戊二醛與鏈霉素反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的光譜學(xué)研究

劉春葉，苗延青，張雪嬌，鄧榮

(西安醫(yī)學(xué)院 藥學(xué)院，陜西 西安 710021)

化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)是化學(xué)領(lǐng)域最基礎(chǔ)的學(xué)科之一。對(duì)各類反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究有助于反應(yīng)機(jī)理的理解、反應(yīng)過程的控制及反應(yīng)產(chǎn)率的提高［1-3］，研究方法有紅外光譜法、紫外光譜法、非等溫差示掃描量熱法、滴定法等［4-7］。

氨基與醛基的反應(yīng)是色譜固定性、可降解材料等制備過程中常用的反應(yīng)之一［8-10］。戊二醛屬于雙醛基試劑，是上述反應(yīng)中常用的醛基試劑。鏈霉素是一種氨基糖苷類抗生素，分子含有兩個(gè)伯氨基，可與醛基通過親核加成-消去反應(yīng)產(chǎn)生希夫堿，是色譜填料制備中常用的化學(xué)反應(yīng)。

本研究擬采用紫外分光光度法對(duì)戊二醛和鏈霉素的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程、反應(yīng)級(jí)數(shù)及反應(yīng)活化能進(jìn)行測(cè)定，對(duì)醛基與氨基生成希夫堿的反應(yīng)提供依據(jù)，對(duì)該類反應(yīng)在實(shí)際中的應(yīng)用提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

25% 戊二醛溶液，分析純;硫酸鏈霉素，≥720 IU/mg。

UV-2102 PCS 型紫外可見分光光度計(jì);HH-WO-501 智能數(shù)顯恒溫水浴鍋;CMD-20X 智能型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱。

1.2 溶液的配制

1.2.1 戊二醛標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制分別移取25%戊二醛溶液4.0，8.0，12.0，16.0，20.0，24.0 mL 至6個(gè)50 mL 容量瓶中，加20 mL 蒸餾水，搖勻，靜置，待泡沫消失后用蒸餾水定容。精密吸取1 ～6 號(hào)液體各1.0 mL，分別加入編號(hào)1 ～6 的25 mL 容量瓶中，加少量蒸餾水搖勻，靜置，待泡沫消失后用蒸餾水定容。

1.2.2 硫酸鏈霉素標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制精密稱取硫酸鏈霉素粉劑8.750 0 g，加水溶解，定容于50 mL容量瓶中，搖勻。精密移取3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，8.0 mL，分別加入到編號(hào)為1 ～6 號(hào)的10 mL 容量瓶中，蒸餾水定容，得濃度分別為0. 02，0. 04，0. 06，0.08，0.10，0.12 mmol/mL 的鏈霉素水溶液。

1.3 動(dòng)力學(xué)方程

戊二醛與鏈霉素等含氨基反應(yīng)物間的反應(yīng)方程式為:

其反應(yīng)速率方程可表示為:

式中 CL、CW——硫酸鏈霉素和戊二醛溶液的濃度，mmol/mL;

K——速率常數(shù);

α，β——硫酸鏈霉素和戊二醛的反應(yīng)級(jí)數(shù)。對(duì)式(1)兩邊取對(duì)數(shù)，得:

由式(2)可知，固定鏈霉素的初始濃度，改變戊二醛的濃度，可計(jì)算出反應(yīng)速率。以lg(－dCW

dt )對(duì)lg CW作圖，所得直線斜率即為α。同理，固定戊二醛的濃度，改變鏈霉素的濃度，求出β。將α和β值代入式(1)，即可求得反應(yīng)速率常數(shù)K。

由于戊二醛和鏈霉素在紫外光區(qū)有吸收，所以可以利用紫外可見分光光度法［5］來測(cè)定戊二醛和鏈霉素反應(yīng)中兩種反應(yīng)物的反應(yīng)速率常數(shù)。通過反應(yīng)速率常數(shù)求得反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，根據(jù)阿倫尼烏斯公式求出反應(yīng)表觀活化能。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

1.4.1 戊二醛標(biāo)準(zhǔn)曲線的制備任取1.2.1 節(jié)配制的戊二醛溶液1 份，以蒸餾水建立基線，在200 ～400 nm 內(nèi)進(jìn)行紫外掃描，可知戊二醛溶液在235 nm處有最大吸光值。對(duì)1.2.1 節(jié)的6 種溶液分別在200 ～300 nm 內(nèi)進(jìn)行紫外掃描，測(cè)得235 nm 處吸光度，每個(gè)溶液平行測(cè)定3 次，取平均值。以戊二醛濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)作圖，進(jìn)行線性回歸，得標(biāo)準(zhǔn)曲線方程A =22.083C－0.014 8，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差r=0.999 7，在8.5 ×10－3～50.9 ×10－3mmol/mL濃度內(nèi)線性關(guān)系良好。

1.4.2 鏈霉素標(biāo)準(zhǔn)曲線的制備任取1.2.2 節(jié)鏈霉素溶液1 份，用蒸餾水建立基線，在200 ～400 nm范圍內(nèi)進(jìn)行紫外掃描，可知鏈霉素溶液在276 nm 處有最大吸光值。對(duì)1.2.2 節(jié)的6 種溶液分別在200～300 nm 內(nèi)進(jìn)行紫外掃描，測(cè)得276 nm 處吸光度，每個(gè)溶液平行測(cè)定3 次，取平均值。以鏈霉素濃度為橫坐標(biāo)，276 nm 處吸光度為縱坐標(biāo)作圖，進(jìn)行線性回歸，得標(biāo)準(zhǔn)曲線方程A =10.387C +0.005 8，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差r=0.999 6，在0.02 ～0.12 mmol/mL 濃度內(nèi)線性關(guān)系良好。

2 結(jié)果與討論

2.1 時(shí)間對(duì)反應(yīng)速率的影響

用戊二醛42.4 ×10－3mmol/mL、鏈霉素1.8 ×10－3mmol/mL 的混合液，在30 ℃下反應(yīng)不同時(shí)間，測(cè)定吸光度，結(jié)果見圖1。

圖1 不同反應(yīng)時(shí)間下溶液吸光度

Fig.1 UV absorbance of reaction solution at different reaction time

由圖1 可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，反應(yīng)混合物吸光度逐漸降低，但30 min 后變化趨勢(shì)減小，30 min到50 min 時(shí)間內(nèi)，吸光度僅變化了0.003 個(gè)單位，故確定反應(yīng)時(shí)間為30 min。

2.2 戊二醛濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響(0 ℃時(shí))

分別精密配制鏈霉素濃度固定1.85 mmol/mL、戊二醛濃度呈梯度變化的混合液。在0 ℃下反應(yīng)30 min，測(cè)定235 nm 處的吸光度，將各吸光度值代入戊二醛標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算出戊二醛濃度變化值，戊二醛濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響見表1。

由表1 可知，隨著反應(yīng)物濃度的升高，反應(yīng)30 min 后溶液吸光度升高，反應(yīng)速度加快。以lg Cw為橫坐標(biāo)，lg(－dCw/dt)為縱坐標(biāo)作圖，得線性回歸方程=1.963 4lg CW－0.609 2，線性相關(guān)系數(shù)R=0.989 8?？梢?，戊二醛的反應(yīng)級(jí)數(shù)約等于2。

表1 0 ℃時(shí)戊二醛濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響Table 1 Effects of concentration change of glutaraldehyde on the reaction rate at 0 ℃

2.3 鏈霉素濃度對(duì)反應(yīng)速率的影響(0 ℃時(shí))

精密配制戊二醛濃度(1.85 mmol/mL)固定、鏈霉素濃度梯度變化的混合液。在0 ℃下反應(yīng)30 min，測(cè)定276 nm 處的吸光度。將吸光度值代入鏈霉素標(biāo)準(zhǔn)曲線，計(jì)算出濃度值，見表2。

表2 0 ℃時(shí)鏈霉素濃度變化對(duì)反應(yīng)速率的影響Table 2 Effects of concentration change of streptomycin on the reaction rate at 0 ℃

由表2 可知，以lg CL為橫坐標(biāo)，以lg(－dCL/dt)為縱坐標(biāo)作圖，得線性回歸方程為lg(－dCL

dt )=1.633 5lg CL－1.091 2，線性相關(guān)系數(shù)R =0.998 2?？梢姡溍顾氐姆磻?yīng)級(jí)數(shù)約等于2。

將各組數(shù)據(jù)代入式(1)，求出0 ℃時(shí)戊二醛與鏈霉素反應(yīng)速率常數(shù)K 的平均值為7.283 2 ×10－3mol－3·dm3·min－1，0 ℃時(shí)戊二醛與鏈霉素反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為:

可見，戊二醛與鏈霉素的反應(yīng)屬于四級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)速率與戊二醛濃度的二次方成正比，與鏈霉素濃度二次方成正比。

2.4 不同溫度下鏈霉素與戊二醛的反應(yīng)速率方程

按照2.4 和2.5 節(jié)方法，分別測(cè)定40，50，60 ℃及70 ℃下戊二醛與鏈霉素的反應(yīng)速率方程，結(jié)果見表3。

表3 不同溫度下戊二醛與鏈霉素反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table 3 Parameters of kinetics equations of glutaraldehyde and streptomycin at different temperatures

由表3 可知，反應(yīng)速率常數(shù)對(duì)反應(yīng)溫度不是非常敏感，反應(yīng)溫度提高10 ℃，反應(yīng)速率常數(shù)僅提高

1.1 ～1.5 倍。

2.5 鏈霉素與戊二醛反應(yīng)活化能

根據(jù)阿倫尼烏斯公式:

式中 ，K 為速率常數(shù);A 為指前因子;Eα為表觀活化能。

給式(4)兩邊取對(duì)數(shù)，得:

利用表3 中的數(shù)據(jù)，以ln K 對(duì)1/T 作圖，得線性方程ln K=2 533.1(－1/T)+4.367，線性相關(guān)系數(shù)R =0.993 9，由該方程可計(jì)算出表觀活化能為

21.06 kJ/mol。

3 結(jié)論

采用分光光度法測(cè)定了0 ～70 ℃范圍內(nèi)5 個(gè)不同溫度下戊二醛與鏈霉素反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程。研究表明，戊二醛與鏈霉素的反應(yīng)屬于四級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)速率與各自濃度的二次方成正比。隨著溫度的升高，反應(yīng)速率常數(shù)增大，但對(duì)溫度變化不敏感，該反應(yīng)的表觀活化能為21.06 kJ/mol。戊二醛與鏈霉素的反應(yīng)較容易進(jìn)行，故在利用氨基與醛基反應(yīng)進(jìn)行色譜填料及毛細(xì)管內(nèi)壁改性實(shí)驗(yàn)時(shí)，反應(yīng)溫度和時(shí)間無需過高、過長(zhǎng)，一般室溫下反應(yīng)即可，反應(yīng)時(shí)間控制在30 min 以內(nèi)。

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