（环境工程专业论文）离子液体的微波法合成及对环境水体中红霉素的萃取.pdf

摘要 随着畜牧养殖业的迅速发展，抗生素作为人工投入的生产要素得到广泛的应用，在 带来增产效应的同时，也造成了抗生素的残留。不仅直接影响动物产品的安全与生产， 而且极大地威胁着环境质量安全、人类的身体健康以及生存环境，如何采取有效的方法 对环境中残留的抗生素进行去除成为当务之急。 本论文的目的是针对残留抗生素检测方法中存在的灵敏度低，选择范围单一，准确 性差的缺点，研究一种操作简便、分析快速准确的微痕量抗生素残留的检测方法。研究 内容包括化学测定体系的调整改进和样品前处理方法的研究，检测对象为红霉素。 离子液体是由有机阳离子和无机或有机离子构成的、在室温或者室温附近呈液体状 态的熔融盐，它完全由离子组成。离子液体不仅具有传统有机溶剂的优势，而且与有机 溶剂相比表现出了许多优异的性能。离子液体具有不挥发、不可燃、液程宽、溶解能力 强、功能可调节等优点，其应用领域不断扩大，从开始的化学合成发展到今天的材料科 学、环境科学、工程技术、分析测试、生物催化等领域，其独特的性质和诱人的应用前 景成为其迅速发展的动力。 本文按照两步法合成了三种不同的离子液体，并优化了离子液体的合成条件，探 讨了微波辅助合成离子液体的影响因素，采用紫外光谱、红外光谱和核磁共振表征了离 子液体的结构；不但以疏水性离子液体作为萃取剂，同时构建了亲水性离子液体双水相 萃取分离体系，系统地研究了它们对红霉素的萃取分离效果，并考察了离子液体用量， 红霉素初始浓度、萃取时间、p h 、功率对萃取率的影响，并对离子液体进行了重复利用 和再生。 将微波辅助萃取和离子液体萃取结合起来，考察了二者的相互作用关系及影响因 素，建立了离子液体萃取红霉素的热力学和动力学模型，建立了离子液体分离富集分 析环境中微痕量红霉素的检测方法，对方法的线性方程、线性范围检出限、精密度等做 了详细探讨，并将方法应用到实际样品的检测分析。 结果表明，离子液体对红霉素具有良好的萃取效果。离子液体的结构对合成因素及 红霉素萃取因素存在影响。引入微波辅助辐射，既可以增大合成过程中离子液体的产率， 同时也可以有效的提高红霉素的萃取效率。论文所建立的分析方法，具有线性范围宽， 检出限低，相对标准偏差较小，对样品的测定回收率高的特点，操作简单，无需使用大 型仪器。为环境中微痕量红霉素的测定提供了新的依据，具有重要的现实意义。 关键词：离子液体、微波萃取、微痕量、琥乙红霉素 i i a b s t r a c t w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fa n i m a lh u s b a n d r yi n d u s t r y ；a n t i b i o t i c sa sa r t i f i c i a lf a c t o r s o fp r o d u c t i o nw a sw i d e l ya p p l i e d ，a n db r o u g h to nt h ee f f e c to fy i e l d ，a l s oc r e a t e dt h er e s i d u e s o fa n t i b i o t i c n o to n l yd i r e c t l yi n f l u e n c e dt h es a f e t ya n dp r o d u c t i o no fa n i m a lp r o d u c t s ，b u t a l s og r e a t l yt h r e a t e n e dt h ee n v i r o n m e n t a lq u a l i t ya n ds a f e t y , a n dt h eh e a l t ho fh u m a nb e i n g s a n dt h el i v i n ge n v i r o n m e n t h o wt ot a k ea ne f f e c t i v ew a yf o re n v i r o n m e n tt or e m o v et h e r e s i d u a la n t i b i o t i c sh a sb e c o m eat o pp r i o r i t y t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ra i m sa tt h el o ws e n s i t i v i t yo ft e s t e dm e t h o d sf o rr e s i d u a l a n t i b i o t i c s ，s i n g l ec h o i c es c o p e ， a n di n a c c u r a t e ，a n ds t u d i e dam e t h o do fs i m p l i f yo p e r a t i o n , r a p i da n da c c u r a t ea n a l y s i st od e t e c tt h et r a c eo f r e s i d u a la n t i b i o t i c s t h es t u d yi n c l u d e st h e a d j u s t m e n ta n di m p r o v e m e n to fc h e m i c a lm e a s u r e m e n ts y s t e ma n dp r e t r e a t m e n tm e t h o d so f s a m p l e ，a n dt e s to b j e c t i se r y t l l r o m y c m i o n i cl i q u i d sc o n s i s t so fo r g a n i cc a t i o na n di n o r g a n i co ro r g a n i ci o n s ，a n di ti st h e m e l t i n gs t a t eo fl i q u i ds a l ti nt h er o o mt e m p e r a t u r eo rn e a r , a l s oe n t i r e l yc o m p o s e db yi o n i o n i cn o to n l yl i q u i d sh a v et h ea d v a n t a g e so ft r a d i t i o n a lo r g a n i cs o l v e n t s ，b u ta l s os h o wm a n y e x c e l l e n tp r o p e r t i e sc o m p a r e dw i t ht h eo r g a n i cs o l v e n t i o n i cl i q u i d sa l en o n v o l a t i l e ， n o n f l a m m a b l e ，l i q u i dr a n g e ，d i s s o l v i n ga b i l i t y , a d j u s t a b l ee t c ，a n d i t sa p p l i c a t i o ne x p a n d s u n c e a s i n g l y f r o mt h eb e g i n n i n go fc h e m i c a ls y n t h e s i st ot o d a y s m a t e r i a ls c i e n c e ， e n v i r o n m e n t a ls c i e n c e ，e n g i n e e r i n gt e c h n i q u e ，a n a l y s i sa n dt e s t ，b i o l o g i c a lc a t a l y s i se t c i t s u n i q u ep r o p e r t i e sa n da p p l i c a t i o np r o s p e c tb e c o m et h em o t i v ep o w e ro fi t sd e v e l o p m e n t t h r e ed i f f e r e n ti o n i cl i q u i d sw e r ec o m p o s e do ft w of o o t w o r ki n t h i sp a p e r , a n di o n i c l i q u i ds y n t h e s i s c o n d i t i o n sw e r eo p t i m i z e d ，a n dd i s c u s s e dt h ei n f l u e n c ef a c t o r so f m i c r o w a v e a s s i s t e d s y n t h e s i si o n i cl i q u i d s ，a l s o u s e du l t r a v i o l e ts p e c t r u m ，i n f r a r e d s p e c t r u ma n dn u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c ef n m r ) r e p r e s e n t e dt h es t r u c t u r eo fi o n i cl i q u i d s n o to n l yh y d r o p h o b i c i t yi o n i cl i q u i d sa se x t r a c t i o n ，w h i l ec o n s t r u c t e dt h es y s t e mo f h y d r o p h i l i ci o n i cl i q u i d sp h a s e p a r t i t i o n i n gs e p a r a t i o n ，a n dr e s e a r c h e d o ne r y t l l r o m y c m e x t r a c t i o ns e p a r a t i o ne f f e c t ，a l s ot h ed o s a g eo fi o n i cl i q u i d s ，t h ei n i t i a lc o n c e n t r a t i o no f e r y t h r o m y c i n , e x t r a c t i o no ft i m e ，p h ，e x t r a c t i o nr a t eo fp o w e re t c ，a n d t h er e u s ea n d r e g e n e r a t i o no fi o n i cl i q u i d s i i i c o m b i n e dm i c r o w a v ea s s i s t e de x t r a c t i o n 谢t l li o n i cl i q u i d ，a n dd i s c u s s e dt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nt w oa n di n f l u e n c i n gf a c t o r s ，m e a n w h i l ee s t a b l i s h e dt h em o d e lt h e r m o d y n a m i c sa n d k i n e t i c so fi o n i cl i q u i de x t r a c t i o no fe r y t h r o m y c i n ，a l s oe s t a b l i s h e dt h ei o n i cl i q u i d s e p a r a t i o n e n r i c h m e n t a n a l y s i st h ed e t e c t i o nm e t h o d so fe n v i r o n m e n to fe r y t h r o m y c i n ，a n d d i s c u s s e dt h em e t h o d so fl i n e a re q u a t i o n s ，t h el i n e a rr a n g ed e t e c t i o nl i m i t ，p r e c i s i o ni nd e t m l ， a p p l i e dt h em e t h o dt ot h ep r a c t i c a ls a m p l e r e s u l t s ，i o n i cl i q u i d sh a v eg o o de f f e c ti ne r y t h r o m y c i ne x t r a c t i o n t h es t r u c t u r eo fi o n i c l i q u i d si n f l u e n c e st h es y n t h e t i ca n de r y t h r o m y c i ne x t r a c t i o n i n t r o d u c e dm i c r o w a v e - a s s i s t e d r a d i a t i o n ，i tc a ni n c r e a s et h ei o n i cl i q u i d sp r o d u c t i o nr a t e ， a l s oc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fe r y t h r o m y c i ne x t r a c t i o n t h ea n a l y s i sm e t h o di nt h ep a p e rw i t l lw i d el i n e a r r a n g e ，l i m i td e t e c t i o n , s m a l l e rs t a n d a r dd e v i a t i o n ，h i g hr e c o v e r y , s i m p l eo p e r a t i o n ，w i t h o u t t h eu s eo fl a r g e s c a l ei n s t r u m e n t ，a l s op r o v i d e sn e wb a s i sf o rt h ee n v i r o n m e n to ft h e d e t e r m i n a t i o no ft r a c ee r y t h r o m y c i n , a n dh a v ei m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：i o n i cl i q u i d s 、m i c r o w a v ee x t r a c t i o n 、t i n yt r a c e 、e r y t h r o m y c i n i v 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 抗生素( a n t i b i o t i c s ) 是生物( 包括微生物、植物和动物) 在其生命活动过程中 所产生的、或由其他方法获得的，能在低微浓度下有选择地抑制或影响它种生物功能的 有机物质【1 l 。自1 9 2 8 年发现青霉素以来，人类就开始广泛使用抗生素，且在家禽饲养、 水产养殖和食品加工等方面广泛应用。随之而来的是环境中残留的抗生素污染越来越严 重。抗生素污染已经成为目前研究热点之一1 2 】。人畜服用的抗生素药物大多不能被完全 吸收，而是随排泄物进入污水或直接排入水环境。目前的污水处理技术不能完全去除抗 生素，进入水体的抗生素就成为水资源安全利用的巨大挑战。尽管许多抗生素的半衰期 不长，但由于其被频繁地使用并且进入环境，导致其形成了“假持续 现象， 从而对 人体安全及整个生态系统构成了长期潜在的风险【”。 1 1 环境中抗生素的概况 1 1 1 去除水体中抗生素的必要性 对水生生物的影响。抗生素本身的药物设计是为了抑制某一类细菌的生长，因此水 体中的抗生素残留对水生生物不可避免地产生一定的影响。因此长期低浓度抗生素的存 在很有可能会对水体中的微生物群落产生影响，从而通过食物链的传递作用影响到高级 生物，破坏生态系统的平衡。抗生素的使用也会导致病原微生物产生耐药性，使抗生素 能杀死细菌的有效剂量不断地增加，同时耐药性致病茵的不断增加与扩散，对人类健康 构成了潜在的风险。抗药性基因可以在父代与子代之间传递，又可以在不同细菌之间传 递。因此，一些耐药性细菌虽然不具有致病性，但是却能够把耐药性传递给致病菌。低 剂量的抗菌药长期排到环境中，就会造成敏感菌耐药性的增强，使耐药基因不但可以贮 存于水环境中，而且可以通过水环境扩展和演化。多种抗生素的共同存在，为诱导产生 具有耐药性尤其是交叉耐药性的菌株创造了有利的条件附】。 对人类健康的影响。传统的给水处理厂和污水处理厂不具有针对抗生素的专门处理 工艺，现有的处理工艺也不能完全去除抗生素，且目前的消毒技术对抗生素的影响还缺 乏针对性研究，抗生素及其衍生物很有可能通过饮用水对人体健康造成威胁。抗生素在 畜禽和水产养殖中的大量使用，使得在肉、蛋、奶和水产品等食品中残留着不同浓度的 抗生素，对人体健康的潜在危害甚为严重，且影响深远。 1 1 2 抗生素检测的方法 第一章绪论 传统的抗生素检测方法有三种【9 l ： 微生物检测方法。其主要原理是根据抗微生物药对特异微生物的抑制作用，来定性 或定量检测受检样品中残留的抗微生物药。应用较为广泛，但测定时间长，结果误差较 大，操作复杂。 仪器检验方法。是利用抗生素分子中的基团所具有的特殊反应或性质来测定其含量， 进行定性定量和药剂鉴定。其敏感性较高，但有的检测程序较复杂或检测费用较高。 免疫分析法。主要有放射免疫分析( r i a ) 、酶免疫分析( e i a ) 、荧光免疫分析( f i a ) 和酶联免疫吸附法( e l i s a ) 。与常规的理化分析技术相比，免疫分析技术最突出的优点 是操作简单、容量大、速度快、仪器化程度低且分析成本低，分析效率则为h p l c 或g c 的几十倍以上，但是免疫法直接测定也存在样本信息太少，假阳性和理化分析技术选择 性低等不足，当样品中含有与某类抗生素结构相似的的化合物时，可能出现免疫交叉反 应而呈现假阳性结果。 离子液体作为新型高效的绿色萃取溶剂，成为了当代抗生素检测的前沿和热点，并 在萃取分离方面了取得了很大的成效： 沈兴海等【1 0 1 已对离子液体在萃取碱金属、碱土金属、过渡金属、稀土及锕系金属离 子方面的应用作了综述。 z h a n g 等【1 利用卜乙基- 3 - 甲基眯唑四氟硼酸盐( e m i m b f 。 ) 、 b m i m b f 。 、卜丁 基- 3 - 甲基咪唑六氟磷酸盐( b m i m p f 6 ) 和三氯化铝三甲铵盐酸盐( ( c h 3 ) 3 n h a i c i 。 。 来萃取模拟汽油及实际汽油中的含硫和含氮化合物。 刘庆芬等【1 2 1 报道了利用离子液体双水相萃取分离青霉素的研究。 n i c h t h a u s e r 等【1 3 1 报道了采用离子液体代替传统的易挥发的有机溶剂作为萃取剂， 液液萃取分离了一些取代苯类物质的研究。 v a r m a 等【1 4 】报道了在离子液体中加入冠醚从水中萃取碱金属和碱土金属离子的研 究。 k s k h a c h a t r y a n 等【1 5 】报道了用 b m i m p f 6 从水溶液中萃取酚类化合物。 综上所述，离子液体在萃取分离中有着良好的应用前景。 2 长安大学硕士学位论文 1 2 离子液体简介 1 2 1 离子液体的概念 离子液体是指在室温或接近室温下呈液态的全部由离子构成的有机液体物质，也叫 室温熔盐( r o o m - t e m p e r a t u r ei o n i c1i q u i d ) 或者有机离子液体，因为该物质的阳离子 大多是由有机阳离子构成的，但是大多数研究者还是称其室温离子液体，简称离子液体 1 6 1 。 1 2 2 离子液体的分类 离子液体主要是由有机阳离子和无机阴离子构成【1 7 1 。离子液体的关键特征是其性 质可以通过改变阴离子、阳离子及其取代基而变化，即可以在一定程度上设计离子液体， 因而形成离子液体的阴离子和阳离子的种类数目是很大的。 目前研究的离子液体的阳离子有4 类：烷基季铵离子 n r x h 。一， + 、烷基季磷离子 p r x h 4 一。 + 、l ，3 一烷基取代的咪唑离子 r 。r 。i m + 和n 一烷基取代的吡啶离子 r p y + ( 见图1 ) 。依据阳离子的不同离子液体可分为季胺盐类、季鳞盐类、咪唑类、吡啶类、 噻吩类、三氮唑类、吡咯啉类、噻唑啉类等。 g 0 9 r r 图1 室温离子液体中常见的阳离子 阴离子主要是b f 。一、p f 。一、n 0 3 一、c f 。s 0 3 一、h s 0 4 一、a i c i 。一等体积较大的阴离子。 依据阴离子的不同离子液体可分为a i c i 。型和非a 1 c 1 。型。 ( 1 ) a i c i 。型：主要用于电化学和化学反应中，可同时作溶剂和催化剂，但其热稳定 性和化学稳定性较差，且不可遇水，使用不便。 3 第一章绪论 ( 2 ) 非a i c l 。型：对水、大气稳定且组成固定，随着人们对离子液体研究的不断深入， 离子液体品种已达到几百种，其中研究较多的阴离子有b f 。一、p f 6 一、c f 。c o o - 、( c f 。s o 。) 。等 【1 8 】。 根据离子液体在水中的溶、解度不同，大体上可以分为疏水性离子液体和亲水性离 子液体，前者如 b m i m p f 。、 o m i m p f 。、 o m i m s b f 。等，后者如 b m i m b f 。、 e m i m b f 。、 e m i m c 1 等。 根据离子液体的酸碱分类，可以把离子液体分为l e v i s 酸性、l e w i s 碱性、b r o n s t e d 酸性、b r o n s t e d 碱性和中性离子液体。l e v is 酸性或碱性离子液体，如：氯铝酸类离子 液体，b r o n s t e d 酸性离子液体指含有活泼酸性质子的离子液体，如甲基咪唑与氟硼酸直 接反应得到的离子液体；b r o n s t e d 碱性离子液体是指阴离子为o h r 的离子液体，如 b m i m o h ；中性离子液体则非常多，应用也最广，如 b m i m p f 6 、 o m i m p f 6 等。 1 2 3 离子液体的理化性质 总体来说，离子液体具有低挥发、不可燃及很高的热稳定性等优良特性，在环境 友好的催化反应中显示出广阔的应用前景 1 9 - 2 2 】。离子液体作为“可设计溶剂 ，随着阳 离子和阴离子的变化，离子液体的物理和化学特性会在很大范围内相应改变。但值得注 意的是，离子液体的结构与其物理化学性质有直接的联系。与传统的有机溶剂相比，离 子液体具有一系列突出的优点，其有关性质如下： ( 1 ) 几乎无蒸汽压、不挥发、不燃、不爆炸，因此可彻底消除因挥发而产生的环境 污染问题。 ( 2 ) 熔点低，呈液态的温度范围广，化学和热稳定性较好，通常在高达3 0 0 时不 分解，且离子液体的结构对称性越低，分子间的作用力越弱，阳或阴离子电荷分布越均 匀，离子液体的熔点就越低，另外阴离子尺寸越大，离子液体的熔点越低。 ( 3 ) 溶解性很好，能溶解许多有机物如有机、无机、金属有机化合物和高分子材料， 也可以延长许多不稳定物种的寿命。离子液体的溶解性与其阳离子和阴离子的特性密切 相关。阳离子对离子液体溶解性的影响可由正辛烯在含相同甲苯磺酸根阴离子季铵盐离 子液体中的溶解性看出，随着离子液体的季铵阳离子侧链变大，即非极性特性增加， 正辛烯的溶解性随之变大。 ( 4 ) 通常由弱配位的离子组成，配位能力主要由阴离子的性质所决定，具有高极性 潜力而非配位能力，因此可溶解过渡金属配合物，而不与之发生配合作用。 ( 5 ) l e w i s 酸( 如a 1 c 1 。) 的离子液体，在一定的条件下表现出l e v i s 、b r o n s t e d 甚至 4 长安大学硕士学位论文 超强酸的酸性，因而此类离子液体在作为反应介质的同时还往往起催化剂的作用。 ( 6 ) 粘度大，在常温下，离子液体的粘度是水和一般有机溶剂的几十倍甚至几百倍。 因此，它是优良的色谱固定相和修饰电极固定剂。离子液体的粘度主要取决于离子问较 强的静电力、范德华力和氢键等相互作用。 ( 7 ) 导电性好，电位宽，离子液体的室温电导率一般在1 0 3s c m 1 左右，可用作许多 物质的电解液。同时，离子液体拥有在较宽的电位范围均不会发生电化学反应的特性， 其一般的电位稳定范围为4 v 左右，这是普通溶剂所无法比拟的。 ( 8 ) 后处理简单，可循环使用。 ( 9 ) 制备简单，价格相对便宜。正因为离子液体具有以上多种独特的性质故它在化学 合成、新材料研究、精细化学加工、表面加工、微电子器件开发等领域得到应用，并显 示出了良好的效果及应用前景。 1 2 4 离子液体的发展历史 离子液体并不是一个新物种，早在1 9 1 4 年p w a l d e n 就发现了硝酸乙基铵 e t n h 。 n o 。 的熔点只有1 2 。c ，这是世界上第一个离子液体。此后直至u 1 9 4 8 年发现了包含氯铝酸盐 的离子液体，但当时并没有对此做深入的研究，一直至t j 2 0 世纪7 0 年代才第一次成功地制 取了室温氯铝酸盐离子液体。在那时对离子液体的研究主要集中在电化学方面。2 0 世纪 8 0 年代早期氯铝酸盐离子液体作为极性溶剂开始被研究，从这时起，离子液体开始广 为人知。8 0 年代后期离子液体开始作为新的反应介质和有机反应的催化剂，成为了炙手 可热的化学热点。涉及的领域也越来越宽，特别是近几年来随着人们环保意识的加强， 对离子液体的研究日趋广泛，在发达国家离子液体已经开始进入工业化。相比而言我国 对离子液体的研究直n 9 0 年代后期才开始，特别是2 0 0 0 年以后，对于离子液体的研究不 断加快步伐，并取得了良好的进展。兰州物化所和南京大学在这方面做出了大量的有重 要意义的工作 2 3 1 。 1 2 5 离子液体的应用 1 在电化学中的应用 离子液体因宽阔的电化学电位窗，良好的离子导电性在电沉积、电池等领域有广泛 的应用前景位4 1 。在离子液体 e m i m l c l 。a 1 c 1 。中沉积出a 1 挪n 合金，在离子液体 b m i m c 1 2 a 1 c 1 。中沉积得到a l ：f e 合金，此外，稀土金属和半导体金属均可在离子液体 中电沉积得到某些优异的结构。锂离子电池一直被认为是由吸引力的绿色能源而被广泛 应用，实验表明，离子液体 d m f p b f 。 的热稳定性温度在3 0 0 ，可在一个宽的温度范 5 第一章绪论 围内和锂稳定共存，而且 d m f p b f 4 l i b f 4 的电化学窗口大于4 v ，以它为电解质的 l i m n 2 0 4 l i 电池显示了较高的充放电循环效率( 大于9 6 ) 。 2 在化学反应中的应用 离子液体在化学反应中的应用作为化学反应的溶剂。首先，离子液体可能改变反应机 理使催化剂活性乜副。稳定性更好，转化率、选择性更高；离子液体种类多，选择余地大； 将催化剂溶于离子液体中与离子液体一起循环利用，催化剂兼有均相催化效率高，多相 催化易分离的优点；产物的分离可用萃取、蒸馏等方法，因离子液体无蒸气压，液相温度 范围宽，使分离易于进行。 3分离过程的应用 离子液体能溶解许多无机物、有机物和聚合物而同大量有机溶剂不混溶，其本身非 常适合作为新的液一液提取的介质哺3 。例如：离子液体从生物燃料a b e 的发酵液中回收丁 醇，采用 b m i m p f 6 离子液体在1 7 5 下处理油页岩提取石油，萃取率比采用己烷提高 1 0 倍，利用对牛磺酸溶解度较大的 b m i m c 1 离子液体作为浸取剂，分离收率高达9 7 ， 另外，由于离子液体的高导电率，可作为电解质添加剂用于毛细管电泳分离，离子液体也 可作为气相色谱固定相。 离子液体几乎没有蒸气压，不挥发离子液体分为疏水性和亲水性两种类型，研 究表明，疏水性离子液体萃取红霉素得到很好的效果【2 7 1 。r o g e r s 等【2 蚴1 采用亲水性离 子液体卜丁基- 3 - 甲基咪唑盐酸盐( b m i m c 1 ) 和水合磷酸钾( k 。p 0 4 ) 可以形成上相富集离 子液体和下相富集磷酸钾的双水相体系( a t p s ) 本文以亲水性离子液体 b m i m b f 。和 n a h ：p o 。2 h ：0 水溶液形成的双水相体系为研究对象，考察了影响双水相形成的因素以 及红霉素的萃取特性特别考察了n a h 。p 0 4 浓度、红霉素浓度、 b m i m b f 。的浓度以及萃 取体系p h 值的不同对双水相的形成和萃取率的影响。 1 3 微波辅助萃取的原理及其在萃取分离中的应用 萃取是分离和提纯物质的一种常用方法【3 蚴】。传统的萃取方法有索氏萃取、搅拌萃 取和超声波萃取，但由于具有费时、试剂用量大、效率低、重现性差等缺点，近年来已 经不能满足发展的需要，因而先后出现了超临界流体萃取( s f e ) 、微波萃取( m a e ) 和 加速溶剂萃取( a s e ) 等技术，但因存在技术缺陷、设备复杂、运行成本高或萃取率低 等问题，超临界萃取和加速溶剂萃取的发展和应用受到了限制，而微波萃取设备比较简 单、价格低廉，快速，节能，节省溶剂，污染小，表现出良好的发展前景和巨大的应用 6 长安大学硕士学位论文 潜力。目前，微波萃取在食品、制药中的应用比较广泛。 1 4 本论文研究的目的、内容和意义 1 4 1本论文研究的意义 抗生素类药物的大量使用，一方面会通过动物体内残留的转移到人体，另一方面动 物、禽类产生的耐药菌也会传播给人类，给人类的健康和生存带来严重威胁，对环境中 残留抗生素的分析、迁移、细菌抗药性等方面的研究已成为关注的热点。红霉素类抗生 素如克拉霉素、罗红霉素、琥乙红霉素等大环内酯类抗生素，属人畜共用药物，在环境 中残留会给人类及生物群落造成危害，因此建立高效、灵敏的抗生素检测方法显得非常 必要。 传统的离子液体合成方法时间较长，一般在3 6 h 以上，而且为了达到理想的产率， 还需要添加大量溶剂作为反应介质。随着微波技术的发展，微波法逐渐应用到离子液体 的合成中，与传统的方法相比，微波辐射作为新型的加热方式，具有不改变分子内部结 构、升温快节约时间、提高反应选择性和产率、节约能源等优点，从而大大缩短反应时 间，从几十小时缩短到几十分钟，且合成无需溶剂。离子液体的有溶解性能独特、热稳 定性高等特性，在化学反应和分离过程等领域有着广阔的应用前景。 1 4 2 研究目的 探讨微波法辅助合成离子液体的最佳条件，并分析了牛奶样品中痕量超痕量抗生 素药物。着重研究离子液体合成条件、液液分相、萃取机理、微波辅助萃取条件；筛 选出适合于抗生素分离的离子液体及双水相萃取分离体系；考察不同离子液体对分离抗 生素残留的影响；为进一步研究环境污染化学尤其是抗生素污染化学提供科学依据。 1 4 3 研究内容 1 设计和合成一系列适合分离体系的离子液体，并对离子液体的组成和结构进行 表征，考察离子液体阴、阳离子的种类对离子液体性质( 粘度、密度、萃取性能等) 的 影响。 2 探讨微波辅助合成离子液体的影响因素，提出最佳合成条件，并对影响因素进 行了研究。 3 以红霉素类抗生素为目标代表物，筛选最佳的萃取痕量超痕量抗生素离子液体 或离子液体双水相体系。并研究影响萃取率的主要因素。探讨微波辅助离子液体萃取的 7 第一章绪论 影响因素。 4 考察不同的离子液体对分离的影响。 5 离子液体萃取分离技术与现代分析方法联用研究。 1 4 4研究的创新点 1 合成了三种离子液体，详细考察了微波辅助合成，探讨了微波因素对离子液体 收率的影响，解决了离子液体合成体过程中，产率低，微波条件难以控制的难题。 2 建立了两种离子液体，一种为新的疏水性离子液体萃取分离红霉素体系，并优 化了该体系对红霉素的萃取条件，探讨了其作用机理；另一种为新的亲水性离子液体 双水相萃取分离红霉素体系，考察了影响因素，探讨了其作用机理。 3 将微波辐射萃取和离子液体萃取结合起来，提高了红霉素的萃取效率，为微痕 量抗生素残留测定提供了新的样品预处理方法。 4 构建了一种适用于环境样品中痕量超痕量抗生素药物残留的新方法，为水体、 农牧产品微痕量抗生素提供了理论依据。 8 长安大学硕士学位论文 第二章离子液体合成及表征方法 绿色化学是2 1 世纪化学发展的重要方向之一，研究挥发性有机溶剂的替代物和无毒 无害的高效催化剂，以减少环境污染，是绿色化学的重要内容。离子液体作为高效绿色 溶剂已成为合成化学研究的热点。由于离子液体具有不易挥发、不易燃、液相存在的温 度范围宽，以及阴阳离子的结构具有可调性等优点，因此被广泛地应用于电化学、重金 属离子萃取、催化反应、聚合反应等领域。离子液体种类繁多，但研究最多、应用最广 泛的是咪唑类离子液体。 离子液体的合成方法主要有直接法和两步合成法【3 3 1 。直接法：通过酸碱中和反应或 季铵化反应一步合成离子液体，经济、操作方便，但适用范围小、副产物较多。 两步合成法：如果直接难以得到目标离子液体，就必须使用两步合成法。首先，通 过季铵化反应制备出含目标阳离子的卤盐( 【阳离子】x 型离子液体) ；然后用目标阴离子 y 置换出x 。离子或加入l e w i s 酸m x y 来得到目标离子液体，如图2 1 。在第二步反应中， 使用金属盐m y ( 常用的是a “或n h 4 y ) 时，产生a g x 沉淀或n h 3 、h x 气体而容易除 去；加入强质子酸h y ，反应要求在低温搅拌下进行，然后多次水洗至中性，用有机溶 剂提取离子液体，最后真空除去有机溶剂得到纯净的离子液体。 寻、r 固擅x 图2 1 两步法合成离子液体路径 r 钒v r ，母帆。r 两步合成法的优点是第一步合成的中间体可以根据不同所需，设定合成特定功能基 团。+ 范围广，选择性大，为后续离子液体的合成提供了较多的选择。 离子液体的不断壮大，出现了许多新型的制备方法，进一步提高了产率和选择性。 如电解法、微波法、超声波法等新型方法。 电解法是直接电解含目标阳离子的氯化物前体水溶液，生成氯气和含目标阳离子的 氢氧化物，后者再与目标阳离子的酸发生中和反应，得到目标离子液体的水溶液，蒸发、 干燥，得到纯离子液体。电解法是一种通用的方法。该方法充分利用了离子液体的导电 性。具有工业化生产的潜力，值得大力研究。 9 第二章离子液体合成及表征方法 离子液体的常规制备方法通常需要大量有机溶剂，这不符合绿色化学的原则，而且 需要加热回流几个或者十几个小时，微波是强化反应的一种新型方法【3 4 1 。其原理是极性 分子在快速变化的电磁场中不断改变方向，从而引起分子的摩擦发热，微波加热升温速 度快，而且分子的不断转动本身也是一种分子级别的搅拌作用，因此，可以极大地提高 反应速度，甚至产率和选择性。v a r m a 在家用微波炉上家装转换器，使用微波炉作为反 应的能量制备一系列的 c m i m b r 离子液体。研究表明卤代烷的反应趋势与加热反应一 致，反应时间1 - 2 m i n 。目标产物的收率与用常规加热方法相似。 微波是新兴的离子液体合成法。微波辅助用于离子液体的合成可使收率明显提高。 微波辅助合成离子液体的优点在于不需要溶剂，反应时间可以缩短到几小时甚至几分 钟，最大的缺点是反应不容易控制、有副反应发生【3 5 】。 本论文采用微波炉以n 一甲基咪唑为原料，经季铵化反应合成了中间体，又经复分解 反应合成了 b m i m b f 6 、 o m i m p f 6 和 e m i m b f 。三种离子液体，反应过程不需溶剂，耗 时较短，简单高效。 2 1 仪器与试剂 2 1 1 实验试剂 实验试剂见表2 1 表2 1 实验试剂介绍 试剂名称纯度等级生产厂家 n 一甲基咪唑 9 9 上海晶纯试剂有限公司 溴代正丁烷 化学纯 国药集团化学试剂有限公司 溴乙烷化学纯天津市河东区红岩试剂厂 卜溴代辛烷化学纯国药集团化学试剂有限公司 氢氧化钠分析纯 西安化学试剂厂 四氟硼酸钠化学纯国药集团化学试剂有限公司 六氟磷酸钾化学纯国药集团化学试剂有限公司 乙酸乙酯分析纯广东省化学试剂工程技术研究开发中心 硝酸银分析纯 国药集团化学试剂有限公司 二氯甲烷分析纯天津市天力化学试剂有限公司 l o 长安大学硕士学位论文 无水乙醇分析纯广东光华化学厂有限公司 乙腈分析纯天津市科密欧化学试剂有限公司 丙酮分析纯西安三浦精细化工厂 2 1 2 实验仪器 实验仪器见表2 2 表2 2 实验仪器介绍 仪器名称型号生产厂家 多功能搅拌器d 8 4 0 1 型东莞市吉之垄电子仪器有限公司 电子天平t p 1 1 4 型德国赛多利斯集团公司 电热鼓风干燥箱1 0 1 2 a b 型 天津市泰斯特仪器有限公司 循环水真空泵s h z i i i 型上海亚荣生化仪器厂 旋转蒸发器r e 5 2 型上海亚荣生化仪器厂 恒温磁力搅拌器8 1 2 型上海圣科仪器设备有限公司 家用微波炉 p 8 0 d 2 3 n 1 p t 7 型 广东格兰仕集团有限公司 紫外可见分光光度计7 5 2 型上海光谱仪器有限公司 气相色谱仪 h p6 8 9 0 型 美国惠普公司 傅里叶红外光谱仪 i f s5 5 型瑞士b r u k e r 公司 核磁共振波谱仪 a r x4 0 0 型 瑞士b r u k e r 公司 2 2 实验部分 2 2 1 1 乙基3 甲基咪唑四氟硼酸离子液体的制备 ( 1 ) 微波法制备溴代卜乙基一3 一甲基咪唑离子液体的制备 将新蒸的0 1 m o l 的n 一甲基咪唑和0 1 l m o l 的溴乙烷放入2 5 0 m l 的平底烧瓶，( 即 物质的量1 ：1 1 ) ，在1 7 5 w 的功率下微波炉间隔加热，每加热5 s 后取出，震荡至常温， 重复数次，加热时间共约4 5 s 直到瓶内的淡黄色色透明液体变为黄色浑浊粘稠液体：取 出反应瓶，冷却到常温，变成固体，加入9 m l 乙腈，水浴加热，直至固体完全溶解，再 加入4 0 m l 乙酸乙酯，重结晶，放入冰箱，隔夜，取出，过滤，得到中间体。 第二章离子液体合成及表征方法 ( 2 )热回流法制备卜乙基- 3 - 甲基咪唑四氟硼酸离子液体 以5 0 m l 丙酮为溶剂，将溴化卜乙基- 3 - 甲基咪唑离子液体和四氟硼酸钠按物质的 量l ：l 混合放入反应瓶，进行磁力搅拌3 0 h ，生成溴化钠白色沉淀，过滤，用二氯甲 烷洗涤剩余的溴化钠使之析出，直至离子液体中加入硝酸银无沉淀，旋转蒸发离子液体 里的二氯甲烷，至于真空干燥箱恒重，得到目标物。 2 2 21 丁基3 甲基咪唑六氟磷酸离子液体的制备 ( 1 )微波法制备溴代卜丁基- 3 - 甲基咪唑离子液体 将新蒸的0 1 m o l 的n 一甲基咪唑和0 1 l m o l 的卜溴代正丁烷放入2 5 0 m l 的平底烧瓶， ( 即物质的量1 ：1 1 ) ，在1 7 5 w 的功率下微波炉间隔加热，每加热6 s 取出，震荡至常 温，重复数次，加热时间共约1 6 m i n 直到瓶内的无色透明液体变为黄色澄清透明粘稠液 体：取出反应瓶，将反应物倒入分液漏斗中，再加入3 0 m l 乙酸乙酯，震荡5 m i n ，摇匀， 静置5 h ，直至两相液面有明显界限。重复洗涤3 - 5 次，并旋转蒸发3 0 m i n ，使未被洗涤 的乙酸乙酯蒸发出来，得到中间体，波长为2 2 4 n m 。 ( 2 ) 卜丁基一3 一甲基咪唑六氟磷酸离子液体的制备 a 热回流法：以l o o m l 水为溶剂，将溴化卜丁基一3 一甲基咪唑离子液体和六氟磷 酸钾按物质的量1 ：1 1 混合放入反应瓶，进行磁力搅拌l o h ，至于分液漏斗中，4 h 后 分液，再用水洗涤该离子液体，重复数次，直至用硝酸银溶液滴定洗涤水无白色沉淀， 旋转蒸发离子液体里面的水分，至于真空干燥箱恒重，得到目标物。 b 微波法：以1 0 0 m 水为溶剂，将溴化卜丁基- 3 - 甲基咪唑离子液体和六氟磷酸钾按 物质的量l ：1 1 混合放入反应瓶，在1 7 5 w 的功率下微波炉间隔加热，每加热1 0s 取出， 震荡至常温，重复数次，加热时间共约9 m i n 直至上相水变得澄清，用硝酸银溶液滴定洗 涤水无白色沉淀，旋转蒸发离子液体里面的水分，至于真空干燥箱恒重，得到目标物。 2 2 3 两步微波法制备1 辛基3 甲基咪唑六氟磷酸离子液体 ( 1 )溴代卜辛基一3 一甲基咪唑离子液体 将新蒸的0 1 m o l 的n 一甲基咪唑和0 1l m o l 的卜溴代正辛烷放入2 5 0 m l 的平底烧瓶， ( 即物质的量1 ：1 - 1