1 前言

N-羟基丁二酰亚胺，英文名N-Hydroxysuccinimide，别名N-羟基琥珀酰亚胺，简称HOSU或NHS，分子式C₄H₅NO₃，是一种含氮杂环类化合物，在医药方面有着广泛的用途^{[1, 2]}，常用于制备活性酯，如苄基-N-琥珀酰亚胺碳酸酯和9-芴甲酰基-N-琥珀酰亚胺碳酸酯等，它们用于多肽的合成可以防止氨基酸或多肽发生外消旋^{[3, 4]}。但是，在多肽的合成中使用的这些活性酯，在反应以后又返回到HOSU而存在于水相反应废液中^[5]，含量为1.5~3 kg·(100 L)^-1。目前这些废水中含有的HOSU均没有回收，导致大量的HOSU浪费，也给废水处理增加了负担。

HOSU在废水中没有回收的原因是因为缺少合适的回收方法，虽然HOSU的用量每年在上升，但并没有文献报道HOSU在这些多肽合成废水中的回收。考虑到HOSU具有弱酸的性质，参考有关从水溶液中提取有机酸的文献^[6~9]，针对HOSU水溶液的特点，本文研究以三辛胺(TOA)为络合剂萃取分离的方法，考察几种稀释剂，两相相比、萃取温度、盐析剂等工艺条件对萃取过程的影响以及多级错流萃取下的萃取率，讨论相应的萃取机理，根据络合萃取过程的数学模型，对25℃下HOSU在油水两相中的萃取相平衡实验数据进行模拟，研究结果可为工业萃取分离提取HOSU的装置和操作提供理论基础和设计数据。

2 实验部分 2.1 实验原料与仪器

HOSU由江苏省东台市东靖医化科技有限公司提供(含量99%以上)。TOA(95%)和磺化煤油(AR)购于麦克林试剂公司，磷酸三丁酯、氯化钠、硝酸钠、正辛醇、正丁醇、均为AR级，购于国药集团化学试剂有限公司。

2.2 实验装置及操作

萃取实验在带夹套保温的500 mL烧杯和250 mL分液漏斗中进行，采用超级恒温槽(河南豫华仪器)控制温度，温度变化范围为±0.1℃。

实验中，根据研究内容配制一定浓度的含有HOSU的水相和含有萃取剂TOA的有机相，通常取20 mL水相和相应体积的有机相于100 mL烧杯中，将此100 mL小烧杯置于夹套保温的500 mL大烧杯中控制温度，为保证传热速度，大烧杯中预先放置少量水作为水浴。在100 mL小烧杯中预先置有一磁力搅拌子，磁力搅拌0.5 h，保证两相充分接触，搅拌完毕，将小烧杯中的两相转移到250 mL的夹套分液漏斗中，静置15 min以上，待两相完全分离。分别量取两相体积，取水相样品5 mL，并用电位滴定法滴定水相中的HOSU浓度，通过物料衡算求得有机相中HOSU的浓度。

对负载HOSU的萃取相及稀释剂(正丁醇)萃取相与空白萃取相，采用Nicolet 6700红外光谱分析法，根据红外谱图特征峰的情况，分析三辛胺络合萃取HOSU的萃取机理。

3 络合萃取过程的数学模型

施云海等曾研究了TOA对羟基乙酸的络合萃取分离^[10]，以TOA为萃取剂的HOSU的络合萃取机理应该与TOA对羟基乙酸的萃取机理类似。在TOA络合萃取HOSU的过程中，考虑到稀释剂正丁醇对HOSU的物理萃取作用，络合萃取作用与物理萃取作用符合简单的加和性，作如下假设：(1) HOSU与TOA通过氢键与离子成盐形成缔合体，结构体以2:1、1:1为主；(2) HOSU与其缔合体的活度正比于其浓度；(3) HOSU与TOA的络合反应发生在两相界面上。

HOSU在水相中的解离平衡：

$\text{HOSU}\overset{{{K}_{\text{a}}}}{\longleftrightarrow}{{\text{H}}^{+}}+\text{OS}{{\text{U}}^{-}}$

(1)

水溶液中游离的[HOSU]与实验测定的浓度C_a符合的关系：

$[\text{HOSU}]=\frac{{{C}_{\text{a}}}}{1+{{10}^{(\text{pH}-\text{p}{{K}_{\text{a}}})}}}$

(2)

式中当25℃时，pK_a= 5.806。

HOSU在正丁醇中的物理萃取平衡：

$\text{HOSU}\overset{{{K}_{\text{d}}}}{\longleftrightarrow}\overline{\text{HOSU}}$

(3)

其中K_d为HOSU的物理萃取常数，可由HOSU在正丁醇中的萃取平衡实验测得。

HOSU与TOA之间的络合反应：

$\text{HOSU}+\overline{\text{TOA}}\overset{{{K}_{1}}}{\longleftrightarrow}\overline{\text{TOA}\cdot \text{HOSU}}$

(4)

$\text{HOSU}+\overline{\text{TOA}\cdot \text{HOSU}}\overset{{{K}_{2}}}{\longleftrightarrow}{{\overline{\text{TOA}\cdot \left( \text{HOSU} \right)}}_{_{2}}}$

(5)

则其分配系数为：

$\begin{align} & D=\frac{\overline{[\text{TOA}\cdot \text{HOSU}]}+\overline{[\text{TOA}\cdot \text{HOSU}{{}_{\text{2}}}\text{ }\!\!]\!\!\text{ }}+\overline{[\text{HOSU }\!\!]\!\!\text{ }}}{{{C}_{\text{a}}}} \\ & =\frac{{{K}_{1}}[\text{HOSU}]\overline{[\text{TOA}]}+2{{K}_{1}}{{K}_{2}}{{[\text{HOSU}]}^{2}}\overline{[\text{TOA}]}+\overline{[\text{HOSU}]}}{[\text{HOSU}](1+{{10}^{(\text{pH}-\text{p}{{K}_{\text{a}}})}}} \\ & =\frac{({{K}_{1}}+2{{K}_{1}}{{K}_{2}}[\text{HOSU}])\overline{[\text{TOA}]}}{1+{{10}^{(\text{pH}-\text{p}{{K}_{\text{a}}})}}}+{{D}_{\text{d}}} \end{align}$

(6)

式中D_d为物理萃取的分配系数，K₁与K₂为表观络合萃取常数，[HOSU]为平衡时水相中HOSU的浓度，$\overline{[\text{TOA}]}$表示油相游离TOA的浓度。

$\overline{{{[\text{TOA}]}_{\text{o}}}}$为TOA在油相中的初始浓度，可表示为：

$\begin{align} & \overline{{{[\text{TOA}]}_{\text{o}}}}=\overline{[\text{TOA}]}+\overline{[\text{TOA}\cdot \text{HOSU}]}+\overline{[\text{TOA}\cdot \text{HOSU}{{}_{2}}]} \\ & =\overline{[\text{TOA}]}+{{K}_{\text{1}}}[\text{HOSU}]\overline{[\text{TOA}]}+{{K}_{\text{1}}}{{K}_{\text{2}}}{{[\text{HOSU}]}^{2}}\overline{[\text{TOA}]} \end{align}$

(7)

式(7) 整理得：

$\overline{[\text{TOA}]}=\frac{\overline{{{[\text{TOA}]}_{\text{o}}}}}{1+{{K}_{1}}[\text{HOSU}]+{{K}_{1}}{{K}_{2}}{{[\text{HOSU}]}^{2}}}$

(8)

由式(6) 和式(8) 以及实验测得的D_d、C_a及pH值，以K₁、K₂为参数值，采用最小二乘法拟合可得到K₁、K₂的关联值。

4 结果与讨论 4.1 TOA络合萃取HOSU形成的红外光谱图

为研究TOA对HOSU的络合萃取机理，利用Nicolet 6700红外光谱仪测定三种不同组成的萃取有机相的红外光谱数据，结果如图 1所示，其中a为负载HOSU的正丁醇萃取相，b为负载HOSU的22.5% TOA-77.5%正丁醇萃取相，c为未负载HOSU的22.5% TOA-77.5%正丁醇萃取相。曲线a在波数为1714.43与1218.81 cm^-1处出现了特征峰，在曲线b中对应的波数出现在1675.86和1238.10cm^-1处。前者为酰胺中C=O特征峰，对比a、b谱图发现，相比较正丁醇，加入TOA后C=O往低波数的方向偏移，说明萃取过程中存在氢键缔合作用，后者为离子缔合所形成的特征峰=N-O^-。这些结果表明：三辛胺与HOSU络合萃取的过程中同时存在离子缔合成盐与氢键缔合两种过程。

4.2 不同萃取体系对HOSU萃取的影响

King提出络合萃取体系应具有高效性、低成本、高选择性等特性^[11]。有机羧酸的络合萃取，通常可选用中性或碱性络合萃取剂，如磷酸三丁酯(TBP)、三烷基氧磷(TRPO)、三辛胺(TOA)等，它们一方面能够与有机酸形成络合物，另一方面在水相中几乎不溶，在萃取过程中几乎不会损失。考虑到TRPO的价格，实验分别选取了TBP、TOA为萃取剂，以正辛醇、磺化煤油、正丁醇为稀释剂，研究它们不同组合组成的萃取体系对HOSU水溶液的萃取分配系数的影响。结果如表 1所示，实验条件见表注。

从表 1可以看出, TBP作为萃取剂的萃取效果明显不如TOA，原因应该在于TOA的氮原子更容易和HOSU作用形成络合物。同时，以TOA为萃取剂，辛醇、磺化煤油和正丁醇为稀释剂时，无论何种配比(3:17；6:14；9:11)，以正丁醇作为稀释剂的效果最好，原因可能是三种稀释剂中，正丁醇的极性最大，有利于HOSU进入有机相与萃取剂TOA作用。

考察TOA与正丁醇的体积比的变化对HOSU萃取的影响，结果如图 2所示。从图 2可以看出，当TOA在萃取有机相中的体积分数在0.225时，分配系数达到了最大值。产生这种现象的原因在于当有机相中TOA含量较低时，随着有机相中TOA含量升高，形成的TOA与HOSU的萃取络合物也越多，故分配系数相应地随之增大；而当TOA在有机相中的体积分数达到22.5%以后，继续增加TOA在有机相中的含量并不能形成更多的TOA与HOSU的络合物，相反，降低了有机相的极性，从而降低了HOSU的分配系数。综上所述，优选的萃取剂为TOA，稀释剂为正丁醇，TOA与正丁醇在萃取体系中的体积比为22.5:77.5。

4.3 相比对分配系数的影响

选用22.5% TOA-77.5%正丁醇的萃取体系，在25℃下，考察有机相与水相的体积比对HOSU分配系数的影响，结果如图 3所示。由图 3可知：当HOSU稀溶液的浓度为0.174 mol·L^-1，随着相比的增加，分配系数先增加后减少，出现了极值，极值点R_o/w位于1.5处。

4.4 分配系数与温度的关系

选用22.5% TOA-77.5%正丁醇萃取体系，根据4.3的实验结果，选择两相相比为1.5时，对HOSU浓度为0.174 mol·L^-1的水溶液在25~45℃进行络合萃取实验，考察萃取温度对分配系数的影响，结果如图 4所示。从图 4可以看出，分配系数的自然对数值lnD与温度的倒数1/T存在线性关系，两者的线性相关系数R²= 0.9946，且随着温度的升高，分配系数递减。利用该直线，根据式(9) 可计算该萃取过程的焓变为ΔH_m= -23.289 kJ·mol^-1。因为ΔH_m＜0，与文献[10]类似，该络合萃取为放热效应的过程，低温有利于萃取操作。

$\left[ \frac{\partial \ln D}{\partial ({}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{T}\;)} \right]=-\frac{\Delta {{H}_{\rm{m}}}}{R}$

(9)

4.5 多级错流萃取

25℃下，上述浓度为0.174 mol·L^-1的HOSU水溶液经过22.5% TOA~77.5%正丁醇萃取体系一次萃取后，水溶液中的HOSU萃取率达到76.3%，水相中仍然残留了23.7%的HOSU。为提高HOSU的萃取收率，本文研究了HOSU浓度为0.174 mol·L^-1的水溶液在25℃下多级错流萃取，有机相同样为22.5% TOA-77.5%正丁醇组成的萃取体系，两相相比为1.5，结果表明经过第二次和第三次错流萃取后，HOSU的萃取收率由76.3%分别提高到94.5%和97.1%，回收得到了大部分HOSU。考虑到萃取剂的成本，因而实际应用时宜选择两次错流萃取。

4.6 盐析剂对分配系数的影响

在合成多肽过程中产生的含有HOSU的废水中，由于反应的需要，不可避免地含有一定数量的NaCl等无机盐。在萃取过程中，这些水相中包含的无机盐类对萃取过程存在各种影响，同时也可大大降低正丁醇在水中的溶解度，进而降低正丁醇的损耗^[12]。本文进而考察了在25℃下，当HOSU水溶液中含有无机盐时的萃取情况。研究中同样以22.5% TOA-77.5%正丁醇为萃取体系，两相相比为1.5，水相中HOSU浓度为0.174 mol·L^-1，无机盐为氯化钠、硝酸钠。测定无机盐在水相中含量变化时萃取HOSU的平衡分配系数D的变化情况，结果如图 5所示。从图 5可见，HOSU的分配系数D随着无机盐在水相中含量的增加而增加，盐析效应的强弱为硝酸钠＞氯化钠，原因为盐析剂的离子水化作用^[13]。

4.7 萃取等温线

图 6为25℃、R_o/w= 1.5条件下，以22.5% TOA-77.5%正丁醇组成的萃取剂，对含不同浓度HOSU的水溶液进行平衡数据的测定，得到的HOSU在有机相和水相的平衡数据关系。根据节3所建立的HOSU的络合萃取模型，关联计算得络合平衡常数为：K₁= 4.755，K₂= 0.2243，图 6显示了由模型计算得到的值和实验值的比较，在C_a小于等于0.155 mol·L^-1时，两者十分吻合，但当C_a等于0.203 mol·L^-1时，两者偏差较大，推测可能的原因是当水相HOSU浓度较高时，存在其它形式的HOSU与TOA的缔合作用。

5 结论

针对含低浓度HOSU废水的特点，通过对不同萃取体系的考察，选择以TOA为萃取剂，正丁醇为稀释剂的萃取体系络合萃取分离HOSU，且萃取体系中TOA的体积百分数以22.5%为宜。测得最优相比为1.5；发现低温有利于萃取，通常选择室温25℃进行萃取操作；加入盐析剂能够极大地提高分配系数；合适的错流萃取级数是二级。测定了25℃下，不同浓度HOSU在油水两相中的分配。通过对比不同萃取相的红外光谱图，阐明了TOA与HOSU缔合作用机理，采用质量作用定律的方法，建立了HOSU与TOA界面反应的络合萃取模型，并用最小二乘法得到了模型参数，发现分配系数的实验值与计算值基本吻合，该模型适用于工业实际HOSU废水处理指导。

符号说明：

Ca	—实验测得的萃余相中HOSU浓度，mol·L-1	Ka	—HOSU在水中的离解平衡常数，mol·L-1
Co	—实验测得的萃取相中HOSU浓度，mol·L-1	Kd	—丁醇对HOSU的物理萃取常数
CW	—HOSU在水相中的初始浓度，mol·L-1	K1	—酸铵比为1:1时的萃取平衡常数，L·mol-1
D	—HOSU在有机相和水相中的分配系数	K2	—酸铵比为2:1时的萃取平衡常数，L·mol-1
Dd	—HOSU物理萃取的分配系数	Ro/w	—有机相与水相相比
[HOSU]	—水相中游离的HOSU浓度，mol·L-1	$\overline{[\text{TOA }\!\!]\!\!\text{ }}$	—萃取相中游离TOA浓度，mol·L-1
$\overline{[\text{HOSU }\!\!]\!\!\text{ }}$	—有机相中游离的HOSU浓度，mol·L-1