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【COSMOlogic应用实例】华东理工漆志文教授成果展示:双相体系提高脱臭馏分中维生素E萃取选择性:COSMO-RS和实验研究
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【COSMOlogic应用实例】华东理工漆志文教授成果展示:双相体系提高脱臭馏分中维生素E萃取选择性:COSMO-RS和实验研究

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热力学性质(溶解度、粘度等)
分类
COSMOlogic

摘要:

为提高脱臭馏出物对维生素E(VE)的选择性,建立了以有机化学溶剂和四丁基氯化铵([n4,4,4,4]Cl)为溶剂的双相萃取体系。 有机溶剂用于提取脱臭馏出物的主要成分(亚油酸甲酯),而有机盐通过原位形成深层共晶溶剂来选择性提取VE。 采用COSMO-RS模型对酯类、芳烃类和烷烃类三种有机溶剂进行了分析,筛选出了与亚油酸甲酯相互作用较强、与[n4,4,4,4]Cl溶解度较低的己烷,并从σ廓线和σ势的角度说明了其适宜性。 两相实验表明,两相体系显著提高了一次萃取VE的选择性,并对溶剂用量和VE初始浓度等重要操作参数进行了分析。

引言:

维生素E(VE)作为一种重要的脂溶性抗氧化剂,被广泛应用于化妆品、药品、食品等生活相关产品中,天然维生素E因其在膳食安全性和生物活性方面的优势而受到比合成维生素E更多的关注。甲基化油脱臭馏出物(MODD)天然VE源中主要存在脂肪酸甲酯(FAME)和VE两种化合物,其中VE以四种异构分子结构存在,其浓度在2%~20%之间。

 

为了提高亚油酸甲酯对VE的选择性,有机化学溶剂和盐溶剂双相萃取体系是一种有效的方法VE(α-生育酚)具有酚−OH基团是弱氢键(HB)供体,而亚油酸甲酯是弱氢键受体。

 

在这项工作中,利用COSMO-RS评价了三种有机溶剂,包括酯、芳烃和烷烃,它们与亚油酸甲酯的相互作用以及它们溶解有机盐[n4,4,4,4]Cl的能力。 然后进行了双相萃取和溶解度实验来验证COSMO-RS的预测。

 

预测与实验方法

COSMO-RS计算。COSMO-RS是一个完全预测模型,仅依赖分子信息,不需要任何实验数据。26,27利用COSMO-RS计算分子相互作用和预测溶解度有助于筛选出最合适的有机溶剂。18,19COSMO-RS计算使用COSMOthermX(COSMOlogic GmbH&Co.KG,版本C3.0,版本14.01)在BP86/TZVP级别上使用参数文件BP_TZVP_C30_1401.ctd。本研究中涉及的所有化合物的.cosmo文件均取自数据库。28,29基于cosmo文件,该软件可以应用统计热力学原理来计算分子能量,包括静电失配、氢键(HB)和范德华相互作用。静电(Emisfit)和氢键(EHB)被描述为两个相互作用的表面段σ和σ或σ受体和σ供体的极化电荷的函数,如果这些段位于氢键供体或受体原子上。较少具体的范德华(EvdW)相互作用被考虑在一个稍微更近似的方式。

 

结果与讨论

从图1a可以看出,亚油酸甲酯与有机溶剂之间的范德华相互作用以烷烃的范德华相互作用略强于酯和芳烃。另一方面,对于所有有机溶剂,失配相互作用能均为正值,表明与亚油酸甲酯存在排斥静电相互作用。但有机溶剂之间的错配相互作用能存在较大差异。烷烃与亚油酸甲酯的排斥静电相互作用较弱,其正电位小于芳烃和酯。结果表明,当3个COSMO-RS描述符相加时,亚油酸甲酯与亚油酸甲酯的总相互作用强度依次为烷烃和gt;芳烃比;酯,如图1b所示。

 

它们之间的强相互作用表明亚油酸甲酯更倾向于分布在溶剂相中而不是DES相中。

为了验证COSMO-RS相互作用分析预测的结果,进行了双相萃取实验。以乙酸正丙酯、碳酸二甲酯、甲苯、乙苯、正己烷、正庚烷、正辛烷等7种有机溶剂为典型酯类、芳烃类、烷烃类。如图2所示,DES相和溶剂相中BMe的变化规律为烷烃<芳烃<酯。需要注意的是,根据eq4的定义,BMe值越小,说明亚油酸甲酯更容易分布在溶剂相中,更有利于双相萃取。实验结果与COSMO-RS的相互作用分析结果吻合较好;即烷烃与亚油酸甲酯相互作用较强,因此亚油酸甲酯的分配系数较小。因此,烷烃作为溶剂相在双相萃取中具有较好的应用前景。

由图3可知,数值越大,[N4,4,4,4]Cl在有机溶剂中的溶解度越大,因此酯类和芳烃的[N4,4,4,4]Cl的溶解度比烷烃好,且随着温度的升高,这种溶解度会增强。

从图4可以看出,当温度从30℃增加到55℃时,[N4444]Cl在甲苯中的溶解度在1376~1904mg/L之间变化。相比之下,[n4,4,4,4]Cl在己烷中的溶解度极低,仅在23到123毫克/升。

图5和图6分别绘制了亚油酸甲酯、己烷、甲苯、碳酸二甲酯和[n4,4,44]Cl的σ-剖面和o-势。从图5可以看出,亚油酸甲酯的o型线主要分布在非极性区域,有一个较大的峰是由于亚油酸甲酯中烷基链较长而产生的。亚油酸甲酯的HBA区有一个小峰分布在O原子上,表明其HBA能力较弱。由图6可知,亚油酸甲酯的σ-势在非极性区域为负值,表明其对非极性表面具有较强的亲和性;同时,其在HBD区域为负值,而在HBA区域为正值,说明其与HBD的亲和性较弱,但具有排斥作用与HBA的交互。

如图7a所示,当己烷用量从0增加到2.0时,α-生育酚(βα)的分配系数从2.97增加到5.25,亚油酸甲酯(βMe)的分配系数从0.10下降到0.07。根据定义,高βα和低βMe有利于提高对α生育酚(Sα)的选择性。

从图7b可以看出,提取比从88.9%略微降低到71.5%,这是由于DES相中α生育酚的含量从3.89%降低到3.20%,如图8所示。生育酚与亚油酸甲酯两相浓度比的变化如图8a所示。随着己烷用量的增加,DES相的浓度比从0.40显著增加到2.24,约为单纯原位缔合萃取的5.6倍。相反,有机溶剂相的浓度比略有增加,从0.013增加到0.03。

生育酚初始浓度对模型油的影响。研究了模型油中α-生育酚初始浓度对α-生育酚配系数、选择性和提取率的影响。如图9所示,随着α-生育酚浓度从2%增加到18%。

总结:

结论采用COSMO-RS理论研究了酯类、芳烃类和烷烃类三种有机溶剂与亚油酸甲酯的相互作用以及[N4444]Cl的溶解度。预测的COSMO-RS相互作用和溶解度与实验结果有较好的定性吻合。选择与亚油酸甲酯相互作用较强、溶解[N4444]Cl较少的烷烃形成双相体系。σ-谱和σ-势的分析表明,正己烷的非极性性质导致其与亚油酸甲酯的强相互作用和[N4444]Cl的低溶解度。实验验证了以己烷为溶剂的双相体系对VE的选择性增强,且随着己烷用量和油中VE的初始浓度的增加,萃取VE的选择性有所提高。

 

文章详情:DOI:10.1021/acssuschemeng.8b00474 ACS Sustainable Chem. Eng. 2018, 6, 5547−5554

 

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