系列N-烷基吡啶氯鹽的合成、表征及在雙水相中液/液/固邊界線的研究

朱新儒，余壘，張海德

（海南大學食品學院，海南海口570228）

離子液體（ionic liquid）作為一種環境友好的綠色溶劑，它的應用領域從合成化學和催化反應擴展到分離純化、功能材料、資源環境等諸多領域[1-3]。1951年，Hurley等把N-烷基吡啶加入到在AlCl3中，隨后加熱這兩種固體混合物，發現可以形成透明澄清的液體，即氯鋁酸鹽離子液體AlCl3-[EPy][Br]，這是室溫離子液體的雛型[4]。在這之后，各類離子液體相繼合成，尤其是功能性離子液體越來越被學者們關注。離子液體主要由有機陽離子和無機或有機陰離子組合而成。離子液體陽離子類型見圖1。

圖1 離子液體陽離子類型Fig.1 The cationic type of ionic liquid

如圖1所示，其中陽離子類型主要是吡啶、咪唑、季磷、季銨等；陰離子類型有 BF4-、PF6-、CF3COO-、NO3-、ClO4-、Cl-、Br-等[5-8]。

離子液體雙水相（ionic liquid aqueous two-phase system，ILATPS）萃取技術，是近年來出現的極有前途的分離新技術[9-11]。王偉濤等[12]運用[C4mim]Br-K2HPO4雙水相提取木瓜蛋白酶，酶活性回收率高達91.20%。劉曼[13]運用[C4mim]BF4-（NH4）2SO4雙水相萃取紅酒中的痕量氯酚類物質，加標回收率為87.73%。這些研究都表明此技術有很好的用途。

對于親水有機溶劑/鹽雙水相系統，研究其液/液/固邊界線，可以測定雙水相中各成相劑的含量，為雙水相萃取技術的應用做準備。南二龍[14]以乙醇-（NH4）2SO4體系的液/液/固邊界為例，測定了體系中乙醇和（NH4）2SO4的含量。然而，現階段關于離子液體雙水相體系的液/液/固邊界線的研究報道很少。

由于離子液體具有蒸汽壓低、可操作溫度范圍寬、熱化學穩定性高等獨特的理化性能[15-17]，很適合用作分離提純的溶劑。相對于由聚乙二醇組成的雙水相，離子液體雙水相的體系黏度低、不易乳化、分相速度更快[18-19]。但是離子液體價格卻相當昂貴，它是決定ILATPS萃取技術成本的關鍵因素，而液/液/固邊界線是此技術能否應用的基礎。

關于離子液體合成的研究，多是咪唑類，而對于吡啶氯鹽離子液體合成的研究較少。徐維元[20]合成的N-辛基咪唑溴鹽，產物得率為79.8%，且合成工藝較繁瑣；付林林[21]運用兩步法合成[BPy]NO3、[BPy]BF4吡啶類離子液體，合成過程成本較高、時間較長。因此，從吡啶氯鹽離子液體的合成開始研究，并將其運用于[CnPy]Cl（n=2、4、6）-K2HPO4雙水相體系，探究其相圖及液/液/固邊界線，以此判斷3種N-烷基吡啶氯鹽的成相能力，可在此類雙水相萃取系統的實際應用時，提供相圖成相范圍選擇的依據。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

乙酸乙酯、吡啶、K2HPO4（均為分析純）：廣東西隴科學股份有限公司；1-氯乙烷、1-氯丁烷、1-氯己烷（純度＞98%）：阿拉丁化學試劑公司；試驗用水為超純水。

FA 2104電子天平：上海舜宇恒平科學儀器有限公司；RE-2000A旋轉蒸發器：上海亞榮生化儀器廠；DF-2A集熱式磁力攪拌器：常州申光儀器有限公司；WH-866旋渦混合器：太倉市華利達實驗設備有限公司；Q100差示掃描量熱儀：美國TA Instruments公司；SH 220石墨消解儀：濟南海能儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 系列N-烷基吡啶氯鹽的一步合成法

參照彭全明等[22-24]方法，安裝回流裝置，將吡啶和氯代烷（CnH2n＋1Cl，n=2、4、6）按一定摩爾比加入到250 mL圓底燒瓶中，加入100 mL乙酸乙酯做溶劑進行合成反應。合成反應后待溫度冷卻至室溫，觀察到燒瓶內出現分層現象，燒瓶底部有晶體析出，將反應液轉移至分液漏斗中，過濾掉上層溶液，將下層固液混合物放入旋轉蒸發儀，經旋蒸后得到粗產品，用乙酸乙酯洗滌粗產品3次后，將產物真空干燥48 h，得到白色固體物質，即為N-烷基吡啶氯鹽。N-烷基吡啶氯鹽的一步合成法見圖2。

圖2 N-烷基吡啶氯鹽的一步合成法Fig.2 The one-step synthesis method of N-alkyl pyridine chlorine salt

1.2.2 DSC表征吡啶氯鹽產物

運用Q100差示掃描量熱儀測定3種吡啶氯鹽產物熔點，設定檢測溫度在0℃～200℃范圍內，升溫速率為10℃/min，以此判斷產物純度。

1.2.3 雙水相相圖的測定

參照高向陽等[25]方法，測定相圖：在25℃的體系環境下，采用清-濁點輔助相圖制作法測定吡啶氯鹽離子液體雙水相體系的雙節線。進一步選取適當的點配制相應濃度的溶液體系，繪制三角相圖。分別量取質量分數為 50%的 [C2Py]Cl、[C4Py]Cl、[C6Py]Cl溶液放在10.0 mL小試管中，用移液槍逐滴向小試管中滴加質量分數為35%的K2HPO4溶液，用旋渦混合器振蕩，觀察到體系出現渾濁點為止。在分析天平上稱量后計算出吡啶氯鹽離子液體溶液和K2HPO4溶液在渾濁點時對應的質量分數。隨后向已渾濁的雙水相體系中逐滴加入超純水，觀察到體系又變澄清為止，即出現清點。準確稱量后，再向試管中滴加質量分數為35%的K2HPO4溶液，至體系再次變渾濁為止。依次交替加入超純水和K2HPO4溶液，計算每一個清點、濁點對應的質量分數。

1.2.4 相轉變法繪制液/液/固邊界線

采用相轉變的方法測定液/液/固邊界線[26]。取一定質量的K2HPO4，稱其質量m0，加入質量為m1的超純水，振蕩，使鹽充分溶解，溶液澄清。然后逐滴加入吡啶氯鹽[C2Py]Cl、[C4Py]Cl、[C6Py]Cl，每次滴加后，在旋渦振蕩器上充分混勻。當體系由澄清變得渾濁時，說明體系最終會形成雙水相。繼續加吡啶氯鹽，直到體系剛好出現沉淀為止，稱量并計算加入到體系的吡啶氯鹽的總質量m2。利用公式（1）、（2）計算出每一個點的坐標（XS，YIL），依次重復試驗。整個體系在不同溫度下的恒溫水浴槽中進行，稱量時盡量擦干水分，避免水分帶來誤差。各組分含量計算公式：

式中：m0、m1、m2分為加入到體系的 K2HPO4的質量、超純水的質量、吡啶氯鹽的質量，g；XS為K2HPO4的質量分數；YIL為吡啶氯鹽的質量分數。

每一組（Xs，YIL）都是液/液/固邊界線上的一點，在直角坐標系中將這些點連接起來就得到液/液/固邊界線。

1.2.5 數據處理

采用SPSS20.0分析數據，Chemical Draw、Origin8.5繪圖，每組試驗均重復3次。

2 結果與分析

2.1 影響N-烷基吡啶氯鹽合成的因素

研究反應溫度、反應時間及配料摩爾比等因素對吡啶氯鹽產物得率的影響。

2.1.1 單因素試驗結果

2.1.1.1 溫度對N-烷基吡啶氯鹽得率的影響

反應溫度是影響反應速度及得率的重要因素[27]，反應溫度對N-烷基吡啶氯鹽得率的影響見圖3。

圖3 反應溫度對N-烷基吡啶氯鹽得率的影響Fig.3 The influence of temperature on the yield of N-alkyl pyridine chlorine salt

由圖3可知，在60℃～80℃的溫度范圍內，隨著溫度的升高，自由基數量大增，反應速度加快，N-烷基吡啶氯鹽得率增加，在80℃時N-烷基吡啶氯鹽得率達到最大值92.45%。80℃之后，N-烷基吡啶氯鹽得率隨著溫度的升高而降低，可能是因為反應溫度太高，導致部分反應物和溶劑分解，從而使N-烷基吡啶氯鹽得率下降。所以，N-烷基吡啶氯鹽合成的適宜溫度選擇80℃。

2.1.1.2 時間對N-烷基吡啶氯鹽得率的影響

時間對N-烷基吡啶氯鹽得率的影響見圖4。由圖4可知，在36 h～72 h的時間范圍內，隨著反應時間的增加，反應進行得越完全[28]，N-烷基吡啶氯鹽得率逐漸增加，且在72 h時得率達最大值91.77%。72小時之后，N-烷基吡啶氯鹽得率隨著反應時間的增加而減少，可能是因為在較高的反應溫度下，長時間的高溫加熱導致部分反應物和溶劑分解，從而使N-烷基吡啶氯鹽得率降低。所以，N-烷基吡啶氯鹽合成的時間選擇72 h較為適宜。

2.1.1.3 配料摩爾比對N-烷基吡啶氯鹽得率的影響

配料摩爾比對N-烷基吡啶氯鹽得率的影響見圖5。

圖4 時間對N-烷基吡啶氯鹽得率的影響Fig.4 The influence of time on the yield of N-alkyl pyridine chlorine salt

圖5 配料摩爾比對N-烷基吡啶氯鹽得率的影響Fig.5 The influence of dosing molar ratio on the yield of N-alkyl pyridine chlorine salt

由圖5可知，當原料配比等于計量比時，產物得率并不是最大值，當吡啶或氯代烷少量過量時，都能提高產物得率。配料摩爾比（吡啶∶氯代烷）=1.0∶1.2時產物得率達最大值91.96%。根據化學平衡原理，當進配比等于計量系數比時，兩種原料此時都可能沒有完全反應，因而造成目標物得率較低；而若當其中一種原料過量，此時另一原料反應程度將接近完全反應，因而目標物得率就會提高[29]。當進料摩爾比為1.0∶1.2時吡啶反應接近完全，N-烷基吡啶氯鹽得率最高。當進料摩爾比在1.0∶1.4之后，氯代烷過量較多，會發生副反應，導致N-烷基吡啶氯鹽得率下降。當吡啶過量較多時也會生成副產物。所以，N-烷基吡啶氯鹽合成的適宜配料摩爾比為1.0∶1.2。

2.1.2 正交試驗結果

在單因素試驗的基礎上，選擇配料摩爾比、反應溫度和反應時間進行三因素三水平正交試驗優化合成工藝。正交試驗因素水平設計見表1，正交試驗設計方案及結果見表2。

表1 正交試驗因素水平Table 1 Factors and levels in the orthogonal array design

表2 一步法合成N-烷基吡啶氯鹽的正交試驗設計方案及結果Table 2 Orthogonal experimental design scheme and results of the synthesis of N-alkyl pyridine chlorine salt by one-step method

由表2中的極差R分析可得，各個因素對N-烷基吡啶氯鹽合成的影響程度依次是配料摩爾比＞反應溫度＞反應時間。最優工藝組合為A2B2C3，即反應溫度80℃、時間 72 h、配料摩爾比（吡啶∶氯代烷）為 1.0∶1.2。

2.1.3 正交試驗方差分析及多重比較結果

運用One-Way ANOVA單因素方差分析，對各因素進行差異性分析，結果見表3。

表3 正交試驗方差分析結果Table 3 Variance analysis of orthogonal experiments

由表3可知，因素A、B、C不同水平之間均有顯著性差異，表明反應溫度、反應時間及配料比均對吡啶氯鹽得率有顯著影響。

通過Duncan新復極差法深入分析各顯著因素不同水平間的差異，分別對A、B、C三因素進行多重比較，結果見表4。

表4 A、B、C三因素三水平N-烷基吡啶氯鹽得率均值的多重比較Table 4 Multiple comparisons of yield of N-alkyl pyridine chlorine salt at different levels of factor A，B，C

由表4可知，A2水平對吡啶氯鹽得率的影響顯著高于A1、A3水平，所以A2作為A因素的最優水平。B2水平顯著高于B1、B3水平，所以B2作為B因素的最優水平。C3水平顯著高于C2水平，C2水平顯著高于C1水平，所以C3作為C因素的最優水平。因此，最終確定最優合成工藝組合為A2B2C3，即反應溫度80℃、時間72 h、配料摩爾比（吡啶∶氯代烷）為1.0∶1.2。

在最佳合成條件下進行3批次的驗證試驗，平均產物得率為90.80%，與正交試驗的最高得率91.66%很接近，相對誤差為0.94%。理論值與試驗值一致性良好，而且收率穩定，重現效果好。

2.2 產物的DSC表征

DSC曲線圖見圖6。合成的[C2Py]Cl為白色固體，得率92.42%。由圖6（a）知，對應DSC圖上僅在127.77℃有1個吸熱峰，所以[C2Py]Cl的熔點為127.77℃，再經石墨消解儀驗證熔點，石墨消解儀測得熔點為127℃～128℃，因此產物純度理想。

圖6 [CnPy]Cl（n=2、4、6）的DSC曲線圖Fig.6 The DSC curve of[CnPy]Cl（n=2，4，6）

合成的[C4Py]Cl為白色固體，得率90.07%。由圖6（b）知，對應DSC圖上在100.35℃和131.98℃有2個吸熱峰。查閱相關文獻可知，離子液體極易吸潮，100.35℃為水峰，表示[C4Py]Cl在此階段失去水分子[30]。131.98℃為 [C4Py]Cl離子液體由固相轉變為液相的吸熱過程，再經石墨消解儀驗證熔點，石墨消解儀測得熔點在130℃～132℃，因此產物純度較理想。

合成的[C6Py]Cl為淡黃色蠟狀固體，得率85.67%。由圖6（c）知，對應DSC圖上88.59℃有1個吸熱峰，88.59℃為[C6Py]Cl離子液體由固相轉變為液相的吸熱過程，經石墨消解儀驗證熔點，石墨消解儀測得熔點為88℃～89℃，因此產物純度較理想。

2.3 體系雙節線數據的關聯及三角相圖的繪制

試驗中運用Merchuk方程關聯體系的雙節線數據，并繪制體系的三角相圖。

式中：a、b、c為方程擬合參數，利用濁點數據的最小二乘回歸算出。wil和ws分別代表[CnPy]Cl和K2HPO4的質量分數，%。Merchuk方程的形式簡單，較好地運用于離子液體/鹽雙水相體系的雙節線數據的關聯，且關聯效果較好[31]。分別以吡啶氯鹽離子液體、K2HPO4、水為3個頂點，制作三角相圖，如圖7所示。

圖7 25 ℃溫度下[CnPy]Cl（n=2、4、6）-K2HPO4雙水相體系三角相圖Fig.7 Triangular phase diagram for[CnPy]Cl（n=2，4，6）-K2HPO4system at 25℃

由圖7（a）、7（b）、7（c）可得，雙節線是單相區與雙相區的臨界線，表示雙水相達到平衡時，上下相與總組成的關系[32]。雙節線左側是單相區，此時溶液是均一的相，無分層現象。雙節線右側為雙相區，是無限個不同濃度組成的兩相系統，上相是[CnPy]Cl富集相，下相是 K2HPO4富集相。相關系數（R2）、標準偏差（sd）和方程參數見表5。

表5 25℃時[CnPy]Cl（n=2、4、6）-K2HPO4體系雙節點關聯結果Table 5Binodal correlation results of[CnPy]Cl（n=2，4，6）-K2HPO4system at 25℃

2.4 液/液/固邊界線線性分析

通過測定25℃溫度下[CnPy]Cl（n=2、4、6）-K2HPO4雙水相體系的液/液/固邊界點來研究不同碳鏈長度的影響，并進行了線性擬合，通過分析回歸系數進行線性判斷。

在15、25、35℃溫度下，通過測定[C4Py]Cl-K2HPO4雙水相體系的液/液/固邊界點來研究體系溫度的影響，并分析雙水相線性液/液/固邊界線的特點。

2.4.1 離子液體側烷基鏈長度對液/液/固邊界線的影響

試驗中分別加入[CnPy]Cl（n=2、4、6）3種不同離子液體，使體系出現液/液/固邊界，線性分析見表6，25℃溫度下離子液體側烷基鏈長度對液/液/固邊界線的影響見圖8。

圖8 25℃下離子液體側烷基鏈長度對液/液/固邊界線的影響Fig.8 The influence of the length of ionic liquid side alkyl chain on liquid/liquid/solid boundary line at 25℃

由圖8、表6可知，當[CnPy]Cl側烷基鏈長度n=2變為n=6時，液/液/固邊界線的斜率由-1.1258降低到-1.308 9，截距由 59.090 6 變為 75.502 9，[C6Py]Cl體系的液/液/固邊界線較其他的遠離坐標原點。

表6 25 ℃下 [CnPy]Cl（n=2、4、6）-K2HPO4液/液/固邊界線的線性關系Table 6 The liquid/liquid/solid boundary linear relationship of[CnPy]Cl（n=2，4，6）-K2HPO4at 25 ℃

從相關資料上可知，隨著碳鏈長度的增加，3種離子液體的極性順序為[C2Py]Cl＞[C4Py]Cl＞[C6Py]Cl[33]。因為離子液體/鹽雙水相體系，是離子液體與無機鹽競爭水分子而形成的[34]。極性越大的離子液體，它與水分子結合的能力就越大。因此當它形成雙水相體系時，達到液/液/固邊界所需的量就越少。斜率越大，代表相應的離子液體越易與水分子結合，從而被鹽析出來形成雙水相就越難。所以成相能力大小順序為：[C6Py]Cl＞[C4Py]Cl＞[C2Py]Cl。

2.4.2 體系溫度對液/液/固邊界線的影響

分別在 15、25、35℃下，測定[C4Py]Cl-K2HPO4雙水相體系的液/液/固邊界線。線性分析結果見表7，[C4Py]Cl離子液體對液/液/固邊界線的影響見圖9。

圖9 15、25、35℃下[C4Py]Cl離子液體對液/液/固邊界線的影響Fig.9 The influence of[C4Py]Cl ionic liquid on liquid/liquid/solid boundary line at 15，25，35 ℃

表7 [C4Py]Cl在15、25、35℃下液/液/固邊界線的線性關系Table 7 The liquid/liquid/solid boundary linear relationship of[C4Py]Cl at 15，25，35℃

由圖9、表7可知，[C4Py]Cl在 15、25、35℃下時，液/液/固邊界線的斜率分別為-1.060 0、-1.181 5、-1.236 8，斜率依次降低。此種變化可以通過以下原理解釋：溫度的升高能破壞吡啶氯鹽離子液體和水之間形成的氫鍵。與此同時，溫度的升高使K2HPO4在水中的溶解度增加。這兩個方面的聯合作用使得斜率降低。斜率越小，意味著吡啶氯鹽離子液體越容易被鹽析出來，就越容易形成雙水相[35]。因此斜率可以用來判斷各種離子液體形成雙水相的能力。[C2Py]Cl、[C6Py]Cl驗證了同樣的規律。

由表6、表7可得，3種離子液體雙水相體系的液/液/固邊界點線性相關系數R2均高于0.998，標準偏差sd均小于2%，說明臨界點為一次線性相關。側烷基鏈長度和體系溫度的改變，使得3種體系液/液/固邊界線的斜率K和截距C均不一樣，說明不同離子液體形成雙水相體系的能力不同。

通過分析液/液/固邊界線，可知只在雙水相系統中才存在此線性邊界。液/液/固邊界線是在體系由液/液兩相變成液/液/固三相時才出現的，因此可用來表征特定的雙水相。對于不同種類的離子液體與同—種鹽溶液形成的雙水相體系，可用斜率作為判斷其成相能力的標準。

3 結論

1）通過正交試驗進行合成條件的優化，確定系列N-烷基吡啶氯鹽合成的最佳條件為反應溫度80℃、時間72 h、配料摩爾比（吡啶∶氯代烷）=1.0∶1.2，及溶劑乙酸乙酯用量 100 mL。[C2Py]Cl、[C4Py]Cl、[C6Py]Cl這3種吡啶氯鹽產物得率分別達：92.42%、90.07%、85.67%，且產物均經差示掃描量熱法（DSC）表征，并經過石墨消解儀驗證熔點，雜質峰很少，表明已經合成了較純的目標物。

2）在25℃下利用清-濁點輔助法測定[CnPy]Cl（n=2、4、6）-K2HPO4體系的雙節線，制作三角相圖，并用Merchuk經驗方程擬合雙節線，相關系數R2均在0.996以上，關聯結果成功。

3）分別測定了在15、25、35℃下的[CnPy]Cl（n=2、4、6）-K2HPO4雙水相體系的液/液/固邊界線并進行了線性擬合，3種離子液體雙水相體系的液/液/固邊界線的線性相關系數R2均高于0.998，結果理想。

將合成的N-烷基吡啶氯鹽成功運用于雙水相體系。通過對液/液/固邊界線的研究，探討不同碳鏈長度的N-烷基吡啶氯鹽形成雙水相的能力。結果表明離子液體側烷基鏈長度和體系溫度的改變，使得液/液/固邊界線的斜率K和截距C不盡相同，可用此斜率判斷不同吡啶氯鹽離子液體形成雙水相的能力，為進一步雙水相萃取技術的應用做準備。