次氮基三丙酸与铍离子螯合作用的研究

马继飞 姚 剑 诸 颖 李玉兰

(中国科学院上海应用物理研究所 熔盐化学与工程技术部，上海 201800)

0 前言

铍是一种外表呈灰色的稀有轻金属，主要来源于绿柱石矿，被广泛用于航空航天、核能工业、石油仪器、制冷机械、通讯等高科技工业领域。由于铍及其化合物的广泛应用，早在20世纪30～40年代，人们就认识到铍具有较强的毒性，至今，对铍的毒性研究已有近一百年[1-2]。研究人员认为螯合剂扮演着清除“沙子”的功能，可以清除体内的铍金属[3-5]。螯合疗法主要是使用螯合剂螯合住体内有害的金属，使之成为安全的螯合物，以静脉注射的方式来治疗疾病，经由肾脏变成无害的尿液排出体外[5-6]。

次氮基三乙酸是一种常见的有机配体，由于其生物学意义和螯合性能已被广泛地研究[7-8]。本研究采用的次氮基三丙酸(NTP)具有次氮基三乙酸相似结构的配体，与次氮基三乙酸相比，在每条酸链上含一个额外的—CH2—结构，因此具备更好的金属螯合性能[9]。

在本研究中，采用分光光度法测定NTP与Be2+的相互作用之间的关系，测得NTP与Be2+的配比关系和条件稳定常数，为寻找对铍中毒有效的螯合剂提供理论依据。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

U3010型紫外/可见光光度计(日立公司)，ORION/310P pH计(美国奥立龙)， Elix Advantage纯水仪(美国Millipore公司)。

3,3',3''-次氮基三丙酸(Sigma试剂)、硫酸铍四水合物(阿拉丁试剂)、高氯酸(国药试剂)、氢氧化钠(国药试剂)均为分析纯及以上级别试剂，水由Millipore公司的Milli-Q系统纯化的二次去离子水。

1.2 实验方法

1.2.1螯合动力学

在室温25 ℃，pH=6.0条件下，考察不同时间下，NTP对Be2+的螯合动力学。

1.2.2螯合物配比和条件稳定常数的测定

所有实验在室温25 ℃，pH=6.0条件下进行，以水作为参比，在242 nm处测定溶液的吸光度值。

采用摩尔率法[10-11]测定螯合物配比。配制一系列含不同浓度比的NTP和Be2+离子溶液，其中NTP终浓度恒定为2.5 mmol/L，Be2+离子的终浓度范围从0.25～10 mmol/L，测定溶液的吸光度值。

采用Job法[11]测定螯合物的配比和条件稳定常数。固定NTP和Be2+的总物质的量为5 mmol/L，改变两种组分的比例，测定溶液的吸光度值。

1.2.3不同pH值下NTP对Be2+的螯合影响

用高氯酸与NaOH调节pH值，在室温25 ℃与不同pH值条件下，考察2.5 mmol/L NTP对2.5 mmol/L Be2+的螯合量，测定溶液在242 nm处的吸光度值。

2 结果与讨论

2.1 NTP溶液标准曲线测定

配置5 mmol/L的母液，然后分别配置0.625，1.25，2.5，4，5 mmol/L的NTP溶液，用高氯酸与NaOH调节pH值。测定其在206 nm处的吸光度值，制作标准曲线。曲线的线性回归方程为Y=0.170X+0.005，相关系数R2=0.999。

2.2 NTP与Be2+螯合物的测定

2.2.1NTP与Be2+螯合动力学

在室温25 ℃，pH=6.0，测定浓度为2.5 mmol/L的NTP对2.5 mmol/L的Be2+溶液的螯合动力学。NTP对Be2+的螯合在较短的时间内完成，2 h左右达到最大，随着时间延长螯合量趋于平衡。NTP对Be2+的作用机理如图1所示，Be2+与NTP结构中的3个羧基氧原子和1个氮原子形成螯合四齿配体结构，NTP与Be2+作用时较快且稳定[12]。

图1 NTP与Be2+的作用机理图Figure 1 Reaction mechanism of NTP-Be2+ complex.

2.2.2NTP与不同Be2+螯合的光谱分析

在室温25 ℃，pH=6.0，螯合时间为2 h，测定NTP与Be2+的螯合物的吸收光谱。偏酸性是为了避免Be2+的水解，过高的pH值会生成Be(OH)2沉淀，而过低pH值会影响NTP链上的H+解离[13]。从200 nm到400 nm，分析NTP与Be2+螯合物的吸收光谱，如图2所示，螯合物在242 nm处有吸收峰。

图2 NTP与不同Be2+螯合的吸收光谱图Figure 2 Absorption spectra of Be2+(a), NTP(b), and NTP-Be2+ complex(c～g).

2.2.3NTP与Be2+螯合物配比的测定

采用摩尔比法(molar ratio method)测定螯合物配比，在242 nm处测量溶液的吸光度值。配制一系列含NTP和Be2+不同浓度比溶液，其中NTP终浓度恒定为：2.5 mmol/L，Be2+的终浓度范围为：0.25，0.5，1，1.5，2.5，5，7.5，10 mmol/L。通过摩尔比法得到的图3表明，Be2+与NTP螯合物的摩尔比为1∶1。可以看到，在Be2+与NTP摩尔比大于2∶1时，获得吸收饱和。

此外，采用Job法测定螯合物的配比。固定NTP和Be2+的总物质的量不变，改变两种组分的比例，在恒定条件下(室温，pH=6.0)，螯合时间为2 h，在242 nm处测量溶液的吸光度值。图4显示NTP与Be2+体系的Job曲线，该曲线在摩尔分数0.5处出现最大值，说明NTP与Be2+形成1∶1的螯合物。通过Job曲线拟合得到NTP与Be2+体系的条件稳定常数lgK为4.35。

图4 NTP与Be2+螯合的Job曲线Figure 4 Job’s curve of NTP-Be2+ complex.

2.2.4不同pH值下NTP与Be2+的螯合影响

在不同pH条件下，考察了2.5 mmol/L的NTP对2.5 mmol/L的Be2+溶液螯合3 h的螯合量。结果见图5，在pH=6.0的条件下，NTP对Be2+的螯合量最大；在pH=4.5～6.0的范围内，NTP对Be2+的螯合较为稳定；随着pH的降低(2.5～4.5)，螯合量逐渐减少；随着酸性的增强，NTP对Be2+基本没有作用。这是因为酸效应的影响，NTP链上的H+解离不多，NTP与金属离子配位的位置较少，被螯合的金属离子也就较少。另外，随着碱性的增强，NTP与Be2+螯合物也开始部分水解，被螯合的金属离子进入碱性螯合液，与OH-以氢氧化物的形式沉淀析出，会导致螯合量的下降。

图5 不同pH值对NTP螯合Be2+的影响Figure 5 Effect of pH on absorbency of NTP-Be2+ complex (pH=2～6).

3 结论

次氮基三丙酸能够与Be2+在较短时间内形成稳定的螯合物，这为对铍中毒有效的新螯合剂的研制方向提供了理论依据。NTP对Be2+螯合物的摩尔比为1∶1，这与作用机理图相吻合，条件稳定常数lgK为4.35，说明螯合物比较稳定。螯合反应时pH值对NTP与Be2+螯合量有着重要的影响。当螯合反应显弱酸性时，不仅NTP末端的羧基发生电离，NTP氨基上的H+也会被解离而被铍元素取代，从而形成四齿配体结构，因此随着螯合时pH值的上升，铍离子螯合的量也随之增大。但随着碱性的进一步增强，螯合Be2+的含量反而会减少。所以可通过调节NTP与Be2+溶液的pH值来控制NTP与Be2+的螯合量。

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