乙酰水楊酸水解動(dòng)力學(xué)研究

張凱龍， 沈婷婷， 譚志文， 俞 超

(浙江萬(wàn)里學(xué)院 生物與環(huán)境學(xué)院， 浙江 寧波 315100)

乙酰水楊酸水解動(dòng)力學(xué)研究

張凱龍， 沈婷婷， 譚志文， 俞 超

(浙江萬(wàn)里學(xué)院 生物與環(huán)境學(xué)院， 浙江 寧波 315100)

乙酰水楊酸是一種廣泛使用的非甾體抗炎藥物?；谒畻钏?鐵(III)配合物顯色反應(yīng)，建立了可見(jiàn)分光光度法測(cè)定水楊酸含量和乙酰水楊酸水解動(dòng)力學(xué)在線測(cè)定方法。結(jié)果顯示，在pH 3.0的甲酸-氫氧化鈉緩沖溶液中，水楊酸和鐵(III)形成配位比為1∶1的穩(wěn)定紫色配合物，最大吸收波長(zhǎng)位于523 nm，表觀穩(wěn)定常數(shù)lgK=6.02，水楊酸濃度在0.05～0.5 mmol/L范圍內(nèi)呈線性，檢出限(3 s/k)為2.2 μmol/L。對(duì)水楊酸樣品進(jìn)行分析，加標(biāo)回收率在96.0%～100.5%，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差在0.76%～1.10%。對(duì)乙酰水楊酸水解過(guò)程在線監(jiān)測(cè)，通過(guò)動(dòng)力學(xué)方程擬合求得乙酰水楊酸水解反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，活化能為72.97 kJ/mol。該研究為化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定及研究方法提供了新的思路。

水楊酸； 乙酰水楊酸； 配合物； 可見(jiàn)分光光度法； 水解

0 引 言

乙酰水楊酸是水楊酸類(lèi)非甾體抗炎藥物阿司匹林的主要成分，隨著臨床研究深入,乙酰水楊酸治療范圍日益廣泛[1-4]。

水楊酸具有消毒防腐功能，但是過(guò)量的水楊酸會(huì)造成嚴(yán)重的表皮腐蝕，消化道、胃黏膜刺激和損傷[5-6]。乙酰水楊酸分子中有易水解酯鍵，乙酰水楊酸類(lèi)產(chǎn)品水解后形成水楊酸和乙酰水楊酸混合物，研究乙酰水楊酸水解動(dòng)力學(xué)和水楊酸含量測(cè)定可為相關(guān)產(chǎn)品貯存、檢測(cè)提供思路和方法。

目前測(cè)定水楊酸方法有分光光度法[7-8]、高效液相色譜法[9-10]、電化學(xué)方法[11]等，方法較為成熟。水楊酸和鐵鹽(III)配合物呈現(xiàn)紫色，常被用于水楊酸定性和目視半定量檢測(cè)[12-13]。本文結(jié)合配合物顯色和可見(jiàn)分光光度計(jì)普及率高、操作方便快捷特性，對(duì)配合物組成和穩(wěn)定性進(jìn)行研究，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件建立可見(jiàn)分光光度法測(cè)定水楊酸含量方法，并通過(guò)在線監(jiān)測(cè)和動(dòng)力學(xué)方程直接擬合獲得乙酰水楊酸水解反應(yīng)的宏觀動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

(1) 儀器。雙光束紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(島津，UV-2600)；低溫恒溫循環(huán)器(施都凱儀，ILB-008-004)；pH計(jì)(梅特勒-托利多，F(xiàn)E20)。

(2) 材料與試劑。乙酰水楊酸、水楊酸、高氯酸、硫酸鐵銨、甲酸、氫氧化鈉、乙醇、硫酸，均為分析純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 配合物組成及穩(wěn)定性

10支20 mL容量瓶分別加入0.10～1.00 mL濃度為0.01 mol/L硫酸鐵銨溶液(0.001 mol/L高氯酸配制)，再加入0.90～0.00 mL濃度為0.01 mol/L的水楊酸乙醇溶液，0.001 mol/L的高氯酸定容，第10組為參比，在最大吸收波長(zhǎng)下測(cè)定吸光度，計(jì)算配位數(shù)和表觀穩(wěn)定常數(shù)。

1.2.2 可見(jiàn)分光光度法測(cè)定水楊酸

20 mL容量瓶中依次加入一定體積的0.01 mol/L水楊酸乙醇溶液、1.60 mL濃度為0.01 mol/L硫酸鐵銨溶液、5.00 mL的甲酸-氫氧化鈉緩沖溶液(pH3.0)，去離子水定容搖勻后在523 nm處測(cè)定吸光度,水楊酸空白為參比。

1.2.3 乙酰水楊酸水解動(dòng)力學(xué)

測(cè)定前打開(kāi)分光光度計(jì)恒溫循環(huán)水，確保水溫穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)所需溶液在相應(yīng)溫度下保溫備用。20 mL容量瓶分別加入一定體積新配0.2 mol/L乙酰水楊酸無(wú)水乙醇溶液，1.60 mL濃度為0.01 mol/L硫酸鐵銨溶液、5.00 mL的甲酸-甲酸鈉緩沖溶液(pH3.0)，去離子水快速定容搖勻，快速移取部分到比色皿中，動(dòng)力學(xué)模式下在523 nm處在線連續(xù)監(jiān)測(cè)吸光度，乙酰水楊酸空白為參比。

2 結(jié)果與討論

2.1 配合物組成及穩(wěn)定性

采用連續(xù)變化法[14]，通過(guò)逐漸改變硫酸鐵銨-水楊酸組成，溶液顏色由淺入深再變淺，分別測(cè)定10組吸光度，作連續(xù)變化法曲線，如圖1所示。

圖1 連續(xù)變化法曲線

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)線性擬合并延伸，在物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)xR=0.5時(shí)吸光度達(dá)到最大A=0.368，即配合物配位比為1∶1，計(jì)算水楊酸-鐵配合物解離度α=5.98%，不考慮鐵(III)水解和水楊酸解離影響，計(jì)算得表觀穩(wěn)定常數(shù)K=1.05×106，lgK=6.02，該配合物表觀穩(wěn)定常數(shù)較大，穩(wěn)定性高，可用于分光光度法分析。

吸光度最大的水楊酸-鐵(III)配合物溶液在室溫環(huán)境中保存，定期測(cè)定其吸光度，日內(nèi)(12 h)吸光度RSD≤0.89%，日間(36 h)吸光度RSD≤0.97%，精密度高，表明水楊酸-鐵(III)配合物穩(wěn)定性良好。

2.2 條件優(yōu)化和方法驗(yàn)證

2.2.1 pH及最大吸收波長(zhǎng)

pH 2.0～6.0水楊酸-硫酸鐵銨混合液顏色如圖2所示。

圖2 不同pH溶液中配合物顏色

pH2.0時(shí)，溶液顏色呈淺紫色，隨著pH上升，紫色加深；3.0達(dá)到最深；4.0紫色明顯變淺并伴有淺黃色；4.5及以上紫色完全消失呈現(xiàn)淺黃色，過(guò)夜靜置發(fā)現(xiàn)4.0和較高pH的樣品底部有黃色氧化鐵沉淀生成。溶液pH直接影響水楊酸解離和鐵(III)水解，pH過(guò)高、過(guò)低都不利于配合物生成，pH3.0最佳，吸光度數(shù)據(jù)進(jìn)一步確認(rèn)了該結(jié)果，如圖3所示。

圖3 不同pH水楊酸-鐵(III)配合物波長(zhǎng)掃描圖

對(duì)9種不同pH溶液在200～800 nm進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，溶液在紫外區(qū)有強(qiáng)烈吸收，且吸收峰形基本一致，最大吸收峰出現(xiàn)在λmax=295.5 nm， 200～250 nm吸收峰太大，未列出。在可見(jiàn)光區(qū)掃描曲線變化較大，可以分為兩組，pH2.0～4.0的5種溶液吸光度從紫外區(qū)開(kāi)始先下降，再上升下降，在可見(jiàn)光區(qū)形成峰狀吸收，最大吸收波長(zhǎng)λmax=523 nm，pH4.0為過(guò)渡曲線，紫外區(qū)下降和可見(jiàn)光區(qū)上升幅度都較小。pH4.5～6.0的4根曲線從紫外區(qū)開(kāi)始單調(diào)下降，和前者區(qū)別顯著。pH不同溶液本身顏色變化和可見(jiàn)光區(qū)吸收曲線一致，在可見(jiàn)光區(qū)進(jìn)行分析時(shí)，選取最大吸收波長(zhǎng)523 nm，溶液pH3.0，為了保證pH穩(wěn)定，選用甲酸-氫氧化鈉緩沖溶液。

2.2.2 顯色劑用量

測(cè)定水楊酸含量選用鐵(III)鹽生成配合物進(jìn)行顯色，鐵鹽的濃度對(duì)配合物形成有直接影響。改變混合液中0.01 mol/L硫酸鐵銨溶液加入體積，測(cè)定溶液的吸光度，結(jié)果如圖4所示。

圖4 顯色劑用量

隨著硫酸鐵銨投加量增加吸光度逐漸變大，投加量大于1.6 mL，吸光度趨于穩(wěn)定，故顯色劑鐵(III)鹽最低用量為1.6 mL，鐵(III)濃度為0.8 mmol/L。

2.2.3 顯色時(shí)間

水楊酸和鐵(III)鹽在甲酸-氫氧化鈉緩沖溶液中反應(yīng)迅速，在混合瞬間即有紫色生成，從容量瓶定容后開(kāi)始計(jì)時(shí)30 min，前10 min每2 min測(cè)定1次吸光度，后20 min每5 min測(cè)定1次，0.5 h測(cè)定吸光度RSD≤0.35%，表明顯色反應(yīng)速度且穩(wěn)定，定容搖勻后即可測(cè)試。

2.2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線及檢出限

在以上最佳實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)水楊酸標(biāo)準(zhǔn)溶液系列進(jìn)行了測(cè)定，以吸光度A為縱坐標(biāo)，濃度c(mmol/L)為橫坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，結(jié)果如圖5所示。

水楊酸濃度在0.05～0.5 mmol/L范圍內(nèi)和吸光度成正比，線性回歸方程為A=1.340c+0.006，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 4。

對(duì)空白溶液平行進(jìn)行12次測(cè)定，以測(cè)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差3倍除以斜率得出方法的檢出限(3 s/k)為2.2μmol/L。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)曲線

2.2.5 樣品測(cè)試

線性范圍內(nèi)，在低、中、高水平上對(duì)水楊酸溶液進(jìn)行6次重復(fù)性測(cè)試，RSD分別為0.85%、0.66%、0.75%，重復(fù)性良好。

市售水楊酸軟膏(含量5%，主成分水楊酸、輔料凡士林)適量，乙醇溶解后加入NaOH溶液，分出部分底層溶液HCl酸化，用石油醚萃取，分出上層氮吹，殘留物乙醇溶解定容。移取適量該試樣加入水楊酸標(biāo)準(zhǔn)溶液，按照分析方法進(jìn)行回收率試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 回收率實(shí)驗(yàn)(n=6)

回收率在96.0%～100.5%，RSD在0.76%～1.10%，本方法測(cè)定水楊酸含量準(zhǔn)確可靠，靈敏度高、操作簡(jiǎn)單、分析速度快，可用于食品、藥品、化妝品等測(cè)定。

2.3 乙酰水楊酸水解動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定

乙酰水楊酸水解如下所示:

乙酰水楊酸水解生成水楊酸，水解速率與乙酰水楊酸、水和氫離子濃度有關(guān)，在緩沖體系中，氫離子濃度固定，水大量存在，反應(yīng)速率方程式可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

水解生成的水楊酸和鐵(III)生成紫色配合物，通過(guò)測(cè)定吸光度可獲得水楊酸濃度，對(duì)乙酰水楊酸水解動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行擬合可以獲得該反應(yīng)宏觀動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù)。

選定乙酰水楊酸初始濃度為0.02 mol/L，分別測(cè)定20～40 ℃溫度下水解水楊酸-鐵(III)配合物吸光度，如圖6所示。

1-20 ℃； 2-25 ℃； 3-30 ℃； 4-35 ℃； 5-40 ℃

在實(shí)驗(yàn)溫度下，溶液顏色和吸光度隨時(shí)間逐漸增加，低溫時(shí)吸光度曲線較為平緩，隨著溫度升高曲線斜率變大，達(dá)到同樣的吸光度較高溫度需時(shí)更短。表明乙酰水楊酸不斷水解生成水楊酸，水楊酸-鐵(III)配合物濃度增加，同時(shí)反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度逐漸增大。

根據(jù)乙酰水楊酸變化曲線對(duì)水解動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行參數(shù)擬合，擬合結(jié)果如圖7所示，乙酰水楊酸反應(yīng)級(jí)數(shù)平均值x=0.999 8，可視為一級(jí)反應(yīng)；不同溫度下表觀反應(yīng)速率常數(shù)：K20 ℃=3.77×10-5min-1；K25 ℃=5.70×10-5min-1；K30 ℃=9.60×10-5min-1；K35 ℃=1.49×10-4min-1；K40 ℃=2.55×10-4min-1。

1-20 ℃； 2-25 ℃； 3-30 ℃； 4-35 ℃； 5-40 ℃

根據(jù)不同溫度下表觀反應(yīng)速率常數(shù)，對(duì)阿倫尼烏斯方程進(jìn)行線性擬合，lnK=-Ea/(RT)+lnA,計(jì)算得乙酰水楊酸水解反應(yīng)活化能Ea=72.97 kJ/mol，如圖8所示。

基于水楊酸-鐵(III)配合物顯色反應(yīng)在線監(jiān)測(cè)和動(dòng)力學(xué)方程直接擬合測(cè)定乙酰水楊酸水解動(dòng)力學(xué)參數(shù)，方便快捷，改善以往離散取樣測(cè)定操作次數(shù)多，數(shù)據(jù)少，誤差大，假設(shè)擬合等缺點(diǎn)，有效提高了動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定的準(zhǔn)確性[15-16]。

圖8 乙酰水楊酸水解活化能

3 結(jié) 語(yǔ)

(1) 水楊酸-鐵(III)配合物配位比為1∶1，表觀穩(wěn)定常數(shù)K=1.05×106，lgK=6.02。

(2) 水楊酸-鐵(III)配合物最大吸收波長(zhǎng)位于523 nm。水楊酸濃度在0.05～0.5 mmol/L范圍內(nèi)呈線性，檢出限(3 s/k)為2.2 μmol/L。

(3) 乙酰水楊酸水解反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)，反應(yīng)活化能為72.97 kJ/mol。

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Hydrolysis Kinetics of Acetylsalicylic Acid

ZHANGKailong,SHENTingting,TANZhiwen,YUChao

(College of Biological and Environmental Sciences, Zhejiang Wanli University, Ningbo 315100, Zhejiang, China)

Acetylsalicylic acid is a widely used non-steroidal anti-inflammatory drugs. A method of visible spectrophotometric was developed for the determination of salicylic acid and hydrolysis kinetics of acetylsalicylic acid based on the fact that salicylic acid and ferric complex with voilet color. In the buffer solution of HCOOH-NaOH with pH of 3.0, a type of 1∶1 stable complex of salicylic acid and ferric was formed and apparent stability constant (lgK) was calculated to be 6.02. Absorption maximum of the complex was found at the wavelength of 523 nm. Linear relationship was kept in the range 0.05-0.5 mmol/L and detection limit(3 s/k) was 2.2 μmol/L. The recovery rates measured were in the range of 96.0%-100.5%, and RSD were in the range of 0.76%-1.10% when the methods was applied to sample. Results of kinetics equation fitting with online monitoring data show that acetylsalicylic acid hydrolysis accorded with first order reaction and activation energy was 72.97 kJ/mol. It would be helpful to study and determine parameters of chemical kinetics.

salicylic acid; acetylsalicylic acid; complex; visible spectrophotometric; hydrolysis

2016-08-29

浙江省高等教育課堂教學(xué)改革項(xiàng)目(kg2015334)；2015年度浙江省高校實(shí)驗(yàn)室工作研究項(xiàng)目(Y13201548)；2014年浙江省新興特色專(zhuān)業(yè)(生物工程專(zhuān)業(yè))子項(xiàng)目(浙教高教〔2014〕110號(hào))；浙江萬(wàn)里學(xué)院校級(jí)“基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程建設(shè)2015年度立項(xiàng)課題

張凱龍(1984-)，男，甘肅平?jīng)鋈?，碩士，講師，主要研究方向?yàn)榉治龌瘜W(xué)。

Tel.:0574-88225850； E-mail:chemnb@163.com

O 657.32

A

1006-7167(2017)05-0032-04