戊二醛与链霉素反应动力学的光谱学研究

刘春叶，苗延青，张雪娇，邓荣

(西安医学院 药学院，陕西 西安 710021)

化学反应动力学是化学领域最基础的学科之一。对各类反应动力学的研究有助于反应机理的理解、反应过程的控制及反应产率的提高［1-3］，研究方法有红外光谱法、紫外光谱法、非等温差示扫描量热法、滴定法等［4-7］。

氨基与醛基的反应是色谱固定性、可降解材料等制备过程中常用的反应之一［8-10］。戊二醛属于双醛基试剂，是上述反应中常用的醛基试剂。链霉素是一种氨基糖苷类抗生素，分子含有两个伯氨基，可与醛基通过亲核加成-消去反应产生希夫碱，是色谱填料制备中常用的化学反应。

本研究拟采用紫外分光光度法对戊二醛和链霉素的反应动力学方程、反应级数及反应活化能进行测定，对醛基与氨基生成希夫碱的反应提供依据，对该类反应在实际中的应用提供理论参考。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

25% 戊二醛溶液，分析纯;硫酸链霉素，≥720 IU/mg。

UV-2102 PCS 型紫外可见分光光度计;HH-WO-501 智能数显恒温水浴锅;CMD-20X 智能型电热恒温鼓风干燥箱。

1.2 溶液的配制

1.2.1 戊二醛标准溶液的配制分别移取25%戊二醛溶液4.0，8.0，12.0，16.0，20.0，24.0 mL 至6个50 mL 容量瓶中，加20 mL 蒸馏水，摇匀，静置，待泡沫消失后用蒸馏水定容。精密吸取1 ～6 号液体各1.0 mL，分别加入编号1 ～6 的25 mL 容量瓶中，加少量蒸馏水摇匀，静置，待泡沫消失后用蒸馏水定容。

1.2.2 硫酸链霉素标准溶液的配制精密称取硫酸链霉素粉剂8.750 0 g，加水溶解，定容于50 mL容量瓶中，摇匀。精密移取3.0，4.0，5.0，6.0，7.0，8.0 mL，分别加入到编号为1 ～6 号的10 mL 容量瓶中，蒸馏水定容，得浓度分别为0. 02，0. 04，0. 06，0.08，0.10，0.12 mmol/mL 的链霉素水溶液。

1.3 动力学方程

戊二醛与链霉素等含氨基反应物间的反应方程式为:

其反应速率方程可表示为:

式中 CL、CW——硫酸链霉素和戊二醛溶液的浓度，mmol/mL;

K——速率常数;

α，β——硫酸链霉素和戊二醛的反应级数。对式(1)两边取对数，得:

由式(2)可知，固定链霉素的初始浓度，改变戊二醛的浓度，可计算出反应速率。以lg(－dCW

dt )对lg CW作图，所得直线斜率即为α。同理，固定戊二醛的浓度，改变链霉素的浓度，求出β。将α和β值代入式(1)，即可求得反应速率常数K。

由于戊二醛和链霉素在紫外光区有吸收，所以可以利用紫外可见分光光度法［5］来测定戊二醛和链霉素反应中两种反应物的反应速率常数。通过反应速率常数求得反应动力学方程，根据阿伦尼乌斯公式求出反应表观活化能。

1.4 标准曲线绘制

1.4.1 戊二醛标准曲线的制备任取1.2.1 节配制的戊二醛溶液1 份，以蒸馏水建立基线，在200 ～400 nm 内进行紫外扫描，可知戊二醛溶液在235 nm处有最大吸光值。对1.2.1 节的6 种溶液分别在200 ～300 nm 内进行紫外扫描，测得235 nm 处吸光度，每个溶液平行测定3 次，取平均值。以戊二醛浓度为横坐标，吸光度为纵坐标作图，进行线性回归，得标准曲线方程A =22.083C－0.014 8，相对标准偏差r=0.999 7，在8.5 ×10－3～50.9 ×10－3mmol/mL浓度内线性关系良好。

1.4.2 链霉素标准曲线的制备任取1.2.2 节链霉素溶液1 份，用蒸馏水建立基线，在200 ～400 nm范围内进行紫外扫描，可知链霉素溶液在276 nm 处有最大吸光值。对1.2.2 节的6 种溶液分别在200～300 nm 内进行紫外扫描，测得276 nm 处吸光度，每个溶液平行测定3 次，取平均值。以链霉素浓度为横坐标，276 nm 处吸光度为纵坐标作图，进行线性回归，得标准曲线方程A =10.387C +0.005 8，相对标准偏差r=0.999 6，在0.02 ～0.12 mmol/mL 浓度内线性关系良好。

2 结果与讨论

2.1 时间对反应速率的影响

用戊二醛42.4 ×10－3mmol/mL、链霉素1.8 ×10－3mmol/mL 的混合液，在30 ℃下反应不同时间，测定吸光度，结果见图1。

图1 不同反应时间下溶液吸光度

Fig.1 UV absorbance of reaction solution at different reaction time

由图1 可知，随着反应时间的延长，反应混合物吸光度逐渐降低，但30 min 后变化趋势减小，30 min到50 min 时间内，吸光度仅变化了0.003 个单位，故确定反应时间为30 min。

2.2 戊二醛浓度对反应速率的影响(0 ℃时)

分别精密配制链霉素浓度固定1.85 mmol/mL、戊二醛浓度呈梯度变化的混合液。在0 ℃下反应30 min，测定235 nm 处的吸光度，将各吸光度值代入戊二醛标准曲线，计算出戊二醛浓度变化值，戊二醛浓度对反应速率的影响见表1。

由表1 可知，随着反应物浓度的升高，反应30 min 后溶液吸光度升高，反应速度加快。以lg Cw为横坐标，lg(－dCw/dt)为纵坐标作图，得线性回归方程=1.963 4lg CW－0.609 2，线性相关系数R=0.989 8。可见，戊二醛的反应级数约等于2。

表1 0 ℃时戊二醛浓度对反应速率的影响Table 1 Effects of concentration change of glutaraldehyde on the reaction rate at 0 ℃

2.3 链霉素浓度对反应速率的影响(0 ℃时)

精密配制戊二醛浓度(1.85 mmol/mL)固定、链霉素浓度梯度变化的混合液。在0 ℃下反应30 min，测定276 nm 处的吸光度。将吸光度值代入链霉素标准曲线，计算出浓度值，见表2。

表2 0 ℃时链霉素浓度变化对反应速率的影响Table 2 Effects of concentration change of streptomycin on the reaction rate at 0 ℃

由表2 可知，以lg CL为横坐标，以lg(－dCL/dt)为纵坐标作图，得线性回归方程为lg(－dCL

dt )=1.633 5lg CL－1.091 2，线性相关系数R =0.998 2。可见，链霉素的反应级数约等于2。

将各组数据代入式(1)，求出0 ℃时戊二醛与链霉素反应速率常数K 的平均值为7.283 2 ×10－3mol－3·dm3·min－1，0 ℃时戊二醛与链霉素反应动力学方程为:

可见，戊二醛与链霉素的反应属于四级反应，反应速率与戊二醛浓度的二次方成正比，与链霉素浓度二次方成正比。

2.4 不同温度下链霉素与戊二醛的反应速率方程

按照2.4 和2.5 节方法，分别测定40，50，60 ℃及70 ℃下戊二醛与链霉素的反应速率方程，结果见表3。

表3 不同温度下戊二醛与链霉素反应动力学参数Table 3 Parameters of kinetics equations of glutaraldehyde and streptomycin at different temperatures

由表3 可知，反应速率常数对反应温度不是非常敏感，反应温度提高10 ℃，反应速率常数仅提高

1.1 ～1.5 倍。

2.5 链霉素与戊二醛反应活化能

根据阿伦尼乌斯公式:

式中 ，K 为速率常数;A 为指前因子;Eα为表观活化能。

给式(4)两边取对数，得:

利用表3 中的数据，以ln K 对1/T 作图，得线性方程ln K=2 533.1(－1/T)+4.367，线性相关系数R =0.993 9，由该方程可计算出表观活化能为

21.06 kJ/mol。

3 结论

采用分光光度法测定了0 ～70 ℃范围内5 个不同温度下戊二醛与链霉素反应动力学方程。研究表明，戊二醛与链霉素的反应属于四级反应，反应速率与各自浓度的二次方成正比。随着温度的升高，反应速率常数增大，但对温度变化不敏感，该反应的表观活化能为21.06 kJ/mol。戊二醛与链霉素的反应较容易进行，故在利用氨基与醛基反应进行色谱填料及毛细管内壁改性实验时，反应温度和时间无需过高、过长，一般室温下反应即可，反应时间控制在30 min 以内。

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