CO2调控功能化低共熔溶剂-水体系相行为的研究

Deep eutectic solvents (DESs) are a class of new green solvents and attracting more and more attention in green chemistry and industrial chemistry because of their unique properties. However, the type of deep eutectic solvents is few at present, which will greatly limit their development and application. In this project, a series of novel CO2-responsive deep eutectic solvents with CO2-responsive hydrogen-bond donors (such as amide and nitrogen-bearing heterocyclic compounds) or hydrogen-bond acceptors (such as amino acid and alkamine) will be synthesized based on structure-property relationship. The effect of structure and type of hydrogen-bond donors and acceptors, alkyl chain length and functional group property on physicochemical properties (such as melting point, thermostability, viscosity and the ability to form hydrogen bond), interaction sites, interaction style, interaction strength and phase behavior of functionalized deep eutectic solvents with water will be systematically investigated. The relationship between the phase behavior and physicochemical properties of the functionalized deep eutectic solvents will be analyzed. Based on these results, the regulation rules and mechanism of CO2 on the phase behavior of the functionalized deep eutectic solvents-water systems at room temperature and atmosphere pressure will be explored through the combination of spectroscopic investigation and quantum chemical calculation. These results are expected to provide important scientific information for the design and application of the functionalized deep eutectic solvents in chemical synthesis, extractive separation and material preparation.

低共熔溶剂是一种新型的绿色溶剂, 由于其独特的性质，在绿色化学和工程化学中受到越来越多的关注。然而，目前低共熔溶剂的种类比较单一，这在很大程度上限制了它们的发展与应用。本项目拟通过结构-性质关系，选择对CO2响应的氢键供体（如酰胺和含氮杂环化合物）或氢键受体（如醇胺和氨基酸）来合成一类新型的对CO2响应的低共熔溶剂。系统研究供受体的结构和类型、官能团的特性、烷基链的长度对这些低共熔溶剂熔点、热稳定性、粘度、供受体形成氢键的能力等物理化学性质以及此类低共熔溶剂与水之间的相互作用位点、作用方式、作用强度、相行为的影响规律，分析此类功能化低共熔溶剂-水体系的相行为与物理化学性质之间的关系。在此基础上，结合谱学技术和量子化学计算，探讨在常温常压下CO2对此类功能化低共熔溶剂-水体系相行为的调控规律和调控机制，为功能化低共熔溶剂的设计及其在化学合成、萃取分离、材料制备等领域的应用提供重要的科学信息。

低共熔溶剂是一种新型的绿色溶剂，在某些方面具有比离子液体更为优越的特性，在绿色化学和化工过程中受到越来越多的关注。本项目在设计合成CO2响应型低共熔溶剂（如氢键受体为醇胺类化合物，氢键供体为苯酚类和酰胺类化合物）的基础上，研究了氢键供受体的结构和类型、官能团的特性对这些低共熔溶剂物理化学性质以及此类低共熔溶剂与水之间的相互作用位点、作用方式、作用强度、相行为的影响规律，探讨了在常温常压下CO2对此类功能化低共熔溶剂-水体系相行为的调控规律和调控机制。得出如下主要结论：① CO2响应型低共熔溶剂与水相互作用位点为醇胺化合物上的胺基、苯酚类化合物上的羟基或酰胺类化合物上的酰胺基团。对于脂肪醇胺/苯酚化合物类低共熔溶剂与水混合后形成单相体系。然而，对芳香醇胺/苯二酚化合物类低共熔溶剂来说，除了芳香醇胺和二酚化合物能形成分子间氢键相互作用外，由于氢键供受体上均含有芳香环还存在π-π堆积相互作用。因此，该类低共熔溶剂氢键共受体间形成的氢键相互作用比芳香醇胺和苯二酚化合物分别与水分子形成的氢键相互作用强，该类CO2响应型低共熔溶剂和水混合后形成两相体系。②在常温常压下向低共熔溶剂-水体系中交替通入CO2/N2，低共熔溶剂-水体系可逆的由单相转变为两相体系，或由两相转变为单相体系。可能机理为：CO2溶于水形成碳酸，由于碳酸酸性比苯酚类化合物的酸性强，醇胺和苯酚类化合物的氢键部分被破坏，与此同时，醇胺和碳酸反应生成铵盐，由于铵盐的盐析或盐溶效应，低共熔溶剂-水体系由单相转变为两相体系，或由两相转变为单相体系。. 此外，作为本项目的扩展和应用，我们还研究了疏水性低共熔溶剂用于从水溶液中高效萃取/分离Cr（VI）、温度响应型的低共熔溶剂从水溶液中选择性分离氨基酸类化合物 和CO2响应型离子液体在Pickering乳液和微乳液中的应用。上述结果为功能化低共熔溶剂设计及其在化学合成、萃取分离、材料制备等领域的应用提供重要的科学信息。