3.10.1　氨基酸稀溶液的络合萃取

氨基酸是一种具有两性官能团的物质。所有的氨基酸都有一个α-氨基、一个α-羧基及一个侧链。根据侧链基团的不同，氨基酸可以分为3类：酸性氨基酸、碱性氨基酸和中性氨基酸。氨基酸分子的净电荷符号和各类存在形态摩尔分数的大小是随溶液的pH值变化而变化的。

溶剂萃取是一种从水溶液中提取和纯化物质的传统的单元操作。近年来，在氨基酸萃取分离方面，许多新的萃取技术的应用研究，如离子交换反应萃取、反相胶团萃取、液膜分离等，开展得十分活跃。

人们采用了两种形式的离子交换反应萃取。一种是在低pH下萃取氨基酸阳离子^［98］，另一种是在高pH下萃取氨基酸阴离子^［99］。酸性磷氧类萃取剂，如二（2-乙基己基）磷酸（P204）和季铵盐，如甲基三辛基氯化铵（TOMAC）是典型的阳离子交换萃取剂和阴离子交换萃取剂。

Nato等^［100］研究了高pH范围内，TOMAC对各种氨基酸的萃取平衡。氨基酸阴离子和季铵盐阴离子之间发生离子交换。不同氨基酸的萃取平衡常数有很大的差异。对色氨酸所获得的萃取平衡常数最大。它是甘氨酸萃取平衡常数的260倍。

Haensel等^［99］用TOMAC作载体对D，L-苯丙氨酸的反应萃取作了平衡研究。由于缓冲离子与OH-的竞争萃取，平衡常数受到初始pH值的影响。另外氨基酸的浓度越低，季铵盐浓度对分配系数的影响就越大。在实验室规模的脉冲筛板塔中，氨基酸反应萃取实验结果表明^［101］，由于季铵盐具有较高的表面活性，使脉冲筛板塔中的反应萃取操作限制在两相通量较低以及振幅、频率较低的范围之内，脉冲筛板塔的效率较低。

20世纪80年代以来，二（2-乙基己基）磷酸（P204）萃取氨基酸的研究开始见诸报道^{［98，102～108］}。Liao等^［107］研究了二（2-乙基己基）磷酸-煤油萃取异亮氨酸。Teramoto等^［98］研究了二（2-乙基己基）磷酸-苯萃取9种氨基酸水溶液，确定了萃合物中氨基酸与二（2-乙基己基）磷酸结合的分子比。Shi等^［108］考察了二（2-乙基己基）磷酸-正庚烷萃取色氨酸时的萃取剂浓度、氨基酸初始浓度、pH值及离子强度等因素对萃取平衡的影响。他们对于氨基酸萃取机理的分析局限于阳离子交换，研究的pH值范围一般为pH<3。

刘阳生等^{［109～113］}以二（2-乙基己基）磷酸（P204）-正辛烷及P204-正辛醇为萃取剂，L-苯丙氨酸、L-异亮氨酸和L-色氨酸为分离对象，研究了P204浓度、氨基酸初始浓度以及萃取平衡pH值对分配系数的影响。依据研究结果提出，二（2-乙基己基）磷酸（P204）萃取α-氨基酸过程中同时存在质子转移反应和离子交换反应，为萃取分离荷电中性分子A^±开辟了新的工艺途径。

L-苯丙氨酸是中性氨基酸，有一个α-氨基，一个α-羧基及一个侧链。在水溶液中，L-苯丙氨酸存在两个解离平衡，其中，pK_a1=1.83，pK_a2=9.13^［114］。图3-45（a）～（d）^{［109，110］}给出了P204-正辛烷体系中不同萃取剂浓度和不同-苯丙氨酸初始浓度下分配系数D值与水相平衡pH关系的典型实验结果。从图中可以看出，萃取剂浓度一定时，D随pH值的增大而增大，当3.5<pH<5时，D值的变化不很明显，随着萃取剂浓度的增加，D值逐渐增大。

在实验研究的pH范围内，水溶液中的L-苯丙氨酸主要以A⁺及A^±的形式存在，A-则可以忽略。3.5<pH<5时，溶液中A^±摩尔分数在93％以上，A⁺却很少。实验发现，当3.5<pH<5时，分配系数D值比1<pH<3.5时更大。因而，P204对A^±的萃取必须考虑。分析荷电中性分子A^±的结构特征不难发现，它是分子内两性官能团之间质子转移的结果。萃取有机相中Lewis酸性络合剂P204的存在有可能实现络合剂和荷电中性分子（A^±）之间的质子转移，形成络合剂与溶质的离子对型萃合物。实验中P204-正辛烷体系负载溶质的有机相红外谱图的分析结果也证实了这一点。水相pH值为1.39，2.55，3.39和3.85时，从与之平衡的负载L-苯丙氨酸的有机相红外谱图中可以发现，反映萃合物结构的特征峰与样品达到相平衡的pH条件无关。同时，从水相pH值为3.85的有机相样品红外谱图与L-苯丙氨酸、空白有机相的红外谱图对照可以看出，L-苯丙氨酸谱图中1409.9cm^-1，1560.3cm^-1处—COO^-特征峰在萃取相的红外谱图中消失，而在1735.8cm^-1处出现了—COOH的特征峰。同时L-苯丙氨酸谱图中基团的变形振动峰1494.7cm^-1在萃取相的谱图中向高波数位移至1498.6cm^-1。这是由于基团与—（C₈H₁₇O）₂P（O）O^-结合成离子对后，受到—（C₈H₁₇O）₂P（O）O-的影响，使该基团特征峰移向高波数。根据以上分析，可以认为在实验研究的pH范围内，P204萃取L-苯丙氨酸同时存在络合剂与A⁺的离子交换反应和络合剂与A^±的质子转移反应，生成相同结构的萃合物。

利用L-苯丙氨酸的萃取平衡数据，采用双对数坐标法进行处理，发现L-苯丙氨酸在P204-正辛烷体系中形成萃合物的萃合比均为2:1（P204二聚体:L-苯丙氨酸）。两种萃取反应平衡可以表示为

　　 （3-74） 　　

　　 （3-75） 　　

　　 （3-76） 　　

式中，代表P204的二聚体（上划线代表有机相内组分）。若以表示2:1的萃合物，则萃取平衡常数可以表示为：

分配系数D可以表示为：

　　 （3-77） 　　

式中，ф为正辛烷在萃取剂中的体积分数；m为正辛烷对L-苯丙氨酸的物理分配系数。由实验数据优化拟合，对于P204-正辛烷体系，K₂₁=12.77L²/mol²。若L-苯丙氨酸在水相的初始浓度为c₀，P204在有机相的初始浓度为［B］₀，可以利用所获K₂₁值由式（3-78）、式（3-79）和式（3-77）求算出相比为1:1时不同初始浓度的L-苯丙氨酸的分配系数D值与pH值的关系。

　　 （3-78） 　　

　　 （3-79） 　　

图3-45（a）～（d）中的实线代表分配系数的计算值。可以看出，D值关联式的拟合精度是令人满意的。

二（2-乙基己基）磷酸（P204）-正辛烷及P204-正辛醇萃取L-异亮氨酸^［111］和L-色氨酸^{［112，113］}的研究结果同样表明，萃取有机相中Lewis酸性络合剂P204的存在有可能实现络合剂和荷电中性分子（A^±）之间的质子转移，形成络合剂与溶质的离子对型萃合物，萃取过程中同时存在质子转移反应和离子交换反应。