吳玉花，丁欣，李小露，高紅鳳，馮煒，白紅存，郭慶杰

（寧夏大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，省部共建煤炭高效利用與綠色化工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，化學(xué)國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，寧夏 銀川750021）

引 言

從黃連中高效提取獲得小檗堿等生物活性物質(zhì)對(duì)于中藥資源有效利用具有重要意義[1-2]。早在數(shù)千年前的古代中國，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)黃連（一種多年生草本植物）可作為清熱解毒和抗感染藥物主治腸道細(xì)菌感染等疾病。近代臨床藥理學(xué)研究發(fā)現(xiàn)黃連還具有抗心律失常、降血糖、降血脂、抗癌、抗病毒等藥理作用，可用于心律失常及病毒性心肌炎、心力衰竭、高脂血癥、癌癥等的治療。現(xiàn)代醫(yī)藥學(xué)研究表明，黃連所表現(xiàn)出來的臨床藥用價(jià)值與其根部所含的異喹啉類生物堿密切相關(guān)[2-3]。黃連中的生物堿成分包括黃連堿、巴馬丁、藥根堿、小檗堿、表小檗堿等，具有重要的藥用價(jià)值。然而，黃連中所發(fā)現(xiàn)的生物堿大部分為異喹啉類，化學(xué)結(jié)構(gòu)相似性較高，理化性質(zhì)也較為相近，導(dǎo)致高效提取難度增大[1-2]。

小檗堿是從黃連諸多生物堿成分中可獲得的含量最高的一種，其高效提取具有重要學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值。目前由黃連中提取小檗堿常用方法包括稀硫酸滲漉法、乙醇回流提取法、超聲提取法、連續(xù)回流法、煎煮法等工藝[4-6]。然而，這些方法具有耗時(shí)較長、操作復(fù)雜、效率低等缺點(diǎn)，而且所用試劑對(duì)環(huán)境不友好，難以滿足綠色化工提出的高效、可持續(xù)發(fā)展理念。

離子液體作為綠色介質(zhì)具有液態(tài)范圍寬、揮發(fā)性小、蒸氣壓低、溶解能力強(qiáng)、無味、無污染、不易燃、易與產(chǎn)物分離、易回收、可反復(fù)循環(huán)使用等優(yōu)良性能，在反應(yīng)溶劑、催化、吸附與分離等領(lǐng)域表現(xiàn)出優(yōu)異性能[7-10]。隨著生成成本的不斷降低，離子液體在天然活性物質(zhì)提取中顯示出良好的前景。Duan等[11]采用離子液體負(fù)壓空化輔助方法從木豆根中提取三種主要黃酮類化合物，并實(shí)現(xiàn)中試級(jí)別應(yīng)用。Li等[12]基于離子液體水溶液超聲輔助方法研究了黃柏中三種生物堿提取。李明英[13]對(duì)近年來離子液體在天然活性物質(zhì)提取中的應(yīng)用進(jìn)行了研究進(jìn)展的綜述和展望。另一方面，微波作為一種新的輔助手段，因萃取速度快、效率高、選擇性好等特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注[14]。最初微波技術(shù)主要用于無機(jī)分析中的樣品預(yù)處理，后期逐漸將其應(yīng)用到有效成分提取。利用微波加熱可加速強(qiáng)化溶劑對(duì)固體樣品中的目標(biāo)提取物尤其天然有機(jī)化合物的提取。將微波法應(yīng)用到天然藥物有效成分的提取，更有利于對(duì)藥物活性成分的分析及研究。近年來，利用微波能量從天然產(chǎn)物中提取重要成分受到了研究人員的重視[15-18]。特別是利用離子液體和微波輔助方法在天然產(chǎn)物有效成分提取的報(bào)道逐年增多。李攻科等[17]以離子液體的水溶液為提取劑，通過微波輔助法對(duì)石蒜中的石蒜堿、力克拉敏和加蘭他敏生物堿等物質(zhì)的提取進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)相較于傳統(tǒng)加熱回流和其他溶劑萃取，離子液體溶液微波輔助萃取具有快速、高效、無環(huán)境污染的優(yōu)點(diǎn)。Lu 等[18]采用微波輔助提取法，以1-烷基-3-甲基咪唑?yàn)殛栯x子的離子液體-水溶液為提取劑，對(duì)蓮子心中酚醛堿提取進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)提取法和一般溶劑微波提取法相比，離子液體微波輔助方法快速高效，且具有較高提取率。

本研究以黃連為研究對(duì)象，采用離子液體-微波輔助聯(lián)合方法，提取有效成分小檗堿，實(shí)現(xiàn)提取的高效過程強(qiáng)化。研究以離子液體-水溶液為溶劑的微波輔助提取法，考察微波時(shí)間、操作溫度、溶液pH 等工藝條件以及離子液體種類選擇等對(duì)提取收率的影響。基于現(xiàn)代密度泛函理論的分子模擬，研究微波外場(chǎng)和不同離子液體與小檗堿的相互作用，揭示復(fù)合體系組分之間相互作用的物理本質(zhì)。

1 實(shí)驗(yàn)與計(jì)算模擬

1.1 試劑與儀器

主要試劑：黃連購自寧夏藥材公司；鹽酸小檗堿標(biāo)準(zhǔn)品購自中國食品藥品檢定研究院；[EMIM]Ac、[BMIM]Ac、[HMIM]Ac、[OMIM]Ac、[DMIM]Ac 五種咪唑類離子液體購自中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所，純度>99%；乙腈（色譜純）和磷酸（分析純）均購自天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

主要儀器：微波合成儀（MAS-II 型），上海新儀微波化學(xué)科技有限公司；數(shù)顯電動(dòng)離心機(jī)（80-4型），常州國華；微型植物粉碎機(jī)（FZl02 型），北京中興偉業(yè)儀器有限公司；酸度計(jì)（PB-10型），北京賽多利斯科學(xué)儀器有限公司；高效液相色譜儀（1100型），美國安捷倫公司；計(jì)算服務(wù)器，雙路Intel 志強(qiáng)E5-2600V3系列。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

離子液體-微波輔助萃取：將干燥塊狀黃連粉碎研磨，過100 目（149 μm）篩，置于棕色磨口瓶備用。使用分析天平準(zhǔn)確稱量約0.2 g黃連粉末，置于三頸瓶中。向其中加入一定量萃取溶劑，在微波反應(yīng)器內(nèi)，待設(shè)定完功率、溫度、時(shí)間后，在磁力攪拌下進(jìn)行提取。完成后靜置冷卻至室溫，離心10 min，使用0.45 μm 濾膜過濾。取一定量上清液定容到50 ml容量瓶中配制待測(cè)液，并使用高效液相色譜法（HPLC）測(cè)定其中含量。研究中首先進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)的考察，在此基礎(chǔ)上確定較優(yōu)提取工藝。

在上述實(shí)驗(yàn)條件下小檗堿以鹽酸鹽形式存在。使用HPLC 檢測(cè)鹽酸小檗堿含量最佳條件為：流動(dòng)相為磷酸二氫鈉溶液(濃度0.05 mol/L，pH=2.5)和乙腈體積比為70:30；固定相為C18柱；柱溫25℃；波長264 nm。在HPLC 譜圖中鹽酸小檗堿出峰時(shí)間約為11.6 min，此時(shí)能得到很好鹽酸小檗堿的分離。使用鹽酸小檗堿標(biāo)準(zhǔn)品配制系列不同濃度的溶液并進(jìn)色譜柱，測(cè)定峰面積，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，回歸方程為y=1001.10x+10.49，R2>0.9999。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線即可獲得不同提取液中鹽酸小檗堿的含量。

小檗堿的提取收率（yield，mg/g）在本研究中定義為：

式中，m*(mg)和m0(g)分別為HPLC 測(cè)定的待測(cè)液中鹽酸小檗堿質(zhì)量和黃連樣品質(zhì)量；V0和V1分別為提取液定容體積和待測(cè)提取液體積，ml。

1.3 分子模擬方法

分別構(gòu)造小檗堿和離子液體單獨(dú)模型以及復(fù)合體系模型。利用密度泛函理論（DFT）在M06-2X/6-31G**基組水平上分別對(duì)單獨(dú)體系和復(fù)合體系進(jìn)行幾何構(gòu)型全優(yōu)化，并進(jìn)行能量和電子性質(zhì)計(jì)算，所有計(jì)算均使用Gaussian16程序完成。需要指出的是，DFT 方法中常規(guī)的廣義梯度泛函（如PBE、BP86、PW91等）和一般雜化泛函(如B3LYP 和PBE0等) 方法不能較為精確地描述弱相互作用體系，而本研究使用M06-2X 方法[19-21]被證明對(duì)于非共價(jià)相互作用的描述甚至能夠接近非常精確的耦合簇(CCSD)方法[22]。本研究中分子模擬計(jì)算中使用外加電場(chǎng)方式模擬微波行為。這是當(dāng)前模擬計(jì)算微波外場(chǎng)的常用方法，并得到了較為廣泛的認(rèn)可[14,23-24]。為了更深入研究離子液體和小檗堿之間的相互作用本質(zhì)，對(duì)復(fù)合體系的約化密度梯度（RDG）[25-26]進(jìn)行了分析和討論。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同離子液體的影響

本研究選取[EMIM]Ac、[BMIM]Ac、[HMIM]Ac、[OMIM]Ac、[DMIM]Ac 五種常用離子液體用于從黃連中提取小檗堿。在離子液體濃度0.5 mol/L、固液比1∶70（質(zhì)量(g)∶體積(ml),下同）、溶液pH=4、微波時(shí)間8 min、提取溫度60℃和微波功率300 W 的相同工作條件下，獲得不同離子液體微波輔助從黃連中提取小檗堿的收率如圖1 所示。由圖可見，五種離子液體水溶液用于從黃連中提取鹽酸小檗堿收率達(dá)到30.6～58.9 mg/g。根據(jù)報(bào)道[27]，不同黃連樣品中小檗堿含量約為7%。本研究最優(yōu)工藝下收率為58.9 mg/g，按此計(jì)算提取率可達(dá)到84%。與其他條件相同而水溶液中不加離子液體的提取收率25.3 mg/g 相比，離子液體的加入使得小檗堿提取收率顯著提升。可見，離子液體對(duì)于從黃連中提取小檗堿具有明顯的過程強(qiáng)化作用。

圖1 不同離子液體條件下提取收率Fig.1 Extraction yield by different ionic liquids

圖2 咪唑類離子液體的陽離子分子結(jié)構(gòu)Fig.2 Molecular structures for imidazole cation of ionic liquids

不同種類的離子液體表現(xiàn)出不同程度的提取收率提升效果。所選用的五種陰離子為醋酸根的離子液體中，[OMIM]Ac的提取效果明顯優(yōu)于其他離子液體。這可能與不同種類的離子液體自身結(jié)構(gòu)和性質(zhì)具有一定關(guān)聯(lián)。從分子結(jié)構(gòu)的角度考慮，本研究所考察的五種離子液體均為甲基咪唑醋酸鹽類。它們具有相同的陰離子結(jié)構(gòu)，主要差異在于陽離子中咪唑環(huán)取代烷基中碳鏈的長度不同（圖2）。當(dāng)離子液體陽離子取代烷基中碳鏈長度從C2 乙基逐漸增加至C6 己基時(shí)，提取收率由30.6 mg/g 增加至34.1 mg/g，呈現(xiàn)小幅增加趨勢(shì)。當(dāng)取代烷基碳鏈進(jìn)一步延長至C8辛基時(shí)，提取收率迅速增加達(dá)到峰值（58.9 mg/g）。隨后，當(dāng)取代烷基碳鏈長度進(jìn)一步增加到C10 癸基時(shí)，提取收率降低至39.5 mg/g?？梢?，離子液體陽離子取代烷基中碳鏈的長度對(duì)于提取收率的確具有重要影響。從微觀分子構(gòu)效關(guān)系的角度出發(fā)，甲基咪唑類陽離子為典型兩親性表面活性物質(zhì)，其中甲基咪唑?yàn)橛H水集團(tuán)，而相應(yīng)鏈狀烷基為憎水集團(tuán)。隨著烷基碳鏈長度的增加，溶解度會(huì)出現(xiàn)降低現(xiàn)象，傳質(zhì)阻力隨之增加。Shiflett等[28]對(duì)陰離子為TFES 的系列甲基咪唑離子液體溶解度的測(cè)試表明[DMIN]溶解度低于[HMIN]，也驗(yàn)證了該結(jié)論。其主要原因在于離子液體陽離子中烷基碳鏈過長時(shí)，離子液體溶液的表面吸附現(xiàn)象更加明顯，進(jìn)而影響離子液體在水中的均一性和分散性。因此使用[DMIM]Ac 離子液體溶液時(shí)提取收率較[OMIM]Ac出現(xiàn)降低現(xiàn)象。這里使用[OMIM]Ac的提取收率明顯優(yōu)于其他離子液體，故后續(xù)研究選擇該離子液體。

2.2 不同溶劑及加熱方式的提取收率比較

為考察不同工藝條件對(duì)黃連中小檗堿提取率的影響，在固液比1∶70、溶液pH=4、加熱時(shí)間8 min、提取溫度60℃和微波功率300 W 的相同工作條件下，分別研究水溶液常規(guī)加熱、水溶液微波加熱、乙醇溶液(0.5 mol/L)常規(guī)加熱、乙醇溶液(0.5 mol/L)微波加熱和[OMIM]Ac 離子液體水溶液(0.5 mol/L)微波加熱幾種不同提取工藝條件對(duì)提取收率的影響。結(jié)果如表1 所示。由表中數(shù)據(jù)可見，不同溶液體系對(duì)提取收率影響較大。乙醇溶液整體較水溶液提取收率更低。而水中加入離子液體后，提取收率可進(jìn)一步提高。其原因在于乙醇分子相比水分子而言極性較小。溶液極性一般可用溶劑分子的偶極矩衡量[29]。為此，本研究在M06-2X/6-31G**方法水平上分別對(duì)水分子和乙醇分子進(jìn)行了第一性原理方法計(jì)算，獲得水和乙醇單分子偶極矩分別為2.09 D 和1.58 D(1D=3.33564×10－30C·m)。該結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)定數(shù)值（分別為1.86 D 和1.68 D）能夠很好地對(duì)應(yīng)。由此可見水分子的確較乙醇分子具有更大的偶極矩和分子極性，易于受外場(chǎng)作用而產(chǎn)生電子密度的極化作用。[OMIM]Ac 為咪唑類陽離子和醋酸陰離子構(gòu)成的有機(jī)鹽，比常規(guī)有機(jī)分子具有更大的極性。這與本文計(jì)算獲得的[OMIM]Ac 離子液體偶極矩達(dá)到11.98 D 相符合。因此離子液體的極性顯著大于水。一般而言，極性較強(qiáng)的體系在微波場(chǎng)中具有更明顯的微波響應(yīng)行為[14,30-31]。故離子液體的引入可實(shí)現(xiàn)從黃連中提取小檗堿收率的進(jìn)一步提升。由此可見，離子液體和微波作為重要的輔助方法對(duì)于提取收率的提升都具有重要作用。

表1 不同工藝條件下黃連中小檗堿提取收率Table 1 Extraction yield of berberine hydrochloride under different conditions

2.3 提取工藝條件優(yōu)化

2.3.1 固液比的影響 為考察固液比的影響，在離子液體濃度0.5 mol/L、溶液pH=4、微波時(shí)間8 min、提取溫度60℃和微波功率300 W 的固定條件下，開展黃連粉末質(zhì)量與[OMIM]Ac 離子液體水溶液在固液比分別為1∶10，1∶30，1∶50，1∶70，1∶90 時(shí)小檗堿提取實(shí)驗(yàn)。獲得的提取收率結(jié)果如圖3所示。隨著固液比的增加，萃取率呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)。當(dāng)固液比從1∶10 變化至1∶70 時(shí)，鹽酸小檗堿提取收率由46.2 mg/g 增加至58.9 mg/g。其原因可能在于同等質(zhì)量黃連加大離子液體用量，增加了小檗堿與溶劑的相互作用概率，使其更容易被萃取出來。當(dāng)固液比為1∶90 時(shí)，提取收率略微降低（54.4 mg/g）。這可能是由于大量微波能量被過量溶劑吸收，黃連樣品對(duì)微波能量的吸收相對(duì)減小，導(dǎo)致細(xì)胞壁破裂和傳質(zhì)受到負(fù)面影響[32]。因此，持續(xù)增加離子液體溶液無法進(jìn)一步提高小檗堿的提取收率。且考慮到離子液體價(jià)格相對(duì)昂貴，用量增多成本升高。故選擇黃連-離子液體溶液([OMIM]Ac,0.5 mol/L)的最佳固液比為1∶70。

圖3 不同固液比的提取收率Fig.3 Extraction yield by different solid-liquid ratio

2.3.2 溶液pH 的影響 為考察溶液酸堿性的影響，在離子液體濃度0.5 mol/L、固液比1∶70、微波時(shí)間8 min、提取溫度60℃和微波功率300 W 的相同工作條件下，將[OMIM]Ac 離子液體溶液pH 分別調(diào)節(jié)為1～7，進(jìn)行黃連中小檗堿提取實(shí)驗(yàn)。獲得的提取收率結(jié)果如圖4 所示。當(dāng)pH 在1～3 時(shí)，萃取率呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但變化較平緩，萃取率僅由46.5 mg/g增加至47.5 mg/g。當(dāng)溶液pH 增加至4時(shí)，提取收率顯著提升，達(dá)到58.9 mg/g。當(dāng)pH 在5～7 時(shí)，萃取率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但提取收率（48.6～50.4 mg/g）仍高于pH 在1～3 之間的結(jié)果。這可能是由于pH 會(huì)影響黃連中有效提取物在離子液體水溶液中的分配，進(jìn)而影響提取率所致[33-34]。此外，咪唑類離子液體在不同pH 條件下會(huì)結(jié)合質(zhì)子從而表現(xiàn)出不同的分子結(jié)構(gòu)和極化性質(zhì)，進(jìn)而改變微波響應(yīng)行為以及與小檗堿的相互作用?？梢?，離子液體溶液的pH 對(duì)提取效果仍具有一定影響。因此，取pH 為4最合適工藝條件。

圖4 不同溶液pH的提取收率Fig.4 Extraction yield by different pH of solution

2.3.3 微波加熱時(shí)間的影響 為考察微波加熱時(shí)間對(duì)提取收率的影響，在固液比1∶70、溶液pH=4、提取溫度60℃和微波功率300 W 的相同工作條件下，將濃度為0.5 mol/L的[OMIM]Ac離子液體溶液在微波加熱時(shí)間分別為2、4、6、8和10 min下進(jìn)行黃連中小檗堿提取實(shí)驗(yàn)。獲得的提取收率結(jié)果如圖5所示。根據(jù)溫度為單因素的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)微波加熱時(shí)間對(duì)于鹽酸小檗堿的提取收率具有一定影響。隨著微波加熱時(shí)間從2 min 延長至8 min，鹽酸小檗堿的提取收率從55.0 mg/g 增加至58.9 mg/g，呈現(xiàn)穩(wěn)步增加趨勢(shì)。其可能原因在于微波加熱盡管速度較快，但仍是一個(gè)逐級(jí)升溫的過程。隨著微波加熱時(shí)間的延長，離子液體-水溶液體系與黃連樣品接觸時(shí)間和提取時(shí)間延長，這使得黃連中的小檗堿溶出更加充分。而當(dāng)微波加熱10 min 時(shí)，鹽酸小檗堿提取收率為58.1 mg/g，略低于加熱8 min 時(shí)相應(yīng)收率。其可能原因在于黃連樣品在微波場(chǎng)中吸收大量的能量，從而在細(xì)胞內(nèi)部受過強(qiáng)熱應(yīng)力作用[14]，這使得部分有效成分在該過程中發(fā)生轉(zhuǎn)化分解。故選擇最佳微波加熱時(shí)間為8 min。

圖5 不同微波加熱時(shí)間的提取收率Fig.5 Extraction yield by different microwave heating time

2.3.4 微波加熱溫度的影響 為考察溫度對(duì)提取的影響，在離子液體濃度0.5 mol/L、固液比1∶70、溶液pH=4、微波時(shí)間8 min 和微波功率300 W 的相同工作條件下，將[OMIM]Ac離子液體溶液微波加熱溫度分別設(shè)定為30、40、50、60和70℃進(jìn)行黃連中小檗堿提取實(shí)驗(yàn)。獲得的提取收率結(jié)果如圖6所示。當(dāng)溫度從30℃升高到60℃時(shí)，鹽酸小檗堿提取收率呈現(xiàn)持續(xù)增加趨勢(shì)，由51.2 mg/g 逐步增加至58.9 mg/g。當(dāng)提取溫度升高至70℃時(shí)，提取收率為57.5 mg/g，呈現(xiàn)小幅下降。溫度在現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)上具有分子平均動(dòng)能的統(tǒng)計(jì)學(xué)含義，可用于描述物體微觀尺度上分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。在較高溫度下，離子液體水溶液中的分子熱運(yùn)動(dòng)比溫度低時(shí)更加劇烈，因此提取的傳質(zhì)過程加速，可加快黃連中的細(xì)胞壁的破裂，強(qiáng)化離子液體與提取物的相互作用，使得小檗堿能夠更有效地被萃取出來。需要指出的是，溫度過高時(shí)需要增加額外動(dòng)力消耗，使得成本增加。此外，過高溫度下強(qiáng)熱應(yīng)力作用也可能導(dǎo)致小檗堿有效成分發(fā)生轉(zhuǎn)化或氧化分解。因此，60℃為最合適的溫度工藝條件。

圖6 不同微波溫度的提取收率Fig.6 Extraction yield by different microwave temperature

2.3.5 微波功率的影響 為考察提取微波功率對(duì)提取的影響，在固液比1∶70、溶液pH=4、微波時(shí)間8 min 和提取溫度60℃的相同工作條件下，將濃度為0.5 mol/L 的[OMIM]Ac 離子液體溶液分別設(shè)定微波功率200～800 W 進(jìn)行黃連中小檗堿提取實(shí)驗(yàn)。獲得的提取收率結(jié)果如圖7 所示。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)微波功率在200～700 W時(shí)，鹽酸小檗堿提取收率變化幅度很小，為58.1～58.9 mg/g。其中，微波功率為300 W 時(shí)，提取收率58.9 mg/g 為最高。當(dāng)微波功率為800 W時(shí)，鹽酸小檗堿提取收率為56.7 mg/g，較200～700 W 時(shí)略有降低。其可能原因在于，微波功率在200～700 W 時(shí)，微波加熱的升溫較為平緩，能較穩(wěn)定地達(dá)到所設(shè)定的溫度。當(dāng)微波功率為800 W時(shí)，微波儀器功率較高，溫度控制不平穩(wěn)，強(qiáng)熱效應(yīng)可能破壞小檗堿分子結(jié)構(gòu)，降低提取收率。另外，隨著微波功率增長，黃連植物細(xì)胞中更多種類的色素和膠質(zhì)等也隨之溶出，影響后續(xù)分離。結(jié)合綠色化學(xué)理念，選擇微波功率300 W 為最合適工藝條件。

圖7 不同微波功率的提取收率Fig.7 Extraction yield by different microwave power

2.4 離子液體與小檗堿相互作用模擬及分析

使用基于第一性原理密度泛函理論的自洽場(chǎng)分子軌道法在M06-2X/6-31G**基組水平上分別對(duì)小檗堿和本研究選用的五種離子液體單獨(dú)體系以及相應(yīng)復(fù)合體系首先進(jìn)行幾何構(gòu)型全優(yōu)化，獲得各體系的平衡幾何構(gòu)型。為了直觀刻畫小檗堿與離子液體分子結(jié)構(gòu)之間的相互作用，對(duì)優(yōu)化完畢的復(fù)合體系進(jìn)行Kohn-Shame 波函數(shù)計(jì)算，并基于約化密度梯度(RDG)方法對(duì)復(fù)合體系的分子間相互作用進(jìn)行可視化分析[25,35]。RDG 分析采用約化密度梯度函數(shù)[表達(dá)式為1/(2×(3×π2)1/3)×|?ρ(r)|/ρ(r)4/3，其中?是梯度算符，|?ρ(r)|即電子密度梯度的模]描述體系內(nèi)部不同類型的相互作用。在RDG 等值面圖中，藍(lán)色區(qū)域ρ(r)>0、sign(λ2)<0，說明此區(qū)域表現(xiàn)為強(qiáng)吸引作用；綠色區(qū)域的ρ(r)=0，說明在此區(qū)域表現(xiàn)為范德華作用；紅色區(qū)域ρ(r)>0、sign(λ2)>0，表現(xiàn)為強(qiáng)互斥作用。

小檗堿與[BMIM]Ac和[OMIM]Ac兩種代表性離子液體的RDG 等值面和填色分析結(jié)果如圖8 所示。由圖可見，小檗堿的苯環(huán)和喹啉環(huán)中存在明顯的紅色棱形區(qū)域。這體現(xiàn)了六元環(huán)中較強(qiáng)的位阻效應(yīng)，與散點(diǎn)圖中對(duì)應(yīng)（+0.01, +0.05）之間的紅色部分相吻合。綠色和墨綠色片狀明顯分布在離子液體與小檗堿中間區(qū)域，以及離子液體陰陽離子之間。綠色和墨綠色區(qū)域的存在對(duì)應(yīng)散點(diǎn)圖中（-0.02,0.01）部分。這證實(shí)了離子液體的羧基、咪唑環(huán)以及醋酸根離子與小檗堿之間的弱相互作用主要表現(xiàn)為范德華力。此外，小檗堿分子的兩個(gè)氧甲基之間也存在少量藍(lán)色片狀分布，對(duì)應(yīng)散點(diǎn)圖中的（-0.05, -0.02）之間的藍(lán)色部分，該部分是小檗堿分子內(nèi)部O…H 之間一種分子內(nèi)氫鍵相互作用的體現(xiàn)。因此，RDG 等值面和散點(diǎn)分析形象直觀地說明離子液體與小檗堿之間的作用力主要是弱相互作用，表現(xiàn)為范德華力。

表2 小檗堿與離子液體分子間相互作用的結(jié)合能Table 2 Binding energy of the berberine interacted with ionic liquids

圖8 小檗堿與離子液體相互作用的約化密度梯度分析Fig.8 RDG analysis of berberine interacted with ionic liquids

為了進(jìn)一步定量描述小檗堿與離子液體分子結(jié)構(gòu)之間的相互作用，使用DFT 方法M06-2X 在6-31G**基組水平上對(duì)施加外場(chǎng)和外場(chǎng)去除情況下對(duì)本研究選擇的五種離子液體-小檗堿復(fù)合體系的相互作用結(jié)合能進(jìn)行計(jì)算和統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表2 所示。由表可知，離子液體與小檗堿的分子間相互作用結(jié)合能均為負(fù)值，即離子液體與小檗堿的相互作用為放熱過程，二者的結(jié)合在能量上是有利的。無外場(chǎng)條件下，離子液體與小檗堿結(jié)合能在-90～-147 kJ/mol。施加外場(chǎng)作用后，離子液體與小檗堿復(fù)合體系的結(jié)合能數(shù)值明顯增大，處于-689～-806 kJ/mol。由此可見，施加外場(chǎng)的確可增大離子液體與小檗堿間結(jié)合能，即離子液體與小檗堿分子之間結(jié)合更加緊密。此外，對(duì)比結(jié)合能數(shù)值可知，外場(chǎng)消除時(shí)離子液體與小檗堿分子結(jié)合能可快速大幅減小，便于二者的分離。此外，由表中數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn)，在施加外場(chǎng)條件下五種離子液體中[OMIM]Ac 與小檗堿復(fù)合體系的結(jié)合能數(shù)值最大，即復(fù)合體系相互作用最強(qiáng)，易于獲得較高提取率。這與前文提及的[OMIM]Ac 離子液體可獲得最高提取收率能夠很好地吻合。由此可見，離子液體與小檗堿分子之間結(jié)合能的數(shù)據(jù)可以很好地從分子尺度上解釋微波外場(chǎng)強(qiáng)化可提高離子液體溶液提取小檗堿收率。

3 結(jié) 論

本研究采用離子液體-微波聯(lián)合輔助方法，從黃連中提取小檗堿，實(shí)現(xiàn)提取的高效過程強(qiáng)化。主要結(jié)論如下。

(1)所選用的五種咪唑類離子液體中，[OMIM]Ac提取效果明顯優(yōu)于其他離子液體。使用微波外場(chǎng)加熱方式獲得的小檗堿提取收率明顯優(yōu)于常規(guī)加熱方式。且離子液體的加入可以實(shí)現(xiàn)小檗堿提取收率的進(jìn)一步提升。離子液體和微波作為重要的輔助方法可以實(shí)現(xiàn)提取的強(qiáng)化傳質(zhì)，達(dá)到小檗堿提取收率提升的效果。

(2)通過離子液體-微波輔助提取黃連中小檗堿實(shí)驗(yàn)，對(duì)于0.5 mol/L的[OMIM]Ac離子液體溶液獲得最佳工藝條件為：黃連-離子液體溶液固液比1∶70；溶液pH=4,微波時(shí)間8 min,提取溫度60℃,微波功率300 W,在此條件下，鹽酸小檗堿的提取收率最高可達(dá)到58.9 mg/g。

(3)通過第一性原理的分子模擬對(duì)離子液體與小檗堿分子間相互作用進(jìn)行了直觀刻畫和定量研究。RDG 分析結(jié)果表明離子液體與小檗堿之間的作用力主要是弱相互作用，表現(xiàn)為范德華力。離子液體與小檗堿分子間相互作用的結(jié)合能數(shù)據(jù)可以很好地從分子尺度上解釋微波外場(chǎng)強(qiáng)化可提高離子液體溶液對(duì)小檗堿的提取收率。