Untersuchung des Phasenverhaltens eines ionischen Flüssigkeits-Wasser-Gemischs vom Typ LCST, das Aminosäuren enthält
Die Flüssig-Flüssig-Extraktion ist eine weit verbreitete Technik zur Trennung von organischen Verbindungen, pharmazeutischen Komponenten, Aminosäuren und anderen Stoffen durch Ausnutzung der Löslichkeitsunterschiede von gelösten Stoffen in verschiedenen Phasen der Flüssigkeit. Herkömmliche Extraktionssysteme enthalten jedoch häufig entflammbare, flüchtige, giftige und sehr energieaufwändige organische Reagenzien wie Ethylenglykol, N-Methylpyrrolidon und N-Methylmorpholin. Daher ist die Entwicklung eines umweltfreundlichen Flüssig-Flüssig-Extraktionssystems als Ersatz für organische Lösungsmittel zu einem Entwicklungstrend auf dem Gebiet der Extraktionsforschung geworden.

Eine ionische Flüssigkeit (IL) ist ein flüssiges Salz, das bei niedrigen Temperaturen aus organischen Kationen und organischen oder anorganischen Anionen besteht. In den letzten Jahren haben ionische Flüssigkeiten aufgrund ihrer hohen Löslichkeit, ihrer hohen thermischen und chemischen Stabilität, ihres niedrigen Dampfdrucks und ihrer strukturellen Anpassungsfähigkeit breite Anwendungsmöglichkeiten bei der Extraktion von Naturprodukten gezeigt. Lee et al. gaben 10 mg 1-Ethyl-3-methylimidazoliumbromid als Extraktionshilfsmittel zu 40 ml Aceton hinzu, wodurch sich die Extraktionsmenge von Astaxanthin aus Eriocheir sinensis um fast das Neunfache erhöhte. Ionische Flüssigkeiten als Hilfsmittel für organische Lösungsmittel können die Extraktionseffizienz von Biomolekülen erheblich verbessern, aber diese Studien haben immer noch ihre Grenzen und sind stark von der Verwendung organischer Lösungsmittel abhängig. Andererseits haben ionische Flüssigkeiten eine hohe Viskosität, und ihre alleinige Verwendung ist dem Stoffaustausch nicht förderlich, was ihre Anwendung im Bereich der Extraktion stark einschränkt. Die Forschung hat gezeigt, dass die Zugabe einer kleinen Menge Wasser zu ionischen Flüssigkeiten deren Viskosität wirksam verringern und ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften verbessern kann. Noch wichtiger ist, dass durch die Zugabe einer bestimmten Menge Wasser zur ionischen Flüssigkeit die Menge der verwendeten ionischen Flüssigkeit wirksam reduziert und die Kosten gesenkt werden können.

Die in der Extraktionsforschung üblicherweise verwendeten ionischen Flüssigkeiten haben jedoch eine starke Hydrophilie und bilden oft homogene Systeme mit Wasser, was bei der selektiven Extraktion von Biomolekülen immer noch Einschränkungen mit sich bringt. Im Jahr 2017 gelang Shi et al. eine effektive Trennung von Phosphatidylserin und Phosphatidylcholin mithilfe eines Zweiphasensystems aus 1-Ethyl-3-methylimidazoliumbromid/Methanol und n-Hexan. Das System aus ionischer Flüssigkeit und Wassergemisch führt unter bestimmten Bedingungen zu einer Flüssig-Flüssig-Phasentrennung, die nicht nur die selektive Extraktion von Biomolekülen deutlich verbessert, sondern auch dazu beiträgt, die Aktivität der Biomoleküle zu erhalten. Daher ist die Konstruktion eines neuen Flüssig-Flüssig-Gleichgewichtssystems mit hydrophoben ionischen Flüssigkeiten und Wasser als Hauptkomponenten von großer Bedeutung für die selektive Extraktion von Biomolekülen. Die Forschung hat gezeigt, dass zu den Arten von ionischen Flüssigkeiten, die das System der ionischen Flüssigkeits-Wasser-Mischung in eine Phase bringen können, 1-Butyl-3-methylimidazoliumhexafluoroborat, Tetrabutylphosphintrifluoracetat, Tetrabutylphosphoniumacetat usw. gehören. Die meisten dieser ionischen Flüssigkeiten enthalten hydrophobe Anionen wie Tetrafluoroborat-Ionen, Hexafluorophosphat-Ionen, Bis(trifluormethansulfonyl)-sulfon-Ionen und Trifluoracetat-Ionen.

In den Bereichen Lebensmittel, Chemie und Pharmazie eignen sich Lösungsmittelsysteme, die ionische Flüssigkeiten enthalten, für die Extraktion einer zunehmenden Zahl von Zielsubstanzen, was ein breiteres Spektrum von Forschungsbereichen betrifft. Unter ihnen haben temperaturempfindliche Flüssig-Flüssig-Extraktionssysteme viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Aus der Forschung wird berichtet, dass einige mit ionischen Flüssigkeiten und Wasser gemischte Systeme temperaturempfindliche Eigenschaften aufweisen, wobei es zwei Arten von Phasenübergängen gibt: hohe kritische Schmelztemperatur (UCST) und niedrige kritische Schmelztemperatur (LCST). Wang et al. fanden heraus, dass das binäre Flüssig-Flüssig-Extraktionssystem aus 1-Hexyl-3-methylimidazoliumtetrafluoroborat und Wasser lipophile und hydrophile Substanzen in Chrysanthemen selektiv trennen kann. In früheren Berichten wurden jedoch die Auswirkungen der Extraktion von Zielprodukten als Teilnehmer in ionischen Flüssigkeitssystemen auf das Phasengleichgewicht übersehen.

In diesem Artikel werden Aminosäuren als Biomolekülmodell verwendet, um die Auswirkungen von Glycin, Alanin, Lysin, Arginin und Prolin auf die Phasenübergangstemperatur von [P4444] CF3COO-Wasser und [P4448] Br-Wasser-Mischsystemen systematisch zu untersuchen. Die Verteilungseigenschaften der Aminosäuren in den beiden Phasen wurden in Abhängigkeit von der Temperatur untersucht, um grundlegende Daten für die Gestaltung von Flüssig-Flüssig-Systemen, die ionische Flüssigkeiten enthalten, und neue Ideen für die Anwendung ionischer Flüssigkeiten bei der Extraktion und Trennung von Naturstoffen zu erhalten.

In diesem Artikel wird der Einfluss von Aminosäuren auf das Phasenverhalten von gemischten Systemen vom LCST-Typ [P4444] CF3COO Wasser und [P4448] Br Wasser untersucht. Die Wechselwirkung zwischen Aminosäuren und Wasser ist stark und bildet eine Konkurrenzbeziehung mit ionischen Flüssigkeiten um Wassermoleküle. Der "Aussalzungseffekt" verbessert die Phasenbildungsfähigkeit des LCST-Typs des ionischen Flüssigwassersystems, und sein fördernder Trend ist: Glycin>Alanin>Lysin>Prolin>Arginin. Darüber hinaus sind die Aminosäuren hauptsächlich in der wässrigen Phase verteilt. Mit zunehmender Menge der zugesetzten Aminosäuren bzw. mit steigender Temperatur ändert sich die räumliche Lage der angereicherten Phase in der ionischen Flüssigkeit und der angereicherten Phase im Wasser. Die Verschiebung der oberen und unteren Phasenkomponenten ist reversibel und ist ein spontaner Reaktionsprozess, der durch Enthalpie und Entropie angetrieben wird. Aminosäuren sind ausgezeichnete Phasenbildner in ionischen Flüssigwassersystemen. In Zukunft können die Hydrophilieunterschiede von Aminosäuren genutzt werden, um ideale Flüssig-Flüssig-Extraktionssysteme für die selektive Extraktion von Biomolekülen zu entwickeln.