深共晶溶剂：实现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设计型溶剂，已彻底改变了绿色化学、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，从而使其在较低温度下呈现液相。因此，低共熔溶剂通常可以通过简单的加热和搅拌进行制备，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在于其可持续性。与传统的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。常见的氢键受体包括氯化胆碱（ChCl）等季铵盐，而氢键供体通常包括尿素、甘油、羧酸、有机酸和天然代谢物等化合物。

其低蒸气压降低了易燃性风险并限制了有害排放，同时其可调的极性、粘度、酸度和溶剂化能力，为研究人员根据特定应用定制溶剂提供了巨大的灵活性。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），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。

为何低共熔溶剂备受研究关注

我们利用CAS Content Collection^TM（全球最大的人工标引科学信息库），从海量的已发表文献中提取了关于低共熔溶剂的可行性见解。我们通过由STN提供支持的CAS IP Finder™构建了特定查询，分析了超过20,000篇相关的期刊和专利文献（见图1）。

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图1展示了利用CAS IP Finder™提供的“分析”功能获取的低共熔溶剂相关文献的时间趋势。探索类似趋势的研究人员也可以访问CAS SciFinder®中支持AI的搜索功能，以识别其特定研究领域内的模式。

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低共熔溶剂的发表趋势展现了新兴领域向成熟期过渡时典型的快速增长特征。这种从沉寂到剧烈加速的模式表明，该课题已从一个小众领域演变为科学界的主流研究焦点。

然而，一个关键的观察结果是文献类型之间存在显著差异：期刊文章占据主导地位，而专利族所占比例则小得多。这种不平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，要么说明存在商业化障碍，要么说明在实际应用加速之前，基础知识仍有待进一步夯实。

尽管深共晶溶剂尚未实现商业化，但为何它们如此具有前景？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，而深共晶溶剂仅是部分离子化，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，因为它们由易于获取且通常源自生物的组分合成，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，深共晶溶剂表现出独特的溶剂化环境，与传统的水性或有机溶剂有显著不同。它们可以溶解多种无机盐、金属氧化物、聚合物和生物分子，往往能实现其他介质中难以进行的反应或过程。其宽广的电化学窗口、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）、共价有机框架（COFs）、多孔碳和催化剂的强力介质，能够在避免苛刻条件的同时实现对成核和生长的精确控制。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，例如电子废弃物中的金属提取、生物质加工和二氧化碳捕集。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、高性价比且环保的解决方案。

深共晶溶剂的类型

深共晶溶剂根据氢键供体（HBD）和氢键受体（HBA）组分的性质分为多种类型。Abbott 等人最初提出了包含 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。这种分类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，其与卤化物阴离子的相互作用导致熔点显著降低。

• II 型：这类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。配位在金属离子上的水分子影响了氢键和离子相互作用，进一步降低了熔点并提高了离子电导率。

• III 型：这类溶剂因其简单、经济且可生物降解而成为研究最广泛的类型。在这些体系中，季铵盐作为 HBA，而分子化合物（通常为尿素、甘油、乙二醇（EG）或有机酸）作为 HBD。组分之间强烈的氢键作用导致熔点大幅下降，从而在室温或接近室温下形成液体。其可调的极性和低毒性使其在萃取工艺、生物质转化和制药应用中极具吸引力。

• IV 型：这类深共晶溶剂与前几类不同，其金属盐作为 HBA，而 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，不依赖于季铵盐或金属卤化物。相反，两个组分均为能够形成强氢键的分子物质，如有机酸、酰胺、多元醇、糖类及其他中性分子。这一类别与天然深共晶溶剂（NADES）的概念重叠，后者使用天然来源且生物相容的组分。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深共晶溶剂的前十五大物质对（见图 2）。

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研究关注度的分布显示，该领域高度集中于以氯化胆碱（ChCl）为基础的体系。氯化胆碱在大多数排名靠前的物质对中占据压倒性地位，表明它已成为该领域主要的 HBA。这主要是由于其易于获取、制备简单且表征详尽，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 位的物质对仅由 III 型和 V 型体系组成。III 型溶剂的占主导地位表明，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。这种模式表明研究方向正明显转向无金属配方，这与设计更安全、更可持续溶剂的整体趋势相一致。

氯化胆碱与新兴物质对

我们进一步研究了物质对，以确定在 2021-2025 年间新兴或表现出较高同比增长（YoY）的物质对（见图 3）。

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新兴低共熔溶剂对的格局呈现出明显的反比关系：既定研究成果与增长势头呈负相关，即累计发表论文较少的体系表现出显著更高的增长率。这一模式表明，该领域正在超越历史上占主导地位的配方，向多元化发展。传统的基准体系占据了低增长、高产出的象限，显示出基础表征已趋于饱和；而新型组合则展现出高增长轨迹，反映出研究兴趣的扩大以及对先前未探索应用领域的潜在发现。

值得注意的是，甜菜碱类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，标志着一种范式转移——即不再将氯化胆碱视为通用的氢键受体。这可能归因于甜菜碱的两性离子性质、增强的生物相容性、天然来源或更有利的监管概况。

这种成分的多元化代表了低共熔溶剂研究的第二代发展。它指向了方法论的成熟，以及对可能解决传统胆碱类体系局限性的替代性离子框架的系统性探索。

专利数据占比凸显了出版物成熟度与商业转化之间的差异。新兴的甜菜碱类配方正同时吸引学术界和知识产权界的关注，显示出强劲的商业潜力。相比之下，尽管氯化胆碱类配对的研究覆盖面广泛，但其专利参与度相对较低，这表明其创新性保护空间有限，或在市场应用方面仍存在障碍。

总体而言，这一模式意味着创新正转向以甜菜碱为核心的替代体系，这些体系有望提供差异化的性能、监管优势，或解决传统胆碱类低共熔溶剂无法满足的工业需求。

从医药制造到废水处理及更多领域

我们确定了低共熔溶剂的主要应用领域，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，反映了这些溶剂在实现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（尤其是天然低共熔溶剂，NADES）通过增强疏水性药物的增溶作用、稳定蛋白质和酶等大分子，以及促进透皮和粘膜运输，为药物递送提供了支持。它们在保持生物相容性的同时提高分子稳定性的能力，也使其成为抗菌配方和低温保存策略的理想介质。

生物质增值是另一个主要的 重点领域，这些溶剂被用于选择性脱木质素、半纤维素溶解以及木质纤维素原料的预处理，以提高生物转化过程中的糖产量。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，进一步凸显了其在可持续生物炼制操作中的重要性。

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成分，在保持抗氧化功能的同时，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，并有助于提高产物选择性。

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、低易燃性和宽电化学窗口使其成为传统电解质的有力替代品。

电沉积研究涉及使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，且无需水性电镀槽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和回收有价值的金属。例如，胆碱类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、二氧化硫去除和沼气净化中的应用，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，低共熔溶剂作为天然增溶剂、保湿剂和植物提取物的载体，助力开发更温和、符合“清洁标签”消费趋势的植物源配方。

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工具。

绿色制造中的物质对与应用

我们进一步探讨了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）通过在所有应用类别中的大量流动分布，展现出了卓越的多功能性。这种广泛的适用性表明，这些成熟的配方可作为通用平台，满足多样化的功能需求，反映了它们在历史上的重要地位以及潜在的真正多功能特性。

与此同时，少数 V 型配方表现为更具针对性的流向，优先关联于生物中心和环境修复导向的场景，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，这表明应用选择并非由单一的最佳混合物决定，而是由允许系统性调节极性、酸度、氢键结合能力和离子特性的组成系列（如多元醇、羧酸、碳水化合物）所主导。这强调了深共晶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属性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，并挖掘高潜力、未被充分探索的配方。

未来展望：一致性将推动深共晶溶剂的应用

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，但它们仍面临一些阻碍其更广泛工业应用的科学和技术挑战。主要的障碍在于它们对组成的极度敏感，特别是含水量，这会重组氢键网络并改变粘度、极性和电化学行为。这些组成上的变化强调了进行标准化制备、鉴定和常规原位水分定量分析的必要性，以确保可重复性。

同样重要的是高粘度，这是最公认的实际限制因素之一。粘度升高会削弱传质和传热，限制分离效率，并制约电化学或催化应用。同时，深共晶溶剂的毒理学和环境特征仍未得到充分表征。尽管它们常被称为“绿色”溶剂，尤其是天然深共晶溶剂（NADES），但近期的研究报告了相互矛盾的毒理学结果，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建立严格的组成报告、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领域的持续进步正开始弥补现有的知识空白，从而实现更合理、更具预测性的特定应用溶剂体系设计。

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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