低共熔溶剂：实现更绿色制造的可持续替代方案

低共熔溶剂是一类迅速兴起的定制溶剂，它改变了 绿色化学、材料合成和电化学系统。这些溶剂的概念最早于 21 世纪初正式提出，通过将两种或多种组分（通常为氢键供体 (HBD) 和氢键受体 (HBA)）按特定摩尔比混合，生成一种 低共熔混合物 ，其熔点远低于任何单一组分的熔点。 

这种熔点降低现象的产生，是因为强氢键相互作用破坏了纯物质的晶体结构，从而在相对较低的温度下形成液相。因此，低共熔溶剂通常可以 制备 通过简单的加热和搅拌即可完成，无需复杂的纯化或干燥步骤。

低共熔溶剂研究增长的一个关键因素是其可持续性。与传统有机溶剂或某些离子液体不同，它们可以由廉价、易得且通常可生物降解的组分合成。常见的 HBA 示例包括氯化胆碱 (ChCl) 等季铵盐，而 HBD 通常包括尿素、甘油或羧酸、有机酸和天然代谢物等化合物。 

其低蒸汽压力降低了易燃性风险并限制了有害排放，而其可调的极性、粘度、酸度和溶剂化能力为研究人员提供了巨大的灵活性，使其能够针对特定应用定制溶剂。由于低共熔溶剂可以结合生物相容性分子（也称为天然低共熔溶剂 (NADES)），因此它们非常适合涉及生物系统、天然产物提取和药物制剂的应用。

深共晶溶剂为何备受研究关注

我们利用了 CAS Content Collection^TM这一全球最大的人工收录科学信息库，从海量的已发表文献中提取关于深共晶溶剂的可操作见解。我们在 由 STN 提供支持的 CAS IP Finder™ 中构建了特定检索式，对超过 20,000 篇相关期刊和专利文献进行了分析（见图 1）。 

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图 1 展示了深共晶溶剂相关文献的时间趋势，该数据是通过 CAS IP Finder™ 提供的“分析”功能获取的。 探索类似趋势的研究人员 也可以使用 CAS SciFinder® 中的人工智能检索功能，识别其特定研究领域内的模式。

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深共晶溶剂的发表趋势呈现出新兴领域向成熟期过渡时典型的快速增长特征。这种从沉寂到显著加速的模式表明，该课题已从一个小众领域演变为科学界主流的研究焦点。 

然而，一个关键的观察结果是文献类型之间存在显著差异：期刊文章在研究布局中占据主导地位，而同族专利所占比例则小得多。这种失衡表明该领域仍主要处于基础研究阶段，向商业应用的转化有限。学术兴趣与知识产权开发之间的差距表明，要么是存在商业化障碍，要么是基础知识尚在积累阶段，尚未达到可以加速实际应用的程度。

尽管深共晶溶剂尚未实现商业化，但为何它们前景广阔？这些溶剂与离子液体有许多相似之处，两者都被认为是具有离子特性的低挥发性、可调控溶剂。然而，两者之间存在显著差异。离子液体完全由离子组成并表现出完全的离子特性，而深共晶溶剂仅 部分具有离子特性 ，因为它们由通过氢键相互作用的分子物质组成。 

深共晶溶剂的成本也显著降低，因为它们是由易于获取且通常基于生物的成分合成的，而离子液体则需要多步合成和昂贵的盐类。此外，深共晶溶剂更易于合成，这与离子液体复杂的制备和纯化过程形成了鲜明对比。

从功能角度来看，深共晶溶剂表现出与传统水性或有机溶剂截然不同的独特溶剂化环境。它们可以溶解多种无机盐、金属氧化物、聚合物和生物分子，通常能够实现其他介质中难以进行的反应或过程。它们宽广的电化学窗口、高离子电导率（在某些配方中）以及稳定性，使其成为下一代电池、金属电沉积和超级电容器的理想候选材料。 

在材料化学领域，这些溶剂已成为合成纳米材料、 金属有机框架 （MOFs）和 共价有机框架 （COFs）、多孔碳和催化剂的强效介质，能够在避免苛刻条件的同时，对成核和生长过程进行精确控制。它们越来越多地应用于支持资源回收和循环利用的工艺中，例如从电子垃圾中提取金属、生物质加工以及二氧化碳捕集。这些应用通过实现可持续的材料回收和再利用，为循环经济做出了贡献。

总而言之，深共晶溶剂是传统有机溶剂和昂贵离子液体的理想替代品，为催化、电化学、制药和材料科学等领域的应用提供了一种多功能、经济高效且环保的解决方案。

深共晶溶剂的类型

根据氢键供体（HBD）和氢键受体（HBA）成分的性质，深共晶溶剂可分为几种类型。 Abbott 等人 最初提出了一个包含 I-IV 型的分类系统，后来扩展到包括 V 型，以涵盖传统季铵盐以外的体系。该分类系统为理解深共晶溶剂的形成、物理化学行为及潜在应用提供了一个系统性的框架。

• I 型： 这类溶剂由季铵盐（通常是氯化胆碱 (ChCl) 等卤化物）与含有金属氯化物（如 ZnCl₂ 或 SnCl₂）的金属盐结合而成。金属盐作为路易斯酸，其与卤素阴离子的相互作用导致熔点显著降低。 

• II 型： 这些溶剂同样依赖于季铵卤化物盐，但金属组分以水合形式存在。 存在 与金属离子配位的水分子会影响氢键和离子相互作用，从而进一步降低熔点并提高离子电导率。 

• III 型： 这些是 研究 最广泛的类型，因为它们具有简单、经济且可生物降解的特点。在这些体系中，季铵盐作为氢键受体（HBA），而分子化合物（通常为尿素、甘油、乙二醇或有机酸）则作为氢键供体（HBD）。组分之间强烈的氢键作用导致熔点大幅下降，使其在室温或接近室温时呈液态。其极性可调且低毒的特性，使其在萃取工艺、生物质转化和制药应用中极具吸引力。 

• IV 型： 这类低共熔溶剂与前几类不同，其金属盐作为氢键受体（HBA），而氢键供体（HBD）为尿素或乙二醇等分子化合物。这些体系可以结合高浓度的金属离子，金属中心与分子供体之间的配位作用赋予了它们独特的结构和电化学性质。 

• V 型： V 型代表了一个更广泛、更新的类别，它不依赖于季铵盐或金属卤化物。相反，这两个 组分 均为能够形成强氢键的分子物质，例如有机酸、酰胺、多元醇、糖类及其他中性分子。该类别与天然低共熔溶剂（NADES）的概念重叠，后者使用天然来源且具有生物相容性的组分。V 型溶剂在设计针对食品、制药和生物应用的环境友好型溶剂方面提供了极大的灵活性。

我们分析的文献包含了相关的索引物质。根据这些记录，我们确定了已知可形成低共熔溶剂的前十五种物质对（见图 2）。

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研究关注度的分布揭示了一个高度集中的布局，即以氯化胆碱（ChCl）为基础的体系占据主导地位。氯化胆碱在大多数排名靠前的配对中占据压倒性优势，表明它已成为该领域主要的氢键受体（HBA）。这主要归功于其易于获取、制备简单以及表征详尽，从而促进了其在多种方法和应用中的重复使用。 

值得注意的是，分析显示排名前 15 位的配对仅由 III 型和 V 型体系构成。III 型溶剂的优势地位表明，基于离子组分的体系因其简单性和成本效益而受到了最大的研究重视。

相比之下，V 型溶剂的代表性相对有限，这表明这些全分子体系因其生物相容性和环境优势而受到重视。这种模式表明研究正明显转向无金属配方，这与设计更安全、更可持续溶剂的广泛趋势相一致。

氯化胆碱与较新的物质配对

我们进一步审查了物质配对，以确定在 2021 年至 2025 年间新兴或呈现出逐年（YoY）增长的配对（见图 3）。

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新兴低共熔溶剂配对的布局显示，已有的研究存在度与增长势头之间存在显著的负相关关系，即累计发表产出较低的体系表现出大幅提升的增长率。这种模式表明，该领域正在超越历史上占主导地位的配方实现多元化；传统的基准体系占据了低增长、高产出的象限，表明其基础表征已趋于饱和，而新型组合则表现出高增长轨迹，这是研究兴趣扩大和潜在发现此前未探索应用领域的典型特征。

一个值得注意的观察结果是，甜菜碱基配方在高增长领域占据了显著的主导地位。甜菜碱与各种氢键供体配对在高增长率下的聚集，标志着从将氯化胆碱作为通用氢键受体的范式转变，这可能是由甜菜碱的两性离子性质、增强的生物相容性、天然来源或有利的监管状况所驱动。 

这种成分的多元化代表了低共熔溶剂研究的第二代。它指向了方法论的成熟以及对替代性离子框架的系统性探索，这些框架可能解决传统胆碱基体系的局限性。

专利数据的百分比突显了出版物成熟度与商业转化之间的差异。新兴的甜菜碱基配方正同时吸引学术界和知识产权界的兴趣，表明其具有强大的潜在商业价值。相比之下，已确立的氯化胆碱配对尽管研究覆盖面广泛，但专利参与度相对较低，这表明其可保护的新颖性有限，或在市场准入方面仍存在障碍。 

总体而言，这种模式意味着创新正转向以甜菜碱为中心的替代体系，这些体系有望提供差异化的性能、监管优势，或解决传统胆碱基低共熔溶剂之外未满足的工业需求。

从制药生产到废水处理及其他领域的应用

我们确定了低共熔溶剂的主要应用，并分析了这些领域中的期刊和专利活动（见图 4）。研究活动在各应用领域的分布反映了这些溶剂在推动具体技术进步方面的多功能性。 

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在 生物医学科学领域，低共熔溶剂（尤其是 NADES）通过增强疏水性药物的增溶作用、稳定蛋白质和酶等生物分子，以及促进透皮和黏膜转运，为药物递送提供支持。它们在保持生物相容性的同时提高分子稳定性的能力，也使其成为抗菌制剂和冷冻保存策略的理想介质。 

生物质增值是另一个主要 重点领域，这些溶剂被用于选择性脱木质素、溶解半纤维素以及对木质纤维素原料进行预处理，以提高生物转化的糖产量。它们在相对温和的条件下提取糠醛或 5-羟甲基糠醛等平台化学品的能力，进一步凸显了其与可持续生物炼制操作的相关性。

在食品和营养保健品领域，低共熔溶剂被广泛用于 提取 植物基质中的多酚、黄酮类化合物、类胡萝卜素和其他生物活性化合物，在保留抗氧化功能的同时，提供了比有机溶剂更清洁的替代方案。 

催化研究利用这些物质作为酸碱催化、金属催化转化和生物催化过程的反应介质。其结构化的氢键网络通常能增强催化剂的稳定性，促进底物活化，并支持提高产物选择性。 

与此同时，环境修复利用低共熔溶剂进行染料去除、重金属螯合以及从废水中提取持久性有机污染物等任务。有些溶剂还可作为酶促或光催化降解的辅助介质，支持更绿色、更节能的水处理路径。

低共熔溶剂在能源领域的应用同样多样，包括作为锂离子和钠离子电池中的电解质、燃料电池中的质子传导介质，以及高性能超级电容器的离子环境。其热稳定性、低易燃性以及宽电化学窗口，使其成为传统电解质的有力替代品。 

电沉积研究涉及利用低共熔溶剂形成镍、铜、钴及其合金的均匀涂层，从而实现受控沉积，且无需水性镀液中所需的腐蚀性添加剂。在金属提取应用中，它们被用于从矿石、废催化剂和电子垃圾中选择性浸出并回收有价值的金属。例如，基于胆碱的低共熔溶剂可以通过配体辅助络合作用溶解贵金属，提供了一种比传统强无机酸更安全、更环保的替代方案。 

气体捕集与分离研究探索了这些溶剂在二氧化碳吸收、二氧化硫脱除和沼气净化方面的应用，利用了它们对特定气体可调的氢键亲和力。 

最后，在化妆品领域，低共熔溶剂可作为天然增溶剂、保湿剂和植物提取物的载体，助力开发符合“清洁标签”消费趋势的更温和的植物源配方。

图4所示的研究强调，低共熔溶剂不仅是理论上的绿色溶剂，更是生物医学、可持续化学、能源系统、环境管理和消费品领域中实现特定技术解决方案的实用推动者。

绿色制造中的物质对与应用

我们进一步探讨了在这些应用中最常用的低共熔溶剂物质对（见图5）。该分析揭示了低共熔溶剂配方与应用领域之间复杂的关联。 

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传统的氯化物基III型体系（与多元醇、尿素和有机酸配对）在所有应用类别中均表现出显著的流量分布，展现了卓越的多功能性。这种广泛的适用性表明，这些成熟的配方可作为通用平台，满足各种功能需求，这既反映了它们在历史上的重要地位，也体现了其潜在的真正多功能特性。 

与此同时，一些V型配方则表现为更具针对性的流向，优先关联至以生物为中心和以修复为导向的场景，在这些场景中，生物相容性、可调酸度和粘度控制等属性具有显著优势。 

总体而言，这表明应用的选择并非由单一的最佳混合物决定，而是由能够系统调节极性、酸度、氢键结合能力和离子特性的组成族群（如多元醇、羧酸、碳水化合物）所决定。这凸显了低共熔溶剂的结构和化学多样性如何使其能够在先进技术中实现定制化部署。这种多样性也推动了基于性质的选择框架和标准化报告的建立，以最大限度地减少对传统体系的过度依赖，并挖掘具有高潜力但尚未被充分探索的配方。

未来展望：一致性将推动低共熔溶剂的采用

尽管深共晶溶剂作为传统溶剂的多功能且可持续的替代品日益受到重视，但它们在科学和技术层面仍面临诸多挑战，阻碍了其在工业领域的广泛应用。其主要障碍在于它们对成分的高度敏感性，尤其是 含水量，因为水分会重组氢键网络，并改变溶剂的粘度、极性和电化学行为。这些成分上的变化凸显了对标准化制备、鉴定以及常规 原位 水分定量分析的必要性，以确保结果的可重复性。  

同样重要的是高 粘度，这是最广为人知的实际限制因素之一。高粘度会削弱传质和传热效率，限制分离效率，并制约其在电化学或催化领域的应用。与此同时，深共晶溶剂的毒理学和环境特征尚未得到充分表征。尽管它们常被贴上“绿色”标签，尤其是天然深共晶溶剂（NADES），但近期 研究 报告了相互矛盾的毒理学结果，这强调了建立标准化测试方案和进行更广泛的生物体水平评估的必要性。 

展望未来，深共晶溶剂研究的进展将取决于能否建立严格的成分报告、纯度控制和水分管理标准，并辅以能够确保从实验室制备到工业部署全过程一致性的快速质量控制工具。分子建模、光谱学和高通量筛选技术的不断进步，正开始填补现有的知识空白，从而实现针对特定应用场景的溶剂系统进行更合理、更具预测性的设计。 

总之，这些发展将使深共晶溶剂成为一个持续演进的平台，只有通过在设计、表征和可持续实施方面的协同进步，才能充分发挥其潜力。

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