3.10.1　氨基酸稀溶液的絡合萃取

氨基酸是一種具有兩性官能團的物質。所有的氨基酸都有一個α-氨基、一個α-羧基及一個側鏈。根據側鏈基團的不同，氨基酸可以分為3類：酸性氨基酸、堿性氨基酸和中性氨基酸。氨基酸分子的凈電荷符號和各類存在形態摩爾分數的大小是隨溶液的pH值變化而變化的。

溶劑萃取是一種從水溶液中提取和純化物質的傳統的單元操作。近年來，在氨基酸萃取分離方面，許多新的萃取技術的應用研究，如離子交換反應萃取、反相膠團萃取、液膜分離等，開展得十分活躍。

人們采用了兩種形式的離子交換反應萃取。一種是在低pH下萃取氨基酸陽離子^［98］，另一種是在高pH下萃取氨基酸陰離子^［99］。酸性磷氧類萃取劑，如二（2-乙基己基）磷酸（P204）和季銨鹽，如甲基三辛基氯化銨（TOMAC）是典型的陽離子交換萃取劑和陰離子交換萃取劑。

Nato等^［100］研究了高pH范圍內，TOMAC對各種氨基酸的萃取平衡。氨基酸陰離子和季銨鹽陰離子之間發生離子交換。不同氨基酸的萃取平衡常數有很大的差異。對色氨酸所獲得的萃取平衡常數最大。它是甘氨酸萃取平衡常數的260倍。

Haensel等^［99］用TOMAC作載體對D，L-苯丙氨酸的反應萃取作了平衡研究。由于緩沖離子與OH-的競爭萃取，平衡常數受到初始pH值的影響。另外氨基酸的濃度越低，季銨鹽濃度對分配系數的影響就越大。在實驗室規模的脈沖篩板塔中，氨基酸反應萃取實驗結果表明^［101］，由于季銨鹽具有較高的表面活性，使脈沖篩板塔中的反應萃取操作限制在兩相通量較低以及振幅、頻率較低的范圍之內，脈沖篩板塔的效率較低。

20世紀80年代以來，二（2-乙基己基）磷酸（P204）萃取氨基酸的研究開始見諸報道^{［98，102～108］}。Liao等^［107］研究了二（2-乙基己基）磷酸-煤油萃取異亮氨酸。Teramoto等^［98］研究了二（2-乙基己基）磷酸-苯萃取9種氨基酸水溶液，確定了萃合物中氨基酸與二（2-乙基己基）磷酸結合的分子比。Shi等^［108］考察了二（2-乙基己基）磷酸-正庚烷萃取色氨酸時的萃取劑濃度、氨基酸初始濃度、pH值及離子強度等因素對萃取平衡的影響。他們對于氨基酸萃取機理的分析局限于陽離子交換，研究的pH值范圍一般為pH<3。

劉陽生等^{［109～113］}以二（2-乙基己基）磷酸（P204）-正辛烷及P204-正辛醇為萃取劑，L-苯丙氨酸、L-異亮氨酸和L-色氨酸為分離對象，研究了P204濃度、氨基酸初始濃度以及萃取平衡pH值對分配系數的影響。依據研究結果提出，二（2-乙基己基）磷酸（P204）萃取α-氨基酸過程中同時存在質子轉移反應和離子交換反應，為萃取分離荷電中性分子A^±開辟了新的工藝途徑。

L-苯丙氨酸是中性氨基酸，有一個α-氨基，一個α-羧基及一個側鏈。在水溶液中，L-苯丙氨酸存在兩個解離平衡，其中，pK_a1=1.83，pK_a2=9.13^［114］。圖3-45（a）～（d）^{［109，110］}給出了P204-正辛烷體系中不同萃取劑濃度和不同-苯丙氨酸初始濃度下分配系數D值與水相平衡pH關系的典型實驗結果。從圖中可以看出，萃取劑濃度一定時，D隨pH值的增大而增大，當3.5<pH<5時，D值的變化不很明顯，隨著萃取劑濃度的增加，D值逐漸增大。

在實驗研究的pH范圍內，水溶液中的L-苯丙氨酸主要以A⁺及A^±的形式存在，A-則可以忽略。3.5<pH<5時，溶液中A^±摩爾分數在93％以上，A⁺卻很少。實驗發現，當3.5<pH<5時，分配系數D值比1<pH<3.5時更大。因而，P204對A^±的萃取必須考慮。分析荷電中性分子A^±的結構特征不難發現，它是分子內兩性官能團之間質子轉移的結果。萃取有機相中Lewis酸性絡合劑P204的存在有可能實現絡合劑和荷電中性分子（A^±）之間的質子轉移，形成絡合劑與溶質的離子對型萃合物。實驗中P204-正辛烷體系負載溶質的有機相紅外譜圖的分析結果也證實了這一點。水相pH值為1.39，2.55，3.39和3.85時，從與之平衡的負載L-苯丙氨酸的有機相紅外譜圖中可以發現，反映萃合物結構的特征峰與樣品達到相平衡的pH條件無關。同時，從水相pH值為3.85的有機相樣品紅外譜圖與L-苯丙氨酸、空白有機相的紅外譜圖對照可以看出，L-苯丙氨酸譜圖中1409.9cm^-1，1560.3cm^-1處—COO^-特征峰在萃取相的紅外譜圖中消失，而在1735.8cm^-1處出現了—COOH的特征峰。同時L-苯丙氨酸譜圖中基團的變形振動峰1494.7cm^-1在萃取相的譜圖中向高波數位移至1498.6cm^-1。這是由于基團與—（C₈H₁₇O）₂P（O）O^-結合成離子對后，受到—（C₈H₁₇O）₂P（O）O-的影響，使該基團特征峰移向高波數。根據以上分析，可以認為在實驗研究的pH范圍內，P204萃取L-苯丙氨酸同時存在絡合劑與A⁺的離子交換反應和絡合劑與A^±的質子轉移反應，生成相同結構的萃合物。

利用L-苯丙氨酸的萃取平衡數據，采用雙對數坐標法進行處理，發現L-苯丙氨酸在P204-正辛烷體系中形成萃合物的萃合比均為2:1（P204二聚體:L-苯丙氨酸）。兩種萃取反應平衡可以表示為

　　 （3-74） 　　

　　 （3-75） 　　

　　 （3-76） 　　

式中，代表P204的二聚體（上劃線代表有機相內組分）。若以表示2:1的萃合物，則萃取平衡常數可以表示為：

分配系數D可以表示為：

　　 （3-77） 　　

式中，ф為正辛烷在萃取劑中的體積分數；m為正辛烷對L-苯丙氨酸的物理分配系數。由實驗數據優化擬合，對于P204-正辛烷體系，K₂₁=12.77L²/mol²。若L-苯丙氨酸在水相的初始濃度為c₀，P204在有機相的初始濃度為［B］₀，可以利用所獲K₂₁值由式（3-78）、式（3-79）和式（3-77）求算出相比為1:1時不同初始濃度的L-苯丙氨酸的分配系數D值與pH值的關系。

　　 （3-78） 　　

　　 （3-79） 　　

圖3-45（a）～（d）中的實線代表分配系數的計算值。可以看出，D值關聯式的擬合精度是令人滿意的。

二（2-乙基己基）磷酸（P204）-正辛烷及P204-正辛醇萃取L-異亮氨酸^［111］和L-色氨酸^{［112，113］}的研究結果同樣表明，萃取有機相中Lewis酸性絡合劑P204的存在有可能實現絡合劑和荷電中性分子（A^±）之間的質子轉移，形成絡合劑與溶質的離子對型萃合物，萃取過程中同時存在質子轉移反應和離子交換反應。