（化学工艺专业论文）离子液体体系下纤维素酶降解纤维素的研究.pdf

青岛科技大学研究生学位论文 | l i i iii ii ii ii i iil l l tu i y 17 4 0 5 0 6 离子液体体系下纤维素酶 降解纤维素的研究 摘要 本研究合成了2 6 种具有代表性的离子液体，并利用红外光谱和核磁共 振波谱确定其组成和结构。从这些离子液体中筛选出对纤维素具有良好溶解 能力的中碱性离子液体作为溶剂，以1 乙基3 甲基咪唑乙酸鲶盐 e m m o a c 为例研究溶解体系的浓度、反应温度以及溶解时间对纤维素溶 解性能的影响。之后分别对离子液体溶解前及再生后的纤维素进行f t - i r 、 x r d 及s e m 表征，对离子液体作用于纤维素的过程从形貌和结构上作出分 析，并探讨溶解机理。 从能溶解纤维素的离子液体中筛选出对纤维素酶具有良好相容性的离 子液体 e m i m o a c 作为纤维素溶剂，构建纤维素与 e m i m o a c 的均相体系， 研究微晶纤维素的原位酶解。选用3 种不同性质的纤维素酶，分别对离子液 体体系中的微晶纤维素进行降解试验对比。应用3 ，5 二硝基水杨酸d n s 法 测得酶解体系中还原糖的浓度，进而求得反应过程中总还原糖的收率来表征 酶解效果。同样的试验方法分别应用于离子液体体系中天然纤维素沙柳，秸 秆和棉花的原位糖化，探讨离子液体中天然纤维素的均相酶解反应。对离子 液体体系中各种纤维素的酶解反应同常规条件下纤维素的酶解反应进行比 较并总结出规律。最后，研究了离子液体 e m i m o a c 的回收再利用情况。 关键词：离子液体纤维素均相反应原位糖化 离子液体体系下纤维素酶降解纤维素的研究 青岛科技大学研究生学位论文 e f f i c i e n te n z y m a t i ci ns i t u s a c c c h a l u f i c a t i o n o fc e l l u l o s ei ni o n i cl i q u i d a bs t r a c t i nt h i s s t u d y , 2 6s p e c i e s i o n i c l i q u i d s ( i l s ) w e r es y n t h e s i z e d a n d c h a r a c t e r i z e db yf t - i ra n dn m rt e c h n i q u e s i tw a sf o u n dt h a ti o n i cl i q u i d 1 - e t h y l 3 - m e t h y l i m i d a z o l i u ma c e t a t e ( e m i m o a c ) w a so fg o o ds o l u b i l i t yt o c e l l u l o s e t h ee f f e c t ss u c ha st h ec o n c e n t r a t i o n ，t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n d r e a c t i o nt i m eo n p r o p e r t i e so fc e l l u l o s e d i s s o l u t i o nw e r ed i s c u s s e di nt h e d i s s o l v e ds y s t e m d i s s o l u t i o na n dr e g e n e r a t i o no fc e l l u l o s ei nt h e e m i m o a e w e r ei n v e s t i g a t e db yf t - m , x - r a ya n ds e m ，a n dt h et h e o r yo fc e l l u l o s e d i s s o l u t i o ni ni o n i cl i q u i dw a se x p l o r e da n de x p l a i n e d 【e m i m o a cw a sc h o s e na sa l le n v i r o n m e n t - f r i e n d l ys o l v e n tf o re n z y m a t i ci n s i t us a c c h a r i f i c a t i o ni nv i e wo fi t sb i o c o m p a t i b i l i t yw i t hb o mc e l l u l o s es o l u b i l i t y a n de n z y m ea c t i v i t y t h ee n z y m a t i cd e g r a d a t i o no fm i c r o c r y s t a l l i n ec e l l u l o s ei n t h eh o m o g e n e o u ss y s t e mo f e m i m o a ca n dc e l l u l o s ew a si n v e s t i g a t e d t h r e e k i n d so fc e l l u l a s eh a db e e ns e l e c t e da sc a t a l y s t si nt h es i t us a c c h a r i f i c a t i o n t h e d i n i t r o s a l i c y l i ca c i d ( d n s ) m e t h o dw a su s e dt om o n i t o rt h ei n f l u e n c eo fr e a c t i o n c o n d i t i o n so nt h er e s u l t so fd e g r a d a t i o n t h es a m em e t h o dw a sa p p l i e dt os t u d y t h e h o m o g e n e o u se n z y m a t i ch y d r o l y s i s i ns i t us a c c h a r i f i c a t i o no fn a t u r a l c e l l u l o s es u c ha sw i l l o w , c o r n s t a l ka n dp l e d g e t ，i n 【e m i m o a c t h eo p t i m u m c o n d i t i o nf o rd e g r a d a t i o nw a so b t a i n e di nn o r m a la n di lc o n d i t i o n s t h e e n z y m a t i ch y d r o l y s i so fc e l l u l o s ei ni o n i cl i q u i ds y s t e mw a sc o m p a r e dw i t h g e n e r a lc o n v e n t i o n a le n z y m a t i ch y d r o l y s i so fc e l l u l o s e a n d t h el a wo ft h e i i i 离子液体体系下纤维素酶降解纤维素的研究 r e a c t i o nw a s s u m m a r i z e d f i n a l l y , t h er e c y c l i n ga n dr e u s eo ft h ei o n i cl i q u i dw e r e d i s c u s s e d k e yw o r d s ：i o n i c l i q u i d ；c e l l u l o s e ；h o m o g e n e o u sr e a c t i o n ；e n z y m a t i c s a c c h a r i f i c a t i o n 青岛科技大学研究生学位论文 目录 1 文献综述与论文选题1 1 1 纤维素1 1 1 1 纤维素资源1 1 1 2 纤维素材料的组成与性质1 1 1 3 国内外对纤维素材料的利用现状及展望2 1 2 纤维素酶解3 1 2 1 纤维素酶一3 1 2 1 1 纤维素酶的性质与功能3 1 2 1 2 纤维素与酶的作用关系一4 1 2 1 3 纤维素酶活力的变化4 1 2 2 国内外对纤维素酶解的研究状况与利用展望5 1 3 离子液体在生物催化中的应用5 1 3 1 离子液体一6 1 3 2 1 离子液体的种类和结构6 1 3 2 2 离子液体的制备和纯化7 1 3 2 3 离子液体的性质及表征7 1 3 2 4 离子液体在溶解纤维素高分子方面的应用7 1 3 2 离子液体中的生物催化8 1 3 2 1 离子液体对酶催化性质的影响8 1 3 2 2 离子液体中酶催化反应的特点。9 1 3 2 3 离子液体在酶催化中的应用模式9 1 3 2 4 离子液体对酶催化能力的影响l o 1 4 课题的选择与设计方案1 0 1 4 1 选题的目的及意义1 0 1 4 2 试验设计方案1 1 2 离子液体的合成及对纤维素溶解性能的研究1 3 2 1 引言13 2 2 实验材料与方法1 3 离子液体体系下纤维素酶降解纤维素的研究 2 2 1 实验试剂与仪器。1 3 2 2 1 1 实验试剂13 2 2 1 2 主要仪器。15 2 2 2 离子液体的合成1 5 2 2 2 1 酸性离子液体的合成15 2 2 2 2 中、碱性离子液体的合成1 9 2 2 3 纤维素的溶解及再生2 3 2 2 3 1 纤维素的原料分析2 3 2 2 3 2 纤维素的溶解试验2 3 2 2 3 3 纤维素的再生试验2 3 2 3 试验结果与讨论。2 4 2 3 1 纤维素原料的分析结果2 4 2 3 2 溶解体系离子液体的筛选。2 4 2 3 3 纤维素在离子液体中溶解性能研究2 6 2 3 3 1 溶解温度对纤维素溶解性能的影响2 6 2 3 3 2 溶解时间对纤维素溶解性能的影响2 6 2 3 3 3 纤维素浓度对纤维素溶解性能的影响2 7 2 3 4 纤维素在离子液体中的溶解机理探讨2 7 2 3 4 1 纤维素在离子液体中的溶解形貌2 7 2 3 4 2 纤维素再生前后的红外光谱分析2 9 2 3 4 3 纤维素再生前后的结构分析3 0 2 3 4 5 纤维素在离子液体中的溶解机理3 l 2 4 本章小结3 2 3 常规条件下纤维素酶降解微晶纤维素的研究3 5 3 1 引言3 5 3 2 试验材料与方法3 5 3 2 1 试验原料与仪器设备3 5 3 2 1 1 试验原料和试剂3 5 3 2 1 2 试验仪器和装置3 6 3 2 2 试验方法一3 6 3 2 1 1 溶液的配制3 6 3 2 1 2 纤维素的酶解3 6 3 2 3 分析测试方法3 7 青岛科技大学研究生学位论文 3 2 3 1 试剂的配制3 7 3 2 3 2 线性回归方程的绘制3 7 3 2 3 3 还原糖浓度的测定3 8 3 3 试验结果与分析3 8 3 3 1 缓冲溶液对酶解率的影响3 8 3 3 2 底物浓度对酶解率的影响3 9 3 3 3 酶与底物配比对酶解率的影响4 0 3 3 4 反应温度对酶解率的影响4 0 3 3 5 反应时间对酶解率的影响4 l 3 3 6 酶活性对酶解率的影响4 2 3 4 本章小结。4 2 4 离子液体体系中纤维素酶降解微晶纤维素的研究4 3 4 1 引言4 3 4 2 试验材料与方法k 4 3 4 2 1 试验原料与仪器设备4 3 4 2 1 1 试验原料和试剂4 3 4 2 1 2 实验仪器和装置4 3 4 2 2 试验方法及分析测试方法4 3 4 3 试验结果与分析4 4 4 3 1 离子液体对酶解率的影响4 4 4 3 2 缓冲溶液对酶解率的影响4 4 4 3 3 底物浓度对酶解率的影响4 5 4 3 4 酶与底物配比对酶解率的影响4 6 4 3 5 反应温度对酶解率的影响4 6 4 3 6 反应时间对酶解的影响4 7 4 3 7 酶种类对酶解率的影响4 8 4 3 8 与常规条件下酶解反应的比较4 8 4 4 本章小结一4 8 5 离子液体体系中纤维素酶降解天然纤维素的研究5 1 5 1 引言5l 5 2 试验材料与方法5 1 5 2 1 试验原料与仪器设备5 1 离子液体体系下纤维素酶降解纤维素的研究 5 2 1 1 试验原料和试剂5 l 5 2 1 2 实验仪器和装置5 2 5 2 2 试验方法及分析测试方法5 2 5 2 2 1 天然纤维素的溶解及降解试验5 2 5 2 2 1 离子液体的重复使用性能研究5 2 5 3 试验结果与分析5 3 5 3 1 离子液体的影响5 3 5 3 2 酶活性的影响5 5 5 3 3 酶解过程工艺条件的影响5 5 5 3 3 1 缓冲溶液对酶解率的影响5 5 5 3 3 2 酶与底物配比对酶解率的影响5 6 5 3 3 3 底物浓度对酶解率的影响5 7 5 3 3 4 反应温度对酶解率的影响5 7 5 3 3 5 反应时间对酶解的影响5 8 5 3 4 离子液体的重复使用性能研究5 9 5 4 本章小结。5 9 结论6l 参考文献6 3 致谢6 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录7 0 独创声明7 l 学位论文版权使用授权书71 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 纤维素 1 文献综述与论文选题 1 1 1 纤维素资源 目前，化石资源正消耗殆尽且环境问题日益严重，开发洁净可再生资源的可 持续发展战略已成为全球共识。在此背景下，生物质能作为唯一可存储及可运输 的可再生资源，其高效转换和洁净利用日益受到人们的重视【1 1 。生物质主要指自 然界中的各种动、植物，其中以纤维素为主要成分的农作物秸秆等因其产量大、 易得到以及价格低廉而成为最具有利用潜力的生物质资源之一。近年来利用秸秆 制取葡萄糖也成为世界各国生物质利用的一个重要研究方向【2 1 。 1 1 2 纤维素材料的组成与性质 ( 1 ) 木质素和半纤维素 木质素是由四种醇单体( 对香豆醇、松柏醇、5 一羟基松柏醇、芥子醇) 形成 的一种非线性的复杂的高度交联的酚类聚合物，其分子量大( 5 0 0 0 - - 1 0o o o ) ，含 碳量高( 5 0 娟5 ) 。木质素不溶于水，可溶于亚硫酸盐溶液、酸溶液、碱性溶 液及甲醇、乙醇、丙酮、丁醇等有机溶剂中，容易发生醇解及酸降解，也能进行 卤化、硝化、氧化等反应【3 _ 5 】。 半纤维素一般是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体，为典型的多枝杂 多糖，聚合度为5 0 , - , 2 0 0 。半纤维素的降解能力比纤维素高1 0 - - 4 0 0 倍，与淀粉相 当。半纤维素能被碱降解，还能被半纤维素酶降解【3 5 】。 ( 2 ) 纤维素 纤维素( c e l l u l o s e ) 是由葡萄糖组成的大分子多糖，其分子式可表示为 ( c 6 h l 0 0 5 ) n 。根据其来源不同，纤维素大分子中葡萄糖残基的数目( 即：聚合 度d p ) 为1 0 0 - - - 1 4 0 0 0 不等 6 - 8 1 。因其重复单元纤维二糖的c l 位上保持着半缩醛的 形式而具有还原性，而在c 4 位上留有一个自由羟基，所以纤维素的结构式可以用 h a w o r t h 式表示，而葡萄糖残基为椅式构像，其相邻残基在连接时需要反转1 8 0 0 。 如图1 1 所示。 离子液体体系下纤维素酶降解纤维素的研究 纤维二蕾基 ( a ) o h ( b ) 图1 - 1 纤维素的化学结构 ( a ) h a w o r t h 结构式( b ) 椅式构像 f i g 1 - 1s t r u c t u r eo f c e l l u l o s e ( a ) h a w o r t hf o r m c h a i rf o r m 纤维素的结构决定了纤维素不溶于水和一般的有机溶剂，纤维素能溶于碱性 或高浓度的无机酸溶液中。纤维素的化学性质同样比较稳定，在特定条件下纤维 素才能被氧化、酯化和醚化，在碱性介质中可发生降解和剥皮反应，在一定程度 上也能被酸和酶降解【3 - 9 。 1 1 3 国内外对纤维素材料的利用现状及展望 纤维素材料的开发利用已引起世界各国政府和科学家的关注【1 0 6 1 ，例如美国 的能源农场计划、印度的绿色能源工程、巴西的酒精能源计划以及日本的阳光计 划等，除此之外许多国家都制定了相应的开发研究计划。自2 0 世纪9 0 年代以来， 我国科研部门在植物生物质能气化技术研究和装置开发研制等方面进行探索并 取得可喜成果【1 7 】。随着我国综合国力日益增强以及植物生物质能源的不断开发， 植物生物质降解的研究既有现实的意义又有广阔的前景。 植物纤维材料中的物质一般都以聚合物的形式存在，只有降解成低糖或葡萄 糖，才能进而转化成乙醇、丙酮、丁醇等燃料和化工原料【9 】。纤维素降解成葡萄 糖的方法主要有酸降解法和酶降解法【l l l 。 酸法降解纤维素是比较成熟的方法，根据酸的浓度可分为浓酸降解和稀酸降 解。酸降解存在很多问题，稀酸降解产糖率低，对设备有很强的腐蚀作用，降解 后需要用碱中和而会产生大量的废水。浓酸降解会生成有毒的分解产物例如糠醛 和酚类物质而且浓酸降解条件苛刻，需要较高的温度和压力等限制了酸降解的发 2 青岛科技大学研究生学位论文 展和应用。由于酸降解体系存在着氧化性强、设备要求较高、避免不了对环境的 污染等缺点。因此有必要研发环境友好的纤维素溶剂以及降解体系，以实现纤维 素的绿色降解工艺。 纤维素酶法降解是利用纤维素酶在温和的条件下对纤维素原料进行降解。纤 维素酶法降解与酸法降解相比具有条件温和、降解率高、环境友好等优点使得酶 法降解具有广阔的应用前景。随着生物技术的发展，人们对纤维素的酶法生物转 化日益重视。 1 2 纤维素酶解 1 2 1 纤维素酶 纤维素酶是降解纤维素成为葡萄糖单体的酶【l 引。一般不是单种酶而是由多种 酶混合组成的具有协同作用的复杂酶系。根据其中各种酶功能的差异，现已确定 纤维素酶含有三种主要组分：葡萄糖内切酶( e c3 2 1 4 ) ，葡萄糖外切酶( e c 3 2 1 9 1 ) ，1 3 - 葡萄糖苷酶( e c3 2 1 2 1 ) 。在天然纤维素降解成葡萄糖的过程中， 须依靠各组分的协同作用才能更好地完成。 研究人员通过对纤维素酶结构的研究发现酶分子普遍具有类似的楔形结构， 它是由催化结构域( c d ) 、纤维素结合结构域( c b d ) 和连接桥三个部分组成的 【1 9 1 。纤维素酶是糖蛋白，酶分子都被糖基化属于糖苷酶。糖基化不是纤维素酶解 纤维素所需的，其作用是防止蛋白酶的降解，这种作用对于纤维素酶的固定化是 很重要的【2 0 】。 1 2 1 1 纤维素酶的性质与功能 不同来源的纤维素酶的组成、分子特征和催化活性不尽相刚1 8 】。真菌产生的 纤维素酶，酶系全面，能分泌到菌体之外且一般不聚集形成多酶复合体。细菌产 生的纤维素酶量少且主要是内切酶，大多数对结晶纤维素没有活性，多数不能分 泌到细胞以外，常常聚集形成多酶复合体。 纤维素酶的最适反应条件及稳定性也随来源的不同而有所差掣2 。由真菌产 生的纤维素酶，其最适酸度大多偏酸性p h = 4 啦5 0 ，最适温度范围为4 5 5 0 。 由细菌产生的纤维素酶，其最适酸度通常为中性到碱性，最适温度为4 0 7 0 。 不同纤维素酶的特异性也不同。b e l d m a n 等【2 2 】从绿色木酶中分离出的六个内 切酶( e n d oi 、i i 、i i i 、v 和) 、三个外切酶( e x oi 、i i 和i i i ) 和一个纤 3 离子液体体系下纤维素酶降解纤维素的研究 维二糖酶( b gi ) 中e n d oi 、e n d oi i 、e n d o i i i ，e x o i i 和e x o l i i 显示对木聚糖 等无活力，属于专一性纤维素酶；而其他几种( e n d o n 、e n d o v 和e n d o v i ，e x oi 和b gi ) 专一性较弱，它们不但能降解纤维素也能降解木聚糖等，因而在有些 报道中将这些纤维素酶归类为木聚糖酶。试验表明e n d o n 、e n d o v 、e n d o v i 和 e x oi 降解p 1 ，4 葡萄糖苷键的能力要强一些，b gi 无明显的底物特异性。 1 2 1 2 纤维素与酶的作用关系 一般认为纤维素酶分解天然纤维素材料的先决条件是纤维素酶与纤维素底 物相互接触形成复合物，即：首先纤维素酶要吸附于固体底物上，然后部分酶将 纤维素底物剪切成小的片段，逐步分解成纤维素寡糖直至最终分解为葡萄糖【2 2 1 ， 如式1 1 所示。研究表明，纤维素酶在固体底物上的吸附满足l a n g m u i r 吸附等温 方程，其吸附解离平衡常数和最大吸附量因酶而异【2 3 - 2 5 l 。 酶+ 底物酶一底物络合物专酶+ 产物f 肯1 、 1 2 1 3 纤维素酶活力的变化 不同的物理条件或化学物质对酶的结构和催化活性有很大的影响。纤维素酶 降解过程中，各种物理条件都存在一个最优条件如最优温度和p h 值。而化学物 质对酶的作用比较复杂，可能对酶产生抑制、失活、激活或保护等作用。纤维素 酶降解的主要影响因素包括以下几个方面【2 6 】： ( 1 ) 纤维素的结构对酶解的影响 纤维素底物对酶解的敏感度受其结构的影响很大，包括纤维中木质素的含 量、比表面积、结晶度及聚合度等。因此要提高酶解效率，必须破坏木质素和半 纤维素的结合层，改变纤维素的晶体结构。 ( 2 ) 酶的性质和底物浓度 纤维素酶是一种复合酶，不同微生物合成的纤维素酶在组成、酶解产物对纤 维素酶的反馈抑制作用、酶在降解过程中的活力变化等有所差异，因而对纤维素 降解有很大的影响。纤维素底物的浓度大小在一定程度上也会影响降解反应的得 糖率，一般认为6 - - 1 0 的底物浓度是有效混合酶解的上限。 ( 3 ) 降解条件 大部分纤维素酶的活性受其环境温度和p h 值的影响较大。在最适p h 值下， 酶解反应具有最大速度，高于或低于此值，反应速度下降。纤维素酶的最适p h 值一般在4 5 5 5 范围内。温度也是影响纤维素酶解的重要因素，一般纤维素酶 4 青岛科技大学研究生学位论文 的最适温度范围是4 0 , 4 5 0 。所以酶法降解时，不同的酶具有不同的适宜反应条 件，要选择相应的最适p h 值和最适温度。 ( 4 ) 抑制剂和活化剂 纤维素酶可由酶促反应的产物和类似底物的某些物质引起竞争性抑制，比如 纤维二糖，葡萄糖和甲基纤维素通常是纤维素酶的竞争性抑制剂。特别是酶解过 程中产生的纤维二糖和葡萄糖，对整个反应形成明显反馈抑制作用，使得酶解效 率不高，为了消除这种反馈抑制作用，国内外展开大量研究，提出了许多酶解新 工艺。 1 2 2 国内外对纤维素酶解的研究状况与利用展望 纤维素酶的研究要追溯到1 8 8 6 1 8 8 8 年b a r y 和m a r s h a l l 【2 。7 】在真菌中发现纤维 素酶。我国纤维素酶的研究较晚【2 引，在6 0 年代初期对分解纤维素的菌种进行过 研究，7 0 年代以后纤维素酶的研究迅速开展，在菌种选育、酶制剂生产和应用上 都取得很大的进展，8 0 年代召开了全国性纤维素酶的学术会，到9 0 年代以后， 有了比较多的研究报道。2 1 世纪是知识经济时代，随着人们对纤维素酶研究工作 的深入，纤维素酶必将在食品、饲料、环境保护、能源和资源开发等各个领域中 发挥越来越大的作用。纤维素酶将是大有发展前途的新兴产业之一。如何加大对 纤维素酶研究开发的科技和经费投入，改变目前规模小、工艺设备落后，菌种酶 活力低、生产成本高、生产技术水平低下的现状以满足市场的需求是当务之急。 如前所述，天然纤维素材料的结构对酶的敏感性很差【l o l 。木质素和半纤维素 虽不抑制酶解反应但因其包围阻碍了酶与纤维素的接触，使纤维素难以被降解。 所以在常规酶解反应之前必须对纤维素材料进行预处理【l 卜”】，以改变原材料的结 构，破坏木质素纤维素半纤维素之间的连接，增加纤维素与酶的接触表面积， 以提高酶解效率。另外，由于较高的结晶度及分子间与分子内存在大量氢键使纤 维素不溶于水及普通有机溶剂，成为纤维素酶解反应的最大障碍【9 】。因此，开发 有效的并对纤维素酶具有良好相容性的纤维素溶剂是使纤维素材料酶解，转化成 生物能源的关键。离子液体是由阴阳离子组成的室温下呈液态的盐，被称为“绿色 溶剂”【3 8 1 。近年来离子液体在纤维素溶解和生物催化等领域的应用已有文献报 道。 1 3 离子液体在生物催化中的应用 离子液体体系下纤维素酶降解纤维素的研究 1 3 1 离子液体 离子液体( i o n i cl i q u i d ，i l ) 是指由有机阳离子和无机或有机阴离子构成的在 室温或近室温下呈液态的盐类化合物【3 0 。3 8 】。离子液体的产生最早可追溯到1 9 1 4 年【3 0 】报道的第一个离子液体硝基乙胺 ( e t n h 3 ) n 0 3 ，1 9 4 8 年【3 l 】又开发了a 1 c 1 3 类离子液体，1 9 9 2 年w i k e s 3 2 1 领导的研究小组首次合成低熔点、抗降解、稳定性 强的 e m i m b f 4 ，离子液体的研究迅猛发展，研究的热点向耐水性离子液体体系 发展。如今离子液体研究正向功能化离子液体迈进。其应用领域日益扩展，从最 初的电化学研究，向环境友好的催化剂和绿色反应溶剂方向发展。 1 3 2 1 离子液体的种类和结构 根据有机阳离子母体的不同，可大体将常见的离子液体分为四类【3 9 】：( 1 ) 烷 基咪唑离子；( 2 ) 烷基季胺离子；( 3 ) 烷基吡啶离子；( 4 ) 烷基季膦离子。离子 的结构如图1 2 所示。由于取代烷基的不同而衍生出各式各样的离子液体阳离子。 其它的离子液体阳离子还有：三唑、嗯唑、吡唑、噻唑、吡咯、异喹啉等杂环阳 离子，以及锍盐、聚合阳离子等。 r 4 r 4 r 1 一琶船毋r ，r 1 一量豁 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 图l - 2 常见离子液体的各类阳离子的结构 f i 昏1 - 2t h ec a t i o ns t r u c t u r eo f v a r i o u si o n i cl i q u i d s 按阴离子可分为两大类 4 0 l ：一类是含a i c l 3 的卤化盐，例如 b m i m c 1 和 a 1 c 1 3 】 等。另一类离子液体是在1 9 9 2 年发现的四氟硼酸1 乙基3 甲基咪唑离子液体 e m i m b f 4 】，与第一类不同的是其组成固定，而且大多数对水和空气稳定。负离 子多用b f 4 、p f 6 、n 0 3 、s b f 6 。、c 1 0 4 。、c f 3 s 0 3 。、c 3 f 7 c o o 、c 4 f 9 s 0 3 。、c f 3 c o o 。 竺【4 l 】 可o 正负离子的组合几乎是千变万化的。也许不能任意组合一种正离子和负离 子，但对于给定的正离子，总可以找到与之匹配的负离子形成离子液体，反之亦 然。值得人们注意的是，近期研究人员在普通离子液体的基础上成功地合成出很 多功能型的离子液体【4 2 4 3 1 ，拓宽了离子液体的应用范围。 6 2。r h 一一姒m rz，r 青岛科技大学研究生学位论文 1 3 2 2 离子液体的制备和纯化 离子液体的制备主要有一步合成法和多步合成法【37 3 8 】： ( 1 ) 一步合成法又称直接合成法，即通过酸碱中和反应或季铵化反应一步 合成i l 的方法。该法具有操作简便经济、没有副产物、产品易纯化。如离子液体 1 丁基3 甲基咪唑氯盐 b m i m c 1 的合成。 ( 2 ) 两步或多步合成法，第一步烷基化反应，得到季胺盐( 【r 3 r ，n x 】) 或 季膦盐( 【r 3 r 明 x 】) 离子液体；第二步季胺盐或季膦盐的阴离子部分进行交换， 在用目标阴离子丫交换x - 阴离子的过程中，必须尽可能地使反应进行完全，因 为离子液体的纯度对于其应用和物理、化学特性的表征至关重要。 由于离子液体沸点高，不能通过蒸馏的方法来提纯，因而可从所用原料和溶 剂入手来尽量保证所制得的离子液体纯净。另外，在选择制取离子液体的合成方 法上，尽可能选择那些没有副产物或副产物很容易与离子液体分开的方法。此外， 在反应操作上也要尽可能地保证反应进行的完全彻底【槔4 5 】。 1 3 2 3 离子液体的性质及表征 离子液体的组成决定其性能【3 刀，通过选择合适的阴、阳离子，以不同的配比 结合，可以在较大范围内调变离子液体的物理和化学性质，根据需要设计并合成 出所需要的离子液体。既可调节其对无机物、水、有机物及聚合物的溶解性，也 可对其酸度进行人为的调节。 离子液体的表征主要有以下几种方法【3 7 】：红外光谱分析( f t - i r ) ，核磁共振 谱图分析( n m r ) ，质谱分析( m s e i ) 和差示扫描量热分析( d s c ) 等，其中前 两种应用最多。 1 3 2 4 离子液体在溶解纤维素高分子方面的应用 近年来，离子液体开始应用在纤维素材料加工中，并陆续出现有关纤维素的 溶解、均相衍生化以及纸张、纤维、木材等纤维素材料改性方面的报道。 s w a t l o s k i 等【4 6 】首先发现纤维素可以直接溶解在室温离子液体中，为纤维素新 溶剂体系以及纤维素的应用研究开辟了新领域。武进等 4 7 - 4 8 】合成一种新的室温离 子液体1 烯丙基3 甲基咪唑氯化物 a m i m c 1 ，对纤维素有很好的溶解性能。后来 他们比较 a m i m c l 和1 丁基3 甲基咪唑氯化物 b m i m c l 对纤维素的溶解能 力，发现同样溶解条件下含有双键的 a m i m c 1 占有明显优势，推测其原因可能是 a m i m o 的阳离子尺寸较小。 7 离子液体体系下纤维素酶降解纤维素的研究 郭立颖等【4 9 】合成1 ( 2 羟乙基) 3 乙基咪唑氯盐 h e e i m c l 离子液体，研究表 i j f h e e i m c l 是纤维素的新型优良溶剂，且在溶解和再生过程中纤维素未发生衍 生化变化。他们认为在阳离子侧链上存在有羟基可与纤维素分子上的羟基形成氢 键，进一步降低纤维素分子内或分子问氢键，在阳离子、氯离子和侧链上羟基的 共同作用下，可以促使纤维素在离子液体中具有更好的溶解性。 1 3 2 离子液体中的生物催化 生物催化( b i o c a t a l y s i s ) 是指利用酶或者生物有机体( 全细胞、细胞器、组 织等) 作为催化剂进行化学转化的过程，这种反应过程又称为生物转化 ( b i o t r a n s f o r m a t i o n ) 或酶催化【2 翔】。生物催化中常用的有机体主要是微生物，其 本质是利用微生物细胞内的酶进行催化。生物催化反应具有反应条件温和、无环 境污染、反应速度快、选择性高等优点而成为催化学科的前沿之一【2 1 1 。 离子液体在生物催化反应中的应用主要集中在酶的降解催化反应上f 2 1 。由于 这些反应在水相体系中进行会遇到一系列问题，所以通常采用非水相体系来解 决，离子液体在此表现出比有机溶剂更好的性能，为降解酶的应用拓宽了空间。 1 3 2 1 离子液体对酶催化性质的影响 ( 1 ) 离子液体对酶催化活性的影响 酶在离子液体中的催化活性与酶的种类有关，多种酶能在离子液体中保持活 性。如l a n g 5 0 l 发现在含 m m i m m e s 0 4 ( f f 殳度 3 5 ) 的体系中糖基降解酶c a l b 具有较高的活性。但也有些酶，如过氧化物酶、蛋白酶等在离子液体中的活性降 低甚至丧失，如嗜热菌蛋白酶在 b m i m 】 p f 6 】中根本不具有活性【5 l 】。 离子液体的组成及溶剂性质也会影响酶的活性，娄文勇【5 2 】发现酶的活性与离 子液体的极性相关，在含 c g n i m b f 4 ( n = 2 - - 6 ) i 构介质中，木瓜蛋白酶的活性随离 子液体的极性增大而提高。此外，n a r a 【5 3 】发现离子液体的亲水、憎水性也影响酶 的活性。 ( 2 ) 离子液体对酶催化选择性的影响 离子液体作为反应介质，能提高酶解反应的选择性。离子液体可以减少酶催 化反应副反应的进行，维持甚至提高其区域选择性以及对映体选择性。l i 5 4 】在 t h f - b m i m p f 6 ( 体积分数为5 ) 中用p s e u d o m o n a sc e p a c i ah 旨肪酶催化去氧尿氟 苷及其类似物的苯甲酰作用时得到较高的区域选择性( 8 1o 旷9 9 ) ，并且当底物的 憎水性增加时，区域选择性增强。 ( 3 ) 离子液体对酶催化反应中热稳定性的影响 8 青岛科技大学研究生学位论文 酶在离子液体中的稳定性主要取决于酶的特性。d ed i e g o 等【5 5 】在5 0 下对 比南极假丝酵母脂肪酶c a l b 在己烷、 b t m a t f a n 和 e m i m t f 2 n 中催化乙烯 基丁酸合成丁酸丁酯的反应稳定性的过程中，同时采用圆二色谱( c i r - e u l a r d i c h r o i s m ) 和内荧光( i n t r i n s i cf l u o r e s c e n c e ) 两种检测方法随时监控酶结构的变化， 结果发现己烷中酶的活性在4d 后降低7 5 。离子液体中酶的稳定性也可通过一 定的方法来提高。 1 3 2 2 离子液体中酶催化反应的特点 离子液体可以解决一些水和有机溶剂不易解决的问题。与传统的有机溶剂相 比，酶催化反应在离子液体中进行具有以下几个优点【5 6 】： ( 1 ) 在离子液体中酶的活性和稳定性增加。传统的非水介质中酶较容易失 活，而在离子液体中具有比较好的稳定性且可以重复利用多次。 ( 2 ) 离子液体具有”可设计”性。通过改变不同的阴阳离子，可以改变离子液 体的亲水性或极性，从而有利于一些在传统有机溶剂中由于高极性和低溶解度而 不能转化的底物进行有效的生物转化。 ( 3 ) 离子液体的不挥发性。由于离子液体的蒸气压极低，产物可以通过减 压蒸馏分离，同时可以促进反应进行完全。 ( 4 ) 离子液体的新溶剂特性。离子液体具有可以和有机溶剂、水相溶或不 溶，不溶于超临界c 0 2 的特点，因此可以用溶剂萃取分离产物，特别是用超临界 c 0 2 萃取分离产物，可实现零排放的绿色生物合成工艺。 ( 5 ) 有些酶在离子液体中反应的立体选择性有很大的改善。 1 3 2 3 离子液体在酶催化中的应用模式 自离子液体首次用于生物催化反应以来，由于其独特的性质而成为该领域研 究的热点。离子液体作为酶催化反应的溶剂，使用方式有：单纯作溶剂；和水一 起作混合溶剂；和其他非水溶剂组成多相体系。离子液体在生物催化中的应用模 式有：纯溶剂体系、混合溶剂体系、两( 多) 相体系。 纯溶剂体系的应用是最广的，如皱褶念珠菌脂肪酶( c r l ) s 8 】、a 胰凝乳蛋白 酶( 仅c h y m o t r y p s i n ) t 5 9 1 、假单胞菌脂肪酶( p s l ) 【删、南极假丝酵母脂肪酶( c a l b ) 6 1 1 、 洋葱假单胞菌脂肪酶( p c l ) 【6 2 】等降解酶均能在纯离子液体中表现出一定的催化能 力，涉及到的催化反应有醇解、氨解、酰化、酯合成等。 混合溶剂体系可以由亲水性离子液体和缓冲盐溶液混合、不同离子