四氮杂大环镍配合物催化的BR振荡体系的新应用：检测咖啡酸

陈　娟，胡　刚*，张　宇，宋继梅，沈效峰，胡　林

（1.安徽大学 化学化工学院，安徽 合肥 230601；2.华东交通大学 应用化学研究所，江西 南昌 330013）

四氮杂大环镍配合物催化的BR振荡体系的新应用：检测咖啡酸

陈娟1，胡刚1*，张宇1，宋继梅1，沈效峰1，胡林2

（1.安徽大学 化学化工学院，安徽 合肥 230601；2.华东交通大学 应用化学研究所，江西 南昌 330013）

设计了一种新型检测咖啡酸的方法。利用不浓度的咖啡酸加入四氮杂大环镍配合物催化的Briggs-Rauscher （BR）化学振荡体系（KⅠO3-［NiL］（ClO4）2-H2SO4-H2O2-丙二酸）中，化学振荡体系受到不同的扰动从而达到定量分析咖啡酸的效果。［NiL］（ClO4）2中的配体L为5，7，7，12，14，14-六甲基-1，4，8，11-四氮杂环-4，11，-二烯。研究发现，当咖啡酸浓度在1.5× 10-6～2.0×10-5M之间变化时，抑制时间与加入体系的咖啡酸浓度呈现一定浓度的线性关系。在尝试用循环伏安和原有的FCA模型的基础上，提出可能的反应机理。

Briggs-Rauscher；化学振荡；四氮杂大环；镍配合物；咖啡酸

本实验体系可以测定一些物质的抗氧化性，大多数测量抗氧化物质主要采用一些气相色谱、气相色谱-质谱联用仪［1］、反相高效液相色谱［2］、分光光度法［3］、电子自旋共振法［4］。这些方法操作均比较复杂。本小组也报道了很多关于BR化学振荡体系运用于抗氧化剂的应用［5-6］。而本文主要探讨了一个利用BR化学振荡体系检测一种抗氧化剂咖啡酸的方法。为咖啡酸的检测提供了一种快速简便的方法。咖啡酸（Caffeic acid）又名3，4-二羟基肉桂酸，微溶于冷水，易溶于热水及冷乙醇。其具有很强的药理作用，抗菌抗病毒：具有较广泛的抑菌作用，但在体内能被蛋白质灭活。而本实验所用的催化剂就是与人体酶有相似结构的卟啉环结构，而化学振荡体系与人体的新陈代谢的循环有着相似之处，而咖啡酸对人体又有一定的药理作用，因此本研究更有利于探究生命的奥秘。

1　材料与方法

1.1主要仪器与试剂

213型铀电极（上海仪电科学仪器股份有限公司）、217-01型参比电极（上海仪电科学仪器股份有限公司）、DZCS-ⅠⅠC超级恒温水浴（南京大展科教实验研究所）、79-3型恒温磁力加热搅拌器（江苏金坛国胜仪器厂），ZNHW-ⅠⅠ型电子节能控温仪（巩义市予华仪器有限责任公司）、AB204～N型电子分析天平（梅特勒一托利多仪器上海有限公司）、ⅠNA-BTA数据采集器、Go！Link程序。

实验所用试剂碘酸钾、丙二酸、98%H2SO4、过氧化氢、咖啡酸均为分析纯，［NiL］（ClO4）2按照文献合成［7］，溶液均用二次蒸馏水配制，而咖啡酸用乙醇配成0.01 mol·L-1，使用前按要求稀释。

1.2实验方法

打开装有logger lite程序的电脑，参比电极和铂电极与通过放大器（Ⅰnstrument Amplifier）连接到数据采集器（GO！LⅠNK）然后再连接到电脑。调节搅拌器的转速为500 r/min左右。在冰浴条件使得温度控制在4℃左右。打开logger lite程序，进行如下操作：点击实验→数据采集→取样速度改为0.5 s/次，采集长度（时间）设为3 000 s，

在50 mL烧杯中，用移液管按如下顺序加入不同体积的以下各溶液：0.14 mol·L-1的碘酸钾溶液，6.5 mL；0.017 3 mol·L-1的催化剂［NiL］（ClO4）2，2 mL；2 mol·L-1的丙二酸，3 mL；1 mol·L-1的硫酸溶液，1 mL；并加入14 mL的二次蒸馏水，然后插入铂电极（工作电极）和甘汞电极（参比电极）。最后加入4 mol·L-1的双氧水溶液14 mL，使总体积保持在40 mL。此时溶液中各项浓度为：碘酸钾0.022 75 mol·L-1；催化剂：0.865 mmol·L-1；丙二酸0.15 mol·L-1；双氧水浓度为1.4 mol·L-1；硫酸浓度为0.025 mol·L-1，迅速点下开始键，电脑开始自动记录实验数据，溶液体积为40 mL，图1是电脑所记录以丙二酸为底物，四氮杂大环二烯镍为催化剂的典型B-R化学振荡的图形。此时会观察到溶液的颜色和电势均呈现周期性的变化，经过5个稳定的周期后，进入第6个振荡周期时最低电势点时加入一定量的咖啡酸，另外本文还分别探讨了体系中各参数的变化和咖啡酸浓度间的关系。

图1　典型振荡图形。［H2SO4］=0.025 mol·L-1；

从上图可以看出，在体系中加入双氧水之后，会出现一段时间的抑制期，然后体系开始振荡，并且逐渐稳定，为了更好的探讨咖啡酸对BR化学振荡体系的扰动，在振荡进入第六周期时，在振荡最低点加入40 uL 0.01 mol·L-1的咖啡酸，然后观察振荡体系的变化。

2　实验结果与讨论

2.1咖啡酸对BR化学振荡体系的扰动

因咖啡酸溶解在乙醇中，故应以经典BR振荡体系中加入一定量的乙醇来作为空白对照实验，图2（a）经典BR化学振荡体系的振荡轨迹图；图（b）向经典BR振荡体系中加入一定量的乙醇得到的振荡轨迹图；图（c）向经典BR振荡体系中加入一定量的咖啡酸所得到的振荡轨迹。

由图2（a）和（b）可知，乙醇对BR化学振荡提基本无影响，而当咖啡酸加入体系中，如图2（c）可以看到电势下降，然后出现一段时间的振荡抑制期，最后恢复化学振荡。从上述这三图对比，可以明显看出咖啡酸对体系是由明显的扰动的。为了更好的探讨咖啡酸不同浓度为体系的不同扰动，因此，定义当咖啡酸加入体系中会产生的抑制时间为ΔT，从而探讨其对BR振荡体系的不同响。

2.2分析实验体系各组成浓度的影响

优化是每个实验体系都应探究的问题，因为作为反应体系的一份子，其的变化影响整个实验体系，因此要对实验体系中各个组分浓度进行一一讨论。本实验采用控制变量法，及控制温度和其他四种初始溶液浓度不变，只改变某一个组分的浓度，然后根据实验结果中的体系抑制时间、振荡寿命、振荡前后稳定性以及振荡前后振幅差距来判断体系中检测咖啡酸的最优环境。

图2　（a）水溶液中铂电极的振荡轨迹；（b）10%无水乙醇/水（v/v）中铂电极振荡轨迹；（c）外加1.0×10-5mol·L-1的咖啡酸后铂电极的振荡轨迹。

碘酸钾在反应过程中会产生ⅠO2·自由基是一种很重要的中间体，其在反应中体系中扮演着重要角色，本实验中探讨碘酸钾浓度对反应体系的影响，采用控制变量法，控制温度和其他四个组分初始浓度不变，让碘酸钾浓度在 0.017～0.024 mol·L-1之间变化。由图3（a）当碘酸钾浓度为0.017 mol·L-1时，体系具有较大的抑制时间，但是体系的振幅在抑制期前后具有较大的差距，且，振荡恢复后，振荡体系的振幅不稳定，而当随着碘酸钾浓度的增加，振荡周期较碘酸钾浓度为0.021 mol·L-1时有所增大，且寿命较其较短，所以通过上述对比，选择碘酸钾浓度为0.021 mol·L-1时为体系检测的最优浓度。

由图3（b）看出，抑制时间是随着丙二酸浓度的增加而增加，在丙二酸浓度为0.1 mol·L-1时，在抑制期前的化学振荡的振幅并不稳定，且其抑制时间较短，当丙二酸浓度为0.2 mol·L-1时，体系虽然有较长时间的抑制期，但是恢复振荡之后，振荡并不稳定振幅差距大。且振荡恢复后振荡寿命短，综合上述的现象，选择丙二酸浓度为0.15 mol·L-1时未检测咖啡酸的最佳浓度。

本实验所运用的催化剂四氮杂大环配合物，其具有卟啉环结构，而卟啉环结构具有大π键，其更利于电子的传递，而且由于这种催化剂的出现，使得化学振荡为模拟人体生命循环提供了可能性。在本实验中为了探讨催化剂对体系的影响采用的是控制温度等其他四个组分浓度不变，催化剂浓度在4.325×10-4～1.167 7×10-3mol·L-1范围内改变。由图3（c）当催化剂浓度为4.325×10-4mol·L-1时，振荡体系有最大的抑制时间，但其抑制时间过于长，因此不能选择其作为最佳浓度去检测咖啡酸，但是当催化剂浓度小于6.48×10-3mol·L-1时，其恢复振荡后，体系虽然较稳定，但是其振荡寿命和振荡周期个数均小于催化剂浓度为8.65×10-4mol·L-1时，而且当催化剂浓度为8.65× 10-4mol·L-1时，其抑制时间也较长，所以最终选择催化剂浓度8.65×10-4mol·L-1作为检测咖啡酸的最佳浓度。

由上图3（d）可知，抑制时间是随着体系中硫酸浓度的增加而减小，但是抑制时间在硫酸浓度为0.025 mol·L-1时，抑制时间有所反复，当硫酸浓度稍微大于0.025 mol·L-1时，抑制时间有些微的上升，但是其不具有稳定的体系，综合振荡寿命、振荡周期、振荡前后的振幅的变化等各方面因素考虑可以得出，硫酸浓度为0.025 mol·L-1时为检测咖啡酸的最佳浓度。

图3　各组分浓度对化学测定的影响。共同条件：［咖啡酸］=1.5×10-5mol·L-1

由图3（e）可以看出，当双氧水的浓度在0.7～2.0 mol·L-1之间变化时，体系的抑制时间是随着双氧水的浓度的增加而减小的，而当双氧水从0.7 mol·L-1变为1.2 mol·L-1时，可以看到抑制时间是突然下降，而后抑制时间则是较为平缓的改变，但是当双氧水浓度为0.7 mol·L-1时，体系需要较长的诱导期，体系才会开始振荡，而且当浓度小于1.4 mol·L-1时，当系统恢复振荡的时候，振荡体系极不稳定且振荡寿命较为短暂并且伴随着极少的振荡个数，而当双氧水浓度大于1.4 mol·L-1时，其振荡恢复后，振荡个数合理，振荡周期较双氧水浓度为1.4 mol·L-1时长，且当双氧水浓度大于1.4 mol·L-1时，其抑制时间也小于当双氧水浓度为1.4 mol·L-1的时候，综合振荡周期及振荡恢复后的稳定性，振荡寿命，振荡恢复后的振荡体系的振荡个数，以及诱导期等各个方面的因素，选择双氧水浓度1.4 mol·L-1时为测量咖啡酸的最佳浓度。

2.3利用BR化学振荡体系定量分析咖啡酸

根据实际实验情况可以看出，当加入体系的咖啡酸浓度不断增加，抑制时间也会随之增加，但当咖啡酸浓度超过一定的浓度的时候，振荡体系将不再恢复振荡。当咖啡酸浓度在1.5×10-6～2.0× 10-5mol·L-1之间变化时，抑制时间与加入体系的咖啡酸浓度呈现一定浓度的线性关系如图4所示。

图4　咖啡酸浓度与抑制时间的线性关系

而其存在的线性关系方程式为：

ΔT=1.37×108［caffeic acid］-293.75（R=0.98，n=10）。

由上述关系式可以得出：当咖啡酸浓度在1.5×10-6～2.0×10-5mol·L-1之间变化时，抑制时间对其加入体系中的咖啡酸浓度有很好的相应，所以根据这良好的响应关系可以将其应用在咖啡酸的检测工作当中去。

2.4机理的讨论

1982年Noyes和Furrow最先提出的BR振荡机理NF［8］模型来解释BR化学振荡，Furrow［9］在已有的NF模型和DE［10］模型基础上提出了新的FCA模型，此次新的机理主要是加入了过氧化氢自由基在机理之中。基于已报道的FCA［11］机理，推测出本体系四氮杂大环二烯镍催化的BR化学振荡的可能机理：

在本实验体系中可以看到有一定的抑制期，可能是因为咖啡酸的加入扰动了BR化学振荡体系，咖啡酸的消耗可能是因为发生了氧化或者碘代反应，咖啡酸除了可以和体系中的中间物质发生反应，其还可以和溶液组分中的物种反应物发生一定的反应。为了更好的证明咖啡酸究竟是跟哪一种或者说是哪几种物质反应，因此做了四组循环伏安实验：（Ⅰ）H2SO4+KⅠO3，（Ⅱ）H2SO4+［NiL］2+，（Ⅲ）H2SO4+MA，（Ⅳ）H2SO4+H2O2。实验结果显示，咖啡酸可以和溶液中的碘酸钾和催化剂发生反应，如图5（a）、（b）所示。

图5　循环伏安曲线：咖啡酸与各反应物的循环伏安图

由图5（a）可知，在酸性的碘酸钾溶液中，随着咖啡酸浓度的增大，其氧化还原峰均出现偏移，从而可以推出在酸性碘酸钾溶液中，咖啡酸确实是发生了氧化还原反应。由图5（b）可以看出，在酸性的催化剂溶液中，随着加入溶液体系中咖啡酸的浓度不断增加，其氧化还原峰也是有着不同程度的偏移，由此可以证实，咖啡酸在酸性的四氮杂大环二烯镍催化剂中是发生了氧化还原反应的。

如果仅仅考虑碘酸钾和催化剂的问题则不足以解释为什么会有上百秒的抑制期，因为加入的咖啡酸的量比碘酸钾和催化剂的量少了几个数量级，如果少量咖啡酸被加入则不会产生成千上百秒的抑制期，因此应该考虑到自由基的作用。抑制期可能是因为咖啡酸中的羟基与过氧化氢自由基反应从而中断了反应链，反应如下所示。

此反应是消耗过氧化氢自由基的反应，根据反应平衡条件知，当过氧化氢自由基被消耗时，导致机理中反应（10）的步骤中的ⅠO2·的量就有所减少，当ⅠO2·减少以后，根据化学平衡原理，反应（8）平衡向左移动，致使溶液中［NⅠL］3+的量减小，从而是的以下反应不能得以继续从而中断了反应链。而加入的咖啡酸都是微量的，与溶液中各个组分均相差很大，很容易被消耗，当咖啡酸被消耗完毕之后，过氧化氢自由基又可以重新参与反应，从而可以使得反应链继续反应，振荡得以恢复。

3　小结

本章主要介绍了一种用四氮杂大环二烯镍催化的新型BR化学振荡检测咖啡酸的方法，其在日常生活中有很重大的应用，此方法比以往检测咖啡酸的方法有着很大改善，其操作更简单、方便。而且本方法可以用于检测一些非水溶性的物质，乙醇对本体系并无影响基本有机物均可以溶解在乙醇中。在以往的检测过程中，必须考虑溶剂各方面的影响，而本体系可以不必担心此问题。而且咖啡酸浓度在1.5×10-6～2.0×10-5mol·L-1

时，其抑制时间又有很好响应关系。因此，此方法可以运用在实际工作中。且在本文最后探讨了羟基个数的不同其对BR振荡体系影响不同，所以羟基在对BR体系的扰动中起着重要的作用。

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New application of Briggs-Rauscher oscillating system catalyzed by macrocyclic nickel complexes：detection of caffeic acid

CHEN Juan1，HU Gang1∗，ZHANG Yu1，SONG Ji-mei1，SHEN Xiao-feng1，HU Lin2

（1.College of Chemistry and Chemical Engineering，Anhui University，Hefei Anhui 230601；2.Institute of Applied Chemistry，East China Jiaotong University，Nanchang Jiangxi 330013）

This paper reported a new method to determine caffeic acid in this paper.When the caffeic acid was injected into the new BR oscillating system，the perturbation effects of caffeic acid were examined.The ligand L in the complex［NiL］（ClO4）2is 5，7，7，12，14，14-hexamethyl-1，4，8，11-tetraazacyclotetradeca4，11-diene.We define the inhibition time as a parameter to discuss the influence.As a result，when the concentration of caffeic acid is during 1.5×10-6～2.0×10-5M，there is a linear relationship between the concentration of caffeic acid and the inhibition time.Ⅰn order to find the optimum condition，the control variable method was used.And through the method of cyclic voltammetry，we can explore the perturbation mechanism about the system.

Briggs-Rauscher；chemical oscillating reaction；macrocyclic ligand；nickel complex；caffeic acid

O65

A

1004-4329（2016）01-031-06

10.14096/j.cnki.cn34-1069/n/1004-4329（2016）01-031-06

2015-08-20

国家自然科学基金项目（21171002，21401024）资助。

陈娟（1989-），女，硕士研究生，研究方向：电化学分析。

胡刚（1968-），男，博士，教授，研究方向：电化学分析。Email：hugang@ustc.edu。