新型离子液体双水相对金属离子的选择性分离研究

Ionic liquids-based aqueous two-phase systems (IL-ATPSs) have been widely applied in the extraction and separation of organic compounds because of their excellent performance. However, the applications in the extraction and separation of inorganic metal ions by IL-ATPSs are just getting started. In this project, functionalized quaternary phosphonium and cholinergic ionic liquids will be designed, synthesized and characterized based on their highly tunable properties by varying the chemical structures of the ionic liquids. The physical chemistry properties and phase behaviors of the ATPSs composed of IL and inorganic salts will be systematically investigated by the conductivity, density, viscosity, dynamic light scattering, NMR, ATR-IR techniques. The microstructure of top and bottom phases and the mechanism of phase formation for IL-ATPSs will be analyzed. The nature of interactions of components of IL-ATPSs with metal ions and the key factors affecting the selective separation performance of IL-APTSs for metal ions will be explored. The quantitatively thermodynamic and kinetics parameters as well as the models of distribution of metal ions are going to be established to describe the extraction process. The selective separation of rare earth metals from transition metal ions, the recovery of metal ions and recycling of ionic liquids will be realized. These results may provide theoretical foundation for the practical applications in the extraction and separation of metal ions based on the IL-ATPSs.

离子液体双水相体系以其优越的性能在有机物的萃取分离领域得到了广泛的应用，然而，在无机金属离子萃取分离方面没有引起足够的重视。本项目拟根据离子液体结构的可调变性，设计、合成、表征季鏻盐、类胆碱功能离子液体，利用电导、密度、粘度、动态光散射、核磁共振光谱、红外光谱等技术系统地研究离子液体-无机盐-水构建的双水相体系的物理化学性质及相行为；分析离子液体双水相上、下相的微观结构和相形成的机理；探索双水相组分与金属离子相互作用的规律以及影响双水相对金属离子萃取分离性能调控的关键因素，阐明萃取分离的热力学和动力学过程，了解金属离子在双水相体系中的分配机理，实现稀土与过渡金属离子的选择性分离、金属离子的回收和离子液体的循环使用，为功能离子液体双水相在金属离子选择性萃取分离中的实际应用提供科学依据。

水相体系对于研究金属离子、生物酶、生物小分子及核酸DNA起着极其重要的作用。如何获取上述物质在复杂水相体系环境中的分布信息也是目前急需解决的关键科学问题。本项目研究从传统简单的疏水-亲水两相体系金属离子的选择性分离分析逐渐深入到复杂水相体系中与金属离子相关生物酶及核酸DNA的分离分析。基于此，我们将金属离子的识别基团羧基引入到常规咪唑离子液体，设计了以咪唑为母体的羧基功能化疏水离子液体直接用于水相环境中钪和钇及镧系金属离子的分离分析，考察了水相溶液平衡pH、离子液体阳离子的链长、体系温度对金属离子分离分析的影响，并研究了离子液体与金属离子分离的机制，探讨了回收金属离子的可能性，结果表明通过调控水相环境的酸度，羧基咪唑功能化离子液体可以用于水相环境中上述金属离子的选择性分离分析；此外，作为本项目的拓展和延伸，我们也研究了含有大量水为特点的复杂水相环境体系，如生命体内细胞或组织中与金属离子相关的生物酶及生物小分子和DNA的分离分析，考虑到上述物质在这种复杂水相环境中含量及其低微的特点，我们采用高灵敏的荧光作为分析识别手段，通过引入上述物质的识别基团，设计合成了一系列以萘酰亚胺、腈萘氮杂环为母体具有荧光特性的衍生物，利用衍生物与生物酶、DNA的相互作用引起荧光信号的变化，建立了对生物酶、生物小分子及DNA的分析识别方法，并探讨了相互作用的机制，通过测试一系列光谱性质及生物性能，研究表明上述衍生物可以用于复杂水相环境体系如生物体中细胞和组织中生物酶如环氧化酶和N-乙酰氨基转移酶以及生物小分子和DNA的分离分析。本项目的研究成果可为复杂水相环境中金属离子、生物酶、DNA的分离分析提供有价值的技术支持和科学依据。