利用Briggs-Rauscher振荡反应测定丁香酸

张 慧，张望宁，周 颖，胡 刚

(安徽大学 化学化工学院，安徽 合肥 230601)

化学振荡反应是一种自组织现象[1-2].它主要指的是物质的浓度在系统中发生周期性改变.化学振荡一直存在于自然界中，最早发现于汞心脏实验中[3].随着对化学振荡探究的深入，其他的振荡反应也逐渐被探索出来.B-L[4]和B-Z[5]反应最先被发现，在它们的基础上，人们又发现了B-R反应.此前，B-R的催化剂选择的是金属离子[6-8]，后逐渐由大环配合物代替[9].底物可以选择丙二酸或者丙酮[10]等.B-R振荡反应广泛应用于检测各种物质[11-17]，这种方法不仅操作简单，而且结果很准确.

丁香酸(图示1)，又称 3，5-二甲氧基-4-羟基苯甲酸，是从石斛中提取出的[18].由于丁香酸的羟基较活泼，很容易发生化学反应，所以，具有很大的医用价值.它不仅可以抵抗肿瘤的生成[19]，而且因其抗内毒素作用[20]还能帮助人体清热解毒.另外，它还具有抗氧化[21]、抗菌和局部麻醉的作用，广泛运用于医药、香料、农药化学和有机合成工业.当前，有很多可以检测丁香酸的方法，例如RP-HPLC法[22]，RP-HPLC[23]，HPLC[24]，HPLC-UV[25]和高效毛细管电泳[26]等.

图示1 丁香酸的结构

笔者设计了一种利用丁香酸对H2SO4-MA-[NiL](ClO4)2-KIO3-H2O2新体系的影响完成对丁香酸的测定，配体L为5,7,7,12,14,14-六甲基-1,4,8,11-四氮杂环十四烷-4,11-二烯.丁香酸的加入使体系振荡突然停止，后随着时间的推进，体系又重新恢复振荡，中间的这段时间称为抑制时间(tin).不同浓度的丁香酸加入体系中，会产生不同的抑制时间.根据tin与其浓度的关系，测定丁香酸.此方法操作起来方便，得到的图形直观，而且比较精确.

1 实验部分

1.1 所用的药品与仪器

药品：硫酸(H2SO4)从国药集团化学试剂有限公司购买，碘酸钾(KIO3)、丙二酸(MA)、过氧化氢(H2O2)以及丁香酸均购买于阿拉丁官网，所用的催化剂已按照文献[27-28]成功制备并完成表征.

仪器：主要是指一些小型仪器和大型仪器，小型仪器包括来自雷磁公司的217型的甘汞和213型的铂电极，来自美国威尼尔的放大器和GO!LINK.大型仪器主要包括来自兰力公司电化学工作站(LK2005型)，来自上海仪电型号为79-3的磁力加热搅拌器和精密科学FA1004N型分析天平.

1.2 实验过程

首先，把铂电极和甘汞电极连接到放大器上，再通过数据采集器(GO!LINK)把电脑和放大器连接到一起.打开电脑和磁力搅拌器，把转速调为530 r·min-1.0.025 mol·L-1H2SO4溶液用浓H2SO4(98%)配制.除丁香酸溶液用乙醇配制外，其余溶液都用0.025 mol·L-1H2SO4溶液配制.接下来取一个体积为50 mL的烧杯，把体积分别为14.7,2,6,3.3 mL以及浓度分别为0.025,0.0173,0.14,2 mol·L-1的H2SO4、[NiL](ClO4)2、KIO3以及丙二酸(MA)溶液依次加入烧杯中，在实验过程中，保持温度在3.5～4.5 ℃范围内波动，把电极插入上述溶液中，打开电脑中的Logger Lite 软件，设置采样时间3 000秒和速度0.5秒/次，然后把体积为14 mL、浓度为4 mol·L-1的H2O2溶液加入上述烧杯中，立即采集数据，此时软件会把数据记录下来，数据包括时间和对应时间点的电势.最后，把数据保存成格式为gmbl文件.重复上述过程得到了图1(a).最终烧杯中H2SO4、[NiL](ClO4)2、KIO3、丙二酸(MA)以及H2O2的浓度为0.025,8.65×10-4,0.021,0.165,1.4 mol·L-1.图1(a)表示的是B-R体系的溶液按照提及的顺序进行混合得到的标准振荡图谱.在B-R振荡器达到电位循环的底部时，加入丁香酸进行扰动，其中丁香酸的浓度为2.5×10-6mol·L-1，如图1(b)所示.加入丁香酸后，体系的电势先微降，然后再上升，到达最高点，再下降.在扰动暂时停止之后，一段抑制时间(tin)后，振荡恢复.为了能够准确地测定丁香酸，最终选定在第6个振荡电位最低点加入丁香酸.把振荡暂停到恢复的时间定义为抑制时间，用符号tin表示.

(a): c[丁香酸]=0 mol·L-1; (b): c[丁香酸]=2.50×10-6 mol·L-1.共同条件：c[H2SO4]=0.025 mol·L-1;c[[NiL]-(ClO4)2]=8.65×10-4 mol·L-1; c[KIO3]=2.1×10-2 mol·L-1; c[MA]=0.165 mol·L-1; c[H2O2]=1.4 mol·L-1. T =( 4 ± 0.5) ℃; r=530 r·min-1.图1 加入或未加入丁香酸时系统的振荡曲线

2 实验结果与讨论

2.1 体系中各组分的优化

该实验中B-R反应进行的条件是酸性，构成反应的物质比较多.又因为它是振荡体系，所以其远离平衡.不管改变哪个物质，都会干扰这个体系.所以，为了更准确地测定丁香酸，对浓度这一变量进行探讨.在实验过程中，探究一个组分浓度变量，保持其他条件不变(包括温度、转速等一切外在条件和其他组分的浓度).丁香酸分别在各组分(H2SO4、[NiL](ClO4)2、KIO3、MA、H2O2)的不同浓度下的扰动情况如图2所示.

(a):c[H2SO4]=0.017 062 5～0.121 875 mol·L-1, c[[NiL](ClO4)2]=8.65×10-4 mol·L-1, c[KIO3]=2.1×10-2 mol·L-1, c[MA]=0.165 mol·L-1, c[H2O2]=1.4 mol·L-1; (b): c[[NiL](ClO4)2]=3.027 5×10-4～0.001 73 mol·L-1, c[H2SO4]=0.025 mol·L-1, c[KIO3]=2.1×10-2 mol·L-1, c[MA]=0.165 mol·L-1, c[H2O2]=1.4 mol·L-1; (c): c[KIO3]=0.010 5～0.029 75 mol·L-1, c[H2SO4]=0.025 mol·L-1, c[[NiL](ClO4)2]=8.65×10-4 mol·L-1, c[MA]=0.165 mol·L-1, c[H2O2]=1.4 mol·L-1; (d): c[MA]=0.06～0.24 mol·L-1, c[H2SO4]=0.025 mol·L-1, c[[NiL]-(ClO4)2]=8.65×10-4 mol·L-1, c[KIO3]=2.1×10-2 mol·L-1, c[H2O2]=1.4 mol·L-1; (e): c[H2O2]=0.85～1.75 mol·L-1, c[H2SO4]=0.025 mol·L-1, c[[NiL](ClO4)2]=8.65×10-4 mol·L-1, c[KIO3]=2.1×10-2 mol·L-1, c[MA]=0.165 mol·L-1.共同条件: c[丁香酸]=2.50×10-6 mol·L-1, T =( 4 ± 0.5) ℃, r=530 r·min-1.图2 丁香酸在各组分的不同浓度下的扰动情况

在实验中，维持外在条件不变(包括温度和转速)，除了硫酸，维持其他物质的浓度与图1一致.酸度会影响振荡的稳定性甚至决定振荡能否发生，所以，做改变硫酸浓度的实验非常重要.图2(a)指的是丁香酸在H2SO4最小浓度值0.017 062 5 mol·L-1与最大浓度值0.121 875 mol·L-1之间时的扰动情况，即产生抑制时间(tin)的情况.由图2(a)得知，随着硫酸浓度变得越来越大，对丁香酸扰动产生的抑制时间反而越来越短.当硫酸浓度从0.017 062 5 mol·L-1升到0.025 mol·L-1时，在体系中加入丁香酸，体系从以前的不够稳定变得稳定，而当H2SO4浓度从0.025 mol·L-1升到0.121 875 mol·L-1时，振幅变化很大，整体电势降低明显，所以，为了达到最合适的丁香酸的检测条件，选择硫酸的浓度为0.025 mol·L-1.

由图2(b)得知，当催化剂浓度从3.027 5×10-4mol·L-1升到8.65×10-4mol·L-1时，加入丁香酸后，振荡体系逐渐趋于平稳，而当催化剂浓度从8.65×10-4mol·L-1升到0.001 73 mol·L-1时，整体电势降低明显，且总体的振荡时间较短，由于抑制时间过长过短都不好，所以，为了达到最合适的丁香酸的检测条件，选择催化剂的浓度为8.65×10-4mol·L-1.

由图2(c)得知，当KIO3浓度从0.0105 mol·L-1升到0.021 mol·L-1时，在反应中加入丁香酸后，获得的抑制时间最佳，而当KIO3浓度从0.021 mol·L-1升到0.029 75 mol·L-1时，总体的振荡时间不长，所以，为了达到最合适的丁香酸的检测条件，选择KIO3浓度为0.021 mol·L-1.

由图2(d)知，当MA从0.06 mol·L-1升到0.165 mol·L-1时，体系电势由忽高忽低逐渐变稳，而当MA从0.165 mol·L-1升到0.24 mol·L-1时，总体的振荡时间太短，所以，选择0.165 mol·L-1的MA.

在实验中，保持外在条件不变包括温度和转速，维持除了H2O2以外的其他组分的浓度和图1一致.而图2(e)指的是丁香酸在H2O2浓度最小值0.85 mol·L-1与最大值1.75 mol·L-1之间时的扰动情况，即产生的抑制时间(tin)的情况.综合考虑，选择1.4 mol·L-1的H2O2.

2.2 使用B-R反应对丁香酸进行分析

在实验过程中，保证实验是在最佳的条件下进行的.最佳的条件已经在上文中进行说明.当加入不同浓度的丁香酸时，tin也随之改变.通过做出工作曲线，横坐标是丁香酸的浓度，纵坐标是tin，得出c(丁香酸)与tin的关系，从而实现对丁香酸的测定.测定的丁香酸的范围为2.50×10-7～1.00×10-5mol·L-1.在此范围内，c(丁香酸)与tin呈一次线性关系，如图3所示，为tin=5.035 43×107c(丁香酸)-6.945 17(R=0.994 77,N=19).

共同条件：c[H2SO4]=0.025 mol·L-1; c[[NiL](ClO4)2]=8.65×10-4 mol·L-1; c[KIO3]=2.1×10-2 mol·L-1; c[MA]=0.165 mol·L-1; c[H2O2]=1.4 mol·L-1. T =( 4 ± 0.5) ℃; r=530 r·min-1.图3 丁香酸浓度(c(丁香酸))与抑制时间(tin)的关系

为了确定B-R体系测定丁香酸的重复性，加入5.67×10-6mol·L-1丁香酸到体系中，并保证在实验过程中，H2SO4、[NiL](ClO4)2、KIO3、丙二酸(MA)以及H2O2的浓度为0.025,8.65×10-4,0.021,0.165,1.4 mol·L-1.重复做上述实验10次(见表1所列)，求得RSD=2.87%，结果说明了方法的重复率很好.

表1 丁香酸的回收率

2.3 探究实验机制

在早期时，DE和NF模型[29]的提出是针对经典的B-R振荡体系，后来，FCA模型[30]逐渐被提出，使得反应机制逐渐被完善.综合上述模型，反应机制[29-30]如下

HOI+I-+H+↔I2+H2O,

(1)

HIO2+I-+H+→2HOI,

(2)

(3)

(4)

(5)

2HOO·→H2O2+O2,

(6)

HOI+H2O2→I-+O2+H++H2O,

(7)

IO2·+[NIL]2++H+↔[NIL]3++HIO2,

(8)

H2O2+[NIL]3+→[NIL]2++HOO·+H+,

(9)

(10)

MA↔MA(enol),

(11)

I2+MA(enol)→MAI(IMAI)+H2O.

(12)

通过上述反应机制，无法确定丁香酸是与哪个物质发生反应，所以，使用循环伏安实验来探究.实验：(1) H2SO4+KIO3;(2) H2SO4+H2O2;(3) H2SO4+MA;(4) H2SO4+[NiL](ClO4)2.在以上4组实验中，分别加入0,30,60,90 μL浓度为0.01 mol·L-1的丁香酸溶液，扫描出加入丁香酸前后的循环伏安图，观察循环伏安图上氧化还原峰的位置是否发生偏移.结果如图4所示.

(a):c[KIO3] = 2.1×10-2 mol·L-1, (b):c[[NiL](ClO4)2]=8.65×10-4 mol·L-1; 共同条件: c[H2SO4]=0.025 mol·L-1, Scan rate=100 mV·s-1.图4 丁香酸溶液在不同组分存在下的循环伏安图

通过图4得知，丁香酸只有在酸性KIO3存在时，才出现氧化还原峰的偏移.说明丁香酸只与KIO3发生氧化还原反应.

由于在体系中丁香酸浓度极小，如果丁香酸与KIO3发生反应，丁香酸会被迅速消耗完，体系不会出现抑制时间.由于在体系中出现了抑制，可能是丁香酸与过氧化氢自由基发生反应，导致体系出现抑制时间.反应式如下

在振荡体系中，加入一定量的丁香酸后，由于其与HOO·反应，导致HOO·的减少，降低了IO2·在反应(10)中的浓度，从而干扰了反应(8)，导致[NiL]3+和[NiL]2+的连接断裂，由此振荡体系出现抑制时间.又由于反应中丁香酸的浓度非常小，当其在反应中被反应完后，B-R反应又出现周期性变化.

3 结束语

笔者主要是用Briggs-Rauscher振荡反应对具有很大药用价值的丁香酸进行测定，其中催化剂为[NiL](ClO4)2.并探究了组成B-R反应的各组分在不同浓度下如何影响反应，找出了丁香酸反应的最佳实验条件.浓度不同的丁香酸加入体系中，会产生不同的抑制时间.丁香酸的测定范围为2.50×10-7～1.00×10-5mol·L-1，在此范围内，c(丁香酸)与tin呈一次线性关系，方程为tin=5.035 43×107c(丁香酸)-6.945 17(R=0.994 77,N=19).由此，可以分析测定丁香酸的浓度.最后，解释了丁香酸的扰动机理.