离子液体在天然产物化学中的应用

摘

要：首先介绍了离子液体的发展历史以及离子液体的种类、特点、制备方法，重点综述了离子液体在天然产物提取分离中的应用，主要分析了离子液体微波辅助萃取分离、离子液体超声强化萃取分离以及离子液体双水相萃取分离方面的研究进展，并指出了离子液体在天然产物提取分离的应用中存在的问题，介绍了两种改进方法——固定化离子液体和聚离子液体技术。其次概括了离子液体在色谱分析中的应用，包括气相色谱、高效液相色谱及毛细管电泳。最后对离子液体在天然产物中的应用进行了总结与展望，指出了其所面临的挑战及未来的研究方向。关键词：离子液体；天然产物；提取分离；色谱分析

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引言离子液体（Ionicliquids，ILs）通常由有机阴离子和无机阳离子构成，是一种在室温或近于室温下呈液态的离子化合物，故又称室温离子液体。离子液体具有挥发性极低、不易燃、对热稳定等特点，是一种极具潜力的新型绿色环保溶剂。同时，离子液体的诸多物化性质，如熔点、密度、酸碱性及溶解能力等，可以通过改变阴阳离子或结构而得到调整，以满足应用中的特殊需求。因此，离子液体技术受到了各领域研究者的关注。目前，离子液体已被广泛应用于电化学、有机合成、催化、提取分离等领域。天然产物的化学组成复杂多样，在萃取分离时大多存在提取效率低、污染大、能耗高等问题，较大地限制了天然产物的发展。因此，改进天然产物的萃取分离技术是该领域研究过程中亟待解决的一个关键问题。近年来，离子液体技术在天然产物化学的运用越来越受到关注。本文对离子液体的发展史进行了概述，在此基础上分析论述了离子液体在天然产物化学中的应用，指出其在发展过程中存在的问题及未来的研究方向，以期为该技术在天然产物化学方面的应用提供借鉴与参考。1

概述1.1

离子液体的发展历史离子液体的发展历史可以追溯到1914年，当时利用浓硝酸和乙胺反应制得硝基乙基胺（[EtNH3][NO3]），这是合成的第一个在室温下呈液态的有机盐，但由于其在空气中很不稳定、极易发生爆炸，它的发现在当时并没有引起人们的兴趣。1951年，选择N-乙基吡啶作为阳离子，合成溴化正乙基吡啶和氯化铝的混合物，这是首次合成的在环境温度下为液体状态的离子液体。这一发现为离子液体的发展奠定了基础，开创出第一代离子液体，称为氯铝酸盐离子液体。1976年，美国Colorado州立大学的Robert在进行有机电化学研究时，发现所利用的AlCl3/[N-EtPy]Cl电解液——一种室温离子液体性能很好，可以与有机物混溶，不含质子，且电化学窗口较宽。1992年，相继合成出二烷基咪唑类四氟硼酸、六氟磷酸等离子液体，该类离子液体具有较强的稳定性和抗水性，标志着第二代耐水性离子液体的诞生，此后离子液体的应用研究才真正得到广泛开展。而之后手性离子液体的成功合成，标志着离子液体的研究进入功能化体系，即根据应用需求，设计并合成具有特定功能的离子液体，如酸性离子液体、碱性离子液体、手性离子液体等。21世纪以后，离子液体研究步入新阶段，研究者致力于开发功能化离子液体——第三代离子液体。如今新型离子液体不断涌现，应用空间持续扩大，离子液体技术已成为当前极具发展前途的一项新技术。1.2

离子液体的种类离子液体通常由无机阴离子和有机阳离子构成，通过不同阴阳离子的组合，可合成出多种类型及功能的离子液体。目前，研究较多的离子液体中的阳离子主要是烷基季铵离子（[NRxH4-x]+）、烷基季磷离子（[PRxH4-x]+）、烷基取代咪唑离子（[RR,im]+）、烷基取代吡啶离子（[RPy]+）；而离子液体中的阴离子可分为多核阴离子和单核阴离子，常见的多核阴离子有Al2C17-、Al3C110-、Fe2C17-等，单核阴离子有BF4-、PF6-、SbF6-、InCl3-、CuCl2-、SnCl3-、AlCl4-、N（CF3SO2）2-、N（FSO2）2-、CF3CO2-、CF3SO3-、CH3SO3-等。离子液体按构成的阳离子不同可分为季铵盐类、季磷盐类、咪唑类、吡啶类；按构成的阴离子不同可分为卤素类、四氟硼酸盐类及六氟磷酸盐类等。离子液体还可以根据在水中溶解性的不同分为亲水性离子液体，如[BMIM]BF4、[EMIM]BF4、[EMIM]Cl、[BPy]BF4等；疏水性离子液体，如[BMIM]PF6、[OMIM]PF6、[BMIM]SbF6、[BPy]PF6等。此外，根据离子液体的酸碱性可将其分为：Lewis酸性、Lewis碱性、Bronsted酸性、Bronsted碱性和中性离子液体。Lewis酸性离子液体是指能够接受电子对的离子液体；相反，Lewis碱性是指能够给出电子对的离子液体。Lewis酸性或碱性离子液体主要为氯铝酸类的。Bronsted酸性离子液体指能够给出质子（或含有活泼酸性质子）的离子液体，如[HMIM]BF4；Bronsted碱性离子液体指能够接受质子（或阴离子为OH-）的离子液体，如[BMIM]OH。中性离子液体主要有[BMIM]BF4、[EMIM]BF4。还有一些分类将离子液体分为手性离子液体和非手性离子液体。手性离子液体在光谱识别、色谱分离、不对称合成催化及其液晶复合材料等方面具有广泛的应用。1.3

离子液体的特点离子液体作为新型溶剂具有许多突出的优点，主要表现在：（1）蒸汽压极小，不易挥发，在使用、储藏中不会蒸发散失，可以循环使用，消除了挥发性有机化合物（VOCs）的环境污染问题；（2）液态范围广，从低于或接近室温到300℃以上，均具备热稳定性和化学稳定性；（3）电导率高，电化学窗口大，可作为许多物质电化学研究的电解液；（4）分子具有可设计性，可根据需要设计合成出功能不同的室温离子液体；（5）对大量无机和有机物质都表现出良好的溶解能力，且具有溶剂和催化剂的双重功能，可以作为许多化学反应溶剂或催化活性载体。1.4

离子液体的制备离子液体的合成大体上有两种方法，即直接合成法和两步合成法。1.4.1

直接合成法亲核试剂叔胺（磷）与卤代烃或者酯类发生亲核加成，或利用叔胺的碱性与相应的酸进行中和反应，得到目标离子液体。前者发生的亲核反应可生成类似季铵盐卤化型离子液体，同时它也是合成非卤化型离子液体的前体。直接合成法具有操作经济简单、没有副产物、产品易于提纯等特点。1.4.2

两步合成法阳离子来自上述直接合成法中的季铵离子，然后通过络合反应、复分解反应、离子交换等方法将卤素离子用Lewis酸或含有所需阴离子的碱金属盐置换，从而制备目标离子液体。两步合成法的关键是让复分解反应尽可能彻底，以提高目标产物的收率，方便产物的分离纯化。2

离子液体在天然产物提取分离中的应用2.1

离子液体萃取机制离子液体对天然产物的萃取机制：（1）离子液体可以与某些有机物的基团发生氢键作用、静电作用、色散作用等分子间的作用进而实现萃取；（2）离子液体的疏水性使得其对某些有机物具有良好的溶解能力，离子液体的疏水性主要受其阴、阳离子种类的影响，随着离子液体疏水性的增强，亲油性有机物的分配系数也相应增大。2.2

离子液体微波辅助萃取分离微波辅助萃取的特点主要是快速高效、溶剂用量少、能耗低，而离子液体对微波能量具有良好的吸收效果，故将离子液体作为微波萃取的溶剂，能有效地促进萃取速度和效率，这就体现出离子液体与微波辅助萃取结合的独特优势。以[Bmim]Br、[Bmim]BF4、[Hmim]Br、[Hmim]BF4离子液体为提取剂，微波辅助提取酸枣仁中的黄酮。通过单因素试验，考察了离子液体种类、离子液体浓度、提取时间和液固比对酸枣仁中黄酮含量的影响。结果显示：以[Hmim]Br为提取剂，在离子液体浓度V[Hmim]Br/V乙醇为1:6、提取时间15min、液固比60:1（mL/g）条件下，黄酮提取效果较好。另一方面，该方法可大幅缩短提取时间，节约资源。利用离子液体微波辅助提取虎杖中芦荟大黄素、大黄酸、大黄酚和大黄素甲醚，并对该工艺进行响应面优化，确定了虎杖5种蒽醌类成分的最佳提取工艺：加入40倍0.6mol/L的C8[MIM]Br，微波提取功率200W，提取温度31℃，提取时间8min，此时5种蒽醌类成分总提取率为11.69mg/g。为提取川芎中的洋川芎内酯I和H及藁本内酯，开发出一种以离子液体与微波辅助萃取结合的新方法，使用的离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺鎓盐（[Bmim]Tf2N）。结果表明：该方法具有萃取效率高、萃取时间短等优势。比较了不同方法对提取八角茴香、肉桂、连翘中的挥发油成分的影响。结果显示，与其他传统方法相比，离子液体微波辅助萃取法所得挥发油在含量上没有明显差别，但提取时间最短，溶剂和样品使用量更小，操作更加简便。利用离子液体微波辅助萃取技术提取莲子心中的3种酚性生物碱。研究表明：离子液体是微波萃取技术的良好溶剂，其萃取效率明显优于甲醇等有机溶剂，具有快速、高效等优点。2.3

离子液体超声强化萃取分离超声波的空化作用使得超声提取具有相间传质速率快、提取温度低的优点，而离子液体具有挥发性极低以及结构可设计的特性，因而基于离子液体的超声辅助萃取有利于强化对某些热不稳定的中药资源性化学成分的快速高效提取。合成了一系列C2～C12咪唑溴铵类离子液体，将其与超声辅助提取技术结合萃取甘草中的异甘草素、甘草苷及甘草酸。结果显示：以[Bmim]Br为萃取剂，有效成分的提取率可达90%以上。比较了一系列不同阴阳离子组合的1-烷基-3-甲基咪唑类离子液体超声辅助提取人参皂苷的效率。结果表明：改变离子液体中的阴离子对提取的影响并不显著，而有机阳离子的烷基链长度是主要影响因素，以C-3为最佳，在优化的提取条件下，[C3mim]Br对人参总皂苷的提取量达到17.81mg/g，比超声法提取效率提高了3.16倍，时间缩短33%。在香豆素的提取中也运用了相同的原理，他们研究了不同烷基结构咪唑溴盐离子液体对秦皮中总香豆素提取的影响，发现当离子烷基链碳数目大于4时，提取效率降低，其原因可能是随着烷基碳链增长，离子液体中的阳离子极性降低，空间位阻增大，使其与目标活性物质之间的作用力减弱，从而导致提取效率降低。以离子液体为萃取剂，采用超声技术辅助提取籽瓜中的果胶，考察了超声功率、超声时间、提取温度、料液比等因素，并进行了响应面优化实验，以果胶提取液中半乳糖醛酸的含量高低作为评价标准。结果显示：该法所得果胶含量更高，由此推测离子液体能更强地破坏植物细胞壁，从而减小有效成分的传质阻力。此外，离子液体超声强化萃取技术还被应用于黄酮、总生物碱等有效成分的提取方面。

2.4

离子液体双水相萃取分离离子液体双水相体系是通过向亲水无机盐溶液加入亲水性离子液体而形成的。离子液体双水相体系具有使用温度及酸度范围广、黏度相对较低、分相迅速、界面清晰、萃取过程不发生乳化现象、环境友好等优点。比较了[Bmim]BF4/（NH4）2SO4和[Bmim]BF4/NaH2PO4这两种室温离子液体双水相体系萃取葛根素的性能，发现在离子液体中加入醇有利于提高葛根素的萃取率。以亲水性离子液体溴化N-丁基吡啶（[BPy]Br）和磷酸氢二钾形成的双水相体系结合微波辅助萃取技术提取姜黄中的姜黄素类化合物，在正交试验确定的最佳工艺条件下，姜黄素得率达4.99%，远高于传统热回流法的得率（0.042%）。离子液体双水相萃取技术在食用色素的提取上也是一项新技术。运用亲水性离子液体四氟硼酸1-丁基-3-甲基咪唑（[Bmim]BF4）和NaH2PO4形成的双水相体系对苋菜红进行萃取分离研究。结果表明：NaH2PO4加入量在2～2.5g，离子液体量在1.0～2.0mL，苋菜红溶液量在1.5mL，溶液酸度pH在4～6时，离子液体双水相体系对苋菜红有较高的萃取率。比较了不同离子液体与K2HPO4形成的双水相体系对菜籽蛋白提取的影响，以选取最佳离子液体双水相体系。结果显示：[Bmim]Cl/K2HPO4为最佳离子液体双水相体系，在最优工艺条件下，菜籽蛋白提取率达99.1%。由此可见，离子液体双水相体系在生物活性物质的提取方面具有较好效果，同时该研究也为进一步放大实验或规模化生产奠定了基础。2.5

存在问题及技术改进2.5.1

固定化离子液体疏水性离子液体可直接萃取中药及天然产物化学成分，但与水的直接接触，会导致少部分离子液体溶解于水中，造成损失。固定化离子液体是通过物理吸附、包埋或化学键合的方法将离子液体填充入多孔无机或有机载体的空隙形成的液体膜。离子液体的固定化，一方面可以解决离子液体在提取物中有残留和毒性的问题，使其在食品、生命科学及医药领域的应用更为安全；另一方面，可以减少离子液体的流失，在与提取物的分离、溶剂交叉污染及回收重复利用等方面也具有明显的优势。利用N-甲基咪唑键合硅胶固定化离子液体（SilprMim）吸附黄酮类化合物。结果表明：SilprMim对染料木素、木犀草素及槲皮素的饱和吸附量均超过47mg/g，吸附效率达90%以上；采用甲醇作为洗脱剂，可实现染料木素、木犀草素、槲皮素的顺序洗脱，染料木素、木犀草素及槲皮素的解吸率均超过83%。同时，该研究者还利用SilprMim富集分离金边瑞香中的双黄酮和双白瑞香素，使得分离富集能力较之前有了很大的提高，通过考察SiO2·Im+·Cl-、SiO2·Im+·BF-、SiO2·Im+·PF6-这三种SilprMim对活性成分富集分离能力的差异，发现不同的SilprMim对富集分离有较明显的影响，因此在研究过程中要选择合适的SilprMim。此外，根据Cl、B元素在洗脱组分中的残留量，推测出固定化离子液体残留量约为68.6ppm、67.7ppm，其对有效成分的影响还有待考察，在SilprMim循环使用第三次时，预富集分离能力明显降低。研究发现固定化离子液体对八角茴香中的莽草酸具有良好的吸附特性，在采用SiO2·Im+·Cl-对八角茴香中的莽草酸进行富集分离时，相比大孔吸附树脂和硅胶柱色谱，其吸附速率和吸附量均有所提高，富集率高达80.34%。2.5.2

聚离子液体离子液体价格较高，较高的黏度使其不利于回收，且要分离所获产物中残留的离子液体较为困难，需用有机溶剂或超临界CO2进行反萃。另外，负载的离子液体在操作过程中也容易流失，每次萃取后都需重新负载，离子液体还存在一定的生物毒性，这些缺点使离子液体的进一步开发利用面临着较大的挑战。聚离子液体（PIL）材料是在组成上含有阴、阳离子基团的聚合物。它可以保留离子液体的优良特性，同时具有易回收、方便负载和毒性小等特点。目前，研究应用较为广泛的是聚咪唑阳离子型离子液体。2008年，将聚乙烯基咪唑双[（三氟甲基）磺酰基]酰亚胺盐聚离子液体负载在纤维上，用于固相微萃取，成功地从酒类中分离脂肪酸甲酯和酯类物质。这一应用体现了PIL具备良好的化学性能和热稳定性、较优的分离效率及较长的使用寿命等优点。但是，PIL研究时间较短，还存在许多需要改进的方面。首先，需要系统了解、掌握其与天然产物化学成分间相互作用的机理，进一步研究PIL的物质结构，以增加其对分离效率和选择性影响规律的认识，指导高效PIL的设计和定制。其次，要降低其在分离过程中的使用成本，可以从设计易回收再利用的PIL、开发廉价的高性能离子液体原料考虑，或从共聚物链结构设计出发，充分发挥PIL中IL单元的使用效率，减少PIL中IL的用量。最后，由于PIL热稳定性较差等局限性，还需开发新型液态PIL。3

离子液体在色谱分析天然产物中的应用3.1

离子液体在气相色谱方面的应用离子液体具有不易挥发、溶解能力好的优点，这些特性使其成为气相色谱中的独特固定相。将离子液体涂抹在熔融的毛细管表面，作为气相色谱的固定相，分离并分析了茴香、肉桂、肉豆蔻的精油成分。结果表明：改性的离子液体GC色谱柱具有分离极性和非极性的双重性质，并且选用具有2个阳离子的1，9-二（3-乙烯基咪唑）壬烷（NVImNTf2）和双（三氟甲基）磺酰基亚氨酸酯[C9（Vim）2NTf2]作为混合固定相时，对极性和非极性化合物的分离效果比单独使用聚硅氧烷要好，表明混合固定相之间具有协同作用。采用一维、二维GC检测海藻中的脂肪酸成分，对离子液体固定相进行了评价。结果表明：离子液体固定相与传统的液体固定相（聚乙二醇及氰基取代的极性固定相）对脂肪酸成分具有相同的分离效能且具有较低的柱流失。在二维GC中，采用非极性的聚二甲硅氧烷柱×极性的离子液体柱对不同链长的脂肪酸成分具有非常好的分离效果。3.2

离子液体在高效液相色谱方面的应用高效液相色谱（HPLC）的色谱柱中，弱酸性的硅羟基易与碱性样品结合而使色谱峰拖尾、峰展宽。咪唑阳离子作为质子给予体与柱子内壁的硅羟基发生作用，可有效抑制上述不良影响。疏水性离子液体可取代疏水性溶剂，降低流动相表面张力，使洗脱剂强度增大，从而改善分离。离子液体在HPLC中可用作流动相添加剂或固定相。用[Bmin]BF4作为HPLC流动相添加剂以分离苦参中的5种生物碱。结果显示：离子液体不仅能减少拖尾峰的产生，而且对比三乙胺，离子液体对生物碱的保留意向较小，在浓度相同的情况下，能明显提高分离效率。研究了将1-烷基-3-甲基咪唑离子液体用作流动相的添加剂、C18用作色谱分离柱时，对麻黄碱类化合物分离的影响，由于麻黄碱类是极性的碱性化合物，若流动相中含水将导致色谱峰严重拖尾且峰形很宽。当使用咪唑基离子液体做添加剂时，峰形、柱效和分离度都得到较大的提高，同时还发现咪唑阳离子上的烷基链和阴离子的类型影响着保留性能和柱效。离子液体作为流动相的添加剂能提高分离效率，且操作安全。另外离子液体也不会影响流动相的pH值。离子液体烷基链和色谱柱的硅羟基化学键合固定相，被固载化后与溶质之间形成静电及离子交换等作用，可用于分离有机、无机离子及胺类、酚类、碱基等化合物。制备了3种咪唑离子液体修饰的固定相，用于3个生物碱（咖啡因、茶碱和可可碱）的分离分析。此外，他们还在柱上键合咪唑离子液体后，考察了木糖和果糖的保留行为，结果优于传统的氨基柱的分离效果。3.3

离子液体在毛细管电泳方面的应用由于离子液体具有良好的电导率，可以作为毛细管电泳的电解质添加剂。其在毛细管表面形成带电薄膜，两者间存在的相互作用使得样品在毛细管中的迁移效果更好，分离效果更强。报道了四乙胺四氟硼酸离子液体及1-烷基-3-甲基咪唑离子液体作为毛细管电泳色谱的泳动液可有效分离葡萄籽中的多酚类化合物，通过改变离子液体的种类及浓度，推测分离的机理是离子液体的阳离子与多酚之间的相互作用，离子液体在毛细管表层形成带电薄层，咪唑离子液体的阳离子与样品作用，促进了样品在毛细管中的迁移，从而达到分离的目的。离子液体还被应用在毛细管胶束电泳