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胆碱类低共熔溶剂组分间氢键作用的多维度解析与机制探究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着绿色化学理念的不断深入，寻找环境友好、性能优良的新型溶剂成为化学领域的重要研究方向。低共熔溶剂（DeepEutecticSolvents,DESs）作为一类新型的绿色溶剂，近年来受到了广泛关注。它通常是由一定化学计量比的氢键受体（HydrogenBondAcceptor,HBA）和氢键供体（HydrogenBondDonor,HBD）组合而成的低共熔混合物，其熔点显著低于各单一成分的熔点。与传统有机溶剂相比，低共熔溶剂具有来源广泛、成本低廉、易于制备、毒性低、生物可降解等突出优点，在萃取分离、无机合成、有机合成、电化学以及药物传递等诸多领域展现出良好的应用前景。

胆碱类低共熔溶剂（Cholinium-basedDeepEutecticSolvents,ChDES）是低共熔溶剂中的重要一类，以氯化胆碱等胆碱盐为常见的氢键受体。由于胆碱是维生素B的一种，可作为家禽饲料的添加剂，来源丰富且价格低廉；与之搭配的尿素、甘油、羧酸等氢键供体也常见易得且成本低，使得胆碱类低共熔溶剂在具备低共熔溶剂一般优势的基础上，还拥有原料经济实惠的特点，这极大地推动了其在工业生产中的潜在应用研究。同时，其低毒、生物可降解的特性符合当下绿色化学和可持续发展的要求，在绿色化学和工程化学中受到越来越多的青睐。

在胆碱类低共熔溶剂中，组分间的相互作用，尤其是氢键作用，对其物理化学性质起着决定性作用。氢键作为一种弱的分子间相互作用，具有方向性和饱和性，虽然其键能相对较小，但在决定物质的结构、熔点、沸点、溶解性、粘度等性质方面发挥着关键作用。在胆碱类低共熔溶剂体系中，氢键的形成使得体系内分子间作用力发生改变，进而影响其凝固点、粘度、电导率、溶解性等一系列性质。例如，低共熔溶剂的凝固点大多明显低于高温熔盐，就是因为氢键供体与氢键受体之间形成了氢键；其粘度显著受到组分结构、混合比例等因素影响，也与氢键作用密切相关。

深入研究胆碱类低共熔溶剂组分间的氢键作用，有助于从分子层面理解其独特性质的本质来源，为进一步优化其性能、拓展应用范围提供坚实的理论基础。一方面，通过明确氢键作用的规律和特点，可以有针对性地选择和设计合适的氢键供体与受体组合，开发出具有特定功能的胆碱类低共熔溶剂，以满足不同领域的需求。另一方面，对氢键作用的研究能够为低共熔溶剂在实际应用中的工艺优化提供指导，提高其使用效率和效果，促进其从实验室研究向工业化应用的转化。

1.2国内外研究现状

在国外，低共熔溶剂的概念最早由英国的Abbott教授于2003年提出，其团队制备出由氯化胆碱与尿素组成的低共熔溶剂，自此开启了对低共熔溶剂，包括胆碱类低共熔溶剂的研究热潮。早期研究多集中于低共熔溶剂的制备与基本性质表征。例如，通过实验测定不同胆碱类低共熔溶剂的熔点、密度、粘度、电导率等物理化学性质，探究了不同氢键供体和受体组合对其性质的影响。随着研究的深入，对其应用领域的探索逐渐展开，在有机合成中作为反应介质，发现其能提高某些反应的选择性和产率；在萃取分离领域，用于金属离子、有机物等的萃取，展现出独特的分离效果。

在国内，对胆碱类低共熔溶剂的研究起步稍晚，但发展迅速。众多科研团队在低共熔溶剂的合成方法优化、性能改进以及新应用领域拓展等方面取得了一系列成果。通过改进合成工艺，实现了低共熔溶剂更高效、更绿色的制备；在生物质转化领域，利用胆碱类低共熔溶剂溶解和预处理生物质，提高了生物质转化效率。

在氢键作用研究方面，国外科研人员较早运用光谱学技术，如红外光谱（FT-IR）、核磁共振光谱（NMR）等，对胆碱类低共熔溶剂组分间的氢键作用进行分析。通过FT-IR光谱中特征吸收峰的位移和强度变化，初步判断氢键的形成及强度；利用NMR技术，从化学位移等信息深入探究氢键对分子环境的影响。同时，理论计算方法如分子动力学模拟（MD）、量子化学计算也被广泛应用，从微观角度揭示氢键作用机制、计算氢键键能等。国内研究则在此基础上，进一步拓展了研究体系和深度。通过多种表征技术联用，更全面准确地分析氢键作用；在理论计算方面，结合国内高性能计算资源，开展大规模、高精度的计算研究，深入探讨不同结构的氢键供体和受体在形成低共熔溶剂时氢键作用的差异及其对宏观性质的影响。

然而，目前国内外对胆碱类低共熔溶剂组分间氢键作用的研究仍存在一些不足之处。一方面，在实验表征方面，虽然现有光谱和波谱技术提供了重要信息，但对于一些复杂体系中氢键的动态变化过程，如在不同温度、压力等条件下氢键的形成与断裂过程，缺乏实时、原位的监测手段，难以全面准确地捕捉氢键的动态行为。另一方面，在理论计算领域，尽管分子动力学模拟和