质子型离子液体（pILs）水溶液 pH 快速估算方法的建立：基于胆碱与氨基酸 / 肽阴离子体系的研究

为解决质子型离子液体（pILs）水溶液 pH 计算需合成测量或量子化学计算的问题，研究人员围绕胆碱阳离子（[Ch]+）与氨基酸（AA）/ 肽（Pep）阴离子体系，将等电点（pI）概念用于 pH 估算，用亲本离子 pKa预测 1M 溶液 pH（RMSD≈0.5），为 IL 技术设计提供关键方法。

　　

在化学与生物领域的研究中，离子液体（ILs）因具有高热稳定性、低蒸气压和可设计性等优势，被视为传统有机溶剂的 “绿色” 替代品。然而，许多常见 ILs 的环境毒性和难降解性限制了其应用，因此基于胆碱（Ch）、氨基酸（AA）和肽（Pep）等生物基成分的 ILs 成为研究热点。在这类体系中，水溶液的 pH 是影响生物分子提取、稳定及相关技术应用的关键参数，但传统 pH 计算需依赖合成后测量或复杂的量子化学计算，耗时费力，亟需一种快速简便的估算方法。

为解决这一问题，国外研究机构的研究人员开展了针对质子型离子液体（pILs）水溶液 pH 估算方法的研究。他们以胆碱阳离子（[Ch]⁺）与 AA/ Pep 阴离子构成的 ILs 为模型体系，创新性地将等电点（pI）概念引入 pH 估算，利用亲本离子的 pK_a值建立快速计算方法。研究成果发表在《Fluid Phase Equilibria》，为 ILs 相关技术的开发提供了重要工具。

研究主要采用以下关键技术方法：

1. IL 合成：通过阴离子交换树脂制备胆碱 hydroxide（[Ch][OH]），再与 AA 或 Pep 中和反应合成 14 种 ILs（含 7 种 AA、6 种二肽、1 种三肽阴离子），经¹H NMR、FTIR 和 TGA 表征结构与热稳定性。
2. pH 测量：使用校准后的 pH 传感器测定 1M IL 水溶液的 pH，结合卡尔 - 费休滴定法控制水分含量。
3. pK_a获取：部分离子 pK_a来自文献实验值，其余通过 MarvinSketch 软件预测。

结果与讨论

3.1 等电点（pI）方法的概念化

研究假设 ILs 中亲本离子的 pK_a可近似用于 pH 估算，尽管离子间相互作用可能导致 pK_a微小变化（约 0.3 单位），但实验表明，利用亲本离子 pK_a的平均值（pI 方法）能有效预测 ILs 水溶液 pH。例如，甘氨酸（Gly）的 pK_a（氨基 9.6，羧基 2.3）计算其 pI 为 5.9，与理论一致。

3.2 方法构建

通过分析 [Ch]⁺与 AA/Pep 阴离子的质子化状态，确定关键 pK_a值。对于中性侧链 AA，取阴离子氨基 pK_a与 [Ch]⁺羟基 pK_a（13.97）的平均值；对于酸性侧链 AA（如 Asp、Glu），则取阴离子羧基与氨基 pK_a的平均值。肽类 ILs 需考虑肽键的 pK_a，但简化计算中优先采用软件预测的最低 pK_a值。

3.3 模型与实验 pH 的拟合

应用 pI 方法对 14 种 ILs 的 pH 预测显示，使用实验 pK_a时均方根偏差（RMSD）为 0.44，使用预测 pK_a时 RMSD 为 0.59，误差在可接受范围内（实验误差 ±0.27 pH 单位）。部分肽类 ILs（如 [Ch][GlyAla]）因肽键与羟基 pK_a接近，导致预测值略高，但简化方法（式 1）仍优于复杂算法（式 2），兼具速度与准确性。

结论与意义

本研究建立了一种基于 pI 概念的 pILs 水溶液 pH 快速估算方法，利用亲本离子 pK_a的简单平均即可实现 pH 预测，RMSD 约 0.5 pH 单位，满足工程估算需求。该方法无需复杂合成与计算，尤其适用于生物基 ILs（如 [Ch][AA] 和 [Ch][Pep]），为 ILs 在生物分子分离、绿色溶剂设计等领域的应用提供了关键工具。此外，研究首次系统测定了 14 种肽基 ILs 的 pH 数据，为后续混合体系研究奠定了基础。通过将生物化学中的 pI 概念拓展至离子液体领域，该工作架起了跨学科研究的桥梁，推动了可持续化学与绿色技术的发展。