離子液體固載型大孔樹脂富集刺五加中異嗪皮啶的研究

馬春慧，羅一貴，李俊含，黃永鑫，姜寧，郭文琪

(東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

刺五加(Acanthopanaxsenticosus)是指五加科植物刺五加的干燥根或者莖[1]，生長(zhǎng)于我國(guó)東北、河北、山西等地區(qū)，在俄羅斯遠(yuǎn)東針葉林地區(qū)和朝鮮半島北部部分地區(qū)亦有分布[2]。刺五加中的生物活性成分有苷類、黃酮類、多糖類和高級(jí)脂肪酸等[3]，其中刺五加苷具有多種藥理作用。刺五加苷對(duì)心腦血管的改善作用已經(jīng)過初步的試驗(yàn)驗(yàn)證，刺五加苷B1和異嗪皮啶對(duì)血漿蛋白有一定的結(jié)合作用，能實(shí)現(xiàn)在生物體內(nèi)的高效轉(zhuǎn)運(yùn)[4]。不僅如此，刺五加苷還有著對(duì)失眠癥的改善作用，在針對(duì)小鼠的睡眠剝奪實(shí)驗(yàn)中，注射刺五加提取物的小鼠神經(jīng)遞質(zhì)的分泌顯著提高，緩解了失眠癥狀，改善了睡眠質(zhì)量[5]。而異嗪皮啶作為刺五加苷類提取物中的重要成分，在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用得到了充分的研究。在體外環(huán)境下，異嗪皮啶對(duì)人乳腺癌細(xì)胞有一定的誘導(dǎo)凋亡作用[6],并且異嗪皮啶和刺五加苷類物質(zhì)一樣有催眠鎮(zhèn)靜的作用，能作為安眠物質(zhì)改善睡眠[7]。

刺五加苷B1的水解反應(yīng)采用的催化劑多為無機(jī)酸堿[8]，不僅不易回收造成環(huán)境污染，且水解耗時(shí)較長(zhǎng)?，F(xiàn)今水解產(chǎn)物異嗪皮啶的富集多采用大孔樹脂吸附法[9]，可根據(jù)其極性強(qiáng)弱的不同，有針對(duì)性地用于目標(biāo)產(chǎn)物的分離和純化等過程。

離子液體(IL)是一類常溫下呈液態(tài)，陰陽(yáng)離子結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)的綠色溶劑?？赏ㄟ^物理或化學(xué)法把離子液體固載于大孔樹脂上，再改變離子液體的組成引入不同的酸堿位點(diǎn)，進(jìn)而制備保留離子液體特性的固載型樹脂材料[10]。這不僅解決了因離子液體高黏度帶來的溶解問題，同時(shí)也很好地應(yīng)對(duì)了均相催化體系中離子液體回收難的問題。迄今為止，離子液體在分離天然活性產(chǎn)物中已有了較多的應(yīng)用，離子液體固載型大孔樹脂已被廣泛地應(yīng)用于天然產(chǎn)物的吸附分離。Ren等[11]把六氟磷酸鹽固定在Diaion HP20、AB-8、D101等多種預(yù)處理除雜后的樹脂上，并利用所得材料用于環(huán)境中4種除草劑的分離和洗脫，為處理農(nóng)殘廢水提供了新的解決方案。Cho等[12]利用三烷基胺將季銨鹽離子液體固定在氯丙基化的MCM-41分子篩上，用于催化碳酸亞乙酯和甘油酯交換合成碳酸甘油酯的反應(yīng)，得到的材料可循環(huán)使用3次，并且催化活性沒有下降。

本研究采用聚合法制備固載離子液體的AB-8大孔樹脂，對(duì)其進(jìn)行紅外表征證明離子液體已成功固載于大孔樹脂表面，可將其應(yīng)用于富集刺五加異嗪皮啶。在吸附過程中，因大部分刺五加苷B1被水解生成異嗪皮啶，從而一步完成了對(duì)刺五加苷B1的水解和對(duì)異嗪皮啶的富集這兩個(gè)過程。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

刺五加干燥根莖，購(gòu)自東北地區(qū)的三棵樹藥材市場(chǎng)，粉碎至180～250 μm待用。AB-8型大孔吸附樹脂，購(gòu)自瑪雅試劑有限公司。不同類型離子液體：1-丁基-3-甲基咪唑醋酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑硝酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑甲磺酸鹽、1-丁基-3-甲基咪唑?qū)妆交撬猁}和1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氫鹽，均購(gòu)自上海成捷化學(xué)有限公司。

HZS-11A型水浴振蕩器，哈爾濱東聯(lián)電子有限公司；FTIR 650紅外光譜儀，天津港東科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)材料預(yù)處理

大孔樹脂預(yù)處理：選用吸附異嗪皮啶效果最好的AB-8型大孔樹脂，將該樹脂置于無水乙醇中浸泡12 h。浸泡后用蒸餾水清洗數(shù)次，直至洗出液無乙醇?xì)馕?，再將樹脂材料浸沒于蒸餾水中備用。

刺五加原料含水率的測(cè)定：將粉碎處理后的刺五加原料在105 ℃干燥箱中烘干2～4 h，質(zhì)量恒定后計(jì)算含水率。樣品做3個(gè)平行。

刺五加提取液的制備：在燒杯中加入適量刺五加原料，用50%乙醇(料液比1∶10，g∶mL)浸泡一晝夜，然后加熱回流2 h。過濾后，再對(duì)提取液進(jìn)行減壓蒸餾回收。待所得液體醇味消失之后，加水稀釋至0.5 g/mL。抽濾后得到刺五加提取液，遮光下于冷柜中保存，供后續(xù)大孔樹脂吸附時(shí)使用。

大孔樹脂固載離子液體吸附劑的制備：在500 mL三口燒瓶中加入適量氯甲基化大孔樹脂(CMAR)，用乙腈溶脹過夜。這之后分別與溶有5個(gè)梯度劑量的離子液體(相對(duì)于所用CMAR質(zhì)量分?jǐn)?shù)的4%，8%，12%，16%和20%)的無水乙醇混合。設(shè)定磁力攪拌器加熱溫度為353 K，并同時(shí)通氮?dú)猓訜釘嚢? h，再用乙醇和蒸餾水依次清洗產(chǎn)物，得到固載離子液體吸附劑。

在電力體制改革之前，我國(guó)電力行業(yè)處于管制狀態(tài)，電力行業(yè)的投資、電量、電價(jià)均處于政府管制之下。當(dāng)前電力市場(chǎng)化模式下，各省市場(chǎng)價(jià)格與管制價(jià)格均有一定差異，如何解決擱淺成本是每個(gè)省面臨的問題。理論上，可以出售發(fā)電廠，形成資產(chǎn)價(jià)值，與賬面價(jià)值比較，差額部分通過電價(jià)分?jǐn)?，從電費(fèi)中回收。

1.3 紅外表征

取少量固載[C4mim]HSO4離子液體的大孔樹脂干燥產(chǎn)物([C4mim]HSO4@AB-8)，與KBr以質(zhì)量比1∶100混合研磨，壓片后于紅外光譜儀上分析檢測(cè)。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 靜態(tài)吸附與解吸測(cè)定

各取5.00 g種類不同的離子液體固載的大孔樹脂，放于錐形瓶中，添加20 mL刺五加提取液，恒溫水浴震蕩后取上層清液，用于異嗪皮啶質(zhì)量濃度的測(cè)定。隨后將樹脂從吸附液中濾出，用蒸餾水清洗數(shù)次，再放入裝有95%乙醇的錐形瓶中，恒溫303 K水浴震蕩解吸12 h。之后取樣測(cè)算各解吸液中異嗪皮啶的質(zhì)量濃度，進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。計(jì)算不同種類固載型大孔樹脂對(duì)異嗪皮啶的吸附量(公式1)、吸附率(公式2)和解吸率(公式3)：

(1)

(2)

(3)

式中：Qe為平衡吸附量，mg/g；Vi為提取液的體積，mL；Ce為吸附平衡后溶液中異嗪皮啶的質(zhì)量濃度，mg/mL；C0為刺五加原液中異嗪皮啶的質(zhì)量濃度，mg/mL；W為樹脂質(zhì)量，g；E為吸附率，%；D是解吸率，%；Vd為解吸液的體積，mL；Cd為解吸液中異嗪皮啶的質(zhì)量濃度，mg/mL。

1.4.2 水解動(dòng)力學(xué)

將100 mL 50%乙醇提取的刺五加提取液中加入適量[C4mim]HSO4@AB-8，于圓底燒瓶中加熱回流4 h后過濾，將[C4mim]HSO4@AB-8從反應(yīng)體系中分離。每小時(shí)用注射器抽取1 mL提取液，經(jīng)濾膜過濾后，通過高效液相色譜(HPLC)檢測(cè)異嗪皮啶的增量情況，確定最佳水解時(shí)間。

1.4.3 靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)

稱取5.00 g固載[C4mim]HSO4的AB-8大孔樹脂于錐形瓶中，加入25 mL刺五加提取液，設(shè)定水浴震蕩溫度為298 K。分別在10，20，40，80，120，160和200 min時(shí)取少許上清液，用于異嗪皮啶質(zhì)量濃度的測(cè)定。每個(gè)樣品做3個(gè)平行。

將刺五加提取液分別稀釋成質(zhì)量濃度為0.50，1.54，2.62，3.16，3.62和4.15 mg/mL的溶液，準(zhǔn)確稱取5.00 g[C4mim]HSO4負(fù)載的大孔樹脂吸附劑，分別加入稀釋液中。并于303，308和313 K共3個(gè)溫度梯度進(jìn)行恒溫水浴振蕩(150 r/min)，靜態(tài)吸附14 h后，然后測(cè)定Ce，計(jì)算得到Qe。每個(gè)樣品做3個(gè)平行。

1.4.5 動(dòng)態(tài)吸附與解吸

取50 mL 固載[C4mim]HSO4的大孔樹脂吸附劑，濕式裝柱。用標(biāo)準(zhǔn)體積的刺五加提取液過柱，并以不同的流速測(cè)試過柱效果。當(dāng)動(dòng)態(tài)吸附到達(dá)均衡點(diǎn)，用蒸餾水不斷淋洗層析柱，采用不同體積分?jǐn)?shù)梯度的乙醇反復(fù)淋洗。測(cè)定流出液和洗脫液中異嗪皮啶的質(zhì)量濃度，同時(shí)以得到的結(jié)果為依據(jù)來進(jìn)行異嗪皮啶吸附量和解析率的計(jì)算。得到計(jì)算結(jié)果后對(duì)上樣體積、流速、洗脫液體積分?jǐn)?shù)等條件進(jìn)行改進(jìn)，得到動(dòng)態(tài)吸附條件的最優(yōu)組合。每個(gè)樣品做3個(gè)平行。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅外測(cè)定分析結(jié)果

離子液體、預(yù)處理后的大孔樹脂和固載離子液體的大孔樹脂的紅外譜圖見圖1。由圖1可知，在1 069 cm-1離子液體咪唑環(huán)的特征峰非常明顯，說明離子液體已成功固載于大孔樹脂表面；3 000 cm-1附近有一個(gè)略微鼓起的弧形峰，應(yīng)為離子液體中所含陰離子的特征基團(tuán)；而固載離子液體的大孔樹脂樣本在701 cm-1的吸收峰明顯高于未固載離子液體的大孔樹脂。由此可知，離子液體減弱了大孔樹脂的苯環(huán)結(jié)構(gòu)間穩(wěn)定的鍵合作用，初步推測(cè)其成功固載于大孔樹脂表面。

圖1 離子液體、預(yù)處理后的大孔樹脂與固載離子液體的大孔樹脂的紅外譜圖Fig. 1 Infrared spectra of ionic liquid and macroporous resin before or after immobilization with ionic liquid

2.2 離子液體固載型大孔樹脂的篩選

5種離子液體固載AB-8大孔樹脂的靜態(tài)吸附與解吸量的對(duì)比研究結(jié)果見圖2。由圖2可知，AB-8型大孔樹脂固載1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氫鹽吸附劑的吸附量和解吸量均為最高。

圖2 5種離子液體固載AB-8大孔樹脂的靜態(tài)吸附與解吸Fig. 2 Absorption and analysis of static data of 5 kinds of ionic liquids immobilized on AB-8 macroporous resin

2.3 水解動(dòng)力學(xué)結(jié)果分析

水解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)：60 min水解后異嗪皮啶的質(zhì)量濃度為0.592 mg/g，120 min后為0.643 mg/g，180 min后為0.660 mg/g，最終在240 min達(dá)到平衡，異嗪皮啶的質(zhì)量濃度為0.681 mg/g。由此可知，水解反應(yīng)在一開始時(shí)速度很快，異嗪皮啶的增量隨著時(shí)間增加而增加，在反應(yīng)進(jìn)行到240 min達(dá)到平衡。其原因可能是在水解反應(yīng)伊始，刺五加苷B1的量較多，主反應(yīng)水解得到的異嗪皮啶的量大于逆反應(yīng)消耗的量，而在240 min時(shí)，異嗪皮啶水解產(chǎn)生和反應(yīng)消耗的量達(dá)到平衡。出于節(jié)能和提高水解效率的原因，選擇最佳水解時(shí)間為240 min。

2.4 吸附及解吸動(dòng)力學(xué)結(jié)果分析

精準(zhǔn)稱量5.00 g[C4mim]HSO4@AB-8固載大孔樹脂，放入錐形瓶中，再加20 mL刺五加提取液，經(jīng)恒溫水浴震蕩，每隔一定時(shí)間取上清液用于異嗪皮啶的質(zhì)量濃度的測(cè)定，并以此為依據(jù)計(jì)算吸附量，繪制吸附動(dòng)力學(xué)曲線(圖3)。隨后將吸附飽和的樹脂從吸附液中倒出，用蒸餾水清洗數(shù)次。再以95%乙醇為溶劑，在設(shè)定溫度為303 K的恒溫水浴器中震蕩12 h，每隔一定時(shí)間取樣測(cè)定吸液中異嗪皮啶的質(zhì)量濃度，用于計(jì)算解吸量(圖3)。

圖3 吸附-解吸動(dòng)力學(xué)曲線圖Fig. 3 Adsorption-desorption kinetic curves

由圖3可知，異嗪皮啶的吸附量隨時(shí)間增加而增加，并且在0～80 min時(shí)增幅顯著，此階段材料對(duì)異嗪皮啶的吸附速率逐步變大。這是因?yàn)槲竭M(jìn)程剛開始時(shí)可供異嗪皮啶結(jié)合的活性位點(diǎn)數(shù)量較多，樹脂中的微小孔隙未被占據(jù)，因而吸附速度較快。80 min后，異嗪皮啶從樹脂表面逸散到孔隙內(nèi)部時(shí)受到了一定阻力且活性吸附位點(diǎn)減少，因此吸附速率減緩。120 min后曲線逐漸平緩，吸附近似達(dá)到平衡。固載[C4mim]HSO4的AB-8大孔樹脂在0～50 min時(shí)解吸速率較快，此時(shí)異嗪皮啶的解吸速率隨時(shí)間增加而增加，是解吸液與樹脂材料間異嗪皮啶濃度差別較大且異嗪皮啶更易溶于乙醇所致[16]。而在50 min之后解吸速率顯著減緩，在120 min之后解吸曲線整體趨于平緩，此時(shí)可以認(rèn)為該過程達(dá)到了解吸-吸附平衡。

2.5 吸附等溫線結(jié)果分析

AB-8型大孔樹脂固載[C4mim]HSO4吸附刺五加提取液中異嗪皮啶的靜態(tài)吸附所得數(shù)據(jù)繪制成的等溫線見圖4。當(dāng)吸附溫度為303 K時(shí)異嗪皮啶吸附量最大，313 K時(shí)最小。說明：在較低的吸附溫度，AB-8型大孔樹脂固載[C4mim]HSO4吸附劑對(duì)異嗪皮啶的吸附有推動(dòng)作用，即異嗪皮啶在樹脂表層的吸附過程為放熱反應(yīng)過程；同樣溫度下，異嗪皮啶的吸附量隨質(zhì)量濃度的升高漸漸增加，但吸附速率略有下降，表明AB-8型大孔樹脂固載[C4mim]HSO4吸附劑的吸附能力受樣品質(zhì)量濃度影響較大，低濃度時(shí)吸附更快。從曲線圖趨勢(shì)能夠看出[C4mim]HSO4@AB-8對(duì)異嗪皮啶的吸附屬于單分子層物理吸附。

圖4 異嗪皮啶吸附等溫線Fig. 4 Adsorption isotherm curve of isotriazine

2.6 動(dòng)態(tài)吸附解析結(jié)果分析

在動(dòng)態(tài)吸附與解析全過程中，上樣流速對(duì)異嗪皮啶吸附量的影響見圖5a，上樣體積對(duì)異嗪皮啶吸附量的影響見圖5b，乙醇體積分?jǐn)?shù)和流速對(duì)異嗪皮啶解析率的影響分別見圖5c和5d。在動(dòng)態(tài)吸附過程中，隨上樣流速的增加，異嗪皮啶的吸附量先升高再減少，在2.5 BV/h流速下吸附量最大(BV為填充滿層析柱中樹脂空隙所需提取物的體積，mL)；隨上樣體積的增加，異嗪皮啶的吸附量也是先增后減，上樣體積為3 BV時(shí)吸附量最大，此時(shí)達(dá)到異嗪皮啶的泄漏點(diǎn)(泄漏點(diǎn)為流出液中異嗪皮啶的濃度為上樣液中異嗪皮啶濃度的10%時(shí))。在解析過程中，隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)的增加，異嗪皮啶的解析率先增后減，且乙醇體積分?jǐn)?shù)選擇為75%時(shí)洗脫效率最高；隨著洗脫流速的增加，異嗪皮啶的解析率也先增后減，且洗脫流速選擇2.5 BV/h時(shí)，洗脫效率最高。將流出液收集濃干，終產(chǎn)物中異嗪皮啶純度為28.7%。

圖5 動(dòng)態(tài)吸附與解析曲線Fig. 5 Dynamic adsorption-desorption curves

3 結(jié) 論

1)采用聚合法將離子液體固載到作為吸附劑的AB-8型大孔樹脂上，通過紅外譜前后對(duì)比得知離子液體已成功固定在大孔樹脂表面。

2)將所得材料用于水解刺五加苷B1，并同時(shí)富集水解產(chǎn)物異嗪皮啶，通過對(duì)異嗪皮啶吸附量的測(cè)定，篩選出最優(yōu)的離子液體為1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氫根離子液體，對(duì)其吸附與解吸特性進(jìn)行探究，得出最優(yōu)的試驗(yàn)條件為：在反應(yīng)溫度為303 K時(shí)靜態(tài)吸附2 h，吸附量為101.2 mg/g。動(dòng)態(tài)吸附時(shí)最佳上樣流速為2.5 BV/h，最佳上樣體積為每小時(shí)3 BV。過柱流程完成后再以體積分?jǐn)?shù)75%乙醇為洗脫液進(jìn)行洗脫和進(jìn)一步純化過程，最終得到的產(chǎn)品純度為28.7%。