离子液体强化不饱和键差异化合物分离的研究进展

容凡丁，丁泽相，曹义风，2，陈俐吭，2，杨柳，2，申福星，2，杨启炜，2，鲍宗必，2

（1 浙江大学化学工程与生物工程学院，浙江 杭州 310058；2 浙江大学衢州研究院，浙江 衢州 324000）

碳-碳双键、三键、芳环等不饱和基团是化工产品中常见的官能团。无论来源于化学合成还是生物质分离，含有不饱和键的化学品单体的高纯制备过程中往往同时存在不饱和键位置或构型不同的同分异构体（碳数和不饱和度均相同）和/或数量差异的同系物（碳数相同、不饱和度不同）。不饱和键差异导致的分子性质差异仅在于偶极矩、不饱和键的π电子或立体构型。一方面，分子中不饱和键导致分子的偶极矩与其饱和同系物略有不同，进而导致分子极性差异。具有偶极矩的分子之间更容易进行偶极-偶极相互作用，且偶极矩越大，相互作用也越强。对于具有顺反异构的不饱和化合物来说，通常顺式异构体比反式异构体的极性略强，但这种极性差异非常微弱；另一方面，由于单键碳原子为sp3杂化而无π 电子，双键碳原子为sp2杂化、三键碳原子为sp 杂化，这些不饱和键均含有π 电子。尽管存在上述差异，这类结构相似物的物化性质在整体上较相似，其高效分离一直是化工分离中最具挑战的过程之一。

根据分离原理的不同，目前对于具有不饱和键差异的化合物分离方法包括银离子络合法[1-5]、尿素包合法[6-10]、低温结晶法[11-14]、模拟移动床色谱[15-20]、液-液萃取[21-22]等。银离子络合法是基于银离子与不饱和键发生选择性和可逆的络合实现的，其优势在于高选择性，可以获得较纯的产品，然而这种方法的处理量小，只局限于实验室规模，无法应用于工业生产；尿素包合法依据饱和/不饱和化合物空间构型的差异进行分离，通常饱和化合物呈直链结构，易被尿素分子包合，而顺式不饱和键的存在使分子的空间结构发生弯曲，不易被包合，它的优点在于形成的包合物非常稳定，分离效果好，且实验简单、条件温和，然而这种方法需要使用大量尿素，需要对废水进行后处理，且获得的产品纯度通常并不高；低温结晶法根据物质在不同温度下的溶解度差异进行分离，这种方法设备简单、易操作，且低温下有效成分不易变质，但缺点在于需要使用大量有机溶剂，在低温条件下结晶能耗较大，且产品纯度较低；模拟移动床色谱根据不同物质与固定相之间固-液吸附平衡差异实现分离，通过周期性地切换物料进样点和采出点的位置来模拟流动相和固定相之间的逆流接触，以达到连续、高效的分离，模拟移动床对难分离体系有较好的分离效果，且可以连续操作，处理量较大，但设备昂贵，操作复杂，分离成本较高；液-液萃取法则是根据物质在两相体系中分配系数的差异进行分离，具有处理量大、操作简单、低成本等优点，然而液-液两相体系种类较少，分离选择性较低，需要多级操作才能达到分离要求，溶剂消耗量大。因此，亟需开发新型萃取介质，实现不饱和键差异同系物的高效分离。

离子液体因其独特的结构特点和优良的理化性质而替代传统有机溶剂，被广泛应用于萃取分离、催化合成、电化学、生物医药等领域[23]。与传统分子溶剂相比，离子液体不仅具有低挥发性和高热稳定性，且对难溶物质表现出优于常规分子溶剂的溶解性能[24]。离子液体结构中可引入多种官能团和功能性结构片段，可以通过氢键、范德华力、π-π相互作用等多种作用力对具有不饱和度差异的结构相似同系物进行高效识别。因此，与分子溶剂相比，以离子液体为介质的液-液萃取分离可获得较高选择性和萃取容量，实现不饱和度差异同系物的有效分离。本文简述了以低碳烷烃/烯烃、天然活性物质等为代表的含有不饱和键差异化合物体系的特性、分离方法以及用离子液体进行分离的研究进展。

1 离子液体概述

离子液体由阴、阳离子组成（图1），在室温或接近室温下为液态。近年来，离子液体作为“绿色溶剂”和“可设计溶剂”而受到广泛关注。首先，离子液体因具有极低的蒸汽压、较宽的液体温度范围、高内聚能、高化学稳定性和热稳定性等优点，被广泛用作传统挥发性有机溶剂的替代溶剂[25-27]。此外，由于离子液体的结构可通过改变阴离子、阳离子母核和取代基、引入功能化基团等进行设计，从而调节其物化性质[28]。据计算，离子液体的数量可高达1018种，而目前实际应用的传统分子溶剂只有约600 种[29]。离子液体的低挥发性、高电导率、宽电化学窗口及不易燃等特性，使它们在很多领域受到广泛应用。例如，离子液体被认为是安全的电解质，用于开发更高效、更安全的电池，如太阳能电池[30]、燃料电池[31]、热电化学电池[32]、超级电容器[33]等。离子液体还被用作添加剂，以提高润滑剂[34]、防腐剂[35]、增塑剂[36]等产品的质量和性能。由于离子液体出色的溶解性能，可作为多种化学反应的溶剂[37-39]。此外，在生物制药、色谱分析、化工分离过程等领域，离子液体也表现出巨大的应用潜力。

图1 文中涉及的离子液体的阴、阳离子结构及缩写

液-液萃取是重要的化工分离过程，具有操作简便、处理量大、可连续操作等优点[40]。对于轻质烃及天然活性同系物，传统液-液萃取过程以分子溶剂为萃取剂，分子溶剂选择范围小、与分离对象的相互作用方式较简单，对于结构相似化合物的选择性往往较低。由于离子液体可与溶质进行如氢键、范德华和π-π 相互作用等多种相互作用而表现出更好的溶解度[41-42]，还可根据分离对象的结构差异设计具有强分子辨识能力的新型萃取剂，从而克服分子溶剂的缺点，实现结构相似化合物的高效分离[43-47]。

由于构成离子液体的阴、阳离子数量巨大，通过实验进行离子液体筛选耗时长且成本高。Klamt等[48]开发的真实溶剂类导体屏蔽模型（conductorlike screening model for real solvents，COSMO-RS）通过将溶质和溶剂的量子化学处理与分子表面相互作用的有效统计热力学程序相结合，能够在单分子量子化学计算的基础上预测混合物的热力学性质。COSMO-RS 模型可快速筛选不同阴阳离子组成的离子液体对分离对象的萃取容量和选择性系数，还可计算与不同分离对象间的相互作用（静电力、氢键和范德华力），合理预筛选具有特定功能的离子液体并从相互作用角度揭示分离机理[49-51]。

根据分离对象的特征，本文将从室温下为气态的低碳烷烃/烯烃和烯烃/炔烃、液态的芳香类/脂肪类碳氢化合物和中等碳链烷烃/烯烃、固态的天然活性物质三个方面进行介绍。

2 离子液体分离低碳烃

低碳烃类混合物的分离与纯化是化工行业最重要的过程之一。低碳烃主要包括甲烷、乙烯、乙炔、丙烯、丁二烯等，不仅是生产有机聚合物（如聚乙烯和聚丙烯）和有机化合物（如环氧乙烷和乙二醇）的原料，也是一类重要的燃料[52]。目前，低碳烃主要通过高级烃类的裂解重组得到[53]，产品通常为多种烷烃、烯烃、炔烃的混合物，高纯单一气体的制备过程无法避免烷烃/烯烃、烯烃/炔烃的有效分离。离子液体可作为气体分离介质，实现低碳烯烃/烷烃、炔烃/烯烃的高选择性分离[43-44,54-55]。表1中给出了部分烷烃、烯烃、炔烃在不同离子液体中的亨利系数。

表1 烷烃、烯烃、炔烃在不同离子液体中的亨利系数（313K）

2.1 低碳烷烃/烯烃

丙烯与乙烯一起构成了石化工业的支柱。乙烯被大量用作生产聚乙烯的原材料，丙烯最重要的用途是生产聚丙烯，其他重要的以丙烯为原料的化学品包括丙烯腈、环氧丙烷、异丙苯、丙烯酸等[60-61]，乙炔和丙炔则作为重要的燃料气。目前，乙烯主要通过石脑油或天然气裂解得到，在该过程中，乙炔通常作为副产物出现，其含量通常约为混合物的1%。乙炔的存在不仅会降低下游产品的品质，而且容易使催化剂中毒，甚至发生爆炸[62]。商业上使用的工艺依赖于用贵金属催化剂将乙炔部分氢化为乙烯。催化加氢是一种成本高昂且能源密集的工艺，且容易导致过度加氢而产生低附加值的副产物乙烷[63]。低温蒸馏和萃取蒸馏是工业中分离丙烯/丙烷混合物的主要方法，但由于丙烯和丙烷的分子尺寸、沸点及蒸汽压相近[64-65]，导致分离难度大、成本高。

吸收分离以液体作为吸收剂，基于气-液相平衡，通过不同气体在吸收剂中的溶解度差异进行选择性分离。工业上常用N,N-二甲基甲酰胺（DMF）或N-甲基吡咯烷酮（NMP）等有机溶剂回收乙烯中的乙炔，该方法的缺陷主要在于乙炔/乙烯选择性较低、吸收容量不高、溶剂流失及挥发性溶剂回收困难等问题。因此，理想的吸收介质应兼具高吸收量和高分离选择性，同时应当具有较低的蒸汽压和良好的再生循环性能，以提高过程经济性。

离子液体吸收低碳链烷烃/烯烃得到了广泛研究。Camper等[43]测量了乙烷和乙烯在常见五种咪唑离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐[BMIM][PF6]、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐[BMIM][BF4]、1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲烷磺酰亚胺盐[EMIM][NTf2]、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲烷砜[EMIM][CF3SO3]、1-乙基-3-甲基咪唑双氰胺[EMIM][DCA]中的溶解度。结果表明，溶解度随着低碳烃碳数的增加而增加，并且当双键的数量增加时，具有相同碳数的烃的溶解度也增加。

为了提高离子液体对乙烷和乙烯的分离选择性，可以在离子液体中引入氰基等同样具有不饱和键（π 电子）的官能团，强化其与乙烯的π-π 作用[54]。与阳离子中含有单腈官能团的[CPMIM][NTf2]和非官能化的[BMIM][NTf2]相比（选择性分别为1.37 和1.61），具有对称的双腈官能化离子液体1,3-二丁基腈-咪唑双（三氟甲基）磺酰亚胺[(CP)2IM][NTf2]对乙烯/乙烷的分离选择性可达2.01，但对乙烯的吸收能力略低于[CPMIM][NTf2]。此外，向离子液体中引入Ag+也可提高分离效果。在0.56bar（1bar=0.1MPa）、303.15K 下，Ag+-[BMIM][NTf2]对乙烯/乙烷的选择性可达到10.7。

除了离子液体和气体分子之间的π-π 相互作用，离子液体的摩尔体积在低碳烷烃/烯烃的溶解度和选择性中也起着重要作用[55,66-67]。Liu 等[55]测定了丙烷和丙烯在两种离子液体1-己基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸酯（[HMIM][TfO]）和1-己基-3-乙基咪唑六氟磷酸盐（[HMIM][PF6]）中的溶解度数据，发现较大的摩尔体积会稀释离子的浓度，减弱阳离子与阴离子之间的静电相互作用，导致较大的自由体积，有利于气体的溶解。用[HMIM]+代替[EMIM]+作为阳离子，丙烷和丙烯的亨利系数分别降低89%和55%；而用[NTf2]-取代[TfO]-作为阴离子，二者的亨利系数则分别降低67%和50%，说明丙烷的溶解度对摩尔体积的变化比丙烯更敏感。当离子液体的摩尔体积小于丙烷时，丙烷和丙烯的溶解度差异随摩尔体积的增大而减小，当离子液体的摩尔体积大于丙烷时，丙烷和丙烯的溶解度差异随摩尔体积的增大而增大。因此在摩尔体积增大的过程中，离子液体对丙烷和丙烯的选择性经历先降低后升高的变化，具有较大摩尔体积的离子液体对丙烷/丙烯具有良好的分离性能[66-67]。

2.2 低碳烯烃/炔烃

对于烯烃/炔烃的分离而言，由于炔基的氢原子具有酸性（乙炔pKa=25），具有强氢键的碱性离子液体可以用作炔烃的选择性吸收剂。Lee 等[44]发现1,3-二甲基咪唑甲基亚磷酸酯（[DMIM][MeHPO3]）对乙炔和丙炔的溶解度分别是乙烯和丙烯的约45倍和20 倍，且对乙炔的溶解度高于丙炔（图2）。烯烃、炔烃的溶解度均随离子液体阴、阳离子烷基链增长而增加，但烷基对烯烃的影响比对炔烃更明显。阴离子不变，当阳离子从[DMIM]+变为[BMIM]+时，乙烯和丙烯的溶解度分别增加了两倍以上（313K下，乙烯的亨利系数由362.50atm变为181.00atm，丙烯的亨利系数由186.82atm 变为69.38atm），相比之下，乙炔和丙炔的增幅要小得多（乙炔的亨利系数由8.39atm变为7.01atm，丙炔的亨利系数由10.86atm 变为7.40atm） 当[BMIM][MeHPO3]阴离子上的甲基被丁基取代时，乙烯和丙烯的溶解度增加约2 倍，而丙炔的溶解度增加程度小得多（乙烯的亨利系数由181.00atm 变为105.70atm，丙烯的亨利系数由69.38atm 变为35.04atm，乙炔的亨利系数由7.01atm变为6.81atm，丙炔的亨利系数由7.40atm变为5.72atm）。随着烷基链长的增加，乙炔的溶解度几乎保持不变，这表明酸碱相互作用是决定乙炔溶解度的主要因素。另一方面，随着阳离子和阴离子上烷基碳数的增加，烯烃的溶解度明显增加，说明没有酸性氢原子的烃的溶解度在很大程度上受到离子液体自由体积的影响。

图2 313K下不饱和烃在[DMIM][MeHPO3]中的溶解度随压力的变化[44]

离子液体与乙烯/乙炔的相互作用（图3）表明[68-69]，乙炔在具有不同阴离子的离子液体中的溶解度顺序（[BMIM][OAc]>[BMIM][BF4]>[BMIM][NTf2]）与模拟计算出的乙炔与离子液体阴离子的氢键强度顺序一致，表明氢键相互作用可能是决定乙炔在离子液体中溶解度的主要因素；而乙烯与离子液体间氢键强度计算顺序与实验不符，因此，除了弱氢键相互作用外，还有一些其他相互作用影响离子液体中乙烯的溶解度。自然键轨道（natural bond orbital，NBO）分析也显示在离子液体中溶解乙炔时，氢键相互作用比π-π 相互作用强得多，而乙烯与离子液体的氢键、与阴离子的p-π相互作用和与阳离子的π-π 相互作用共同影响乙烯在离子液体中的溶解度。因此，可以通过调控离子液体的氢键碱性实现对烯烃/炔烃的选择性分离。

图3 乙烯、乙炔分子与[BMIM]+之间的主要相互作用[69]

总的来说，影响低碳烷烃、烯烃、炔烃在离子液体中溶解度和选择性的因素主要包括以下几个方面：对于烷烃/烯烃，构成离子液体的阴、阳离子结构，如烷基链长决定的离子液体的摩尔体积、离子液体的结构中可与气体分子的不饱和键进行π-π相互作用的基团等因素都对分离产生影响，而对于烯烃/炔烃，除以上因素外，由于炔烃中酸性氢原子的存在，离子液体的酸碱性将对分离效果有重要影响。此外，离子液体的回收利用对降低成本至关重要。基于离子液体蒸汽压极低的特点，可利用减压解吸、升温伴随氮气吹扫等方法进行离子液体的循环利用，不影响其后续分离效果[70-71]。

3 离子液体对芳烃/烷烃、烯烃/烷烃的萃取分离

形成液-液两相体系是对液态和固态分离对象进行萃取分离的基础。一个合格的液-液两相萃取体系应满足以下条件：萃取相与原料液互溶度低、相界面清晰，易于分离；对溶质溶解能力强、选择性强；黏度不宜过大，混合过程中传质效率高；萃取剂易于回收利用；安全无毒等。因此，根据待分离物系的结构性质特点设计低互溶度、易于萃取的液-液两相体系是进行萃取分离的首要任务，这尤其需要准确可靠的相平衡数据。

3.1 芳香烃/脂肪烃的分离

芳香烃/脂肪烃的分离对于汽油中分离芳香烃、纯脂肪烃的制备具有重要意义。例如，苯和环己烷的沸点接近，在一个大气压下仅相差0.6℃，且形成二元共沸物，因此传统蒸馏法难以分离苯和环己烷的混合物[72]。工业分离芳香烃/脂肪烃常用萃取精馏和共沸精馏[73-74]，过程复杂且能耗非常大，且只适用于分离中、高浓度的苯[50]。液-液萃取由于能耗低、操作条件温和且简单，最常用于分离苯含量较低的混合物。工业上常用的分子溶剂萃取剂包括环丁砜、NMP等[75-76]。由于这些有机溶剂通常具有挥发性、毒性和易燃性，且对于芳香烃/脂肪烃的选择性并不高，因此需要设计高选择性萃取剂。离子液体作为传统有机溶剂的替代品已被用于脂肪烃/芳香烃的萃取分离，与烷烃和烯烃等脂肪烃相比，芳香烃中离域电子可形成大π键，与离子液体形成更强的π-π 相互作用，从而实现芳烃和脂肪烃的选择性分离。目前已报道的以离子液体作为萃取剂的脂肪烃/芳香烃的液-液相平衡、容量和选择性数据中，使用的离子液体阳离子主要为咪唑类[77-79]、吡啶类[80-82]，也有一些研究涉及吡咯烷[83]类、铵类[84]等，研究最多的阴离子则是双(三氟甲基磺酰基)酰亚胺（[NTf2]-）[85]。此外，为了提高选择性和萃取容量，一些研究使用混合离子液体进行脂肪烃/芳香烃萃取分离[86]。Lyu 等[45]用COSMO-RS对12 个阳离子和22 个阴离子进行了筛选，发现1-丁基-3-甲基咪唑四氯铝酸盐（[BMIM][AlCl4]）是分离苯/环己烷最佳的离子液体。具有阴离子[Cl-]、[AlCl4]-和[TOS]-的离子液体中苯的分配系数通常高于具有含氟阴离子的离子液体，如[BF4]-和[CF3SO3]-。这是因为含氯或芳环的阴离子比含氟的阴离子具有更多的离域电子，促进了离子液体与苯的相互作用。具有高度离域电子的阴离子不仅可以与芳烃形成π-π络合作用，还可以促进芳烃共享阳离子的正电荷。此外，量子化学计算详细分析了氢键及π-π络合等特定相互作用的贡献（图4），发现[BF4]-与苯之间的氢键强度强于[AlCl4]-—苯，而COSMO-RS计算结果显示[BMIM][AlCl4]对苯的萃取能力强于[BMIM][BF4]对苯的萃取能力。因此，[BMIM][AlCl4]的较高萃取效率可能不能直接用苯和阴离子之间的氢键相互作用来解释。NBO 分析进一步表明不仅阴离子和苯之间存在氢键，阳离子和苯之间也存在p-π和π-π相互作用，这可能是[BMIM][AlCl4]对苯具有高选择性的主要原因。

图4 IL-苯复合物的优化空间构型[45](1kcal/mol=4.18kJ/mol, 1Å=0.1nm)

可通过离子液体结构设计提高对芳香烃/脂肪烃的分离效果。用于芳香烃/脂肪烃分离的离子液体阳离子主要集中在咪唑类、吡啶类含有π电子的阳离子，还可通过引入富π电子的苯基、碳-碳双键等官能团[87]，设计双阳离子[P(MIM)2]+和[H(MIM)2]+[88]强化分离效果。吡咯烷酮[89]、季铵和季鏻[84]等阳离子也有报道。不同阴离子对乙苯/苯乙烯的分离选择性如图5所示。对阴离子而言，黏度低且含有离域电子的[NTf2]-、三氟甲磺酸根[TfO]-和含有氰基的[SCN]-、[DCA]-、[TCM]-等对芳烃/脂肪烃有较高的分离选择性[90-92]。在313.2K下，几种离子液体对甲苯和庚烷的选择性顺序为[EMIM][DCA]>[EMIM][TCM]>[BMIM][DCA]>环丁砜[90]。此外，也可通过二元混合离子液体，如[EMIM][NTf2] + [EMIM][EtSO4]、[4EMPY][NTf2] + [EMIM][DCA]等，获得优于单一离子液体的分离效果[93-95]。由于高芳香烃/脂肪烃的分配系数和选择性往往很难同时达到，可选择具有较高分配系数和适宜选择性系数的离子液体进行复配[96-97]。

图5 无限稀释条件下[BMIM]+阳离子和不同阴离子组成的离子液体对正己烷/1-己烯、环己烷/环己烯、乙苯/苯乙烯的分离选择性

3.2 液态烷烃/烯烃的分离

除了芳香烃/脂肪烃的分离，离子液体在液态烷烃/烯烃体系的分离中也有广泛应用。Li 等[98]在313K下测试了17种离子液体对于1-己烯和正己烷的萃取效果，发现萃取选择性在1.5～3.0。离子液体中阴离子和阳离子的化学结构极大地影响了萃取效果，含有不饱和键官能团如碳-碳双键、氰基、酯和酰胺的存在提高了选择性[99]。此外，与无银盐相比，含银盐离子液体对1-己烯和正己烷的萃取效率更高，且1-己烯的分配系数和己烯对正己烷的选择性也都有所提高。这是由于银离子与双键之间可形成络合作用，且次级络合物的形成比初级络合物对萃取更为有利，萃取效率随离子液体中银盐浓度的增加而增加。当1-己烯的浓度在313K的原料液中为5%（体积分数）时，选择性系数甚至达到了15。

Domańska 等[100]测定了多种烷烃、烯烃、芳香烃在离子液体1-丁基-3-甲基咪唑双氰胺[BMIM][DCA]中的无限稀释活度系数，研究涵盖了正戊烷/1-戊烯、正己烷/1-己烯、环己烷/环己烯等十余种具有不饱和键差异的体系。此外，总结了2010—2015 年报道发表的以[BMIM]+为阳离子，不同阴离子的离子液体对正己烷/1-己烯、环己烷/环己烯、乙苯/苯乙烯三对待分离体系的分离选择性和容量（图5）。可以看出，当使用[BMIM][SCN]作为萃取剂时，正己烷/1-己烯的选择性系数达到3 以上，远高于其他阴离子的萃取剂；[BMIM][Cl]和[BMIM][MeSO4]也分别对环己烷/环己烯、乙苯/苯乙烯有较高的选择性。这可能是由于这些离子液体的基团中含有丰富的π电子，如氰基、硫酸根，可与含有不饱和键的待分离物进行π-π 相互作用。但由于阴离子的极性较强，虽然提高了选择性，离子液体对于溶质的萃取容量却不令人满意。因此，应根据待分离组分的特定性质选择合适的离子液体进行萃取，以兼顾选择性和萃取容量。

综上，为了提高芳香烃/脂肪烃、液态烷烃/烯烃的分离选择性，可选择含π电子的咪唑类、吡啶类阳离子、向阳离子中引入不饱和官能团如氰基、酰胺基，或引入可以与双键进行π-π 络合的银离子等，同时可通过改变离子液体阴、阳离子的烷基链长、离子液体中的功能性基团等来调节离子液体的性质，进而调节分配系数。可通过减压蒸馏实现离子液体的再生[109]。

4 离子液体萃取分离不饱和天然活性物质

天然活性物质的结构复杂、来源广泛。含有不饱和键的天然产物中通常有一系列结构相似的同系物共存，仅在碳-碳双键的个数甚至取代基的位置上有差异，如不饱和脂肪酸同系物[110-111]、辣椒碱/二氢辣椒碱[46]、青蒿素/青蒿烯[112]、甾醇同系物[113]等，其分子体积、溶解度等可用于分离的性质十分相近，因此单体分离难度很大。本节介绍的具有不饱和键差异的分离对象如图6所示。近年来，离子液体因其优良的理化性质、可设计的结构以及较高的分离选择性而被广泛用于天然产物的萃取分离。

图6 不饱和键差异的天然活性同系物

4.1 多不饱和脂肪酸

含有两个及以上双键的多不饱和脂肪酸在降低癌症、心脏病、心血管病、自身免疫和炎症疾病以及神经功能受损风险方面有着重要作用[114]，且不饱和程度越高，其活性越强。多不饱和脂肪酸主要来自于植物油、海洋鱼油、海洋微藻油等，得到的多为各种长链不饱和脂肪酸的混合物[115]。由于不饱和脂肪酸的生物活性与其不饱和度密切相关，因此分离纯化不饱和度不同、碳链长度不同的长链不饱和脂肪酸具有重要意义。然而它们的分子结构和理化性质十分相似，仅在不饱和键的个数和位置或是顺反异构方面有细微的差异，因此分离纯化较为困难[111]。目前使用的分离不饱和脂肪酸的方法主要有尿素包合法[116-119]、低温结晶法[120-121]、超临界流体萃取法[122]等。

离子液体分离不饱和脂肪酸也有研究。Li等[110]使用离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰基酰胺([EMIM][DCA])和DMF 的混合物，以正己烷作为原料液相，形成三元液-液两相体系，对模型生物油中的不饱和脂肪酸甲酯进行萃取。结果表明，DMF作为共溶剂可以提高不饱和脂肪酸甲酯的分配系数。以[DCA]-和[SCN]-为阴离子的离子液体表现出最佳的分离选择性，二十碳五烯酸甲酯对硬脂酸甲酯的选择性达到了11.7，这可能是因为CN 基团可以与不饱和双键形成特定的π-π 相互作用，增强了对双键的识别。

Li 等[123]用含银盐的疏水性咪唑离子液体1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸[HMIM][PF6]萃取多不饱和脂肪酸甲酯，其中二十碳五烯酸甲酯对十八碳三烯酸甲酯和十八碳二烯酸甲酯的选择性分别达到7.9和18.0。由于离子液体中Ag+水合作用低于在水溶液中的水合作用，这使得银离子能够有效地与多不饱和脂肪酸甲酯中的双键配位，且配位作用随着不饱和度的增加而增加，因此AgBF4-[HMIM][PF6]比传统的水-银盐体系具有更高的萃取能力。

Fan等[124]首次使用胍基离子液体在逆流色谱溶剂系统中分离二十碳五烯酸乙酯和二十二碳六烯酸乙酯的混合物。为了阐明分离机制，通过COSMOSAC计算了不同离子液体和脂肪酸乙酯的表面电荷密度，发现二十碳五烯酸乙酯和二十二碳六烯酸乙酯有较强的氢键受体能力，而在研究的几种离子液体己基氯化胍[HGUN][Cl]、1-己基-3-甲基氯化咪唑[HMIM][Cl]和三己基（十四烷基）氯化鏻[P66614][Cl]中，[HGUN][Cl]的相应氢键矩远高于另外几种，表明胍类离子液体是一种出色的氢键供体，甚至优于常用的咪唑类离子液体和鏻类离子液体。因此，对于仅能通过其氢键接受基团形成氢键的二十碳五烯酸乙酯和二十二碳六烯酸乙酯，胍离子液体是具有高分离性能的最佳选择。

4.2 辣椒碱/二氢辣椒碱

辣椒碱具有镇痛、抗癌、抗炎、抗糖尿病、抗凝血和降血脂活性[125]，二氢辣椒碱有诱导肿瘤细胞自噬的作用[126]。辣椒碱与二氢辣椒碱结构上的差异仅在于C6位置的一个双键。

Santos等[127]利用胆碱基离子液体氯化胆碱[Ch][Cl]、酒石酸胆碱[Ch][Bit]和柠檬酸二氢胆碱[Ch][DHCit]、乙腈和水形成的双水相系统用于提取辣椒中的辣椒碱，得到的萃取效率超过90%。Cao等[46]选取咪唑、吡咯及胆碱基亲水性离子液体对辣椒碱和二氢辣椒碱进行分离，辣椒碱和二氢辣椒碱在离子液体水溶液中的分配系数远高于使用纯水或纯离子液体，这表明离子液体和水对辣椒碱和二氢辣椒碱分配行为具有协同作用。最重要的是，水的加入可提高萃取剂（离子液体水溶液）的极性，识别碳-碳双键导致的辣椒碱和二氢辣椒碱极性的微弱差异，实现选择性分离。此外，可通过“稀释剂摆动”效应有效实现高浓度下离子液体的萃取分离和低浓度下离子液体的反萃取，实现离子液体的再生和循环使用。

4.3 青蒿素/青蒿烯

青蒿素（artemisinin，ART）是目前最有效的天然抗疟疾药物。工业纯化青蒿素的方法主要有色谱法和重结晶法，然而得到的青蒿素产品中仍然含有质量分数5%～10%的青蒿烯（artemisitene，ARE）[128-130]，因为它们分子结构的区别主要在于一个碳-碳双键差异。青蒿烯的存在可引起过敏等严重副作用，因此，需进行青蒿素与青蒿烯的选择性分离。

Cao等[47]利用COSMO-RS对418种离子液体进行筛选，选择N-烯丙基-N,N,N-三甲基氯化铵[AA][Cl]、三乙基氯化铵[TEA][Cl]、氯化胆碱[Ch][Cl]和三甲基氯化铵[TMA][Cl]四种对青蒿烯/青蒿素的选择性高于1.5 的亲水性离子液体进行后续实验。结果表明，加入离子液体萃取后，溶质的分配系数和选择性系数都有不同程度的提高，在[TEA][Cl]水溶液中，青蒿烯和青蒿素的分配系数分别提高到0.168和0.028，分离选择性提高到5.97。[TEA][Cl]烷基链的增加和[AA][Cl]中疏水官能团（烯丙基）的存在均可提高青蒿素和青蒿烯的分配系数。此外，烯丙基官能团可以强化青蒿烯和离子液体之间的π-π相互作用，促进青蒿烯/青蒿素的选择性分离。分子动力学模拟（图7）验证了离子液体和青蒿烯之间的π-π 相互作用是实现高选择性分离的关键。图7(a)所示离子液体水溶液中青蒿素与青蒿烯分子的数量之比为1∶1.8，表明更多的青蒿烯分子可以分布到离子液体相中。由图7(c)、(d)中青蒿素/青蒿烯-环己烷、青蒿素/青蒿烯-[AA]+的质心径向分布函数（radial distribution functions，RDFs）可见，与青蒿烯相比，青蒿素与环己烷之间的相互作用比青蒿烯更强、与[AA]+间的相互作用更弱。因此，青蒿烯分子更容易分布在离子液体相中。[AA]+和青蒿烯双键的C1和C2的位点间RDFs结果[图7(b)]表明青蒿烯中的双键与[AA]+之间存在π-π等相互作用。

图7 萃取体系的分子动力学模拟[47]

为了降低离子液体的毒性、减少使用过程中的流失[131]，Cao等[112]通过异丙基丙烯酰胺和1-甲基-3-(4-乙烯基苄基)氯化咪唑的自由基聚合制备了刺激响应性共聚离子液体。对于含有摩尔分数11.25%离子液体的共聚物，青蒿素/青蒿烯的分离选择性达到3.62。由于青蒿烯与离子液体之间的π-π 和氢键相互作用，青蒿素/青蒿烯的分离选择性随着共聚离子液体中离子液体含量的增加而增加，且通过加热和加盐的双重刺激反应，可对共聚离子液体进行回收。

4.4 甾醇

甾醇是由三个环己烷和一个环戊烷稠合而成的环戊烷多氢菲衍生物。胆固醇是构成细胞膜的主要成分，同时也是合成胆酸、维生素D3和其他甾体类激素的原料。24-去氢胆固醇是合成胆固醇的直接前体物质，与胆固醇相比因为支链含有双键，所以在许多具有重要生理活性的甾醇合成中更有优势。维生素D3也被称为胆钙化醇，对维持动物和人类的健康至关重要，被广泛用作食品添加剂和保健品。在工业中，维生素D3通常是通过光转化过程制备的，转化过程同时产生的副产物包括速甾醇T3，二者结构上的区别仅在于母核上双键位置不同，因此维生素D3和速甾醇T3的分离难度较大。

梁瑞斯[113]用咪唑和吡啶类离子液体对胆固醇/24-去氢胆固醇进行萃取实验，发现当离子液体中含有不饱和键或离子液体的氢键碱性较强时，目标物质的分配系数以及24-去氢胆固醇/胆固醇选择性系数都较高。其中[BMIM][SCN]的选择性最高，达到2.45，[BMIM][OAc]中，胆固醇达到最高的分配系数5.94。除π-π 相互作用和氢键相互作用外，离子液体的极性也影响萃取效果。阴离子相同时，随着阳离子取代基碳链长度的增加，离子液体对胆固醇/24-去氢胆固醇的分配系数增加，选择性降低。引入功能性基团（—CN、—OH）增加了离子液体的极性，可提高对目标物质的选择性，但分配系数大大降低。

对于维生素D3和速甾醇T3的分离，也得到了相似的结论。含有π电子的离子液体能和维生素D3和速甾醇T3中不同位置的双键产生不同强度的ππ 相互作用，因而有更高的选择性系数。其中[BMPR][NTf2]对二者的选择性系数可达到1.77，优于有机溶剂为萃取剂的最高选择性系数1.44。同样地，离子液体的极性和分子尺寸也影响维生素D3/速甾醇T3的萃取效果，并得到了与胆固醇/24-去氢胆固醇相同的结论。

5 基于离子液体的分离工艺流程模拟

此前，大量文献的研究重点集中在获得液-液相平衡实验数据[45,47,68-69,124]、气体溶解度数据[43,56-58]及探究分离机理[132-135]上，对工艺流程研究较少。如上所述，离子液体具有许多有利于微小差异分子辨识分离的优点，然而其高黏度、高价格制约了大规模工业应用。因此，离子液体在工业规模上的萃取/吸收分离应用很大程度上将取决于工艺的合理开发，综合评价工艺的技术合理性及经济可行性[136-138]。Aspen Plus 是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统，目前已有很多研究将COSMO应用于Aspen Plus中[97,139-140]，将热力学预测和过程模拟相结合，可对萃取/吸收过程进行模拟并对离子液体的潜在工业应用进行系统评估（图8）[85]。

图8 萃取过程示意图[85,97,147]

离子液体对气体的吸收分离工艺能否适用于工业生产，除了需要进行离子液体筛选，还要进行过程模拟和评估。目前，许多模型如UNIFAC、UNIQUAC、EOS、COSMO等被用于预测气-液系统的热力学和动力学性质[141-143]，初步筛选出满足分离要求的离子液体。Santiago 等[144]基于COSMO-RS的分子间相互作用，筛选具有分离特性的离子液体，在不同的温度和压力下进行实验，得到了工业规模吸收塔设计的关键参数（如吸收容量和扩散系数），最后使用Aspen Plus 软件对基于离子液体的气体分离过程（包括吸收和溶剂再生阶段）进行模拟，通过估计能源消耗、运营和资本成本等因素进行技术可行性分析。结果表明，与DMF 相比，离子液体对乙炔的吸收在室温时受到传质速率的制约，因此达到80%乙炔回收率所需的填料高度比基于DMF 的工艺高一个数量级；而再生阶段的模拟显示了离子液体作为吸收剂的优势，由于离子液体的难挥发性，通过闪蒸即可实现离子液体的再生和乙炔的回收。

萃取工艺参数决定着分离工艺的有效性和操作成本。Navarro等[97]使用基于COSMO的Aspen模拟，对具有不同结构特征的100种常见离子液体进行了分析，从工艺角度评估了操作条件对液-液萃取分离脂肪烃/芳香烃的影响。在逆流萃取、平衡级数为5的条件下，当进料中苯浓度增加时，萃取流中的芳烃回收率和纯度都有所提高；高的溶剂/进料比（S/F）会导致高收率、低纯度，同时也提高了成本，且对于不同种离子液体来说最佳S/F比不同，芳香烃的分配比越高，最佳S/F比越低。然而，单位成本（回收单位芳香族质量的成本）随着S/F比增加保持几乎恒定，因此不建议固定S/F比来比较不同离子液体种类，且不必一味追求最佳S/F。产品再循环也可调控萃取效果[139]：将芳香烃再循环从质量分数10%增加到90%可使芳香烃纯度逐渐增加（从40%到84%），其代价是芳香烃的回收率降低，在最佳纯度条件下仅达到41%。同时，过程的总能源成本提高到芳香烃再循环为10%时的近三倍。与传统方法相比，采用离子液体[BMIM][BF4]可将多环芳烃纯度提高2%、降低5.06%年生产成本和6.42%的能耗[145]；与环丁砜相比，[EMIM][NTf2]可降低10.7%的能耗[146]。

多级萃取模式的选择是决定萃取工艺的另一关键因素。Cao 等[47]模拟了N-烯丙基-N,N,N-三甲基氯化铵[AA][Cl]水溶液通过多级错流和逆流萃取从青蒿素中分离青蒿烯的收率和纯度（图9），结果表明两种萃取方式都可以将青蒿烯的纯度从98.17%提高到99.99%。在S/F比较低时，错流萃取可以通过增加级数来达到预期的青蒿素纯度，而逆流萃取在萃取相和萃余液相达到平衡后，产品青蒿素的纯度随级数的增加基本不变，无法通过增加级数达到预期的青蒿素纯度。错流工艺中青蒿烯的收率和萃取剂的消耗量与逆流工艺相似；当需要多级萃取来达到所需的纯度时，错流工艺中使用的萃取剂的量稍高于逆流工艺。在工业应用中，应针对能耗、成本、盈利等因素对逆流和错流工艺进行全面的比较分析。同时实验也证明离子液体水溶液可以循环再利用，第5 次循环的分离选择性达到7.85，青蒿素的纯度可提高0.32%。

图9 多级错流萃取过程模拟结果[47]

6 结语

本文简述了使用离子液体对具有不饱和键差异的化合物进行分离的研究进展，目前已经对离子液体的结构与性能的关系进行了深入研究，实现了以低碳烷烃、烯烃、炔烃为主的气体分子的吸收分离、中等碳链长度的液态脂肪烃、脂肪烃/芳香烃的液-液萃取分离以及结构更加复杂的天然活性物质的萃取分离。对于不饱和度差异的组分，离子液体与待分离物质之间的π-π 相互作用是实现分离的主要依据之一。另外，由于不饱和键或功能性基团产生极性差异，偶极-偶极相互作用也是部分体系分离的关键依据。此外，离子液体可以与具有氢键酸性的炔烃之间形成分子间氢键，对于炔烃的选择性吸收也有重要影响。COSMO-RS、量化计算、分子动力学模拟等工具被广泛应用于离子液体的筛选和分离机理的探究中。

随着人们对环境保护、分离性能和生产成本要求的逐渐提高，对离子液体的性能也提出了新的要求。

①从降低生物毒性以及生态环境保护的角度考虑，可设计生物相容性离子液体，如含氨基酸根[148-150]、长链羧酸根[151]、胆碱阳离子[152]等生物相容性组分的离子液体；

②将离子液体负载于其他多孔材料中，如金属-有机框架（MOFs）、共价有机框架（COFs），碳纳米管（CNTs）和沸石等，设计出复合材料以提高分离性能；

③深入探究离子液体的分离机制，针对待分离体系的性质差异设计出更高分离选择性的离子液体，实现不饱和度差异化合物的高效分子辨识分离，需要对离子液体的构效关系进行多尺度研究，近年来计算机模拟手段的快速发展作为实验的先行和验证技术，为进行多尺度研究创造了条件，然而从分子尺度研究到工艺过程水平的实施仍需要大量工作，机器学习和人工智能相结合有望实现离子液体的高通量筛选和设计；

④在进行分离工艺设计时，产品纯度、收率、能耗等因素相互制约，因此在保证分离效果的同时，应综合考虑和评估经济、环境、安全等相关因素，进行多目标优化策略设计。