離子液體強化不飽和鍵差異化合物分離的研究進展

容凡丁，丁澤相，曹義風，2，陳俐吭，2，楊柳，2，申福星，2，楊啟煒，2，鮑宗必，2

（1 浙江大學化學工程與生物工程學院，浙江 杭州 310058；2 浙江大學衢州研究院，浙江 衢州 324000）

碳-碳雙鍵、三鍵、芳環等不飽和基團是化工產品中常見的官能團。無論來源于化學合成還是生物質分離，含有不飽和鍵的化學品單體的高純制備過程中往往同時存在不飽和鍵位置或構型不同的同分異構體（碳數和不飽和度均相同）和/或數量差異的同系物（碳數相同、不飽和度不同）。不飽和鍵差異導致的分子性質差異僅在于偶極矩、不飽和鍵的π電子或立體構型。一方面，分子中不飽和鍵導致分子的偶極矩與其飽和同系物略有不同，進而導致分子極性差異。具有偶極矩的分子之間更容易進行偶極-偶極相互作用，且偶極矩越大，相互作用也越強。對于具有順反異構的不飽和化合物來說，通常順式異構體比反式異構體的極性略強，但這種極性差異非常微弱；另一方面，由于單鍵碳原子為sp3雜化而無π 電子，雙鍵碳原子為sp2雜化、三鍵碳原子為sp 雜化，這些不飽和鍵均含有π 電子。盡管存在上述差異，這類結構相似物的物化性質在整體上較相似，其高效分離一直是化工分離中最具挑戰的過程之一。

根據分離原理的不同，目前對于具有不飽和鍵差異的化合物分離方法包括銀離子絡合法[1-5]、尿素包合法[6-10]、低溫結晶法[11-14]、模擬移動床色譜[15-20]、液-液萃取[21-22]等。銀離子絡合法是基于銀離子與不飽和鍵發生選擇性和可逆的絡合實現的，其優勢在于高選擇性，可以獲得較純的產品，然而這種方法的處理量小，只局限于實驗室規模，無法應用于工業生產；尿素包合法依據飽和/不飽和化合物空間構型的差異進行分離，通常飽和化合物呈直鏈結構，易被尿素分子包合，而順式不飽和鍵的存在使分子的空間結構發生彎曲，不易被包合，它的優點在于形成的包合物非常穩定，分離效果好，且實驗簡單、條件溫和，然而這種方法需要使用大量尿素，需要對廢水進行后處理，且獲得的產品純度通常并不高；低溫結晶法根據物質在不同溫度下的溶解度差異進行分離，這種方法設備簡單、易操作，且低溫下有效成分不易變質，但缺點在于需要使用大量有機溶劑，在低溫條件下結晶能耗較大，且產品純度較低；模擬移動床色譜根據不同物質與固定相之間固-液吸附平衡差異實現分離，通過周期性地切換物料進樣點和采出點的位置來模擬流動相和固定相之間的逆流接觸，以達到連續、高效的分離，模擬移動床對難分離體系有較好的分離效果，且可以連續操作，處理量較大，但設備昂貴，操作復雜，分離成本較高；液-液萃取法則是根據物質在兩相體系中分配系數的差異進行分離，具有處理量大、操作簡單、低成本等優點，然而液-液兩相體系種類較少，分離選擇性較低，需要多級操作才能達到分離要求，溶劑消耗量大。因此，亟需開發新型萃取介質，實現不飽和鍵差異同系物的高效分離。

離子液體因其獨特的結構特點和優良的理化性質而替代傳統有機溶劑，被廣泛應用于萃取分離、催化合成、電化學、生物醫藥等領域[23]。與傳統分子溶劑相比，離子液體不僅具有低揮發性和高熱穩定性，且對難溶物質表現出優于常規分子溶劑的溶解性能[24]。離子液體結構中可引入多種官能團和功能性結構片段，可以通過氫鍵、范德華力、π-π相互作用等多種作用力對具有不飽和度差異的結構相似同系物進行高效識別。因此，與分子溶劑相比，以離子液體為介質的液-液萃取分離可獲得較高選擇性和萃取容量，實現不飽和度差異同系物的有效分離。本文簡述了以低碳烷烴/烯烴、天然活性物質等為代表的含有不飽和鍵差異化合物體系的特性、分離方法以及用離子液體進行分離的研究進展。

1 離子液體概述

離子液體由陰、陽離子組成（圖1），在室溫或接近室溫下為液態。近年來，離子液體作為“綠色溶劑”和“可設計溶劑”而受到廣泛關注。首先，離子液體因具有極低的蒸汽壓、較寬的液體溫度范圍、高內聚能、高化學穩定性和熱穩定性等優點，被廣泛用作傳統揮發性有機溶劑的替代溶劑[25-27]。此外，由于離子液體的結構可通過改變陰離子、陽離子母核和取代基、引入功能化基團等進行設計，從而調節其物化性質[28]。據計算，離子液體的數量可高達1018種，而目前實際應用的傳統分子溶劑只有約600 種[29]。離子液體的低揮發性、高電導率、寬電化學窗口及不易燃等特性，使它們在很多領域受到廣泛應用。例如，離子液體被認為是安全的電解質，用于開發更高效、更安全的電池，如太陽能電池[30]、燃料電池[31]、熱電化學電池[32]、超級電容器[33]等。離子液體還被用作添加劑，以提高潤滑劑[34]、防腐劑[35]、增塑劑[36]等產品的質量和性能。由于離子液體出色的溶解性能，可作為多種化學反應的溶劑[37-39]。此外，在生物制藥、色譜分析、化工分離過程等領域，離子液體也表現出巨大的應用潛力。

圖1 文中涉及的離子液體的陰、陽離子結構及縮寫

液-液萃取是重要的化工分離過程，具有操作簡便、處理量大、可連續操作等優點[40]。對于輕質烴及天然活性同系物，傳統液-液萃取過程以分子溶劑為萃取劑，分子溶劑選擇范圍小、與分離對象的相互作用方式較簡單，對于結構相似化合物的選擇性往往較低。由于離子液體可與溶質進行如氫鍵、范德華和π-π 相互作用等多種相互作用而表現出更好的溶解度[41-42]，還可根據分離對象的結構差異設計具有強分子辨識能力的新型萃取劑，從而克服分子溶劑的缺點，實現結構相似化合物的高效分離[43-47]。

由于構成離子液體的陰、陽離子數量巨大，通過實驗進行離子液體篩選耗時長且成本高。Klamt等[48]開發的真實溶劑類導體屏蔽模型（conductorlike screening model for real solvents，COSMO-RS）通過將溶質和溶劑的量子化學處理與分子表面相互作用的有效統計熱力學程序相結合，能夠在單分子量子化學計算的基礎上預測混合物的熱力學性質。COSMO-RS 模型可快速篩選不同陰陽離子組成的離子液體對分離對象的萃取容量和選擇性系數，還可計算與不同分離對象間的相互作用（靜電力、氫鍵和范德華力），合理預篩選具有特定功能的離子液體并從相互作用角度揭示分離機理[49-51]。

根據分離對象的特征，本文將從室溫下為氣態的低碳烷烴/烯烴和烯烴/炔烴、液態的芳香類/脂肪類碳氫化合物和中等碳鏈烷烴/烯烴、固態的天然活性物質三個方面進行介紹。

2 離子液體分離低碳烴

低碳烴類混合物的分離與純化是化工行業最重要的過程之一。低碳烴主要包括甲烷、乙烯、乙炔、丙烯、丁二烯等，不僅是生產有機聚合物（如聚乙烯和聚丙烯）和有機化合物（如環氧乙烷和乙二醇）的原料，也是一類重要的燃料[52]。目前，低碳烴主要通過高級烴類的裂解重組得到[53]，產品通常為多種烷烴、烯烴、炔烴的混合物，高純單一氣體的制備過程無法避免烷烴/烯烴、烯烴/炔烴的有效分離。離子液體可作為氣體分離介質，實現低碳烯烴/烷烴、炔烴/烯烴的高選擇性分離[43-44,54-55]。表1中給出了部分烷烴、烯烴、炔烴在不同離子液體中的亨利系數。

表1 烷烴、烯烴、炔烴在不同離子液體中的亨利系數（313K）

2.1 低碳烷烴/烯烴

丙烯與乙烯一起構成了石化工業的支柱。乙烯被大量用作生產聚乙烯的原材料，丙烯最重要的用途是生產聚丙烯，其他重要的以丙烯為原料的化學品包括丙烯腈、環氧丙烷、異丙苯、丙烯酸等[60-61]，乙炔和丙炔則作為重要的燃料氣。目前，乙烯主要通過石腦油或天然氣裂解得到，在該過程中，乙炔通常作為副產物出現，其含量通常約為混合物的1%。乙炔的存在不僅會降低下游產品的品質，而且容易使催化劑中毒，甚至發生爆炸[62]。商業上使用的工藝依賴于用貴金屬催化劑將乙炔部分氫化為乙烯。催化加氫是一種成本高昂且能源密集的工藝，且容易導致過度加氫而產生低附加值的副產物乙烷[63]。低溫蒸餾和萃取蒸餾是工業中分離丙烯/丙烷混合物的主要方法，但由于丙烯和丙烷的分子尺寸、沸點及蒸汽壓相近[64-65]，導致分離難度大、成本高。

吸收分離以液體作為吸收劑，基于氣-液相平衡，通過不同氣體在吸收劑中的溶解度差異進行選擇性分離。工業上常用N,N-二甲基甲酰胺（DMF）或N-甲基吡咯烷酮（NMP）等有機溶劑回收乙烯中的乙炔，該方法的缺陷主要在于乙炔/乙烯選擇性較低、吸收容量不高、溶劑流失及揮發性溶劑回收困難等問題。因此，理想的吸收介質應兼具高吸收量和高分離選擇性，同時應當具有較低的蒸汽壓和良好的再生循環性能，以提高過程經濟性。

離子液體吸收低碳鏈烷烴/烯烴得到了廣泛研究。Camper等[43]測量了乙烷和乙烯在常見五種咪唑離子液體1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽[BMIM][PF6]、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽[BMIM][BF4]、1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲烷磺酰亞胺鹽[EMIM][NTf2]、1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲烷砜[EMIM][CF3SO3]、1-乙基-3-甲基咪唑雙氰胺[EMIM][DCA]中的溶解度。結果表明，溶解度隨著低碳烴碳數的增加而增加，并且當雙鍵的數量增加時，具有相同碳數的烴的溶解度也增加。

為了提高離子液體對乙烷和乙烯的分離選擇性，可以在離子液體中引入氰基等同樣具有不飽和鍵（π 電子）的官能團，強化其與乙烯的π-π 作用[54]。與陽離子中含有單腈官能團的[CPMIM][NTf2]和非官能化的[BMIM][NTf2]相比（選擇性分別為1.37 和1.61），具有對稱的雙腈官能化離子液體1,3-二丁基腈-咪唑雙（三氟甲基）磺酰亞胺[(CP)2IM][NTf2]對乙烯/乙烷的分離選擇性可達2.01，但對乙烯的吸收能力略低于[CPMIM][NTf2]。此外，向離子液體中引入Ag+也可提高分離效果。在0.56bar（1bar=0.1MPa）、303.15K 下，Ag+-[BMIM][NTf2]對乙烯/乙烷的選擇性可達到10.7。

除了離子液體和氣體分子之間的π-π 相互作用，離子液體的摩爾體積在低碳烷烴/烯烴的溶解度和選擇性中也起著重要作用[55,66-67]。Liu 等[55]測定了丙烷和丙烯在兩種離子液體1-己基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸酯（[HMIM][TfO]）和1-己基-3-乙基咪唑六氟磷酸鹽（[HMIM][PF6]）中的溶解度數據，發現較大的摩爾體積會稀釋離子的濃度，減弱陽離子與陰離子之間的靜電相互作用，導致較大的自由體積，有利于氣體的溶解。用[HMIM]+代替[EMIM]+作為陽離子，丙烷和丙烯的亨利系數分別降低89%和55%；而用[NTf2]-取代[TfO]-作為陰離子，二者的亨利系數則分別降低67%和50%，說明丙烷的溶解度對摩爾體積的變化比丙烯更敏感。當離子液體的摩爾體積小于丙烷時，丙烷和丙烯的溶解度差異隨摩爾體積的增大而減小，當離子液體的摩爾體積大于丙烷時，丙烷和丙烯的溶解度差異隨摩爾體積的增大而增大。因此在摩爾體積增大的過程中，離子液體對丙烷和丙烯的選擇性經歷先降低后升高的變化，具有較大摩爾體積的離子液體對丙烷/丙烯具有良好的分離性能[66-67]。

2.2 低碳烯烴/炔烴

對于烯烴/炔烴的分離而言，由于炔基的氫原子具有酸性（乙炔pKa=25），具有強氫鍵的堿性離子液體可以用作炔烴的選擇性吸收劑。Lee 等[44]發現1,3-二甲基咪唑甲基亞磷酸酯（[DMIM][MeHPO3]）對乙炔和丙炔的溶解度分別是乙烯和丙烯的約45倍和20 倍，且對乙炔的溶解度高于丙炔（圖2）。烯烴、炔烴的溶解度均隨離子液體陰、陽離子烷基鏈增長而增加，但烷基對烯烴的影響比對炔烴更明顯。陰離子不變，當陽離子從[DMIM]+變為[BMIM]+時，乙烯和丙烯的溶解度分別增加了兩倍以上（313K下，乙烯的亨利系數由362.50atm變為181.00atm，丙烯的亨利系數由186.82atm 變為69.38atm），相比之下，乙炔和丙炔的增幅要小得多（乙炔的亨利系數由8.39atm變為7.01atm，丙炔的亨利系數由10.86atm 變為7.40atm） 當[BMIM][MeHPO3]陰離子上的甲基被丁基取代時，乙烯和丙烯的溶解度增加約2 倍，而丙炔的溶解度增加程度小得多（乙烯的亨利系數由181.00atm 變為105.70atm，丙烯的亨利系數由69.38atm 變為35.04atm，乙炔的亨利系數由7.01atm變為6.81atm，丙炔的亨利系數由7.40atm變為5.72atm）。隨著烷基鏈長的增加，乙炔的溶解度幾乎保持不變，這表明酸堿相互作用是決定乙炔溶解度的主要因素。另一方面，隨著陽離子和陰離子上烷基碳數的增加，烯烴的溶解度明顯增加，說明沒有酸性氫原子的烴的溶解度在很大程度上受到離子液體自由體積的影響。

圖2 313K下不飽和烴在[DMIM][MeHPO3]中的溶解度隨壓力的變化[44]

離子液體與乙烯/乙炔的相互作用（圖3）表明[68-69]，乙炔在具有不同陰離子的離子液體中的溶解度順序（[BMIM][OAc]>[BMIM][BF4]>[BMIM][NTf2]）與模擬計算出的乙炔與離子液體陰離子的氫鍵強度順序一致，表明氫鍵相互作用可能是決定乙炔在離子液體中溶解度的主要因素；而乙烯與離子液體間氫鍵強度計算順序與實驗不符，因此，除了弱氫鍵相互作用外，還有一些其他相互作用影響離子液體中乙烯的溶解度。自然鍵軌道（natural bond orbital，NBO）分析也顯示在離子液體中溶解乙炔時，氫鍵相互作用比π-π 相互作用強得多，而乙烯與離子液體的氫鍵、與陰離子的p-π相互作用和與陽離子的π-π 相互作用共同影響乙烯在離子液體中的溶解度。因此，可以通過調控離子液體的氫鍵堿性實現對烯烴/炔烴的選擇性分離。

圖3 乙烯、乙炔分子與[BMIM]+之間的主要相互作用[69]

總的來說，影響低碳烷烴、烯烴、炔烴在離子液體中溶解度和選擇性的因素主要包括以下幾個方面：對于烷烴/烯烴，構成離子液體的陰、陽離子結構，如烷基鏈長決定的離子液體的摩爾體積、離子液體的結構中可與氣體分子的不飽和鍵進行π-π相互作用的基團等因素都對分離產生影響，而對于烯烴/炔烴，除以上因素外，由于炔烴中酸性氫原子的存在，離子液體的酸堿性將對分離效果有重要影響。此外，離子液體的回收利用對降低成本至關重要?；陔x子液體蒸汽壓極低的特點，可利用減壓解吸、升溫伴隨氮氣吹掃等方法進行離子液體的循環利用，不影響其后續分離效果[70-71]。

3 離子液體對芳烴/烷烴、烯烴/烷烴的萃取分離

形成液-液兩相體系是對液態和固態分離對象進行萃取分離的基礎。一個合格的液-液兩相萃取體系應滿足以下條件：萃取相與原料液互溶度低、相界面清晰，易于分離；對溶質溶解能力強、選擇性強；黏度不宜過大，混合過程中傳質效率高；萃取劑易于回收利用；安全無毒等。因此，根據待分離物系的結構性質特點設計低互溶度、易于萃取的液-液兩相體系是進行萃取分離的首要任務，這尤其需要準確可靠的相平衡數據。

3.1 芳香烴/脂肪烴的分離

芳香烴/脂肪烴的分離對于汽油中分離芳香烴、純脂肪烴的制備具有重要意義。例如，苯和環己烷的沸點接近，在一個大氣壓下僅相差0.6℃，且形成二元共沸物，因此傳統蒸餾法難以分離苯和環己烷的混合物[72]。工業分離芳香烴/脂肪烴常用萃取精餾和共沸精餾[73-74]，過程復雜且能耗非常大，且只適用于分離中、高濃度的苯[50]。液-液萃取由于能耗低、操作條件溫和且簡單，最常用于分離苯含量較低的混合物。工業上常用的分子溶劑萃取劑包括環丁砜、NMP等[75-76]。由于這些有機溶劑通常具有揮發性、毒性和易燃性，且對于芳香烴/脂肪烴的選擇性并不高，因此需要設計高選擇性萃取劑。離子液體作為傳統有機溶劑的替代品已被用于脂肪烴/芳香烴的萃取分離，與烷烴和烯烴等脂肪烴相比，芳香烴中離域電子可形成大π鍵，與離子液體形成更強的π-π 相互作用，從而實現芳烴和脂肪烴的選擇性分離。目前已報道的以離子液體作為萃取劑的脂肪烴/芳香烴的液-液相平衡、容量和選擇性數據中，使用的離子液體陽離子主要為咪唑類[77-79]、吡啶類[80-82]，也有一些研究涉及吡咯烷[83]類、銨類[84]等，研究最多的陰離子則是雙(三氟甲基磺?；?酰亞胺（[NTf2]-）[85]。此外，為了提高選擇性和萃取容量，一些研究使用混合離子液體進行脂肪烴/芳香烴萃取分離[86]。Lyu 等[45]用COSMO-RS對12 個陽離子和22 個陰離子進行了篩選，發現1-丁基-3-甲基咪唑四氯鋁酸鹽（[BMIM][AlCl4]）是分離苯/環己烷最佳的離子液體。具有陰離子[Cl-]、[AlCl4]-和[TOS]-的離子液體中苯的分配系數通常高于具有含氟陰離子的離子液體，如[BF4]-和[CF3SO3]-。這是因為含氯或芳環的陰離子比含氟的陰離子具有更多的離域電子，促進了離子液體與苯的相互作用。具有高度離域電子的陰離子不僅可以與芳烴形成π-π絡合作用，還可以促進芳烴共享陽離子的正電荷。此外，量子化學計算詳細分析了氫鍵及π-π絡合等特定相互作用的貢獻（圖4），發現[BF4]-與苯之間的氫鍵強度強于[AlCl4]-—苯，而COSMO-RS計算結果顯示[BMIM][AlCl4]對苯的萃取能力強于[BMIM][BF4]對苯的萃取能力。因此，[BMIM][AlCl4]的較高萃取效率可能不能直接用苯和陰離子之間的氫鍵相互作用來解釋。NBO 分析進一步表明不僅陰離子和苯之間存在氫鍵，陽離子和苯之間也存在p-π和π-π相互作用，這可能是[BMIM][AlCl4]對苯具有高選擇性的主要原因。

圖4 IL-苯復合物的優化空間構型[45](1kcal/mol=4.18kJ/mol, 1?=0.1nm)

可通過離子液體結構設計提高對芳香烴/脂肪烴的分離效果。用于芳香烴/脂肪烴分離的離子液體陽離子主要集中在咪唑類、吡啶類含有π電子的陽離子，還可通過引入富π電子的苯基、碳-碳雙鍵等官能團[87]，設計雙陽離子[P(MIM)2]+和[H(MIM)2]+[88]強化分離效果。吡咯烷酮[89]、季銨和季鏻[84]等陽離子也有報道。不同陰離子對乙苯/苯乙烯的分離選擇性如圖5所示。對陰離子而言，黏度低且含有離域電子的[NTf2]-、三氟甲磺酸根[TfO]-和含有氰基的[SCN]-、[DCA]-、[TCM]-等對芳烴/脂肪烴有較高的分離選擇性[90-92]。在313.2K下，幾種離子液體對甲苯和庚烷的選擇性順序為[EMIM][DCA]>[EMIM][TCM]>[BMIM][DCA]>環丁砜[90]。此外，也可通過二元混合離子液體，如[EMIM][NTf2] + [EMIM][EtSO4]、[4EMPY][NTf2] + [EMIM][DCA]等，獲得優于單一離子液體的分離效果[93-95]。由于高芳香烴/脂肪烴的分配系數和選擇性往往很難同時達到，可選擇具有較高分配系數和適宜選擇性系數的離子液體進行復配[96-97]。

圖5 無限稀釋條件下[BMIM]+陽離子和不同陰離子組成的離子液體對正己烷/1-己烯、環己烷/環己烯、乙苯/苯乙烯的分離選擇性

3.2 液態烷烴/烯烴的分離

除了芳香烴/脂肪烴的分離，離子液體在液態烷烴/烯烴體系的分離中也有廣泛應用。Li 等[98]在313K下測試了17種離子液體對于1-己烯和正己烷的萃取效果，發現萃取選擇性在1.5～3.0。離子液體中陰離子和陽離子的化學結構極大地影響了萃取效果，含有不飽和鍵官能團如碳-碳雙鍵、氰基、酯和酰胺的存在提高了選擇性[99]。此外，與無銀鹽相比，含銀鹽離子液體對1-己烯和正己烷的萃取效率更高，且1-己烯的分配系數和己烯對正己烷的選擇性也都有所提高。這是由于銀離子與雙鍵之間可形成絡合作用，且次級絡合物的形成比初級絡合物對萃取更為有利，萃取效率隨離子液體中銀鹽濃度的增加而增加。當1-己烯的濃度在313K的原料液中為5%（體積分數）時，選擇性系數甚至達到了15。

Domańska 等[100]測定了多種烷烴、烯烴、芳香烴在離子液體1-丁基-3-甲基咪唑雙氰胺[BMIM][DCA]中的無限稀釋活度系數，研究涵蓋了正戊烷/1-戊烯、正己烷/1-己烯、環己烷/環己烯等十余種具有不飽和鍵差異的體系。此外，總結了2010—2015 年報道發表的以[BMIM]+為陽離子，不同陰離子的離子液體對正己烷/1-己烯、環己烷/環己烯、乙苯/苯乙烯三對待分離體系的分離選擇性和容量（圖5）?？梢钥闯?，當使用[BMIM][SCN]作為萃取劑時，正己烷/1-己烯的選擇性系數達到3 以上，遠高于其他陰離子的萃取劑；[BMIM][Cl]和[BMIM][MeSO4]也分別對環己烷/環己烯、乙苯/苯乙烯有較高的選擇性。這可能是由于這些離子液體的基團中含有豐富的π電子，如氰基、硫酸根，可與含有不飽和鍵的待分離物進行π-π 相互作用。但由于陰離子的極性較強，雖然提高了選擇性，離子液體對于溶質的萃取容量卻不令人滿意。因此，應根據待分離組分的特定性質選擇合適的離子液體進行萃取，以兼顧選擇性和萃取容量。

綜上，為了提高芳香烴/脂肪烴、液態烷烴/烯烴的分離選擇性，可選擇含π電子的咪唑類、吡啶類陽離子、向陽離子中引入不飽和官能團如氰基、酰胺基，或引入可以與雙鍵進行π-π 絡合的銀離子等，同時可通過改變離子液體陰、陽離子的烷基鏈長、離子液體中的功能性基團等來調節離子液體的性質，進而調節分配系數?？赏ㄟ^減壓蒸餾實現離子液體的再生[109]。

4 離子液體萃取分離不飽和天然活性物質

天然活性物質的結構復雜、來源廣泛。含有不飽和鍵的天然產物中通常有一系列結構相似的同系物共存，僅在碳-碳雙鍵的個數甚至取代基的位置上有差異，如不飽和脂肪酸同系物[110-111]、辣椒堿/二氫辣椒堿[46]、青蒿素/青蒿烯[112]、甾醇同系物[113]等，其分子體積、溶解度等可用于分離的性質十分相近，因此單體分離難度很大。本節介紹的具有不飽和鍵差異的分離對象如圖6所示。近年來，離子液體因其優良的理化性質、可設計的結構以及較高的分離選擇性而被廣泛用于天然產物的萃取分離。

圖6 不飽和鍵差異的天然活性同系物

4.1 多不飽和脂肪酸

含有兩個及以上雙鍵的多不飽和脂肪酸在降低癌癥、心臟病、心血管病、自身免疫和炎癥疾病以及神經功能受損風險方面有著重要作用[114]，且不飽和程度越高，其活性越強。多不飽和脂肪酸主要來自于植物油、海洋魚油、海洋微藻油等，得到的多為各種長鏈不飽和脂肪酸的混合物[115]。由于不飽和脂肪酸的生物活性與其不飽和度密切相關，因此分離純化不飽和度不同、碳鏈長度不同的長鏈不飽和脂肪酸具有重要意義。然而它們的分子結構和理化性質十分相似，僅在不飽和鍵的個數和位置或是順反異構方面有細微的差異，因此分離純化較為困難[111]。目前使用的分離不飽和脂肪酸的方法主要有尿素包合法[116-119]、低溫結晶法[120-121]、超臨界流體萃取法[122]等。

離子液體分離不飽和脂肪酸也有研究。Li等[110]使用離子液體1-乙基-3-甲基咪唑二氰基酰胺([EMIM][DCA])和DMF 的混合物，以正己烷作為原料液相，形成三元液-液兩相體系，對模型生物油中的不飽和脂肪酸甲酯進行萃取。結果表明，DMF作為共溶劑可以提高不飽和脂肪酸甲酯的分配系數。以[DCA]-和[SCN]-為陰離子的離子液體表現出最佳的分離選擇性，二十碳五烯酸甲酯對硬脂酸甲酯的選擇性達到了11.7，這可能是因為CN 基團可以與不飽和雙鍵形成特定的π-π 相互作用，增強了對雙鍵的識別。

Li 等[123]用含銀鹽的疏水性咪唑離子液體1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸[HMIM][PF6]萃取多不飽和脂肪酸甲酯，其中二十碳五烯酸甲酯對十八碳三烯酸甲酯和十八碳二烯酸甲酯的選擇性分別達到7.9和18.0。由于離子液體中Ag+水合作用低于在水溶液中的水合作用，這使得銀離子能夠有效地與多不飽和脂肪酸甲酯中的雙鍵配位，且配位作用隨著不飽和度的增加而增加，因此AgBF4-[HMIM][PF6]比傳統的水-銀鹽體系具有更高的萃取能力。

Fan等[124]首次使用胍基離子液體在逆流色譜溶劑系統中分離二十碳五烯酸乙酯和二十二碳六烯酸乙酯的混合物。為了闡明分離機制，通過COSMOSAC計算了不同離子液體和脂肪酸乙酯的表面電荷密度，發現二十碳五烯酸乙酯和二十二碳六烯酸乙酯有較強的氫鍵受體能力，而在研究的幾種離子液體己基氯化胍[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]的相應氫鍵矩遠高于另外幾種，表明胍類離子液體是一種出色的氫鍵供體，甚至優于常用的咪唑類離子液體和鏻類離子液體。因此，對于僅能通過其氫鍵接受基團形成氫鍵的二十碳五烯酸乙酯和二十二碳六烯酸乙酯，胍離子液體是具有高分離性能的最佳選擇。

4.2 辣椒堿/二氫辣椒堿

辣椒堿具有鎮痛、抗癌、抗炎、抗糖尿病、抗凝血和降血脂活性[125]，二氫辣椒堿有誘導腫瘤細胞自噬的作用[126]。辣椒堿與二氫辣椒堿結構上的差異僅在于C6位置的一個雙鍵。

Santos等[127]利用膽堿基離子液體氯化膽堿[Ch][Cl]、酒石酸膽堿[Ch][Bit]和檸檬酸二氫膽堿[Ch][DHCit]、乙腈和水形成的雙水相系統用于提取辣椒中的辣椒堿，得到的萃取效率超過90%。Cao等[46]選取咪唑、吡咯及膽堿基親水性離子液體對辣椒堿和二氫辣椒堿進行分離，辣椒堿和二氫辣椒堿在離子液體水溶液中的分配系數遠高于使用純水或純離子液體，這表明離子液體和水對辣椒堿和二氫辣椒堿分配行為具有協同作用。最重要的是，水的加入可提高萃取劑（離子液體水溶液）的極性，識別碳-碳雙鍵導致的辣椒堿和二氫辣椒堿極性的微弱差異，實現選擇性分離。此外，可通過“稀釋劑擺動”效應有效實現高濃度下離子液體的萃取分離和低濃度下離子液體的反萃取，實現離子液體的再生和循環使用。

4.3 青蒿素/青蒿烯

青蒿素（artemisinin，ART）是目前最有效的天然抗瘧疾藥物。工業純化青蒿素的方法主要有色譜法和重結晶法，然而得到的青蒿素產品中仍然含有質量分數5%～10%的青蒿烯（artemisitene，ARE）[128-130]，因為它們分子結構的區別主要在于一個碳-碳雙鍵差異。青蒿烯的存在可引起過敏等嚴重副作用，因此，需進行青蒿素與青蒿烯的選擇性分離。

Cao等[47]利用COSMO-RS對418種離子液體進行篩選，選擇N-烯丙基-N,N,N-三甲基氯化銨[AA][Cl]、三乙基氯化銨[TEA][Cl]、氯化膽堿[Ch][Cl]和三甲基氯化銨[TMA][Cl]四種對青蒿烯/青蒿素的選擇性高于1.5 的親水性離子液體進行后續實驗。結果表明，加入離子液體萃取后，溶質的分配系數和選擇性系數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數分別提高到0.168和0.028，分離選擇性提高到5.97。[TEA][Cl]烷基鏈的增加和[AA][Cl]中疏水官能團（烯丙基）的存在均可提高青蒿素和青蒿烯的分配系數。此外，烯丙基官能團可以強化青蒿烯和離子液體之間的π-π相互作用，促進青蒿烯/青蒿素的選擇性分離。分子動力學模擬（圖7）驗證了離子液體和青蒿烯之間的π-π 相互作用是實現高選擇性分離的關鍵。圖7(a)所示離子液體水溶液中青蒿素與青蒿烯分子的數量之比為1∶1.8，表明更多的青蒿烯分子可以分布到離子液體相中。由圖7(c)、(d)中青蒿素/青蒿烯-環己烷、青蒿素/青蒿烯-[AA]+的質心徑向分布函數（radial distribution functions，RDFs）可見，與青蒿烯相比，青蒿素與環己烷之間的相互作用比青蒿烯更強、與[AA]+間的相互作用更弱。因此，青蒿烯分子更容易分布在離子液體相中。[AA]+和青蒿烯雙鍵的C1和C2的位點間RDFs結果[圖7(b)]表明青蒿烯中的雙鍵與[AA]+之間存在π-π等相互作用。

圖7 萃取體系的分子動力學模擬[47]

為了降低離子液體的毒性、減少使用過程中的流失[131]，Cao等[112]通過異丙基丙烯酰胺和1-甲基-3-(4-乙烯基芐基)氯化咪唑的自由基聚合制備了刺激響應性共聚離子液體。對于含有摩爾分數11.25%離子液體的共聚物，青蒿素/青蒿烯的分離選擇性達到3.62。由于青蒿烯與離子液體之間的π-π 和氫鍵相互作用，青蒿素/青蒿烯的分離選擇性隨著共聚離子液體中離子液體含量的增加而增加，且通過加熱和加鹽的雙重刺激反應，可對共聚離子液體進行回收。

4.4 甾醇

甾醇是由三個環己烷和一個環戊烷稠合而成的環戊烷多氫菲衍生物。膽固醇是構成細胞膜的主要成分，同時也是合成膽酸、維生素D3和其他甾體類激素的原料。24-去氫膽固醇是合成膽固醇的直接前體物質，與膽固醇相比因為支鏈含有雙鍵，所以在許多具有重要生理活性的甾醇合成中更有優勢。維生素D3也被稱為膽鈣化醇，對維持動物和人類的健康至關重要，被廣泛用作食品添加劑和保健品。在工業中，維生素D3通常是通過光轉化過程制備的，轉化過程同時產生的副產物包括速甾醇T3，二者結構上的區別僅在于母核上雙鍵位置不同，因此維生素D3和速甾醇T3的分離難度較大。

梁瑞斯[113]用咪唑和吡啶類離子液體對膽固醇/24-去氫膽固醇進行萃取實驗，發現當離子液體中含有不飽和鍵或離子液體的氫鍵堿性較強時，目標物質的分配系數以及24-去氫膽固醇/膽固醇選擇性系數都較高。其中[BMIM][SCN]的選擇性最高，達到2.45，[BMIM][OAc]中，膽固醇達到最高的分配系數5.94。除π-π 相互作用和氫鍵相互作用外，離子液體的極性也影響萃取效果。陰離子相同時，隨著陽離子取代基碳鏈長度的增加，離子液體對膽固醇/24-去氫膽固醇的分配系數增加，選擇性降低。引入功能性基團（—CN、—OH）增加了離子液體的極性，可提高對目標物質的選擇性，但分配系數大大降低。

對于維生素D3和速甾醇T3的分離，也得到了相似的結論。含有π電子的離子液體能和維生素D3和速甾醇T3中不同位置的雙鍵產生不同強度的ππ 相互作用，因而有更高的選擇性系數。其中[BMPR][NTf2]對二者的選擇性系數可達到1.77，優于有機溶劑為萃取劑的最高選擇性系數1.44。同樣地，離子液體的極性和分子尺寸也影響維生素D3/速甾醇T3的萃取效果，并得到了與膽固醇/24-去氫膽固醇相同的結論。

5 基于離子液體的分離工藝流程模擬

此前，大量文獻的研究重點集中在獲得液-液相平衡實驗數據[45,47,68-69,124]、氣體溶解度數據[43,56-58]及探究分離機理[132-135]上，對工藝流程研究較少。如上所述，離子液體具有許多有利于微小差異分子辨識分離的優點，然而其高黏度、高價格制約了大規模工業應用。因此，離子液體在工業規模上的萃取/吸收分離應用很大程度上將取決于工藝的合理開發，綜合評價工藝的技術合理性及經濟可行性[136-138]。Aspen Plus 是一個生產裝置設計、穩態模擬和優化的大型通用流程模擬系統，目前已有很多研究將COSMO應用于Aspen Plus中[97,139-140]，將熱力學預測和過程模擬相結合，可對萃取/吸收過程進行模擬并對離子液體的潛在工業應用進行系統評估（圖8）[85]。

圖8 萃取過程示意圖[85,97,147]

離子液體對氣體的吸收分離工藝能否適用于工業生產，除了需要進行離子液體篩選，還要進行過程模擬和評估。目前，許多模型如UNIFAC、UNIQUAC、EOS、COSMO等被用于預測氣-液系統的熱力學和動力學性質[141-143]，初步篩選出滿足分離要求的離子液體。Santiago 等[144]基于COSMO-RS的分子間相互作用，篩選具有分離特性的離子液體，在不同的溫度和壓力下進行實驗，得到了工業規模吸收塔設計的關鍵參數（如吸收容量和擴散系數），最后使用Aspen Plus 軟件對基于離子液體的氣體分離過程（包括吸收和溶劑再生階段）進行模擬，通過估計能源消耗、運營和資本成本等因素進行技術可行性分析。結果表明，與DMF 相比，離子液體對乙炔的吸收在室溫時受到傳質速率的制約，因此達到80%乙炔回收率所需的填料高度比基于DMF 的工藝高一個數量級；而再生階段的模擬顯示了離子液體作為吸收劑的優勢，由于離子液體的難揮發性，通過閃蒸即可實現離子液體的再生和乙炔的回收。

萃取工藝參數決定著分離工藝的有效性和操作成本。Navarro等[97]使用基于COSMO的Aspen模擬，對具有不同結構特征的100種常見離子液體進行了分析，從工藝角度評估了操作條件對液-液萃取分離脂肪烴/芳香烴的影響。在逆流萃取、平衡級數為5的條件下，當進料中苯濃度增加時，萃取流中的芳烴回收率和純度都有所提高；高的溶劑/進料比（S/F）會導致高收率、低純度，同時也提高了成本，且對于不同種離子液體來說最佳S/F比不同，芳香烴的分配比越高，最佳S/F比越低。然而，單位成本（回收單位芳香族質量的成本）隨著S/F比增加保持幾乎恒定，因此不建議固定S/F比來比較不同離子液體種類，且不必一味追求最佳S/F。產品再循環也可調控萃取效果[139]：將芳香烴再循環從質量分數10%增加到90%可使芳香烴純度逐漸增加（從40%到84%），其代價是芳香烴的回收率降低，在最佳純度條件下僅達到41%。同時，過程的總能源成本提高到芳香烴再循環為10%時的近三倍。與傳統方法相比，采用離子液體[BMIM][BF4]可將多環芳烴純度提高2%、降低5.06%年生產成本和6.42%的能耗[145]；與環丁砜相比，[EMIM][NTf2]可降低10.7%的能耗[146]。

多級萃取模式的選擇是決定萃取工藝的另一關鍵因素。Cao 等[47]模擬了N-烯丙基-N,N,N-三甲基氯化銨[AA][Cl]水溶液通過多級錯流和逆流萃取從青蒿素中分離青蒿烯的收率和純度（圖9），結果表明兩種萃取方式都可以將青蒿烯的純度從98.17%提高到99.99%。在S/F比較低時，錯流萃取可以通過增加級數來達到預期的青蒿素純度，而逆流萃取在萃取相和萃余液相達到平衡后，產品青蒿素的純度隨級數的增加基本不變，無法通過增加級數達到預期的青蒿素純度。錯流工藝中青蒿烯的收率和萃取劑的消耗量與逆流工藝相似；當需要多級萃取來達到所需的純度時，錯流工藝中使用的萃取劑的量稍高于逆流工藝。在工業應用中，應針對能耗、成本、盈利等因素對逆流和錯流工藝進行全面的比較分析。同時實驗也證明離子液體水溶液可以循環再利用，第5 次循環的分離選擇性達到7.85，青蒿素的純度可提高0.32%。

圖9 多級錯流萃取過程模擬結果[47]

6 結語

本文簡述了使用離子液體對具有不飽和鍵差異的化合物進行分離的研究進展，目前已經對離子液體的結構與性能的關系進行了深入研究，實現了以低碳烷烴、烯烴、炔烴為主的氣體分子的吸收分離、中等碳鏈長度的液態脂肪烴、脂肪烴/芳香烴的液-液萃取分離以及結構更加復雜的天然活性物質的萃取分離。對于不飽和度差異的組分，離子液體與待分離物質之間的π-π 相互作用是實現分離的主要依據之一。另外，由于不飽和鍵或功能性基團產生極性差異，偶極-偶極相互作用也是部分體系分離的關鍵依據。此外，離子液體可以與具有氫鍵酸性的炔烴之間形成分子間氫鍵，對于炔烴的選擇性吸收也有重要影響。COSMO-RS、量化計算、分子動力學模擬等工具被廣泛應用于離子液體的篩選和分離機理的探究中。

隨著人們對環境保護、分離性能和生產成本要求的逐漸提高，對離子液體的性能也提出了新的要求。

①從降低生物毒性以及生態環境保護的角度考慮，可設計生物相容性離子液體，如含氨基酸根[148-150]、長鏈羧酸根[151]、膽堿陽離子[152]等生物相容性組分的離子液體；

②將離子液體負載于其他多孔材料中，如金屬-有機框架（MOFs）、共價有機框架（COFs），碳納米管（CNTs）和沸石等，設計出復合材料以提高分離性能；

③深入探究離子液體的分離機制，針對待分離體系的性質差異設計出更高分離選擇性的離子液體，實現不飽和度差異化合物的高效分子辨識分離，需要對離子液體的構效關系進行多尺度研究，近年來計算機模擬手段的快速發展作為實驗的先行和驗證技術，為進行多尺度研究創造了條件，然而從分子尺度研究到工藝過程水平的實施仍需要大量工作，機器學習和人工智能相結合有望實現離子液體的高通量篩選和設計；

④在進行分離工藝設計時，產品純度、收率、能耗等因素相互制約，因此在保證分離效果的同時，應綜合考慮和評估經濟、環境、安全等相關因素，進行多目標優化策略設計。