魯洋洋，王文俊，李伯耿（浙江大學化學工程聯(lián)合國家重點實驗室，浙江 杭州 310027）

聚離子液體及其在天然產物分離中的應用

魯洋洋，王文俊，李伯耿
（浙江大學化學工程聯(lián)合國家重點實驗室，浙江 杭州 310027）

摘要：天然產物資源豐富，其高效利用離不開先進的分離技術。兼具離子液體高選擇性及聚合物安全、易回收等特性的聚離子液體為天然產物的分離提供了新途徑。在介紹聚陽離子型、聚陰離子型和聚兩性型離子液體制備技術的基礎上，綜述了使用聚離子液體的固相萃取、固相微萃取、分子印跡固相萃取、液液萃取及毛細管電泳技術在黃酮類、生物堿類、酚類、蛋白質類等天然產物分離中的研究進展，分析了聚離子液體分離作用機理及其具有良好的分離效率、穩(wěn)定性和回收再利用性能的原因，特別強調了刺激響應聚離子液體在天然產物分離中的優(yōu)勢，并從聚離子液體設計和定制出發(fā)對聚離子液體在分離領域所存在的挑戰(zhàn)和潛在的應用進行了展望。

關鍵詞：聚離子液體；天然產物；分離；萃?。淮碳ろ憫腿?；回收

2015-08-04收到初稿，2015-11-28收到修改稿。

聯(lián)系人：王文俊。第一作者：魯洋洋（1990—），男，博士研究生。

Received date: 2015-08-04.

引　言

天然產物是指自然界生物體中具有生物或藥理活性的有效成分或代謝產物，根據(jù)結構可分為生物堿類、萜類與揮發(fā)油類、黃酮類、醌類、苯丙素類、甾體及其苷類、糖類及其苷類等[1]，這些化合物的相對分子質量通常為幾百到幾千，可溶于有機溶劑且有一定極性。許多天然產物具有預防疾病、提高機體免疫力的功效，在醫(yī)藥、保健品、食品等領域得到廣泛應用。據(jù)有關報道[2]，1983～1994年美國食品添加劑中天然產物所占的比例由36%增至54%，獲批的520種新藥中39%是天然產物或其衍生物。

隨著人們對天然產物需求的不斷增加，其分離技術也引起人們越來越多的關注，但存在以下困難：①生物體體系復雜，通常包括大分子、小分子、生命物質和非生命物質，特定天然產物常與其同系物共存，結構與性質相似性大大增加了同系物分離的難度；②天然產物在生物體中通常含量低，難富集；③對分離條件如溫度、pH、氧氣、水分等敏感，增大了分離工藝難度[3]。

常規(guī)的天然產物分離方法有溶劑法、蒸餾法、升華法、壓榨法、吸附法、鹽析法、沉淀法、分餾法、透析法等，存在成本高、效率低、對環(huán)境不友好等缺點。隨著天然產物工業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的單一分離技術已不能滿足要求，結合化工領域新材料與新工藝的開發(fā)，衍生出了超臨界、離子液體（IL）、超聲波、微波、酶、仿生、固相微萃取等新分離技術，其中，IL因其獨特的化學物理性質而備受關注。

離子液體（IL）是指100℃下全部由離子組成的一類液體，它具有蒸氣壓幾乎為零、極性大、不可燃、熱穩(wěn)定、化學穩(wěn)定等優(yōu)點。由于IL由陰陽離子組成，因此化學修飾陰陽離子可賦予IL不同的物理化學性質。1998年，Rogers等[4]首先報道了用IL萃取方法從水中分離苯類衍生物。IL萃取方法已被廣泛用于石化有機化合物[5-7]、污水中金屬離子[8-10]、稀土元素[11-12]等分離。在天然產物研究[13-15]中發(fā)現(xiàn)IL可溶解許多常規(guī)溶劑無法溶解的天然產物，顯示了IL對天然產物分離的特殊能力。IL與分離技術相結合可從生物體中分離天然產物[16-17]，如利用微波輔助萃取技術提取番石榴和菝葜中的多酚類物質[18]、結合液相色譜法用于柑橘中章魚胺的分離[19]、利用固相萃取法從麩皮中分離多糖[20]、結合液液萃取技術從生育酚同系物中分離α-生育酚[21]以及從生物體液中提取蛋白質[22]、利用毛細管電色譜法提取雪蓮中的香豆素和山奈酚[23]、結合高速逆流色譜分離知母中的芒果苷和新芒果苷[24]等。雖然IL提升了天然產物的分離技術，但IL價格較傳統(tǒng)溶劑高，較高的黏度不利于回收；較難將萃取相中IL與所獲產物進行分離，需用有機溶劑[21]或超臨界CO2[25]進行反萃；負載的IL在操作過程易發(fā)生流失，每次萃取后都需重新負載；同時，IL還存在一定的生物毒性[26-27]。

解決IL所存在問題的一種有效途徑是將其制備成聚離子液體（PIL），使得IL特性被保留的同時，減少IL本身不易回收、不易固載及毒性的問題。2008年Anderson課題組[28]將聚乙烯基咪唑雙[（三氟甲基）磺?；鵠酰亞胺鹽PIL負載在纖維上，用于固相微萃取，成功地從酒類中分離脂肪酸甲酯和酯類物質。該工作開創(chuàng)性地將PIL應用于天然產物分離，并在固相微萃取技術中展現(xiàn)了PIL的良好的化學和熱穩(wěn)定性、穩(wěn)定的分離效率及較長的使用壽命等優(yōu)點。其后，研究人員將PIL作為分離介質，與萃取、毛細管電泳等技術相結合，用于黃酮類、生物堿類、酚類、蛋白質類等天然產物的分離。

本文從介紹聚離子液體（PIL）制備出發(fā)，評述使用PIL的萃取和毛細管電泳分離天然產物的技術，分析了該技術存在的挑戰(zhàn)，并展望了其應用前景。

1　聚離子液體的分類

聚離子液體（PIL）根據(jù)聚合基團可以分為乙烯基類、苯乙烯類、甲基丙烯酸類、甲基丙烯酰胺類和乙烯基醚類。根據(jù)PIL上所帶離子基團的不同，又可分為聚陽離子型、聚陰離子型和聚兩性型離子液體[29]，結構如圖1所示。聚陽離子型離子液體主要有：咪唑類、季銨類、吡啶類、吡咯烷類、胍鹽類、哌啶類；聚陰離子型離子液體主要包括：磺酸類、碳酸類、磷酸類和氨基類；而聚兩性型離子液體則很少，有帶咪唑陽離子、氨基或磺酸根陰離子的兩性PIL。此外，根據(jù)離子基團在聚合物鏈中所處的位置，又可分為側鏈型和主鏈型。側鏈型PIL的離子基團位于聚合物側鏈，是最常見的類型；而主鏈型則特指咪唑環(huán)或吡啶環(huán)通過縮聚而成的PIL，其離子基團位于聚合物主鏈[30]。

圖1　常見的聚離子液體[29]Fig.1　Typical structures of poly(ionic liquid)s[29]

2　聚離子液體的制備

聚離子液體PIL的制備可分為直接法和間接法兩種，合成路徑如圖2所示。直接法中先合成帶有可聚合基團的IL單體，再進行聚合反應。該法確保了所得到的PIL每個單元都含有離子基團；但由于IL分子之間的相互排斥作用，影響了單體的聚合速率，使合成的聚合物相對分子質量偏低。間接法則是先合成聚合物前體，再經(jīng)化學修飾將離子基團引入聚合物前體中，該法聚合反應速率較快、聚合物相對分子質量較高，但存在后修飾過程中因靜電排斥的影響無法實現(xiàn)聚合物鏈上所有單體單元的完全離子交換、引入離子基團的問題。

圖2　聚離子液體制備方法[29]Fig.2　Synthetic routes for poly(ionic liquid)s[29]

2.1聚陽離子型離子液體的合成

聚陽離子型離子液體是種類最多、研究最廣的一類PIL，主要有季銨類、咪唑類、吡啶類及吡咯類。

Mecerreyes課題組[31]通過傳統(tǒng)自由基聚合直接制備了咪唑類聚合物，再利用陰離子交換得到陰離子分別為的PIL，發(fā)現(xiàn)陰離子對PIL在不同溶劑中的溶解性起到關鍵作用。該課題組進一步研究了不同陰離子對吡啶類PIL熱穩(wěn)定性的影響[32]，發(fā)現(xiàn)PIL熱穩(wěn)定性規(guī)律為：C

Tang等[33]使用間接法，首先用可逆加成-斷裂鏈轉移聚合合成一系列窄分布的聚對氯甲基苯乙烯，將其與1-丁基咪唑進行質子化反應得到PIL，質子化程度近乎完全，再經(jīng)離子交換得到陰離子為的PIL。該PIL的CO2吸附容量、吸附/解附速率均明顯優(yōu)于相應的IL[34-36]。

Sato等[37]通過本體聚合直接制備了重均分子量達百萬的季銨類PIL，用該PIL與鋰鹽復合的電池，其放電和電池循環(huán)性能皆優(yōu)于常規(guī)的鋰電池。

2.2聚陰離子型離子液體的合成

聚陰離子型離子液體種類相對較少，目前報道的有含磺酸根、磷酸根和碳酸根類PIL。Ohno課題組[38]分別用乙烯基磺酸、乙烯基羧酸、乙烯基磷酸及對苯乙烯基磺酸與1-甲基咪唑反應制備陰離子型IL單體，再通過傳統(tǒng)自由基聚合合成陰離子型PIL；研究表明該陰離子型PIL有高達10?4S·cm?1的電導率，這是因為其陽離子咪唑能發(fā)生較有效的運動所致。Vidal等[39]合成了帶三氟甲磺酰胺基的聚陰離子型離子液體，其電導率為6.5×10?4S·cm?1，與相應的IL單體相近。

Ricks-Laskoski等[40]將2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙磺酸與三[2-（2-甲氧乙氧基）乙基]胺反應得到IL，再進行傳統(tǒng)自由基聚合，獲得含磺酸基的液態(tài)聚陰離子型離子液體，并通過在陽離子基團中引入氧乙烯基，有效提高了材料的液流性，可通過調整電壓改變PIL液滴的潤濕性，從而改變液滴與疏水材料的接觸角和形狀，拓展了PIL在變焦透鏡領域的應用。

2.3聚兩性型離子液體

1991年Pujol-Fortin等[41]通過叔氮化合物與乙烯酮或丙烯酮的親核反應合成了兩性型單體，再經(jīng)傳統(tǒng)自由基聚合制備聚兩性型離子液體。由于該類PIL的陰陽離子同時存在于聚合物鏈中，影響其導電性。

3　聚離子液體在天然產物分離中的應用

聚離子液體（PIL）一方面繼承了IL的強極性、易與目標天然產物形成氫鍵、靜電、疏水基團親和、陰離子交換作用等特點，另一方面克服了IL在分離過程中易損耗、存在生物毒性的問題，因此是一種極具潛力的新型分離材料。下面，將通過與不同分離技術的結合，綜述PIL在天然產物分離中的研究進展。

3.1固相萃取技術

固相萃取技術是結合了液固萃取和液相色譜技術發(fā)展而來，利用固相分離介質對分離物的吸附作用強于液相溶劑的特點，將分離物濃縮在固相分離介質表面從而達到分離，其中分離介質的選擇對固相分離效率至關重要。以PIL為分離介質，其大分子結構克服了IL作為分離介質時所存在的水溶解性而造成流失的問題，其良好的化學穩(wěn)定性可延長其作為分離介質的使用壽命。使用該技術可用于黃酮類和生物堿類化合物及蛋白質的分離[42-45]。

黃酮類天然產物是植物中具有殺菌、抗氧化、抗炎癥等功效的一類重要的次生代謝產物[46]，可通過蔬菜、紅酒、茶或者某些中藥材攝入該類化合物[47]。用于黃酮類天然產物分離的PIL主要是咪唑類陽離子型聚合物，由于黃酮類化合物存在芳香環(huán)和酚羥基，PIL中咪唑環(huán)能與芳香環(huán)形成π-π作用，同時咪唑環(huán)上氮原子還能與酚羥基形成氫鍵作用，從而實現(xiàn)分離。Row課題組[42]在二氧化硅表面聚合得到負載乙烯基咪唑型PIL吸附劑，二氧化硅上PIL負載量達17.3%（質量分數(shù)）；將其與IL水溶液混合作為萃取劑，通過三相萃?。ㄎ絼?溶劑+原料），從日本扁柏中提取了楊梅酮和阿曼陀黃素，后經(jīng)甲醇脫附，兩者的分離效率分別為76.4%和90.3%，阿曼陀黃素較高的分離效率是因其結構中相較楊梅酮多了兩個芳香環(huán)和一個酚羥基；與傳統(tǒng)分離介質甲醇相比，PIL分離產物中雜質明顯減少，表明PIL較甲醇對黃酮類化合物有更好的選擇性；研究還發(fā)現(xiàn)隨著PIL中咪唑環(huán)上烷基鏈數(shù)增加，分離效率先增后減，8個碳烷基鏈的分離效率最高，這是由于IL咪唑陽離子的疏水性隨著烷基鏈而增強，從而增進PIL與黃酮類化合物的疏水親和相互作用；但當烷基鏈大于8個碳，分離體系黏度增加明顯，從而降低了分離效率。

除了黃酮類天然產物，PIL還被用于從植物中分離生物堿，常用的也是咪唑類陽離子型聚合物。PIL與生物堿化合物間存在以下幾種相互作用：生物堿中芳香環(huán)與咪唑基的π-π作用、生物堿中含孤對電子的氧或者氮原子與咪唑基中氮原子的氫鍵作用以及生物堿的親油部分與咪唑基中烷基鏈的疏水親和作用[48]。Row課題組[43]通過間接法合成了苯乙烯基咪唑側鏈帶烷基氨基的負載型PIL，將此吸附劑用于分離苦參中具有良好抗病毒、抗病原體作用的苦參堿和氧化苦參堿，兩者萃取率分別為2.32和13.69 mg·g?1。與商品化的C18柱及氨基吸附劑相比，該PIL具有最佳的分離選擇性，重復使用3次未改變其分離效率。該吸附劑還被用于分離和測定雞蛋和牛奶中的生物堿含量。

同一課題組[44]還將相同技術用于綠茶提取咖啡因與茶堿。他們利用間接法由甲基丙烯酸縮水甘油酯和二甲基丙烯酸乙二醇酯共聚先制備聚合物微球，再與1-甲基咪唑反應引入離子基團。由于咖啡因與茶堿結構上唯一的區(qū)別是咖啡因化合物的氮原子上存在一個甲基[49]，其削弱了咖啡因與PIL的氫鍵作用，從而能使用PIL對兩者進行選擇性分離。用該PIL粒子從綠茶中分離咖啡因和茶堿，萃取率分別為0.025和0.58 mg·ml?1。

PIL作為固相萃取的吸附劑，還被應用于生物大分子如蛋白質的分離。研究表明，碳納米管負載IL對復合糖、多肽、蛋白質等生物大分子具有選擇性吸附能力[50-52]。使用PIL，能在原有IL與蛋白質之間的作用基礎上，提供更強的疏水結構親和相互作用。Wang等[45]通過直接合成法進行1-乙烯基-3-丁基咪唑氯鹽、丙烯酰胺與N,N'-亞甲基雙丙烯酰胺的共聚，得到交聯(lián)型大孔PIL，該PIL對溶菌酶有很強的吸附能力，吸附容量可達755.1 mg·g?1。PIL中陰離子種類對蛋白質吸附影響很大，當陰離子為氯離子時，PIL對牛血紅蛋白的吸附容量為13.7 mg·g?1；而當使用十二烷基磺酸為陰離子時，其吸附容量提高了近32倍，達447.7 mg·g?1，這可能是因為十二烷基磺酸陰離子削弱了IL分子間氫鍵相互作用，從而增強了蛋白質與IL的作用[53]。

3.2固相微萃取技術

固相微萃取是通過在石英纖維表面涂敷分離介質實現(xiàn)對目標產物的萃取，包括直接萃取、頂空萃取、膜保護萃取等3種模式。與固相萃取相比，該技術具有操作簡單、成本低等優(yōu)勢。使用IL作為分離介質，存在流失問題，會污染目標產物，并增加操作成本；而PIL則能較穩(wěn)定地附著在纖維表面，更適合于用作固相微萃取的分離介質[54]。

Anderson課題組[28]首先將PIL用于天然物質的固相微萃取分離，通過乙烯基咪唑分別與1-氯己烷、1-溴十二烷及1-溴十六烷反應合成不同烷基鏈長的IL單體，經(jīng)自由基聚合，所得產物進行離子交換，得到了陰離子為二(氟甲基磺酰)酰亞胺鹽的PIL，將負載該PIL的石英纖維用于分離紅酒和白酒中的脂肪酸甲酯化合物，經(jīng)超過150次的循環(huán)萃取，分離效率僅下降了14%～18%，穩(wěn)定性明顯優(yōu)于商業(yè)化的聚二甲基硅氧化負載纖維。該課題組又分別通過1-乙烯基-3-己基咪唑氯鹽與1,12-二（3-乙烯基咪唑）十二烷溴鹽的紫外光和熱聚合合成交聯(lián)PIL，負載該PIL的纖維用于頂空固相微萃取與氣相色譜聯(lián)用萃取分析奶酪中2種游離脂肪酸、2種醛、2種酮和10種酚類化合物[55]，通過PIL與這些化合物的π-π作用和疏水親和相互作用實現(xiàn)選擇性分離。該PIL對丁香油酚和2,6-二甲氧基苯酚的分配系數(shù)分別為91和18，分離效率優(yōu)于目前市場上分離效果最好的CAR-PDMS纖維。與之相似，Zhang 等[56]在纖維上直接聚合負載PIL，利用直接浸沒固相微萃取和氣相色譜聯(lián)用分離分析了蔬菜中擬除蟲菊酯的含量，可檢測出黃瓜和卷心菜中低至0.49和0.21 μg·kg?1的擬除蟲菊酯殘留，亦可用于水中擬除蟲菊酯的分離檢測，該PIL負載纖維的萃取能力比商業(yè)化的聚二甲基硅氧烷纖維高出20%。

Jiang等[57]合成了一種特殊的雙受限PIL，首先通過1-乙烯基-3-辛基咪唑溴鹽和4-乙烯基苯磺酸鈉反應合成了陰陽離子都帶有聚合基團的IL，后經(jīng)自由基聚合合成PIL，再將PIL通過化學修飾負載于不銹鋼絲上。研究發(fā)現(xiàn)該陰陽離子同時受限在聚合物骨架上的PIL對高濃度鹽的耐受能力極強，穩(wěn)定性遠高于常規(guī)聚陽離子型離子液體，克服了離子液體作為萃取介質在酸性條件下不穩(wěn)定、易分解的問題。該PIL用于直接浸沒和頂空固相微萃取分析市售礦泉水中鄰苯二甲酸酯等雜質含量，可有效萃取低濃度雜質并保持很好的分離穩(wěn)定性。

3.3分子印跡固相萃取技術

分子印跡技術是通過分子印跡聚合物對特定目標化合物及與其結構相似化合物進行特異性識別和選擇性吸附[58]，將其與固相萃取相結合形成了分子印跡固相萃取技術。由于PIL較常規(guī)分子印跡聚合物更易與目標產物形成π-π作用、疏水基團親和作用以及氫鍵和靜電相互作用，因此其對天然產物有更強的分離能力。Tian等[59]利用間接合成法經(jīng)乳液聚合合成了具有較大比表面積的多孔聚苯乙烯微球，再以9,10-菲醌（結構與丹參總酮類似）為模板劑，通過多孔聚苯乙烯微球與幾種不同的咪唑化合物反應得到分子印跡PIL。與無IL的分子印跡聚苯乙烯微球和市售C18柱相比，分子印跡PIL的吸附容量高2～3個數(shù)量級，每克丹參中可提取出高達0.35 mg隱丹參酮、0.33 mg 丹參酮I和0.27 mg 丹參酮IIA；當咪唑的烷基鏈上引入羧酸根，其吸附能力及選擇性最佳，這是由于羧酸根可與丹參總酮的羰基形成氫鍵作用，同時丹參總酮在酸性條件下更穩(wěn)定；該分子印跡PIL經(jīng)5次重復使用，其分離效率僅下降2.76%，表明其重復使用吸附效率非常穩(wěn)定。該課題組[60]用相似的方法以酚酸為模板劑合成了分子印跡PIL，其粒徑約600 nm、比表面積50.7～72.4 m2·g?1、孔徑分布5.02～4.56 nm。將其用于海蓬子中的原兒茶酸、阿魏酸和咖啡酸分離，分離效率可分別達到90.1%、95.5%和96.6%，4次循環(huán)使用后分離效率僅下降7%。他們還將分子印跡PIL分離日本扁柏中的櫟素、楊梅酮和阿曼陀黃素，分離效率分別達88.1%、93.6%和95.1%[61]。

Wang課題組[62]在前期利用PIL吸附分離蛋白質的基礎上，在1-乙烯基-4-丁基咪唑氯鹽聚合物中引入模板劑溶菌酶和單壁碳納米管，制備了具有對溶菌酶特異性吸附的負載型分子印跡PIL，分子印跡PIL在單壁碳納米管上的負載量達97.1%。對負載的分子印跡PIL與無分子印跡PIL進行對比，發(fā)現(xiàn)分子印跡PIL對溶菌酶的吸附量提高了54%；該分子印跡PIL可在復雜蛋白質混合體系中選擇性吸附溶菌酶，溶菌酶對牛血清蛋白、肌紅蛋白、牛血紅蛋白和細胞色素c的選擇性系數(shù)分別為7.17、2.12、1.76和1.57；該負載型分子印跡PIL還可對蛋清中溶菌酶實現(xiàn)選擇性分離。

3.4液液萃取技術

液液萃取是天然產物分離的常用手段之一，將其用于天然產物特別是同系物分離的關鍵是高效萃取劑的選擇。具有延緩衰老、治療和預防疾病功能的維生素E（又稱生育酚）是一種有代表性的天然同系物，可從植物油脫臭餾出物中提取，它主要含α-、β-、γ-和δ-生育酚，其中α-生育酚具有很高的生理活性，但分離α-生育酚存在挑戰(zhàn)。Ren課題組[21]使用IL與常規(guī)溶劑混合作為萃取劑，利用IL鹵素陰離子和不同生育酚同系物中酚羥基之間不同的氫鍵作用，實現(xiàn)了生育酚同系物的分離，但分離中仍離不開使用大量有機溶劑對萃取相中生育酚進行反萃的分離操作，增加了能耗和溶劑消耗。

近些年來，對pH、溫度、氣體、光等激發(fā)條件敏感的刺激響應材料被用作分離材料[63-69]，特別是CO2刺激響應材料，因其綠色、價廉、易得且適合大規(guī)模操作而備受人們關注。本課題組[63-67]一直致力于CO2刺激響應分離材料的研究，開發(fā)了CO2/N2可逆凝聚（分離）與再分散的膠乳和乳液。2014年本課題組首次開發(fā)了用于生育酚同系物分離的CO2刺激相應的聚合物萃取劑聚乙烯亞胺（PEI），實現(xiàn)了α-生育酚高效分離；通CO2時PEI上的氨基與CO2相互結合，在脫出生育酚的同時從溶劑中沉淀出PEI，從而實現(xiàn)萃取劑的快速回收和重復利用，同時不需要反萃操作從萃取相中分離生育酚，避免了大量有機溶劑的使用[69]。

本課題組[70]通過可逆加成-斷裂鏈轉移聚合合成了1-乙烯基-3-丁基咪唑溴鹽IL與N-異丙基丙烯酰胺的PIL，并通過離子交換引入丙氨酸陰離子。將此PIL與乙腈混合作為萃取劑，用于生育酚同系物的分離，發(fā)現(xiàn)該聚氨基酸型PIL因其氨基酸陰離子與生育酚酚羥基的氫鍵作用遠強于鹵素陰離子而具有出色的分離效率，δ-生育酚和β-/γ-生育酚的兩相分配系數(shù)分別為7.86和3.63，δ-生育酚和β-/γ-生育酚對α-生育酚的選擇性分別達13.0和6.0；由于該PIL在乙腈中存在溫度刺激響應，具有UCST，使得PIL可通過改變溫度得到快速回收和再利用以及萃取相中生育酚的再分離，避免了使用大量溶劑的反萃操作。

3.5毛細管電泳技術

毛細管電泳是近年來發(fā)展迅速的一種分離分析方法，具有效率高、樣品消耗量少等優(yōu)點，被廣泛應用于生物分子分離，但由于毛細管的電滲流方向和陰離子化合物的電泳遷移方向相反，因此該技術對陰離子化合物的分離效果不理想，需用背景電解質以改變電滲流。使用PIL作為毛細管電泳背景電解質或毛細管涂膜[71]，能比小分子IL產生更強的反轉電滲流，從而提高了帶電化合物的分離效率。

Jiang課題組[72]合成了乙烯基咪唑類的聚陽離子型離子液體，將其作為毛細管電泳的背景電解質用于4種堿性蛋白質的分離。通常毛細管電泳中石英毛細管內壁上的硅羥基被電離成SiO?而使其表面帶負電，當使用一定濃度的背景電解質PIL時，咪唑基團與毛細管壁上離子化硅烷醇形成靜電作用，使得毛細管壁面呈正電，不僅產生穩(wěn)定的反向電滲流促進具有不同等電點的蛋白質分離，而且可以有效削弱壁上堿性蛋白質的吸附；增加背景電解質PIL濃度，毛細管內壁面更強的正電可進一步減少壁面對蛋白質的吸附，提高蛋白質的分離效率；但當PIL質量分數(shù)高于0.3%時，高濃度的PIL增大了毛細管徑向溫差，增強焦耳熱效應，從而降低柱效及蛋白質分離效率。該方法還被用于外用藥物中水楊酸和苯甲酸的分離分析[73]。

除了將PIL作為毛細管電泳的背景電解質，Jiang課題組[74-75]還將聚1-乙烯基4-丁基咪唑溴鹽PIL直接物理負載于石英毛細管上，由于PIL對酸、堿、有機溶劑穩(wěn)定，從而減少了背景電解質pH對毛細管電滲流的影響，同時還削弱了溶質在石英管壁面吸附，加快了分離速度；將該負載PIL的石英毛細管用于堿性蛋白質和有機酸的分離，成功地從葡萄汁中分離分析出4種陰離子化合物[74]。他們還利用表面引發(fā)原子轉移自由基聚合，在石英毛線管壁面化學接枝PIL，提高了石英毛線管壁面PIL在用于堿性蛋白質和有機酸的分離過程中的穩(wěn)定性[75]。

4　總結和展望

近5年來，聚離子液體（PIL）在天然產物分離領域研究發(fā)展迅速，初步展示了其在分離過程中的巨大應用潛力。將PIL用作天然產物分離的萃取劑或吸附劑，一方面繼承了離子液體IL與天然產物間的π-π、氫鍵、靜電、疏水基團親和等相互作用，具有分離效率高、選擇性好、綠色環(huán)保等優(yōu)點，另一方面提供了IL所不具備的回收容易、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性好、結構可調等優(yōu)勢。但由于相關研究時間尚短，拓展PIL在天然產物分離領域應用，需要完善以下幾個方面。

（1）系統(tǒng)了解和掌握IL與天然產物化合物間相互作用機理，充分利用在PIL制備過程中可引入共聚單體官能團這一優(yōu)勢，發(fā)掘共聚官能團與IL協(xié)同增強分離效率和選擇性的能力，掌握PIL的共聚物鏈序列結構和拓撲結構對分離效率和選擇性的影響規(guī)律，指導高效PIL的設計和定制。

（2）與傳統(tǒng)溶劑萃取劑相比，PIL制備復雜、成本較高，為了降低其在分離過程的使用成本，需從3方面著手：①設計易回收再利用的PIL，在PIL引入諸如CO2、溫度[70]等刺激響應性能，可大大方便回收，降低操作成本；②開發(fā)廉價的高性能IL以降低PIL的成本，從便宜的天然原料著手合成新型IL是可行方案之一[76]；③從共聚物鏈結構設計出發(fā)，充分發(fā)揮PIL中IL單元的使用效率，可減少PIL中IL的用量，從而降低PIL成本。

（3）在液液萃取過程，PIL仍須溶于小分子溶劑用于分離，另外，萃取劑的黏度影響分離操作；由于常規(guī)PIL的黏度遠高于常規(guī)溶劑，因此開發(fā)液態(tài)PIL（低分子量或特殊拓撲結構）可避免揮發(fā)性有機溶劑的使用，同時避免小分子IL易損耗、穩(wěn)定性差的問題。目前，已有一些報道通過設計尺寸較大和分子不對稱性較強的陰陽離子削弱離子間相互作用力，使得所合成的PIL具有較低的玻璃化轉變溫度。Yuan等[77]通過在季銨型陽離子的烷基鏈上引入氧原子，從而屏蔽季銨陽離子與陰離子的相互作用，得到液態(tài)的PIL，可用于液液兩相萃取。現(xiàn)有報道的液態(tài)PIL目前僅局限于此一種結構，但該PIL的熱穩(wěn)定性較差，需要開發(fā)新型的液態(tài)PIL。

References

[1] 徐任生，葉陽，趙維民. 天然產物化學[M]. 2版. 北京：科學出版社，2004：1-2. XU R S, YE Y , ZHAO W M. Natural Products Chemistry [M]. 2nd ed. Beijing: Science Press, 2004: 1-2.

[2] SARKER S D, LATIF Z, GRAY A I. Natural Products Isolation [M]. 2nd ed. New York: Humana Press, 2006: 3-4.

[3] 譚天偉. 天然產物分離新技術[J]. 化工進展，2004，22(7): 665-668 TAN T W. New separation and purification methods for natural herbs [J]. Chem. Eng. Prog., 2003, 22(7): 665-668.

[4] HUDDLESTON J G, WILLAUER H D, SWATLOSKI R P, et al. Room temperature ionic liquids as novel media for ‘clean’liquid-liquid extraction [J]. Chem. Commun., 1998, 16: 1765-1766.

[5] PEREIRO A B, ARAúJO J M M, ESPERAN?A J M S S, et al. Ionic liquids in separations of azeotropic systems — a review [J]. J. Chem. Thermodyn., 2012, 46: 2-28.

[6] FADEEV A G, MEAGHER M M. Opportunities for ionic liquids in recovery of biofuels [J]. Chem. Commun., 2001: 295-296.

[7] BALTAZAR Q Q, LEININGER S K, ANDERSON J L. Binary ionic liquid mixtures as gas chromatography stationary phases for improving the separation selectivity of alcohols and aromatic compounds [J]. J. Chromatogr. A, 2008, 1128: 119-127.

[8] HOLBREY J D, VISSERA E, SPEAR S K, et al. Mercury(Ⅱ) partitioning from aqueous solutions with a new, hydrophobic ethylene-glycol functionalized bis-imidazolium ionic liquid [J]. Green Chem., 2003, 5: 129-135.

[9] WANG X Q, LIU W X, TIAN J, et al. Cr(Ⅵ), Pb(Ⅱ), Cd(Ⅱ) adsorption properties of nanostructured BiOBr microspheres and their application in a continuous filtering removal device for heavy metal ions [J]. J. Mater. Chem. A, 2014, 2: 2599-2608.

[10] LIU Z, WANG H S, LIU C, et al. Magnetic cellulose-chitosan hydrogels prepared from ionic liquids asreusable adsorbent for removal of heavy metal ions [J]. Chem. Commun., 2012, 48: 7350-7352.

[11] ROUT A, BINNEMANS K. Separation of rare earths from transition metals by liquid-liquid extraction from a molten salt hydrate to an ionic liquid phase [J]. Dalton Trans., 2014, 43: 3186-3195.

[12] GUO L, CHEN J, SHEN L, et al. Highly selective extraction and separation of rare earths (Ⅲ) using bifunctional ionic liquid extractant [J]. ACS Sustain. Chem. & Eng., 2014, 2(8): 1968-1975.

[13] KAHLEN J, MASUCH K, LEONHARD K. Modelling cellulose solubilities in ionic liquids using COSMO-RS [J]. Green Chem., 2010,12(12): 2172-2181.

[14] GUO Z, LUE B M, THOMASEN K, et al. Predictions of flavonoid solubility in ionic liquids by COSMO-RS: experimental verification, structural elucidation, and solvation characterization [J]. Green Chem., 2007, 9(12): 1362-1373.

[15] SMITH K B, BRIDSON R H, LEEKE G A. Solubilities of pharmaceutical compounds in ionic liquids [J]. J. Chem. Eng. Data, 2011, 56(5): 2039-2043.

[16] HAN D, ROW K H. Recent applications of ionic liquids in separation technology [J]. Molecules, 2010, 15: 2405-2425.

[17] BERTHOD A, RUIZ-ANGEL M J, CARDA-BROCH S. Ionic liquids in separation techniques [J]. J. Chromatogr. A, 2008, 1184: 6-18.

[18] DU F Y, XIAO XH, LUO X J, et al. Application of ionic liquids in the microwave-assisted extraction of polyphenolic compounds from medicinal plants [J]. Talanta, 2009, 78: 1177-1184.

[19] TANG F, TAO L, LUO X, et al. Determination of octopamine, synephrine and tyramine in Citrus herbs by ionic liquid improved ‘green’ chromatography [J]. J. Chromatogr. A, 2006, 1125: 182-188.

[20] ABE M, FUKAYA Y, OHNO H. Extraction of polysaccharides from bran with phosphonate or phosphinate-derived ionic liquids under short mixing time and low temperature [J]. Green Chem., 2010, 12: 1274-1280.

[21] YANG Q, XING H, CAO Y, et al. Selective separation of tocopherol homologues by liquid-liquid extraction using ionic liquids [J]. Ind. Eng. Chem. Res., 2009, 48(13): 6417-6422.

[22] DU Z, YU Y L, WANG J H. Extraction of proteins from biological fluids by use of an ionic liquid/aqueous two-phase system [J]. Chem. Eur. J., 2007, 13: 2130-2137.

[23] QI S, TIAN K, ZHANG H, et al. High electric field strengths in micellar electrokinetic capillary electrophoresis with ionic liquids as modifiers [J]. Anal. Lett., 2006, 39: 2039-2053.

[24] XU L, LI A, SUN A, et al. Preparative isolation of neomangiferin and mangiferin from Rhizomaanemarrhenae by high-speed countercurrent chromatography using ionic liquids as a two-phase solvent system modifier [J]. J. Sep. Sci., 2010, 33: 31-36.

[25] BROWN R A, POLLET P, MCKOON E, et al. Asymmetric hydrogenation and catalyst recycling using ionic liquid and supercritical carbon dioxide [J]. J. Am. Chem. Soc., 2001, 123(6): 1254-1255.

[26] GARCIA M T, GATHERGOOD N, SCAMMELLS P. Biodegradable ionic liquids (Ⅱ): Effect of the anion and toxicology [J]. Green Chem., 2005, 1(7): 9-14.

[27] PETKOVIC M, SEDDON K R, REBELO L P N, et al. Ionic liquids: a pathway to environmental acceptability [J]. Chem. Soc. Rev., 2011, 40: 1383-1403.

[28] ZHAO P, MENG Y, ANDERSON J L. Polymeric ionic liquids as selective coatings for the extraction of esters using solid-phase microextraction [J]. J. Chromatogr. A, 2008, 1208(1): 1-9.

[29] MECERREYES D. Polymeric ionic liquids: broadening the properties and applications of polyelectrolytes [J]. Prog. Poly. Sci., 2011, 36: 1629-1648.

[30] LI F, CHENG F, SHI J, et al. Novel quasi solid electrolyte for dye sensitized solar cells [J]. J. Power Sources, 2007, 165: 911-915.

[31] MARCILLA R, BLAZQUEZ J A, RODRIGUEZ J, et al. Tuning the solubility of polymerized ionic liquids by simple anion-exchange reactions [J]. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem., 2004, 42: 208-212.

[32] MARCILLA R, BLAZQUEZ JA, FERNANDEZ R, et al. Synthesis of novel polycations using the chemistry of ionic liquids [J]. Macromol. Chem. Phys., 2005, 206: 299-304.

[33] DING S, TANG H, RADOSZ M, et al. Atom transfer radical polymerization of IL 2-(1-butylimidazolium-3-yl)ethyl methacrylate tetrafluoroborate [J]. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem., 2004, 42: 5794-5801.

[34] TANG J B, SUN W L, TANG H D, et al. Enhanced CO2absorption of poly(ionic liquid)s [J]. Macromolecules, 2005, 38: 2037-2039.

[35] TANG J B, TANG H D, SUN W L, et al. Poly(ionic liquid)s: a new material with enhanced and fast CO2absorption [J]. Chem. Commun., 2005: 3325-3327.

[36] TANG J B, TANG H D, SUN W L, et al. Poly(ionic liquid)s as new materials for CO2absorption [J]. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem., 2005, 43: 5477-5489.

[37] SATO T, MARUKANE S, NARUTOMI T, et al. High rate performance of a lithium polymer battery using a novel ionic liquid polymer composite [J]. J. Power Sources, 2007, 164: 390-396.

[38] OHNO H, YOSHIZAWA M, OGIHARA W. Development of new class of ion conductive polymers based on ionic liquids [J]. Electrochim. Acta, 2004, 50: 255-261.

[39] JUGER J, MEYER F, VIDAL F, et al. Synthesis, polymerization and conducting properties of an IL-type anionic monomer [J]. Tetrahedron Lett., 2009, 50: 128-131.

[40] RICKS-LASKOSKI H L, SNOW A W. Synthesis and electric field actuation of an ionic liquid polymer [J]. J. Am. Chem. Soc., 2006, 128: 12402-12403.

[41] PUJOL-FORTIN M L, GALIN J C. Poly (ammonium alkoxydicyanoethenolates) as new hydrophobic and highly dipolar poly(zwitterions) (Ⅰ): Synthesis [J]. Macromolecules, 1991, 24: 4523-4530.

[42] BI W, TIAN M, ROW K H. Combined application of ionic liquid and hybrid poly (ionic liquid)-bonded silica: an alternative method for extraction, separation and determination of flavonoids from plants [J]. Anal. Lett., 2013, 46: 416-428

[43] BI W, TIAN M, ROW K H. Solid-phase extraction of matrine and oxymatrine from Sophora Flavescens Ait using amino-imidazolium polymer [J]. J. Sep. Sci., 2010, 33: 1739-1745.

[44] TIAN M, YAN H, ROW K H. Solid-phase extraction of caffeine and theophylline from green tea by a new ionic liquid-modified functional polymer sorbent [J]. Anal. Lett., 2010, 43: 110-118.

[45] YUAN S F, DENG Q L, FANG G Z, et al. A novel ionic liquid polymer material with high binding capacity for proteins [J]. J. Mater. Chem., 2012, 22: 3965-3972.

[46] PELUSO I, MIGLIO C, MORABITO G, et al. Flavonoids and immune function in human: a systematic review [J]. Crit. Rev. Food Sci. Nutr., 2015, 55(3): 383-395.

[47] MARIMUTHU P, WU C L, CHANG H T, et al. Antioxidant activity of methanolic extract from the bark of Chamaecyparisobtusevar Formosana [J]. J. Sci. Food Agr., 2008, 88: 1400-1405.

[48] FREIRE M G, NEVES C M S S, MARRUCHO I M, et al. High-performance extraction of alkaloids using aqueous two-phase systems with ionic liquids [J]. Green Chem., 2010, 12: 1715-1718.

[49] BRUNETTO M R, GUTIERREZ L, DELGADO Y, et al. Determination of theobromine, theophylline and caffeine in cocoasamples by a high-performance liquid chromatographic method with on-line sample cleanup in a switching-column system [J]. Food Chem., 2007, 100: 459-467.

[50] RAHIMI P, RAFIEE-POUR H, GHOURCHIAN H, et al. Ionic-liquid/ NH2-MWCNTs as a highly sensitive nano- composite for catalase direct electrochemistry [J]. Biosens. Bioelectron., 2010, 25: 1301-1306.

[51] XU H, XIONG H Y, ZENG Q X, et al. Direct electrochemistry and electrocatalysis of heme proteins immobilized in single-wall carbon nanotubes-surfactant films in room temperature ionic liquids [J]. Electrochem. Commun., 2009, 11: 286-289.

[52] ZHU Z H, QU L N, LI X, et al. Direct electrochemistry and electrocatalysis of hemoglobin with carbon nanotube-ionic liquid-chitosan composite materials modified carbon ionic liquid electrode [J]. Electrochim. Acta, 2010, 55: 5959-5965.

[53] FU G Q, YU H, ZHU J. Imprinting effect of protein-imprinted polymers composed of chitosan and polyacrylamide: a re-examination [J]. Biomaterials, 2008, 29: 2138-2142.

[54] YU H, HO T D, ANDERSON J L. Ionic liquid and polymeric ionic liquid coatings in solid-phase microextraction [J]. Trends Anal. Chem., 2013, 45: 219-232.

[55] TRUJILLO-RODRíGUEZ M J, YU H L, COLE W T S, et al. Polymeric ionic liquid coatings versus commercial solid-phase microextraction coatings for the determination of volatile compounds incheeses [J]. Talanta, 2014, 212: 153-162.

[56] ZHANG Y, WANG X, LIN C, et al. A novel SPME fiber chemically linked with 1-vinyl-3-hexadecylimidazolium hexafluorophosphate ionic liquid coupled with GC for the simultaneous determination of pyrethroids in vegetables [J]. Chromatographia, 2012, 75: 789-797.

[57] FENG J, SUN M, XU L, et al. Novel double-confined polymeric ionic liquids as sorbents for solid-phase microextraction with enhanced stability and durability in high-ionic-strength solution [J]. J. Chromatogr. A, 2012, 1268: 16-21.

[58] TAMAYO F G, TURIEL E, MARTíN-ESTEBAN A. Molecularly imprinted polymers for solid-phase extraction and solid-phase microextraction: recent developments and future trends [J]. J. Chromatogr. A, 2007, 1152: 32-40.

[59] TIAN M, BI W, ROW K H. Molecular imprinting in ionic liquid-modified porous polymer for recognitive separation of three tanshinones from Salvia miltiorrhiza Bunge [J]. Anal. Bioanal. Chem., 2011, 399: 2495-2502.

[60] BI W, TIAN M, ROW K H. Separation of phenolic acids from natural plant extracts using molecularly imprinted anion-exchange polymer confined ionic liquids [J]. J. Chromatogr. A, 2012, 1232: 37-42.

[61] BI W, TIAN M, ROW K H. Evaluation of molecularly imprinted anion-functionalized poly(ionic liquid)s by multi-phase dispersive extraction of flavonoids from plant [J]. J. Chromatogr. B, 2013, 913: 61-68.

[62] YUAN S F, DENG Q L, FANG G Z, et al. Protein imprinted ionic liquid polymer on the surface of multiwall carbon nanotubes with high binding capacity for lysozyme [J]. J. Chromatogr. B, 2014, 960:239-246.

[63] ZHANG Q, WANG W, LU Y, et al. Reversibly coagulatable and redispersible polystyrene latex prepared by emulsion polymerization of styrene containing switchable amidine [J]. Macromolecules, 2011, 44: 540-545.

[64] ZHANG Q, YU G, WANG W, et al. Preparation of N2/CO2triggered reversibly coagulatable and redispersible latexes by emulsion polymerization of styrene with a reactive switchable surfactant [J]. Langmuir, 2012, 28: 5940-5946.

[65] ZHANG Q, YU G, WANG W, et al. Preparation of CO2/N2-triggered reversibly coagulatable and redispersible polyacrylatelatexes by emulsion polymerization using a polymeric surfactant [J]. Macromol. Rapid Commun., 2012, 33: 916-921.

[66] ZHANG Q, YU G, WANG W, et al. Switchable block copolymer surfactants for preparation of reversiblycoagulatable and redispersible poly(methyl methacrylate) latexes [J]. Macromolecules, 2013, 46: 1261-1267.

[67] LIU P, LU W, WANG W, et al. Highly CO2/N2-switchable zwitterionic surfactant for pickering emulsions at ambient temperature [J]. Langmuir, 2014, 30: 10248-10255.

[68] LEE H, PIETRASIK J, SHEIKO S, et al. Stimuli-responsive molecular brushes [J]. Prog. Polym. Sci., 2010, 35: 24-44.

[69] YU G, LU Y, LIU X, et al. Polyethylenimine-assisted extraction of a-tocopherol from tocopherol homologues and CO2-triggered fast recovery of the extractant [J]. Ind. Eng. Chem. Res.,2014, 53: 16025-16032.

[70] LU Y, YU G, WANG W J, et al. Design and synthesis of thermoresponsive ionic liquid polymer in acetonitrile as a reusable extractant for separation of tocopherol homologues [J]. Macromolecules, 2015, 48: 915-924.

[71] TANG S, LIU S, GUO Y, et al. Recent advances of ionic liquids and polymeric ionic liquids in capillary electrophoresis and capillary electrochromatography [J]. J. Chromatogr. A, 2014, 1357: 147-157

[72] LI J, HAN H, WANG Q, et al. Polymeric ionic liquid as dynamic coating additive for separation of basic proteins by capillary electrophoresis [J]. Anal. Chim. Acta, 2010, 674: 243-248.

[73] LI J, WANG Q, HAN H, et al. Polymeric ionic liquid as additive for the high speed and efficient separation of aromatic acids by co-electroosmotic capillary electrophoresis [J]. Talanta, 2010, 82: 56-60.

[74] LI J, HAN H, WANG Q, et al. Polymeric ionic liquid-coated capillary for capillary electrophoresis [J]. J. Sep. Sci., 2011, 34: 1555-1560.

[75] LI J, HAN H F, WANG Q, et al. Poly(N-vinylimidazole)-grafted capillary for electrophoresis prepared by surface-initiated atom transfer radical polymerization [J]. J. Sep. Sci., 2010, 33: 2804-2810.

[76] LI W, ZHANG Z, HAN B, et al. Conversion of fructose to 5-hydroxymethylfurfural using ionic liquids prepared from renewable materials [J]. Green Chem., 2008, 10: 1142-1145.

[77] PRESCHER S, POLZER F, YANG Y, et al. Polyelectrolyte as solvent and reaction medium [J]. J. Am. Chem. Soc., 2014, 136(1): 12-15.

DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20151258

中圖分類號：TQ 028.8

文獻標志碼：A

文章編號：0438—1157（2016）02—0416—09

基金項目：國家自然科學基金項目（21420102008，21376211，20976153）；化學工程聯(lián)合國家重點實驗室開放課題（SKL-ChE-14D01）。

Corresponding author:WANG Wenjun,wenjunwang@zju.edu.cn supported by the National Natural Science Foundation of China (21420102008, 21376211, 20976153) and the Chinese State Key Laboratory of Chemical Engineering at Zhejiang University (SKL-ChE-14D01).

Poly(ionic liquid)s and their applications in natural product separation

LU Yangyang, WANG Wenjun, LI Bogeng
(State Key Laboratory of Chemical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang, China)

Abstract:Development of natural products relies heavily on advanced separation technologies for extraction from abundant biomass raw material sources. A novel approach for isolating natural products and their precursors is the use of the poly(ionic liquid). Poly(ionic liquid) extractants provide the polarity, designability and selectivity of ionic liquids while being less toxic and more easily recoverable. In this review, synthetic methods of polycations, polyanions and polyzwitterions are summarized. The latest progress in the use of poly(ionic liquid)-mediated solid phase extraction, solid phase microextraction, molecular imprinted solid phase extraction, liquid-liquid extraction and capillary electrophoresis technologies to separate natural products such as flavonoids, alkaloids, phenols and proteins are reviewed. This will include a description of the proposed separation mechanism and the features of this approach including the reported efficiencies, stability, and recoverability of poly(ionic liquid)s. The specific focus will be on the use of smart polymeric materials for separation of natural products. Moreover, the designing and synthetic tailoring of new species to address current challenges and expand the applicability of poly(ionic liquid)-mediated technologies for separating natural products will be introduced.

Key words:poly(ionic liquid); natural product; separation; extraction; stimuli-responsive extractant; recovery