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Ionic liquid extraction technology and its application in field of Chinese materia medica

离子液体萃取技术及其在中药领域中的应用



全 文 :中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 44 卷 第 24 期 2013 年 12 月

·3561·
·综 述·
离子液体萃取技术及其在中药领域中的应用
邵江娟 1,吴 昊 2,赵雅秋 1,段金廒 1*
1. 南京中医药大学 江苏省中药资源产业化过程协同创新中心,江苏 南京 210023
2. 南京工业大学 生物与制药工程学院,江苏 南京 211816
摘 要:室温离子液体具有结构可调控、不易挥发以及对目标物具有一定选择性等特点,被认为是可替代传统溶剂的新型绿
色溶剂,近年来在中药及天然药物资源性化学成分研究中受到广泛关注。将较为系统地介绍离子液体的结构、性质与分离机
制,并从微波辅助萃取、超声强化萃取、双水相萃取、液-液萃取 4 个方面综述了离子液体在萃取分离中药及天然产物化学
成分中的应用进展,探讨了存在的关键问题,提出了解决思路与措施,以期为该技术在相关领域中的应用提供借鉴和参考。
关键词:离子液体;微波辅助萃取;超声强化萃取;双水相萃取;中药
中图分类号:R284.2 文献标志码:A 文章编号:0253 - 2670(2013)24 - 3561 - 05
DOI: 10.7501/j.issn.0253-2670.2013.24.025
Ionic liquid extraction technology and its application in field of Chinese materia medica
SHAO Jiang-juan1, WU Hao2, ZHAO Ya-qiu1, DUAN Jin-ao1
1. Colledge of Pharmacy, Nanjing University of Chinese Medicine, Nanjing 210023, China
2. Collede of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering, Nanjing 211816, China
Key words: ionic liquid; microwave-assisted extraction; ultrasound-assisted extraction; aqueous two-phase extraction; Chinese
materia medica

中药资源性化学成分的组成复杂多样,在资源
的开发利用及其产业化过程中的提取分离环节普遍
存在着提取效率低、能耗高、污染大、制备周期长、
资源浪费严重的情况,且产品的出成率低、杂质多、
品质差等诸多缺点,严重制约着中药资源产业的健
康和可持续发展。因此,改进和优化中药资源性化
学成分的提取分离技术是传统中药产业转型与现代
化的关键问题之一。近年来,离子液体萃取技术在
中药研究领域的引入越来越受到关注。本文在介绍
离子液体的基本概念与萃取分离机制的基础上,对
离子液体萃取技术在中药有效成分分离纯化中的应
用进行分析与论述,并指出其在应用过程中存在的
关键问题及解决措施,以期为该技术在中药研究领
域的适用范围提供借鉴与参考。
1 离子液体的结构与性质
离子化合物呈液态时可称为离子液体(ionic
liquid),绝大部分离子化合物在高温熔融状态下才
能显示液态,但在这种状态下化合物结构与性质极
不稳定,限制了其在分离领域中的应用。但有一类
完全由离子组成的有机化合物在室温或相近温度下
能稳定地以液态形式存在,被称为室温离子液体
(room temperature ionic liquid),具有挥发性极低、
不易燃、对热稳定的特点。因此,室温离子液体具
有替代传统有机溶剂作为新型分离介质的巨大潜
力,成为 21 世纪本领域研究的热点[1],本文所称的
离子液体即指室温离子液体。
室温离子液体一般由有机阳离子和无机或有机
阴离子组成而不含电中性分子的化合物,有机阳离
子主要有:咪唑类、吡啶类、季铵盐类、季膦盐类
4 类;无机阴离子主要为卤化物,如 PF6−、BF4−、
Br−、Cl−、I−、[Al2Cl7]−、[AlCl4]−等;有机阴离子主
要为含氟阴离子,如 [(CF3SO2)2N]−、[CF3SO3]−、

收稿日期:2013-10-08
基金项目:国家自然科学基金资助项目(21106067);江苏高校中药资源产业化过程协同创新中心(2013)资助
作者简介:邵江娟,南京中医药大学药学院讲师。E-mail: jjshao1976@163.com
*通信作者 段金廒,教授,博士生导师。Tel/Fax: (025)85811116 E-mail: dja@njutcm.edu.cn
中草药 Chinese Traditional and Herbal Drugs 第 44 卷 第 24 期 2013 年 12 月

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[CH3CO2]−、[CF3CO2]−等[2]。
熔点是评价离子液体的重要指标。对于咪唑类
和吡啶类的离子液体,随着烷基侧链分子数的增加,
有机阳离子的体积增大,电荷分散导致离子键削弱,
离子液体的熔点则会下降。但烷基侧链分子数增加
到一定数量也会导致不同烷基链间的分子间作用力
增强,反而会抵消离子键的削弱,导致熔点升高。
另外,部分离子液体的熔点随着阴离子半径的增大
而减小。总之,离子液体的结构松散且结构对称性
差,是导致其熔点低的主要原因。离子液体的密度、
黏度、疏水性同样受到阴、阳离子的显著影响。离
子液体的密度会随着阴离子体积的增加而增大,而
阳离子对密度的影响正相反。离子液体的黏度主要
受范德华引力、氢键和静电作用影响,故有机阳离
子的烷基链较长、支链较多、具有氟化烷基链或阴
离子体积较大的离子液体具有较高的黏度。阴、阳
离子也影响着离子液体的疏水性,如含有 PF6−、
Tf2N−的离子液体大部分疏水,含有 BF4−和 Tf2O−的
离子液体则主要依靠阳离子和取代基调节疏水性,
通常随着烷基链增长而增强。
与目前广泛应用的有机溶剂相比,离子液体具
有以下优点:(1)蒸气压极低,不易挥发,安全易
回收;(2)对有机物、无机物具有良好的溶解性,
使许多化学反应可在均相中完成;(3)具有结构可
调控性,离子液体的溶解性能、黏度、疏水性、极
性等物理化学性质,取决于阴、阳离子及其取代基
的构成和配对,可根据需要,定向设计离子液体体
系;(4)离子液体作为电解质具有较大的电化学窗
口、良好的导电性、热稳定性和极好的抗氧化性。
2 离子液体的萃取机制
离子液体萃取有机物的机制主要有 2 个方面:
(1)离子液体与某些有机物的基团发生包括色散作
用、氢键作用、静电作用等分子间的作用力而实现
萃取;(2)离子液体的疏水性对某些有机物具有良
好的溶解能力;离子液体的疏水性由其构成的阴、
阳离子决定,亲油性有机物的分配系数随着离子液
体疏水性的增强而增大。离子液体对有机物的萃取
与反萃机制见图 1。
3 离子液体萃取技术在中药资源性化学成分研究
中的应用进展
3.1 离子液体微波辅助萃取分离
离子液体具有极性较大、熔点高等特点,适合
微波辅助萃取。张之达等[3]以离子液体 1-丁基-3-甲

图 1 离子液体对有机物的萃取与反萃机制示意图
Fig. 1 Schematic diagram of extraction and reverse extraction
of ionic liquid for organic compounds
基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺鎓盐([Bmim]NTf2)为
萃取剂,微波辅助萃取川芎中的洋川芎内酯I、H
及藁本内酯,萃取 1 次即可达到 4 次溶剂回流萃取
的萃取率。杜甫佑等[4]考察了 1-丁基-3-甲基咪唑氯
盐([Bmim]Cl)、1-丁基-3-甲基咪唑溴盐([Bmim]Br)、
1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Bmim][BF4])和 1-
乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([Emim][BF4])4 种离
子液体应用于微波辅助提取石蒜生物碱的效率,指
出离子液体与石蒜生物碱形成多种分子间作用力可
促使溶质的溶出。张越非等[5]采用 [Bmim]Br离子液
体微波辅助提取土茯苓中黄酮类化合物,最佳固液
比要大于传统乙醇微波提取的固液比,可减少溶剂
的使用量。Zhai等[6-7]对离子液体微波辅助提取植物
挥发油和人参有效成分进行了研究。Liu等[8]合成一
系列 1-烷基-3-甲基咪唑类离子液体用于微波辅助
提取分离鼠尾草酸、迷迭香酸及其挥发油,结果表
明 [Bmim]Br具有较好的萃取性能。研究发现,采
用微波辅助萃取木豆叶活性成分明显优于直接用离
子液体加热回流提取的效率,而不同的阴离子和阳
离子的烷基链长度对烷基-3-甲基咪唑离子液体的
分离性能有显著影响,萃取分离的有效成分属于阴
离子型化合物[9],而提取芦丁的研究中也发现了类
似规律 [10-11] 。 Chi 等 [12] 将质子化的离子液体
(DMHEEAP和DMCEAP)应用于微波辅助提取,并
以正己烷对萃取相进行反萃取,结果表明,川芎内
酯I、H的浓度几乎未变,而Z-藁本内酯下降 39.7%,
分 相
疏水作用
氢键作用
静电作用
范德华力
萃 取
反萃/再生
离子液体
目标有机物
pH 摆动效应
温度摆动效应
改变疏水性
物相转化
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其萃取机制与有机溶剂萃取类似。此外,还有学者
比较了离子液体在浸渍提取、热提取、超声提取和
微波萃取中的效率,结果表明微波辅助提取的效率
最高,原料表面的微观结构被明显破坏,离子液体
[Bmim]Br对槲皮素具有良好的溶解能力,提取量可
达 182.78 mg/g[13]。
3.2 离子液体超声强化萃取分离
由于超声波的空化作用,超声提取具有相间传
质速率快、提取温度低的优点,而离子液体具有挥
发性极低以及结构可设计的特性,因而基于离子液
体的超声辅助萃取有利于强化对某些热不稳定的中
药资源性化学成分的快速高效提取。Yang 等[14]合成
了一系列 C2~C12 咪唑溴铵类离子液体用于从甘草
中超声波辅助提取异甘草素、甘草苷及甘草酸,其
中以 [Bmim]Br 作为溶剂对有效成分的提取率可达
90%以上。该方法尚应用于红景天[15]、白蜡树皮[16]
等药用植物中资源性成分的提取分离。Lin 等[17]比
较了一系列不同阴离子与阳离子组合的 1-烷基-3-
甲基咪唑类离子液体超声辅助提取人参皂苷的效
率,结果表明,阴离子对提取的影响并不显著,而
有机阳离子的烷基链长度是主要影响因素,以 C-3
为最佳,在优化的提取条件下,[C3mim]Br 对人参
总皂苷的提取量达到 17.81 mg/g,比超声法提取效
率提高了 3.16 倍,时间缩短 33%。3 种具有不同阴
离子和烷基链的离子液体溶液被用于提取何首乌中
的 4 种苯乙酮类化合物,结果表明,离子液体可显
著提高苯乙酮类化合物的提取效率,可替代传统的
超声辅助热回流提取[18]。
3.3 离子液体双水相萃取分离
离子液体具有较高的内聚能,离子之间具有很
强的自聚集倾向,易与水或者有机溶剂组成低互溶
度的液-液两相体系。邓凡政等[19]建立了亲水性离子
液体 [Bmim]BF4 和 NaH2PO4 组成的双水相萃取体
系,对芦丁的萃取率达 90%以上。范杰平等[20]比较
了[Bmim]BF4/(NH4)2SO4 和 [Bmim]BF4/NaH2PO4 2
种室温离子液体/盐的双水相萃取葛根素的性能,发
现向离子液体中加入醇可显著提高葛根素的分配系
数。Cláudio 等[21]则研究了多种咪唑基离子液体与
多种无机盐构建的双水相体系萃取没食子酸的规
律。Ge 等[22]在 [Bmim]Cl/K2HPO4 双水相萃取的基
础上考察结合氮气浮选富集桑黄总黄酮的可行性,
结果表明,K2HPO4 质量分数为 50%,pH 值为 9.5
的溶液中添加 3 mL [Bmim]Cl,氮气体积流量为 30
mL/min,浮选 50 min,其浮选率达 85.31%,富集
系数达 8.59,效果远优于普通的双水相萃取。Lin
等[23]将 [Bmim]BF4 应用于微波辅助提取罗布麻中
金丝桃苷和异槲皮苷,并将 [Bmim]BF4 与 NaH2PO4
组成双水相对以上成分进行富集。
3.4 离子液体液-液萃取分离
液-液萃取是中药及天然药物生产中常用的提
取分离手段,但传统化学溶剂多易挥发或具有毒性,
而离子液体的蒸气压极低,不易挥发,低毒或无毒,
是一种绿色的溶剂。Yu 等[24]比较了 2 种疏水性离子
液体 1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐 [C4mim]PF6 和
1-己基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐 [C6mim]PF6 萃取阿
魏酸和咖啡酸的性能,发现离子液体咪唑环上与
C-2 相邻的烷基链产生的空间位阻效应会阻碍有机
酸与离子液体中氟原子的相互作用,并指出有机酚
酸为分子态有利于萃取,通过 pH 摆动效应(稀氢
氧化钠溶液)可反萃取并再生离子液体。Absalan
等[25]研究发现当 pH<pKa,3-吲哚丁酸的羟基基团
易与咪唑基离子液体发生氢键作用,同时 NH 基团
将质子化,易与离子液体的阴离子(PF6−、BF4−)
发生静电作用。Wu 等[26]以烷基-3-甲基咪唑氯化物
([C(n)mim]Cl)替代传统的有机溶剂进行加压萃取,
与传统的超声波辅助提取和热回流提取法相比,可
在最短的时间内以最少的溶剂消耗达到最高的芦丁
和槲皮素的提取率。
4 离子液体萃取技术在中药及天然产物分离过程
中存在的问题
虽然离子液体具有诸多优点,可替代传统挥发
性有机溶剂应用于中药及天然产物的分离纯化过
程,但仍然存在以下问题亟待解决。
4.1 提高离子液体萃取过程中的传质性能和分离
效率
离子液体虽然具有性质稳定、不易挥发的优点,
但其黏度远高于水及常规有机溶剂,因此传质阻力
较大。而在支撑液膜体系中,疏水性离子液体的分
离速率更低。因此,必需降低溶剂黏度,强化传质。
离子液体的黏度主要由离子间范德华力、氢键、静
电作用等因素决定:①阳离子取代基的碳链长度增
加,离子液体的黏度增加;②取代基的烷基支链化
使离子液体的黏度增加;③阴离子体积小,则范德
华力减小,静电作用增大,而黏度变小;④阴离子
碱性大,则黏度小。因此,设计适宜的离子液体可
降低黏度,但绝大部分离子液体均为极性较强的有
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机物,可通过分子设计改变离子液体的结构和性质,
改善离子液体对非极性或弱极性天然产物的分离选
择性。向离子液体中添加分子溶剂作为稀释剂,通
过离子-分子相互作用及溶剂化效应可有效削弱离
子间的相互作用及其微观聚集结构,显著降低体系
的黏度,促进传递过程的进行[27]。Yang 等[28]以离
子液体-稀释剂混合物作为复合萃取溶剂,能够显著
提高生育酚同系物分离效率。综上所述,提高离子
液体萃取过程中的传质性能和分离效率是实现离子
液体替代传统溶剂高效分离的关键技术。
4.2 减少分离过程中离子液体的流失
疏水性的离子液体可直接萃取中药及天然产物
化学成分,但与水的直接接触,会导致少部分离子
液体溶解于水中,造成损失。支撑液膜(SLM)将
含载体的膜溶剂吸附在支撑体微孔内,利用液膜两
侧的界面配位化学反应和液膜内发生的促进传输作
用从料液相提取待分离物质,溶剂和料液相不发生
直接混合。因此,将室温离子液体构建成离子液体
支撑液膜(SILM)有利于减少离子液体的损失。目
前 SILM 的应用已有文献报道,Matsumoto 等[29]将
咪唑类离子液体用于支撑液膜浓缩青霉素溶液。
Nosrati[30]以 [Bmin]HSO4 作膜溶剂与聚四氟乙烯
(PTFE)构建的 SILM 可萃取 85%的苯酚。Marták[31]
则采用三己基(十四烷基)膦双环(2, 4, 4-三甲基
戊基)膦构建 SILM 分离乳酸,连续操作 5 d 可保
持分离性能稳定。但研究发现以聚偏氟乙烯膜
(PVDF)为支撑体,[Bmim]PF6 为膜溶剂萃取分离
酚类时,离子液体仍存在流失,在液膜未及时补充
的情况下,不能保持长期分离的稳定性[32]。
此外,减少离子液体流失的方式可通过吸附或
共价键将离子液体负载在某种固体载体上,被称为
固定化离子液体(SILs),该法还具有便于提取物分
离、容易重复利用的优点。张娟娟等[33]合成了 N-
甲基咪唑键合硅胶固定化离子液体(SilprMim),考
察了其吸附分离典型黄酮类化合物的性能,结果表
明 SilprMim 对染料木素、木犀草素及槲皮素的饱和
吸附量均超过 47 mg/g,吸附效率达 90%以上;采
用甲醇作为洗脱剂,可实现染料木素、木犀草素、
槲皮素的顺序洗脱,染料木素、木犀草素及槲皮素
的解吸率均超过 83%。Du 等[34]分别以咪唑和喹啉
为阳离子与 BF4−、PF6−和 Cl−分别制备了 6 种硅胶
固定化离子液体,其中 SiO2QuCl 对阿魏酸、咖啡
酸和水杨酸的吸附效果最佳,饱和吸附量均在 45
mg/g 以上。而采用 70%乙醇可实现相关酚酸的顺序
洗脱,解吸率达 90%以上,固定化离子液体可循环
使用多次,其富集分离能力无明显变化。可见,将
萃取过程与多种分离介质结合有助于解决分离中的
离子液体流失问题。
5 结语
离子液体具有挥发性弱、结构可调、无毒、无
污染、可重复使用等优势,是一类环境友好的绿色
溶剂。因此,离子液体取代传统的树脂吸附与有机
溶剂萃取等初级纯化手段应用于中药资源开发利用
及其产业化过程化学成分的分离纯化具有重要的现
实意义和经济价值。但其黏度过高及分离中的溶剂
流失等科学问题制约着该技术的应用与推广。因此,
针对分离物质的结构特征,通过设计并合成新型的
功能化离子液体或进行溶剂复配,以及将某些过程
强化手段(如支撑液膜技术、萃取剂固定化技术、
双水相萃取等)与离子液体萃取结合,为解决以上
问题提供了可行性。
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