研究背景與理論

2-1 離子液體的介紹

2-1-1 離子液體的定義

離子液體是由陰離子和陽離子所構成的有機熔融鹽類，和無機鹽

類(如氯化鈉)的主要差異在於離子液體的陽離子為不對稱有機離

子，且陰陽離子在大小或形狀上差異甚大，無法形成整齊的晶格排列 所以熔點較一般無機鹽類降低許多²⁴，如表2-1⁶，一般將熔點低於 100℃ 的 熔 融 鹽 類 稱 為 室 溫 離 子 液 體 (Room Temperature Ionic Liquids,RTILs)，簡稱離子液體(ILs)。

表 2-1 不 同 氯 化 物 之 熔 點 ⁶

離子液體可經由特定陰離子和陽離子，透過不同組合方式可高達 一兆種，常見陽離子如圖2-1⁶，改變陰離子與陽離子的組成，可得到 具有不同性質的離子液體。因此離子液體又被稱作是「具設計性的溶 劑」(designer solvent)。一般常見的離子液體陰離子有

bis[(trifloromethyl)sulfonyl]amide [(CF₃SO₂)₂N]^-、ethanoate(CH₃CO₂^-)、

halide(Br^-,Cl^-,I^-)、hexafluorophosphate(PF₆^-)、tetrafluoroborate(BF₄^-)、

trifluoroethanoate(CF₃CO₂^-)、及trifluoromethylsulfonate(CF₃SO₃^-)。

圖2- 1 常見離子液體的陽離子⁶

不同形式的離子液體在物性和化性上有相當大的差異，其基本的

合成實驗流程如圖2-2⁸，這些合成的步驟都不算難，經過簡單的合成 步驟後即可得到多樣化的離子液體。

圖 2- 2 離子液體合成步驟⁸

2-1-2 離子液體的發展

第一個被發現的離子液體是 ethylammonium nitrate

([EtNH₃]NO₃) ，在 1914 年時被合成出來²⁶，然而，其本身容易潮解，

無法在普通環境下安定存在，所以在其後數十年離子液體的發展並未 有重大突破，之後在1951 年時 Hurley 發展出有機鋁離子液體

N-ethylpyridinium bromide- aluminium chloride ([EtPy]Br-AlCl

3)，並拿 來當作電鍍鋁的浸漬液¹⁷，到了1970 年代 Osteryoung 和 Wilkes 成功 製備出一系列氯化鋁陰離子的融鹽(chloroaluminate melts)¹⁸，開啟了 離子液體被大量應用在電化學的領域，陸續有離子液體的應用被發展

出來。直到1992 年，Wilkes 研究團隊將 AgBF₄加入[Emim][I]反應後，

發展出咪唑(imidazolium)型陽離子所組成的離子液體

[Emim][BF4]¹⁹，這種離子液體在空氣及水中都相當安定，使得由此類 陽離子所組成的離子液體在應用方面引起重視²⁰，而往後所發展的離 子液體也皆以此種類為主，近二十年來離子液體的相關文獻逐年快速 成長，所以離子液體也被稱為二十一世紀新興的有機溶劑。

2-1-3 離子液體的物理及化學性質

離子液體是離子態的有機鹽類，具有熔點低、蒸氣壓極低、不 可燃性、可設計性、寬廣的電化學電位窗口(potential window)、良好 的導電與導熱性、範圍很廣的黏性與工作範圍（亦即熔點、沸點差異 大）、並可與不同類型的化合物進行媒合作用(solvation interaction) 等特殊性質，使得離子液體應用範圍非常廣泛。

在應用離子液體時，熔點是一個很重要的參考指標，而離子液體 的熔點受陽離子的對稱性影響很大，對稱性差會使得晶體無法整齊的 排列，而造成熔點下降，若分子間有氫鍵作用力則會使熔點增高。另 外，陰離子的種類也會影響熔點，一般來說，陰離子團愈大則晶格愈 無法整齊排列，而造成熔點愈低。常 用 咪 唑 鹽 類(imidazolium)的 離 子 液 體 熔 點 ， 如 表2-2⁷。

表 2-2 咪 唑 鹽 類 的 離 子 液 體 熔 點 ⁷

離子液體的性質會隨著陽離子和陰離子形式而有所不同，若單純 改變陽離子上烷基的碳鏈長度可影響有機物在離子液體中的溶解 度，例如 1-octene 對於不同的 tri-n-alkylmethylammonium tosylate melts，其溶解度隨著 n 變大而增加⁷⁶；另外在利用冠狀醚（crown ether）

萃取鹼金屬到 1-alkyl-3-methyl-imidazolium hexafluorophosphate 時，

其萃取效果會隨著烷基碳鏈長度愈長而愈好⁷⁴。離子液體的密度與陽 離子團的大小較有關，一般來說，陽離子團愈大，密度相對減小，而 離 子 液 體 的 密 度 範 圍 則 在 1.0 到 1.6 g/cm³之 間 ¹；至於離子液體 的黏度主要取決於離子液體分子間形成氫鍵的趨勢，及凡得瓦耳力的

強弱而定，當陽離子上碳鏈越長則凡得瓦耳力越大，造成黏度越大，

圖2-3 常見離子液體陰離子之改變與疏水性變化 ²⁴

化學家利用empirical solvent polarity scales 此種方式可初步顯示 大部分的離子液體擁有與與短碳鏈醇類相似的極性^22,25。由於單純使 用極性來解釋離子液體的特性，並無法解釋為何不同組合的陰陽離子 所構成的離子液體，會表現出不同的行為^5,25,27，於是便有學者試著 用Abraham 提出的“溶劑化參數模型”(solvation parameter model)²⁸，來 表示離子液體和溶質之間的作用力²⁸，在這個model 裡，考慮到了每 一種媒合作用力的參數，其方程式如下:

ln k = c + rR2 + sπ2H + aα2H + bβ2H +l logL

r、s 、 a 、 b 、 l 分別代表離子液體和溶質π電子和非鍵結電子之間

作用的能力、離子液體的偶極矩（dipolarity）或極化程度

（polarizability）、氫鍵鹼度（hydrogen-bond basicity,接受氫鍵的能 力）、氫鍵酸度（hydrogen-bond acidity,提供氫鍵的能力）、分散力

（dispersion forces）。藉由個別的作用力參數，可以較為成功地描述

離子液體的特性，有助於了解離子液體的結構與其性質之間的關聯 性，以期將離子液體應用在不同的領域。

近年來，一些具有特殊功能性的離子液體也陸續被合成出來，例 如: 利用胺基酸作為陰離子的離子液體²⁹以及含DNA離子液體等等

30。也有文獻提出帶有金屬磁性的離子液體³¹，他們推測此種物質為

非固體亦非液體的狀態，若進一步獲得證實，此種新物質狀態可能推 翻一般所認為的物質三態。

2-1-4 離子液體的應用

離子液體是由離子鍵所形成的化合物，大部分的離子液體都具有 不錯的導電度及寬廣的電位窗(potential window) ，可將其應用在電化 學領域，[C₃H₇(CH₃)₃N][(CF₃SO₂)₂N]用玻璃碳電極掃引時其電位窗可 達5.7 V⁴，算是具有相當寬廣的電位窗。

離子液體具有高黏度、高熱穩定性、對化合物有多種作用力及容 易填充在管柱中等作為GC 靜相所需的條件 ^26,32，具有可分離極性與 非極性物質的雙重性質（dual-nature）^32,33；選擇適當的離子液體作靜 相，甚至可有效分離acetylated amines 、chiral alcohols、chiral

epoxides、chiral sulfoxides 等鏡像異構物^34,35。應用於質譜方面，離子 液體的不揮發性、可吸收雷射光而不分解、可溶解生物樣品寡糖、蛋

白質和高分子等優點，使其可用來作為MALDI 的基質，以提升離子 化的效果。利用傳統MALDI 基質 CHCA（α-cyano-4-hydroxycinnamic acid)）形成的離子液體，可有效提高訊號強度、降低偵測極限 ³⁶。有 機合成方面，離子液體具有提高有機反應選擇性和產率的特性，以及 可與催化劑形成共催化劑，增加催化的活性、選擇性與穩定性等特 點，例如將離子液體作為兩相催化系統（biphasic catalysis system）中 的有機層，在離子液體中進行Diels-Alder 反應，可選擇性地反應生 成endo 產物，再把催化劑從離子液體中回收，可繼續進行催化⁵。 離子液體可藉由陰離子的改變而調整成其疏水性，在液相/液相 萃取佔有很大優勢。在離子液體中加入冠醚類(crown ether)分子作為 萃取劑，萃取重金屬離子 ³⁷、胺基酸 ⁴⁰以及蛋白質細胞色素 c^12,39;也 有研究直接在陽離子上修飾上硫醚、硫脲等官能基，形成帶有特定功 能 的 離 子 液 體 來 萃 取 Hg²⁺、Cd²⁺⁴¹， 這 類 的 離 子 液 體 又 稱 為 task-specific ILs。用離子液體當介質，可將奈米金和奈米棒從水相轉 移到離子液體相⁴²。

離子液體的應用已是綠色化學研究的一環，其多樣的性質與廣泛 的應用範圍再加上環保意識的覺醒，使得近年來各界關於離子液體的 研究與日俱增，在未來具有良好的發展性。

2-2 蛋白質萃取方法

2-2-1 雙水相溶劑系統

雙水相溶劑系統是瑞典的 Albertson 於 1958 年所提出⁴³，在水溶 液中加入兩種物化性質相異之高分子聚合物(如：polyethylene

glycol、Dextran)或鹽類(如：磷酸鹽、檸檬酸鹽)，這些不同性質之 大分子分別與水分子產生交互作用力而形成兩相。利用化合物與兩水 相分子間不同作用力產生分配(partition)行為而達純化分離的效果。

化合物分子在兩相的分配情形受許多因素所影響，主要包括緩衝液濃

度^44,45、溶液酸鹼值⁴⁶、溫度 ⁴⁵高分子聚合物種類 ⁴⁴等。

雙水相溶劑系統因操作方法簡單、所需成本低廉、操作條件溫 和、分離步驟少、生物分子活性保存佳，且不需使用有機溶劑，所以 廣泛的被應用在蛋白質、核酸等生物分子的萃取分離及純化上⁴⁴;另 外也曾在逆流層析儀(countercurrent chromatography) 中使用，進行製 備型的分離^47,48。

2-2-2 反微胞萃取法

所謂反微胞萃取法，是利用界面活性劑溶於有機溶劑後形成疏水 基團朝外，親水端朝內的反微胞，為一個可包圍水分子的團狀結構，

中央形成水核，再藉由反微胞將溶於水溶液中極性大的分子萃取至有 機溶劑中，然後再反萃取至另一水溶液中，以達到分離純化的目的；

反微胞萃取法具有分離大量樣品的能力外及分離後能保有生物分子 的活性，使其備受矚目，因此已有文獻發表利用反微胞萃取法來分離

蛋白質^49,50或胺基酸^51,52。

萃取物在水相及反微胞的分佈，會受到水溶液的狀態所影響，如 pH 值、離子種類、或離子強度（ionic strength）。此外，萃取物的性 質，或是萃取時的溫度，亦會影響反微胞萃取的效率。

（1）pH 值

水溶液的pH 值會影響蛋白質表面的電荷分佈（charge distribution over the protein surface），而蛋白質表面電荷與界面活性劑親水基之間 的靜電作用力(electrostatic interactions)決定了反微胞萃取法的效率。

使用陰離子型界面活性劑萃取蛋白質，水溶液的pH 值需要小於蛋白 質的等電點（isoelectric point, pI）⁵³；反之，使用陽離子型界面活性 劑，水溶液 pH 值則需要大於蛋白質等電點⁵⁴。若使用非離子型的界 面活性劑，靜電作用力的影響便不大，一般認為是水溶性分子疏水基 部分和界面活性劑上的疏水基之間產生凡得瓦爾作用力，而達到萃取

目的 ^55,56，所以在萃取時較不受 pH 值影響，對蛋白質傷害也比較小

57，因此適合用在生物分子上。另外當蛋白質處於過酸或過鹼的水溶 液中，會使蛋白質變性（denaturation）,造成反微胞萃取上的困難⁴⁹， 並且導致蛋白質的活性喪失。

（2）離子種類及離子強度

當水溶液的離子強度增加時，界面活性劑親水基與蛋白質表面之 間產生遮蔽效應（Debye screening effect），造成蛋白質與界面活性劑

當水溶液的離子強度增加時，界面活性劑親水基與蛋白質表面之 間產生遮蔽效應（Debye screening effect），造成蛋白質與界面活性劑

在文檔中 應用親和性染料剛果紅於離子液體中萃取蛋白質 (頁 18-38)