蛋白纤维与84消毒液的反应初探

吴孙富 王洪升

摘要：从理论及实验两个方面，探析了棉花纤维难以溶解于84消毒液的原因。介绍了蛋白纤维溶于84消毒液时可能发生的化学反应及生成的主要产物。指出了本研究有待进一步解决的问题及在中学化学教学上的意义。

关键词：蛋白纤维；84消毒液；氧化反应；水解反应；类似多肽

文章编号：1005–6629（2016）6–0069–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

“学生化学趣味实验大赛的实践与启示”[1]一文中说：取相同的两只烧杯，里面盛放50mL 84消毒液，各取一团棉花和蚕丝，分别投入到84消毒液中，充分搅拌1分钟，发现蚕丝完全溶解，而棉花没有任何变化。该实验提供了一种既简单又可靠的检验蚕丝与棉花的方法，也便于学生独立进行实验与检验。

用84消毒液检验蚕丝与棉花确实是一种有趣、可靠、适用于进行家庭小实验的教学资源，但学生很容易就该实验提出两个问题：为什么蚕丝易溶于84消毒液，而棉花难溶于84消毒液？蚕丝与84消毒液发生了什么化学反应？众所周知，84消毒液的有效成分是NaClO，其中还含有NaOH、NaCl等。笔者发现现有文献和参考书均没有关于蚕丝与NaClO和NaOH的混合溶液或蚕丝与84消毒液发生反应的报道。在此，笔者先简要分析棉花难溶解于84消毒液的原因，然后从理论和实验两方面重点探析蛋白纤维与84消毒液的反应。

2 理论探析

棉花的主要成分是纤维素，纤维素是D-葡萄糖以β-1，4糖苷键连接起来的直链高分子，其结构式如下[2]：

纤维素可以在酸、碱或酶等催化剂的催化下水解成葡萄糖。用酸、碱催化水解时，通常需要用较高浓度的酸、碱在加热的条件下进行。84消毒液显碱性，从理论上说，84消毒液可以催化水解棉花。由于84消毒液中的主要成分是NaClO，其中所含碱的浓度较低，所以棉花常温下在84消毒液中的水解速率很慢，很难在短时间内观察到棉花明显溶解于84消毒液的现象。纤维素中不含还原性基团，所以难以和84消毒液中的主要成分NaClO发生氧化还原反应。这两个因素决定了一团棉花投入到84消毒液中难以在常温下搅拌1分钟后观察到明显的溶解现象。

蚕丝的成分是蛋白质，线型蛋白质的结构可表示如下[3]：

由于各种氨基酸中的R-互不相同，所以此结构中的各基团R-并不相同，R-代表每一个氨基酸分子中α-碳原子上连接的氨基（-NH2）与羧基（-COOH）之外的其余部分。

蚕丝与84消毒液作用时，蚕丝较快地溶解了，这说明蚕丝中的蛋白质链发生断裂生成了一些可溶于水的小分子物质。由于碱可以催化蛋白质的水解，所以蚕丝与84消毒液发生的一种可能的反应是水解反应，部分蚕丝在碱性条件下水解生成了易溶于水的短链状的多肽的钠盐或氨基酸的钠盐[4]。又由于常温下蛋白质在低浓度碱溶液中的水解速度并不会很快，所以蛋白纤维很可能会在84消毒液中发生其他的反应，从而导致蚕丝较快地溶解。这种反应可能是肽链被氧化断裂成了小分子，因为NaClO和NaOH的混合溶液具有很强的氧化性[5]。笔者在大学有机化学教材中选择了一个具有借鉴价值的化学反应如下[6]：

这个化学反应的反应物是酰胺、次卤酸钠NaXO和NaOH，该反应中的酰胺与蛋白质中的肽键在结构上有相似之处，该反应中的NaXO和NaOH与84消毒液的成分大体相同。在这个反应中，次卤酸盐将连接在烃基R-与氨基H2N-间的羰基氧化生成了Na2CO3，同时氨基发生霍夫曼重排与烃基结合生成了伯胺。蛋白质的片段结构与酰胺有相似之处，蛋白质肽链中的羰基有可能被NaClO和NaOH的混合溶液氧化生成Na2CO3，只是氧化后间隔在羰基之间的碳、氮原子不会像酰胺一样发生重排而连接到一起。这样说的理由有两点，一是肽键氮原子上连有其他结构较大的基团，进行重排的空间阻碍作用较大；二是羰基之间的碳、氮原子若重排连接到一起，则蛋白质就会转化成一种新的难溶于水的高分子，这与已知的实验现象不相符合。基于这些理论分析，笔者选用鸡毛和羊毛设计完成了如下蛋白纤维与84消毒液反应的实验。

3 实验探析

3.1 实验设计说明

下列实验记录表中的实验分为四个大实验（大序号），每个大实验都是先在大试管里加入一团鸡毛或羊毛（各约0.15g）后，再加入40mL 84消毒液（广州蓝月亮实业有限公司生产，下同），然后放在水浴中加热，T表示水浴加热的温度、t表示水浴加热的时间。每个大实验序号下包含两个小实验（小序号），小实验中的“2mL反应液”均取自大试管中停止加热后的反应混合液。

3.2 实验设计思想

蛋白纤维会水解成氨基酸的钠盐及多肽的钠盐，还可能会在肽键处氧化断裂并生成Na2CO3，后者可能是蛋白纤维溶于84消毒液的主要反应。文献[1]中所用的蛋白纤维是蚕丝，且实验是在常温下进行的。由于本地不养蚕，难以得到纯净的蚕茧或蚕丝，所以本文实验所选用的蛋白纤维是鸡毛和羊毛这两种廉价易得的物质。为了加快反应速率，特在水浴加热（55℃）下进行。从实验事实看，加热还有利于产物气体的逸出。为了说明反应时间对反应进程的影响，本文中有两个实验加热了5min，另外两个实验加热了10min。

3.3 实验现象分析

（1）鸡毛、羊毛等蛋白纤维同蚕丝一样可溶于84消毒液，只是由于鸡毛粗细不匀，所以较粗的鸡毛难以在短时间内全部溶解。在一定量的84消毒液中，反应时间越长，溶解的鸡毛或羊毛就越多。由于羊毛比鸡毛更易溶于84消毒液，所以羊毛反应液的后续实验现象比鸡毛更明显一些。

（2）鸡毛、羊毛与84消毒液反应时，氧化生成了Na2CO3，同时还逸出了NH3。这与上述理论分析相一致，Na2CO3是蛋白质肽链中部分肽键上的羰基被NaClO和NaOH的混合溶液氧化生成的产物。在生成Na2CO3的同时逸出NH3是理论分析之外的实验发现，说明肽键上的亚氨基-NH-氮原子在NaClO和NaOH的混合溶液中与其两边的碳原子发生了水解断裂，应属于水解产物。

（3）由反应液与硫酸反应的现象可知，反应液中可能含有Na2S、CH3SNa等物质，这是由于组成蛋白质的半胱氨酸、蛋氨酸等物质中含有硫元素。半胱氨酸、蛋氨酸的结构简式如下：

在含有半胱氨酸、蛋氨酸结构片段的部位，基团HS-与基团CH3S-会水解生成Na2S、CH3SNa，这种变化使得蛋白纤维链上的基团R-发生了变化。同时，蛋白纤维中部分肽键上的羰基被氧化生成了Na2CO3，相应肽键上的亚氨基-NH-也水解生成了NH3，这样，反应断裂生成的一些蛋白质片段结构的端基就不是多肽应该具有的氨基和羧基。这两个因素的存在，使得蛋白纤维在84消毒液中氧化断链后得到的并不是多肽，而是一种结构类似多肽的物质。这种类似多肽的物质依然含有酸性基团，酸性基团的存在使得这类物质在碱性的84消毒液中有较大的溶解度，而在硝酸或硫酸酸化的溶液中较难溶解，这也是上述硝酸酸化和硫酸酸化的溶液存在或出现浑浊的原因。

就实验现象来看，羊毛反应液与BaCl2溶液反应后，再加入硝酸，溶液并没有完全变得澄清，溶液依然存在浑浊现象。这种“浑浊”与羊毛反应液与硫酸作用后的“浑浊”均难以较迅速地沉降到试管底部，这些难溶物质可能是多肽及那些结构类似多肽的物质。我们知道，BaSO4是一种式量较大的难溶物质，这决定了BaSO4在溶液中能较快地沉降到试管底部。又由于亚硫酸盐在84消毒液和硝酸中均容易被氧化成硫酸盐，所以说蛋白纤维中的硫元素没有被84消毒液氧化生成亚硫酸盐或硫酸盐。

（4）有机化学反应是复杂的，NaOH本身能够催化蛋白质的水解，所以鸡毛、羊毛与84消毒液反应时也应该有部分蛋白质水解成了多肽，只是我们在实验中难以通过有关实验现象确认这些多肽物质的存在。也就是说，在“反应液”与酸作用后出现的“浑浊”物质中，应包括多肽及一些类似多肽的物质。

（5）鸡毛溶解时，鸡毛中所含的色素也溶解在84消毒液中了，且这种色素难以被84消毒液氧化，这是反应液与鸡毛的颜色一致的原因。

4 结论与意义

蛋白纤维可溶于足量的84消毒液，主要发生了如下三类化学反应。一是蛋白质中部分肽键的催化水解；二是部分肽键处的羰基发生了氧化反应、亚氨基发生了水解反应；三是HS-和基团CH3S-发生了水解反应。蛋白纤维溶于84消毒液时发生化学反应生成的产物主要是多肽的钠盐、氨基酸的钠盐、类似多肽物质的钠盐、Na2CO3、NH3、Na2S、CH3SNa、色素等。

根据以上分析，蛋白纤维与84消毒液的反应还有如下几个问题需要进一步探究。一是蛋白纤维与84消毒液反应的反应机理需要探究清楚；二是反应中生成的类似多肽物质的钠盐、多肽的钠盐、氨基酸的钠盐及可能生成的其他一些小分子需要进行进一步的分离检验；三是小分子化合物CH3SNa需要进一步确认；四是不能被NaClO氧化褪色的色素是什么物质。

若将此探究活动应用于中学化学教学，是十分有利于培养和激发学生学习化学的兴趣和探究精神的。

参考文献：

[1]王雪艳.学生化学趣味实验大赛的实践与启示[J].化学教学，2015，（10）：32～34.

[2][3]北京师范大学，华中师范大学，南京师范大学编.有机化学（下册）[M].北京：高等教育出版社，2010：46，66～67.

[4]魏华，何卫江等.肽键水解断裂的理论研究[J].无机化学学报，2000，16（4）：653～657.

[5]周相武，汪晓军，刘姣等.次氯酸钠溶液的氧化性研究[J].氯碱工业，2006，（8）：28～30.

[6]北京师范大学，华中师范大学，南京师范大学编.有机化学（上册）[M].北京：高等教育出版社，2010：343.