子液体、低共熔溶剂之间都存在氢键作用，但是不同的二元体系内部氢键作用存在较大差异。例如，[P4448]Cl与H2O(1∶1)的结合能为-1046.19×103kJ·mol-1，而[ChCl][Fru]与H2O(1∶1)的结合能为-974.74×103kJ·mol-1，[ChCl][Fru]竞争水分子的能力弱于[P4448]Cl。此外，[P4448]Cl-[ChCl][Fru]-H2O三元体系的作用能为-1972.96×103kJ·mol-1，作用强度显著大于[P4448]Cl-H2O和[ChCl][Fru]-H2O二元体系中分子之间的作用强度。因此，离子液体、低共熔溶剂与水分子相互作用能的差异是引起双水相体系形成的内在原因，而且这种差异越大，其形成相分离的趋势越明显。

表4 离子液体-低共熔溶剂-水三元体系的相互作用能Table 4 Interaction energy of ILs-DESs-H 2O ternary system

3结论

本文利用低共熔溶剂替代盐类作为kosmotropic组分，以离子液体为chaotropic组分构建了具有LCST型和UCST型热可逆相转变行为的新型双水相体系。离子液体、低共熔溶剂与水分子相互作用能的差异是引起双水相体系形成的内在原因，而且这种差异越大，其形成相分离的趋势越明显。与低熔溶剂相比，离子液体的结构特性是决定离子液体-低共熔溶剂体系热致相变特性和理化特性的重要因素。因此，本研究通过调控离子液体的阴、阳离子种类，与低共熔溶剂形成不同热效应和特性的双水相体系，可以为萃取温敏性生物分子提供新的基础理论和设计依据。