正构烷基胺和脂肪族羧酸衍生的热致多相体系的结构-性质关系

《ChemSusChem》：Structure–Property Relationships for n-Alkylamine and Aliphatic Carboxylic Acid-Derived Thermomorphic Multiphase Systems

　　

热致多相体系（TMS）是一类随着温度变化而表现出突变性、可逆性混溶性变化的液体。基于胺和羧酸混合物的TMS已被发现具有最低临界溶解温度（LCST）行为，但由于对胺结构与LCST行为之间关系缺乏了解，此前的实例均依赖临床麻醉剂作为胺组分。本研究系统考察了伯胺、仲胺和叔胺与脂肪族羧酸组合时胺搭档的作用。含有三丙胺（TPA）或二丁胺（DBA）的体系在存在足够疏水的脂肪族羧酸时，能够独特地表现出热开关行为，而所研究的伯胺及其他仲胺和叔胺则不能形成TMS。TMS的形成可与胺的宏观亲水性参数相关联，为未来TMS设计提供了基础，并证实了其促进萃取的能力。这些发现突显了利用可规模化、低成本胺制备TMS的潜力，有助于开发环境友好的可切换溶剂体系。

论文解读：基于n-烷基胺与脂肪族羧酸的热致多相体系研究

绿色化学旨在通过用安全、环境友好的替代品取代有害物质和过程，减少化学工业对环境和健康的危害。溶剂是化学过程中用量最大的组分，传统挥发性有机溶剂存在易燃和污染问题，而离子液体、低共熔溶剂等非挥发性溶剂又面临溶质回收困难，蒸馏能耗高，不符合绿色化学第6原则（能源效率设计）。为此，可响应温度、pH或CO₂等外界刺激而改变性质的可切换溶剂成为研究热点。其中温度可切换溶剂仅需改变温度即可实现相分离，无需引入额外物质，避免了蒸馏所需的汽化潜热。当温度变化导致液相数目改变时，即构成热致多相体系（TMS）。TMS可表现为上临界溶解温度（UCST）或下临界溶解温度（LCST）行为。此前报道的LCST型TMS几乎全部依赖利多卡因、甲哌卡因等临床麻醉剂作为胺组分，这些化合物合成步骤多、成本高、环境负担大，且对胺结构与LCST行为的关系认识不足，严重限制了TMS的推广。因此，本研究旨在系统探索简单脂肪族伯、仲、叔胺与脂肪酸形成的低共熔混合物，识别形成LCST型TMS的结构-性质关系，为设计环境友好、可规模化的TMS提供理论依据。该论文发表于《ChemSusChem》。

研究人员采用等摩尔比混合胺与羧酸制备溶剂混合物，通过逐步加热目视观察浊点（Tcp）确定LCST行为。利用定量核磁共振（q-NMR）和卡尔·费歇尔滴定分析相组成，使用pH计测量体系酸碱度，绘制不同水含量下的相图，并通过紫外-可见分光光度计测定亚甲基蓝（MB）和甲基橙（MO）的萃取效率。所有化学品购自商业供应商，以最高纯度直接使用。此外，通过合成树分析和CHEM21溶剂选择指南评估绿色化学属性。

3.1 胺-酸溶剂混合物的制备与热开关行为

研究人员将多种伯、仲、叔胺与不同链长脂肪酸等摩尔混合。多数混合物为液体，但部分仲胺（DBA-EHA、DHA-DecA）和伯胺（HA-OctA、OA-OctA、HMA-OctA）体系形成固体。在1:1质量比与水混合后逐步升温，发现三丙胺（TPA）与己酸、辛酸、2-乙基己酸、癸酸、十二酸均形成TMS，其中TPA-己酸体系相体积极不均匀，未进一步研究。二丁胺（DBA）与己酸、辛酸、癸酸、十二酸也形成TMS，但与2-乙基己酸形成固体。所有伯胺、二丙胺、二戊胺、三乙胺、三丁胺均未显示热开关性。Tcp随酸链长的变化趋势表明，LCST行为可能源于组分疏水性与酸-碱平衡的协同作用。

3.2 热开关行为与TMS组分物理性质的相关性

通过文献获取胺的辛醇-水分配系数（log P）和共轭铵盐的pKa。结果显示，能形成TMS的胺（TPA、DBA及已报道的利多卡因等）log P范围在1.95-3.6，而全温度互溶的胺log P低于2，全温度不互溶的胺log P高于3.5。伯胺虽有类似log P却不形成TMS，说明伯胺在羧酸存在下亲水性异常降低。pKa在7-11范围内变化不大，表明碱性不是决定性因素。TPA与DBA的log P相近但Tcp差异显著，可能源于仲胺的N-H可与羧酸头基形成扩展氢键网络，而叔胺无此能力。

3.3 TMS的相组成

在Tcp以上5°C和约30°C下分离相层，q-NMR分析表明TPA体系水相中胺和酸含量高于DBA体系，最高为TPA-辛酸（胺4.7%，酸5.1%）。升高温度普遍降低水相中有机物含量，但TPA-2-乙基己酸体系变化不显著。卡尔·费歇尔滴定显示有机相水含量随酸链增长而降低（TPA：6.9%降至3.5%；DBA：21%降至16%），且DBA体系比TPA体系更亲水。与文献中利多卡因-癸酸体系相比，分离效率相当。

3.4 TMS体系的pH

测量TMS混合物及相分离后水相的pH，发现DBA体系pH略高于TPA，与DBA更高的pKa一致。所有水相pH均高于原水（pH 5.34），且随酸链增长而升高。虽然水相中酸浓度降低与pH升高相关，但胺浓度也同步变化，因此pH变化的精确来源尚不明确。

3.5 水含量对相行为的影响

绘制DBA-辛酸、TPA-辛酸和TPA-癸酸的相图。DBA-辛酸的Tcp随水含量从20 wt%增至40 wt%由60°C降至34°C，之后基本稳定在30-34°C。TPA体系在20-90 wt%水含量内Tcp变化小于10°C，但略有上升。这显示仲胺与叔胺体系对水含量的响应差异巨大，相行为具有系统特异性。

3.6 TMS用于染料萃取

以阳离子染料MB和阴离子染料MO为模型，在Tcp以上30°C进行萃取。所有TMS对MB的萃取效率（EE）均大于90%，除TPA-2-乙基己酸（39%）。单独使用辛酸、TPA或DBA时，辛酸对MB的EE>90%，而TPA和DBA仅约40-50%，表明MB萃取主要归因于酸组分的长链分散作用。MO萃取中，DBA体系EE均>90%，TPA体系则随酸链增长从85%降至51%。单独组分中DBA对MO的EE约50%，TPA和辛酸均低于3%，说明混合物中酸-胺氢键相互作用及协同效应显著影响阴离子染料溶解性。

3.7 绿色化学考量

合成树分析显示TPA和DBA合成步骤为8步，远少于利多卡因（31步）和丁卡因（28步），且后者需使用氯化亚砜等危险试剂。CHEM21溶剂选择指南评分表明，TPA和DBA的环境评分较低（5分），但健康（7和9分）和安全评分（3分）高于利多卡因和丁卡因（健康6分，安全1分），因此TPA被评为“Problematic”，DBA为“Hazardous”。这表明虽然简单胺降低了合成足迹，但健康风险仍需警惕，未来需基于本研究的认识设计更安全的LCST TMS。

总结与结论：本研究表明，简单叔胺TPA和仲胺DBA与疏水脂肪酸可形成LCST型TMS，拓展了胺的选择范围。形成TMS的必要条件是胺的log P在2-3左右，且酸足够疏水（log P>3），而胺的pKa在7-11内非关键因素。水含量对仲胺系统Tcp影响大，对叔胺系统影响小；升高分离温度可减少有机相泄漏并提高萃取效率。支链酸（2-乙基己酸）导致反常的低萃取效率，需进一步研究链支化影响。合成树和CHEM21评估揭示TPA和DBA虽合成更简单、成本更低，但健康危害高于麻醉剂类，提示发展更安全的LCST TMS仍需努力。综上，该工作为设计环境友好、可规模化的温度可切换溶剂提供了清晰的结构-性质关系基础，促进了绿色溶剂领域的发展。