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深共熔溶剂 (Deep-eutectic Solvent, DES)?

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现今科学家在研发新型功能性物质的过程中,需考量到经济与环保效益,希望起始反应物种能完全参与反应、并避免使用有毒性或具有挥发性的有机溶剂。基于此考量下,以便宜的胆硷 (choline) 为基底的深共熔溶剂 (deep-eutectic solvent, DES) 是很理想的。深共熔溶剂具有高黏滞性、无挥发性、不具毒性,常被视为是离子液体 (ionic liquid, IL)的一种,然而深共熔溶剂与离子溶剂在本质上并不完全相同,因为离子溶剂的组成全是离子,深共熔溶剂中既有离子也有分子,可说是介于一般分子溶剂与离子溶剂之间。

深共熔溶剂为离子溶剂的一种,它是由不同种盐类混合共熔而成。因此它的熔点较一般单一成份的盐类为低。四级铵盐与氢予体(hydrogen donor)(如:胺类与羧酸类等)混合为最早发现的共熔溶剂,而有关深共熔现象最早的描述是在2003年提出,其中以 1:2 莫耳比例混合的氯化胆硷(choline chloride )(2-hydroxyethyl-trimethylammonium chloride)与尿素为代表。氯化胆硷的熔点为302 °C,尿素的熔点为133 °C,而其共熔物的熔点却可低于12 °C。下表为四种类型的共熔溶剂。

 

类型一 金属盐(metal salt)+有机盐类(organic salt)(例如:氯化锌+氯化胆硷)
类型二 金属盐水合物(metal salt hydrate)+有机盐类(organic salt)(例如:六水合氯化亚钴+氯化胆硷)
类型三 有机盐+氢予体(hydrogen donor)(例如:氯化胆硷+尿素)
类型四 金属盐水合物(metal salt hydrate)+氢予体(hydrogen donor)

(例如:氯化锌+尿素)

有关深共熔溶剂已有许多达实验室等级的工业应用,例如:深共熔溶剂可溶解许多金属盐类,如氯化锂(溶解度 2.5 mol/L)与氧化铜(溶解度 0.12 mol/L),依此特性它可应用于电镀前的金属清洗用途上。另外由于溶剂具导电性,因此它也可应用在电解抛光(electropolishing)上。此外它对有机物如苯甲酸,也有很高的溶解度(0.82 mol/L)甚至它也可溶解纤维素,与有机溶剂相比较,它具低挥发性与不可燃性。其他类型的深共熔溶剂有氯化胆硷与丙二酸(malonic acid)混合,其熔点为0 °C,与酚混合熔点为-40 °C,与丙三醇(Glycerol)混合熔点为-35 °C。与离子液体相比,它具有许多相似的功能性,但价格便宜、无毒与具生物分解性(Biodegradation)。

近年来,以胆硷为基底的深共熔溶剂用于开发创造新型功能性物质方面,已有许多重要的发展。例如:在离子热反应条件下,常因组成中分子(尿素或尿素衍生物)分解,直接转变成产物结构的建构单元,而增加了深共熔溶剂的用途与提升产物结构的多样性。着名的例子有不含活化金属的黄绿光奈米小管结构,及特殊的 MOF 储氢材料等。

 

参考资料:
1. Deep_eutectic_solvent。检索日期 2013/04/12,http://en.wikipedia.org/wiki/Deep_eutectic_solvent
2. 黄惠琳、张佩琪、王素兰。(2013)。具有光致发光与光致变色性质的层状材料:深共熔溶剂中化学反应的新发现。自然科学简讯,第二十五卷,第一期。

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