文章链接：https://doi.org/10.1016/j.gce.2026.02.004

1. 文章导读

在分离科学领域，从复杂体系中选择性捕获碱金属离子（Li⁺、Na⁺、K⁺、Rb⁺、Cs⁺）一直是一个重要且具有挑战性的课题。它们具有类稀有气体的稳定外层电子构型，化学性质相近。冠醚能够通过离子-偶级相互作用与具有特定尺寸的阳离子形成稳定的主客体复合物，在离子识别和金属提取等方面表现出良好的性能。然而，由于冠醚小分子固有亲水性，在分离过程中不可避免地产生溶解损失，影响循环使用性能。将冠醚功能化接枝到离子液体上，可有效解决上述溶损问题；同时，能够发挥离子液体多位点协同相互作用的优势，显著强化对化学性质相似碱金属离子的选择性识别与分离。

山西大学崔莉教授团队合成了三种含苯并12-冠-4（B12C4）、苯并15-冠-5（B15C5）和苯并18-冠-6（B18C6）的冠醚功能化离子液体（CE-FILs），系统考察了其在多组分碱金属离子共存体系中的分离选择性，并结合光谱表征与量子化学计算，阐明了 CE-FILs与碱金属离子的配位结构及相互作用机理。结果表明，CE-FILs 作为一类柔性功能材料，在碱金属离子精准识别与选择性分离方面具有良好的应用前景。本研究深化了对冠醚类主客体材料选择性捕获碱金属离子作用机制的认识，为面向定制化应用场景的碱金属离子高效分离提供了理论支撑。

2. 研究亮点

 [C₈(B12C4)mim][NTf₂]对Na⁺有最高的选择性，Na/Li分离因子达到1810。

 [C₈(B15C5)mim][NTf₂]和[C₈(B18C6)mim][NTf₂]均对K⁺展现出优异的选择性。

 CE-FILs与碱金属离子结合是离子-偶级、配位和氢键多位点相互作用的协同。

3. 内容概述

首先合成了三种不同冠醚环尺寸的CE-FILs：[C₈(B12C4)mim][NTf₂]、[C₈(B15C5)mim][NTf₂]和[C₈(B18C6)mim][NTf₂]，并通过¹H-NMR、ESI-MS、FT-IR等手段验证了离子液体的分子结构。研究了三种CE-FILs在Li⁺、Na⁺、K⁺、Rb⁺、Cs⁺混合离子溶液中的萃取分离选择性，结果表明，三种CE-FILs对碱金属离子的萃取性能均优于冠醚单体，这与CE-FILs的多位点协同作用有关（图1）；其中[C₈(B12C4)mim][NTf₂]对Na⁺选择性最优，Na⁺/Li⁺选择性达1810；[C₈(B15C5)mim][NTf₂]和[C₈(B18C6)mim][NTf₂]均表现出对K⁺优异的选择性。三种CE-FILs对金属离子选择性的顺序依次为：[C₈(B12C4)mim][NTf₂]为Na⁺ > K⁺ > Rb⁺ > Cs⁺ > Li⁺; [C₈(B15C5)mim][NTf₂]为K⁺ > Rb⁺ > Na⁺ > Cs⁺ > Li⁺; [C₈(B18C6)mim][NTf₂]为K⁺ > Rb⁺ > Cs⁺ >Na⁺ >Li⁺（图2），上述萃取选择性顺序和冠醚功能化离子液体Hg核磁位移的结果完全一致。

图1. 冠醚功能化离子液体结构及其与碱金属离子结合位点示意图。

图2. (a) CE-FILs与对应冠醚单体在碱金属离子混合溶液中的萃取性能（[CE-FILs]：100 mmol/L；[M⁺]：7 mmol/L；pH：0.4；[Fe³⁺]：35 mmol/L；[Al³⁺]：2 mol/L；O/A：1:2）；(b-d) CE-FILs结合碱金属离子前后的¹H NMR；(e) CE-FILs结合碱金属离子后H_g质子的化学位移变化。

为揭示CE-FILs选择性捕获碱金属离子的反应机制，采用光谱表征、密度泛函理论、AIM 拓扑分析等开展系统研究（图3和图4）。结果表明，CE-FILs与碱金属离子通过离子-偶极作用、氢键、静电作用形成1:1型[CE-FIL]…[M]⁺[FeCl4]^-离子对络合物，其螯合选择性与主客体尺寸匹配性、离子水合能、碱金属离子和界面行为共同调控。其中冠醚环空腔半径与金属离子半径的尺寸匹配度是选择性络合的基础；离子水合能越高（如Li⁺，-520 kJ/mol），其水化层越稳定，越难脱溶剂，萃取选择性降低；离子半径越大、电荷密度越低，越易在油水界面富集，更易与CE-FILs结合发生萃取。

图3. 正离子模式下(a) [C₈(B12C4)mim][NTf₂]、(b) [C₈(B15C5)mim][NTf₂]、(c) [C₈(B18C6)mim][NTf₂]与碱金属离子形成络合物的ESI-MS图；(d) 对应负离子模式ESI-MS图；(e) CE-FILs与碱金属离子主客体尺寸理论与实际匹配示意图；(f) 碱金属离子在油-水界面的密度分布曲线。

通过表面静电势、AIM及IGMH分析，从电子结构与相互作用本质层面，系统解析了CE-FILs与碱金属离子的络合机制，揭示了CE-FILs静电势分布特征，精准识别了络合物中分子间相互作用的类型、位点与作用强度。

图4. (a) 冠醚功能化离子液体的分子结构及静电势分布；(b) CE-FILs与碱金属离子形成络合物的AIM拓扑分析及IGMH分析结果。

4. 总结与展望

将冠醚共价接枝到离子液体不仅有效解决了冠醚小分子易流失的问题，还通过多位点相互作用的协同提高了对碱金属离子的结合能力和选择性。该材料不仅在碱金属离子的选择性捕获与高效分离中展现出良好应用潜力，也为冠醚基功能材料在相转移催化、锂同位素分离及材料科学等领域的进一步拓展提供了重要参考。

5. 作者简介

原荷峰，山西大学副教授。于2012年6月获山东大学材料科学与工程学士学位，2013年12月获英国拉夫堡大学硕士学位，2020年12月获太原理工大学博士学位，2021.04-2023.04于太原理工大学电子科学与技术流动站从事博士后工作。2023年5月入职山西大学资源与环境工程研究所，主要从事战略金属提取及分离纯化方面的应用研究和基础研究。主持国家自然科学基金青年项目，以第一作者及通讯作者在Journal of Alloys and Compounds、Chemical Engineering Journal、Chemical Communication、Applied Surface Science等期刊发表学术论文9篇，授权国家发明专利2项。

崔莉，山西大学教授，博导。入选2018年度山西省三晋英才支持计划青年优秀人才、2024年度三晋英才计划科技创新领域青年拔尖人才。长期从事工业固废/低品位矿资源化与战略金属提取研究。主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金面上/青年、山西省重点研发、企业合作等各类项目10余项，在AIChE J.、Chem. Eng. J.、Resour. Conser. Recy.和Green Energy & Environ.等期刊发表文章50余篇，申请发明专利19项，授权专利12项，“煤基固废中锂铝战略资源高值利用的关键技术及应用”获山西省科技进步特等奖（2/10）。编著《离子液体丛书一离子液体金属萃取分离》、《绿色介质与过程工程》等著作。

文章信息

H. Yuan, B. Yang, L. Cui, H. Zhang, M. Li, Selective capture of alkali metal ions using crown ether functionalized ionic liquids: structures and interaction mechanism, Green Chem. Eng., https://doi.org/10.1016/j.gce.2026.02.004 (2026).

撰稿：原文作者

编辑：GreenChE编辑部

【期刊简介】

Green Chemical Engineering（GreenChE）于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，2020年9月正式创刊，最新影响因子7.6，位列Q1区，最新CiteScore为15.5，目前已被ESCI、EI、DOAJ、Scopus和CSCD等多个权威数据库收录。GreenChE以绿色化工为学科基础，聚焦"绿色"，立足"工程" ，注重绿色化学、绿色化工及其交叉领域的前沿问题，紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

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