四丁基溴化铵基单/双羧酸深共熔溶剂的理化表征：结构特征与溶剂性能研究

《Microchemical Journal》：Physicochemical characterization of mono- and dicarboxylic acid-based deep eutectic solvents: Insights into their structural and solvent properties

　　

以四丁基溴化铵（TBAB）作为氢键受体（HBA），分别与己酸（HA）、癸酸（DA）、己二酸（AA）和癸二酸（SA）四种结构相关的单羧酸或双羧酸（HBD）混合，制备了四种深共熔溶剂（DESs）。通过差示扫描量热法（DSC）构建固-液相图并确定共熔组成，采用衰减全反射-傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）和核磁共振氢谱（¹H NMR）确认其深共熔性质。在303–343 K温度范围内测定了密度、黏度和电导率，并计算了黏度和电导率的活化能，通过Walden图评估了离子性。进一步利用甲基红（MR）、甲基橙（MO）和甲基黄（MY）三种酸碱分子探针，在DES/水相缓冲液和DES/己烷双相体系中考察了探针的分配行为，以评价DESs的溶剂性质。结果表明，单羧酸基DESs与TBAB的共熔摩尔比为2:3，双羧酸基DESs为3:2；双羧酸基DESs的密度、黏度和电导率活化能均高于单羧酸基DESs，离子性更强但电导率更低。单羧酸基DESs除TBAB/DA-己烷体系外均能形成稳定的双相体系，而双羧酸基DESs仅与己烷保持不混溶，接触水后即失去超分子结构。研究证实，DESs的理化表征是依据萃取介质和目标化合物特性筛选适宜溶剂的关键步骤。

**研究背景与意义**

深共熔溶剂（Deep Eutectic Solvents, DESs）自Andrew P. Abbott的开创性工作以来，在绿色化学领域产生了深远影响。根据Abbott的定义，DESs源于Lewis酸或Br?nsted酸与碱之间的共熔混合物，且酸碱性差异较小，以确保氢键形成而避免质子转移。这一概念的关键在于：仅存在氢键供体与受体之间的氢键并不足以形成DES，还需酸与碱之间存在酸度差异。然而，文献中大量将羧酸混合物错误归类为DESs的现象长期存在。从热力学角度而言，共熔体系是指由两种或多种组分构成、熔点低于任一纯组分的特定混合物类型；但即使两种室温固态组分混合后变为室温液态，也不能据此判定其为DES。真正的DES需具备低于同组分理想液体混合物的熔点，即其组分对热力学理想性呈现焓驱动的负偏差。DESs制备方法通常简便，仅需温和加热和搅拌即可形成均一液相，无需额外溶剂或化学反应，亦无需纯化步骤。除低挥发性、不可燃性、低蒸气压及化学热稳定性外，DESs还具有可化学调控性。2015年Van Osch等首次报道了疏水性深共熔溶剂（Hydrophobic DESs, HDESs），由季铵盐与弱水溶性羧酸组合而成，专门设计为不溶或微溶于水，拓展了DESs在需水不混溶溶剂体系领域的应用。DESs的亲水或疏水性质使其在金属氧化物溶解、药物递送、CO₂及挥发性有机物捕获、低极性污染物和生物分子萃取等领域广泛应用。DESs的可调控性源于大量可组合的氢键供体和受体，使研究人员能够制备具有定制理化性质的体系。极性、氢键供体/受体能力、离子性、黏度和密度强烈影响DESs与溶质的相互作用，决定其在萃取和分离过程中的效率。为研究这些关系，多种分子探针已被提出，包括Reichardt染料、Nile Red染料及用于测定Kamlet-Taft溶剂致变色参数的探针。基于DESs在萃取中的高度通用性，研究人员制备了四种由四丁基溴化铵（Tetrabutylammonium Bromide, TBAB）与不同结构相关羧酸和双羧酸混合的体系，即己酸（Hexanoic Acid, HA）、癸酸（Decanoic Acid, DA）、己二酸（Adipic Acid, AA）和癸二酸（Sebacic Acid, SA）。尽管部分所选DESs已有文献报道，但其表征往往局限于基本理化性质，而相图构建及共熔组成的实验确定等基础研究常被忽视。研究人员进而通过评价酸碱分子探针在DES/水相缓冲液和DES/己烷双相体系中的分配行为来研究其溶剂性质。为此选取了三种共享相同分子骨架但官能团不同的探针——甲基红（Methyl Red, MR）、甲基橙（Methyl Orange, MO）和甲基黄（Methyl Yellow, MY）。由于其质子化状态取决于pH，这些探针可以阳离子、中性、两性离子和阴离子等多种离子形式存在，从而通过分配行为评价所研究DESs的溶剂化性质。

**关键技术方法**

研究人员采用差示扫描量热法（DSC）构建四种TBAB/羧酸体系的固-液相图以确定共熔组成，并通过热重分析（TGA）评价热稳定性。采用卡尔费休滴定法测定DESs的水含量（均低于2%）。通过ATR-FTIR和¹H NMR光谱确认DESs的深共熔性质。在303–343 K范围内测定密度、黏度和电导率，并据此计算黏度活化能（E_η）和电导率活化能（E_Λ），利用Walden图评估离子性。采用三种酸碱分子探针（MR、MO、MY）在DES/水相缓冲液（pH 3.0和8.0）及DES/己烷双相体系中进行单级液-液萃取分配实验，通过UV-Vis光谱定量分析探针的分配行为。

**研究结果**

**共熔点测定**：通过DSC构建的固-液相图显示，所有制备的混合物熔点均低于纯组分，每个体系均呈现V形相图、对理想性显著的负偏差及水平固相线，证实TBAB与单羧酸（HA、DA）和双羧酸（AA、SA）在特定比例下形成DESs。TBAB与单羧酸的共熔摩尔比为2:3，与双羧酸的共熔摩尔比为3:2。第二羧基可能为与TBAB的相互作用提供额外位点，导致与单羧酸不同的化学计量比；而氢键供体的链长并未影响其与TBAB的相互作用。TGA曲线显示每种DES的热行为介于纯组分之间，其起始温度取决于混合物组分的稳定性——单羧酸基DESs取决于酸的稳定性，双羧酸基DESs取决于TBAB的稳定性。

**DESs表征**：ATR-FTIR光谱显示，HA或DA基DESs中羰基不对称伸缩振动信号（约1700 cm^-1）位移20 cm^-1，AA或SA基DESs中同一信号位移40 cm^-1，向高波数位移表明DES混合物中羧酸羰基比纯二聚体形式更具能量。羧酸二聚体中C-O-H面内弯曲（约1410 cm^-1）和C-O伸缩（约1290 cm^-1）谱带在所有DES混合物中分别位移至约1380 cm^-1和1180 cm^-1。约930 cm^-1处羧酸二聚体特征谱带在DES中显著减弱，证实二聚体结构被破坏。上述证据可归因于TBAB与羧酸之间形成了弱于二聚体氢键的分子间氢键。¹H NMR谱显示，HA和DA的羧基质子在DES中分别向高场位移2.4和1.6 ppm，这与羧酸二聚体结构被破坏、代之以羧酸与TBAB之间氢键的结论一致。DMSO-d₆作为溶剂时破坏了DES结构，所有DES信号化学位移与纯组分相同。

**理化表征**：密度随温度升高线性降低，双羧酸基DESs密度高于水，TBAB/DA略低于水，TBAB/HA低约28%。黏度随温度升高而降低，双羧酸基DESs黏度远高于单羧酸基DESs。TBAB/DA的黏度（303 K时η = 7.43 P）约为其1-癸醇类似物（η = 1.23 P）的六倍。摩尔电导率随温度升高而增大，与密度和黏度趋势相反，双羧酸基DESs对温度的敏感性更强。黏度活化能方面，双羧酸基DESs比单羧酸基DESs高约25%；电导率活化能方面，双羧酸基DESs约为单羧酸基DESs的两倍。Walden图显示所有DESs遵循Walden规则（R² > 0.98），单羧酸基DESs离子性低于双羧酸基DESs，表明后者中TBAB离子对缔合较松散。FTIR和NMR中所有DESs的羰基和酸质子位移相似，提示溴离子与羧基之间的相互作用类似，双羧酸基HDESs离子性差异可能归因于TBA⁺阳离子迁移率较高、与溴离子相互作用较弱，导致离子对减弱。HBD的组成、结构和官能度在决定TBAB基共熔体系理化性质方面起重要作用。

**DES溶剂性质评价**：水/己烷参比体系中，MY和MO分别局限于有机相和水相，MR仅在中性形式下分布于两相之间（pH 3.0缓冲液/己烷中水相与有机相摩尔比约1:9）。DES/水相缓冲液体系中，己二酸基DES与缓冲液形成单一均相，癸二酸基DES接触水后出现白色沉淀，均表明双羧酸基DES遇水后结构被破坏，这可能与Walden图定性观察到的较弱离子对相互作用有关——水与溴阴离子及四丁基铵阳离子的竞争性相互作用导致DES超分子结构丧失。单羧酸基DESs与缓冲液的分配实验仅用MR和MO进行（MY在水相中吸光度随时间降低）。单级萃取后两水相中均未检出残留探针，表明近乎定量转移至DES相。DES/己烷体系中，TBAB/DA-己烷虽形成两相但均明显乳光，阻碍分光光度测定，可能源于DA分配至己烷相及TBAB沉淀导致DES结构部分丧失。MR在中性形式下对所有DESs显示高亲和力，完全转移；MY仅部分转移，约20–30 nmol%残留于己烷相，表明其中性形式极性低于MR（后者含羧基部分），对DES氢键网络亲和力较低。TBAB/AA-己烷体系中MY分配30 s未达平衡，约2 min后达平台，可能与该溶剂最高密度和黏度及基于极性最强的酸有关。上述结果表明萃取效率取决于目标化合物的分子性质、DES的理化性质及起始介质的性质。

**讨论与结论**

本研究成功制备了四种TBAB与单/双羧酸（HA、DA、AA、SA）组合的DESs，并从结构和理化角度进行了全面表征，进而利用酸碱分子探针MR、MO和MY研究了其溶剂性质。研究揭示了DESs行为因其组成和萃取介质的不同而存在显著差异。具体而言，单羧酸基DESs（除TBAB/DA-己烷体系外）无论溶剂性质如何均形成稳定双相体系，可用于从有机和水溶液中萃取复杂底物；双羧酸基DESs仅与己烷保持不混溶，接触水后即失去超分子结构，可能代表适用于溶解于非极性有机溶剂中化合物的萃取介质。研究结果表明，DESs的理化表征是依据萃取介质和目标化合物特性选择最适溶剂的关键步骤。