低共熔溶剂制备及应用的研究进展

韦少辉，杨世平，蒙启洋，詹阿慧，李坚斌

（广西大学轻工与食品工程学院，广西 南宁 530004）

0 引言

低共熔溶剂（DESs）是一种对环境友好的溶剂，有其独特的化学性质和特点。DESs是通过混合2种或3种氢键受体（HBA）和氢键供体（HBD），并按照特定的摩尔比进行组合而成。这类溶剂的凝固点显著低于各物质纯组分的熔点，这是由于共晶体或低共熔分子的形成使原单组分分子的晶格发生畸变，晶格能下降，造成熔点下降，在室温下呈现液体状态［1］。在一般化学工艺中，经常使用溶剂来溶解反应物、改变反应物的化学特性、提取和洗涤产品、分离混合物。一般有机溶剂尽管有许多优点，但普遍对环境有害，且具有急性或慢性毒性、致癌性、生态毒性和不可生物降解性［2，3］。为确保人类的生命健康和生态环境不受有害有机挥发性溶剂的影响，科研人员努力开发出可替代的绿色反应介质。近年来，由生物相容性佳的天然物质（如胆碱、氨基酸和糖等）所合成的天然低共熔溶剂（NADESs）因组分材料价廉易得、无毒环保、易生物降解等特点，在萃取分离应用方面受到广泛关注。孙浩原［4］的研究表明，DESs中的氢键网络结构有利于提高目标提取物的稳定性，故有望取代有机溶剂和离子液体，应用在生物分离过程中。

1 DESs的制备方法研究

由于制备方法的温度、压力、水含量存在差异，不同制备方法对DESs的最终状态会产生影响，进而影响其理化性质和稳定性。杂质也可能会影响DESs的稳定性，导致溶剂作用效果减弱，且不同类型的HBA和HBD会使制成的DESs具有特定的理化性质。由于上述原因，使用相同原料在不同方法下制备的DESs稳定性和纯度都会有一定差别，甚至是在给定制备方法下得到的DESs，在实际应用中仍然会存在性能差异。因此，制备DESs时需要选择合适的方法，才能获得预期效果。以下主要比较4种DESs制备方法［5，6］。

1.1 加热制备方法

加热制备技术是制备DESs最常用的方法，操作步骤最简单。如果DESs的组分为干燥化合物且具备较好的热稳定性时，可采用加热法制备。在该方法中，通常是将DESs的HBA和HBD混合并均匀加热，直到获得均匀透明的液体。根据Smith等［7］的报道，适合合成DESs的温度低于100 ℃，混合时间为60～90 min。HBA和HBD的摩尔比、加热温度和混合持续时间均可调整；Xin等［8］分别以1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5 和1∶6 的摩尔比将海藻糖和氯化胆碱（ChCl）在80 ℃下混合加热，最终制得透明的DESs。

1.2 研磨制备方法

当使用ChCl和羧基酸（R-COOH）作为DESs的组分时，ChCl中的Cl原子和羧基酸中的-COOH之间在高于100 ℃的温度下可能发生反应并生成酯和盐酸之类的杂质。为避免形成杂质，Florindo等［9］发明了室温下的研磨制备方法：将各组分在带有研杵的研钵中研磨，在持续混合下各组分相互反应形成DESs。尽管生成的DESs比通过加热制备方法合成的产品更纯净，但操作比加热制备方法复杂。

1.3 旋转蒸发制备方法

与上述2种方法不同，旋转蒸发制备方法需要3种组分。第3种成分是像水这样的溶剂。首先将HBA和HBD全部溶解在溶剂中，再置于旋转烤箱内，使混合物在一定温度下蒸发掉大部分水分和溶剂，以获得均匀透明的DESs液体，获得的液体可保存在硅胶干燥器中并进一步脱水以达到恒定重量［10］。Wikene等［11］将3种组分溶于温水中，并在45 ℃下用旋转蒸发器蒸发15 min制得NADESs。

1.4 冷冻干燥制备方法

冷冻干燥制备方法是应用最少的方法，一般是将DESs每种组分的水溶液混合，然后将最终混合物在不同温度下冷冻干燥，以获得均匀、黏稠的液体［12］。这种方法无法从DESs结构中除去所有水分子，并且水分子可能与DESs的组分反应，因此很少使用。Gutierrez等［13］将尿素和ChCl的水溶液以2∶1的摩尔比进行混合，将制得的水溶液冷冻，然后冷冻干燥，最后得到透明的DESs。

2 DESs的应用研究

在过去的20年里，作为一种新型绿色溶剂，DESs灵活的组成成分使其产生了多样的特性，因而具有多种应用价值，以下简要介绍其三大应用。

2.1 DESs在溶解和分离中的应用

由于DESs能提供或接受电子或质子以形成氢键，因此DESs有良好的溶解性能。在许多研究中，DESs作为添加剂应用于多糖等天然产物的加工过程中，或用于溶解、提取和分离其他生物活性化合物［14］。

2.1.1 溶解金属氧化物

在金属分离和回收领域，DESs作为一种重要的新型溶剂可用于溶解各种金属氧化物。Abbott等［15］曾利用尿素、丙二酸和乙二醇这3种物质作为HBA分别与ChCl组成DESs（后文用HBA/HBD表示对应组分制备的DESs），将其用于测定元素周期表中钛到锌范围内金属组成的17种常见金属氧化物的溶解度，结果显示，在使用尿素和乙二醇作为HBA的DESs中，金属氧化物的溶解度高于传统金属氧化物溶剂，这为冶金工艺提供了新思路。且DESs还可回收利用，这更有利于其在冶金工业的应用。

2.1.2 溶解药物

目前，对DESs溶解性的研究主要集中在对金属氧化物的溶解上，关于DESs溶解有机大分子的研究非常少。Gutierrez等［16］用DESs、普通缓冲溶液和水分别溶解难溶性药物，试验结果表明DESs对难溶性药物的溶解效果较普通缓冲溶液和水明显更强；Morrison等［17］检测了苯甲酸、灰黄霉素等难溶性药物在尿素/ChCl和丙二酸/ChCl中的溶解度，在纯DESs（摩尔比75∶25）、DESs和水的混合物（摩尔比50∶50）和纯水中测量溶解度，模型药物在纯DESs（尿素/ChCl和丙二酸/ChCl）中的溶解度是在纯水中的5～22000倍，而单独使用尿素、ChCl或丙二酸的水溶液不会导致药物溶解度增加，说明DESs有促进药物溶解的作用。

2.1.3 提纯生物柴油

DESs具有高极性，可以用来溶解甘油等极性溶剂，所以也被用于从生物柴油原料中分离残余甘油。作为化石能源的可再生替代品，生物柴油的应用受到广泛关注。生物柴油是通过植物油与甲醇或乙醇中的酯交换反应产生，在该反应中，甘油作为副产物被释放。甘油的极性很强，其粘度大的特性会对柴油发动机高压喷射系统造成损害，因此需要提纯［18-20］。Abbott等［21］将ChCl、三甲基乙基二氯化铵（ClEtMe3NCl）、四丙基溴化铵（Pr4NBr）、乙基氯化铵（EtNH3Cl）、乙酰胆碱氯化物（AcChCl）5种季铵盐与甘油形成的DESs与水进行混溶，从生物柴油混合物中分离出甘油，达到提纯目的。

2.2 DESs在催化中的应用

在催化过程中，溶剂需要确保反应物和催化剂之间有更充分的接触，并且溶剂还会影响后续处理程序和再循环处理方法的选择，因此溶剂的选择非常重要。由于具有廉价、安全、离子导电性和高极性等特点，DESs在催化领域得到广泛应用［22-23］。

2.2.1 酸碱催化

Abbott等［24］研究结果表明MCl2（M=Zn或Sn）/ChCl是某些Diels-Alder反应的有效介质，这是由于此类DESs有着路易斯酸的部分性质，可以显著提高Diels-Alder反应速度；Sanap和Shankarling［25］研究表明尿素/ChCl和甘油/ChCl可同时用作芳胺N-单烷基化的催化剂和溶剂，尿素/ChCl共晶混合物比甘油/ChCl效果更佳，可能是因为尿素/ChCl碱性更大；在50 ℃下，尿素/ChCl作为催化剂能以70%～89%的产率产出单-N-烷基化胺。

2.2.2 过渡金属材料催化

Gage等［26］采用摩尔比1∶2的尿素与ChCl合成DESs，将其作为反应介质，添加到乙酸镍四水合物中，在320～600 ℃范围内进行热解，合成了1种能将Ni/Ni3嵌入到氮掺杂碳基质中的纳米结构；Cun等［27］以摩尔比1∶2的乙二醇与ChCl制备的DESs作为溶解锌盐和固体氢氧化钠的溶剂，在溶液中以醋酸锌作为金属源，通过一种简便、环保的电离热法制备均匀的ZnO纳米颗粒。上述研究表明DESs作为一种低成本的反应介质，可用于工业规模合成多种专业且使用方式简便的金属氮化物催化剂和混合金属氮化物催化剂。

2.2.3 生物催化

Juneidi等［28］研究了胆碱类DESs作为共溶剂和催化剂在脂肪酶催化水解反应中的应用，研究发现在尿素/ChCl中，酶表现出稳定性，原因在于DESs的氢键网络能削减离子液体对酶的化学反应性；Durand等［29］研究发现，南极假丝酵母脂肪酶B（CALB）在DESs中展示出高活性和高稳定性，与使用水作为共溶剂相比，在戊酸乙酯与1-丁醇的酯交换过程中使用尿素/ChCl作为CALB酶的共溶剂时，CALB酶的稳定性提高了20～35倍。

2.3 DESs在材料制备中的应用

DESs在合成过程中有多种用途，例如：作为溶剂溶解化合物，作为模板剂在合成中引导和控制分子自组装，作为反应物参与促进化学反应等。由于其凝固点低、稳定性强，DESs在材料的离子热合成和新型结构设计方面得到广泛应用。目前，沸石型材料、金属有机框架、金属氧化物、纳米材料、碳材料等无机材料都采用离子热合成制造［30-32］。

2.3.1 DESs在电化学中的应用

DESs和离子液体相似，在电化学领域中可被用作金属电镀的电解质，也可作为电化学反应和电抛光（即金属溶解）的溶剂。电解液中包含的金属（阳离子形式）在阴极被还原成金属的电沉积，可被广泛用于功能化表面制造，以获得印刷工业中耐腐蚀性、可电催化的光活性半导体（光电）电板和电子工业中的工程部件［33-36］。Saravanan和Moham［37］用直流和脉冲电沉积技术研究制备了1种新型的不含铬络合剂、光亮剂和应力降低剂的DESs，动电位极化和电化学阻抗谱结果表明，通过脉冲电沉积技术沉积的Co65.44Cr34.55合金与Co80.04Cr19.95-（DCD）和软钢基体相比，具有非常高的电荷转移电阻值和较慢的腐蚀速度；Yang等［38］在DESs（ChCl/尿素，摩尔比为1∶2）中加入0～1200 mg/L烟酸，将金属镍通过电沉积到铜基体上，电沉积反应的电流效率接近100%。以上研究证实DESs在电化学实际应用中具有重要价值。

2.3.2 DESs在有机合成中的应用

在有机合成领域，溶剂需要保证催化剂和反应物之间有良好的接触，溶剂的种类还决定了溶剂回收再利用和搅拌技术的策略选择。使用DESs代替有机溶剂，绿色环保且能降低工艺成本。Zhang等［39］研究结果表明，在酒石酸/尿素中可以通过Friedlander反应快速合成喹啉衍生物（苯胺和酮的衍生物），并且以高达93%的产率获得所需目标产物；Azizi和Manocheri［40］报道了在适量硼氢化钠和室温条件下，ChCl/尿素可以选择性还原官能化羰基衍生物和环氧化物，碳酸钠/尿素可以还原大量环氧化物，所得醇的产率为75%～95%。

3 展望

DESs由于具有低熔点、极高的物理和化学稳定性、出色的溶解能力和极强的可设计性，在学术界引起了研究者的兴趣。DESs作为溶剂在物质萃取和分离、生物催化、电化学应用、材料合成和生物医学等领域有良好的应用前景。由于可制备DESs的化合物种类繁多，预期需求方向不同，因此，保证DESs在制备方法、后续处理方案和实践应用等方面具有重现性仍是未来研究的首要问题。目前的研究重点集中在不同类型氢键为组分的DESs，最常见的是ChCl为组分的DESs，而对采用天然物质制备的DESs研究较少，尤其是对其结构和理化性质的全面探究。目前对DESs的研究尚处在初级阶段，在未来一段时间里，对DESs仍需进行更加深入的研究，特别是DESs的合成机理和DESs的深层次应用前景，以期为制备不同性质的DESs探寻适当制备方法，为DESs在各领域的研究和应用提供参考。