乙酰甲胺磷酸碱解离常数的测定

2019-12-18方倩囡宋德安孔凡玉

现代农药 2019年6期

方倩囡，宋德安，孔凡玉

（中国农业科学院烟草研究所，山东青岛 266101）

1972年，美国雪佛龙公司研究开发了一种新型有机磷农药——乙酰甲胺磷（acephate），此后，乙酰甲胺磷在世界范围内进行大规模的工业化量产，现已成为世界上销售量最大的十种有机磷农药之一[1]。作为高毒农药甲胺磷的替代品，乙酰甲胺磷是一种高效、低毒、内吸性强的广谱型杀虫剂，能明显抑制蚜科（烟草蚜虫、小麦芽虫）、鳞翅目（番茄斜纹夜蛾、棉花棉铃虫、茶树茶尺蠖、玉米螟）、膜翅目（杜鹃三节叶蜂、黄连木种子小蜂）等害虫对农作物的危害[2-3]。乙酰甲胺磷纯品的大鼠急性经口半数致死量为823 mg/kg，工业品的大鼠急性经口半数致死量为945 mg/kg，其毒性仅为甲胺磷的1/50[4]。

酸碱解离常数（pKa）又称解离平衡常数，定义为在一定温度下弱电解质达到电离平衡状态时，已解离的离子浓度的乘积与未解离分子浓度的比值。酸碱解离常数是与农药溶解度和pH值密切相关的理化常数，也是探究农药酸碱性等理化性质的重要信息[5-6]，在评价其对环境和人体健康的影响方面具有十分重要的意义。测定化学物质解离常数的方法目前主要有以下几种：①紫外分光光度法；②电泳法；③荧光法；④电导率法；⑤电位滴定法。紫外分光光度法操作简单、方便快捷，精密度高且重现性好，后期数据处理方便，特别适用于弱酸（碱）性物质解离常数的测定。

本实验根据紫外分光光度法测定解离常数（pKa）的原理，首次采用紫外分光光度法及A-pH曲线法结合Sigmoidal数理模型拟合分段测定了乙酰甲胺磷的pKa1和pKa2值，并从分子基团的角度解释其水解特性，对指导乙酰甲胺磷的合理使用，评价其环境安全性以及减少对环境的负面效应具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 实验原理

水溶性农药在水溶液体系中可以发生电离，以弱酸类农药HZ为例，将HZ溶解到水中，形成HZ稳定水溶液，HZ在水中达到电离平衡状态HZ=H＋＋Z-，因此HZ在水溶液中解离常数，此等式两边同时取负对数，得到酸碱解离常数计算公式。

式中：HZ为共轭酸，Z-为共轭碱。

紫外分光光度法测定农药的pKa具有一定条件要求：首先HZ和Z-均有紫外吸收，用紫外分光光度计可以测得具体数值；另外在同一酸碱条件下HZ和Z-的紫外吸收光谱呈现出明显的差异性。实际测定时，配置一系列浓度相等的农药水溶液，通过酸碱溶液KOH和HCl调节以上溶液体系的pH值：①将一部分农药溶液pH值调节到7左右，让溶液中的农药以HZ和Z-两种形式存在；②用HCl将另一部分农药溶液pH值调节至酸性条件，此时水溶液中的农药主要以HZ的形式存在；③用KOH将另一部分农药溶液pH值调节至碱性条件，此时水溶液中的农药主要以Z-的形式存在。设农药的浓度为C，溶液中HZ的浓度为CHZ，Z-的浓度为CZ-。Abase是碱性条件下的吸光度，Aacid是酸性条件下的吸光度，Aobs是中性条件下的吸光度。如果HZ与Z-的紫外吸收均符合吸收定律，那么：

根据式（2）即可计算出农药的pKa值[7]。

1.2 实验试剂与仪器

SPECORD200型紫外分光光度计，德国耶拿分析仪器股份公司；PHS-3C酸度计，上海雷磁仪器厂，使用前在pH值4.00、6.86和9.18处校准；乙酰甲胺磷（纯度99%）；KOH、HCl和KCl均为分析纯，北京国药化学试剂有限公司；实验用水为蒸馏水。

1.3 实验方法

乙酰甲胺磷溶液的配制：称取乙酰甲胺磷原药0.018 3 g，置于100 mL容量瓶中，加入蒸馏水溶解并定容，即得到浓度为1 mmol/L的乙酰甲胺磷溶液。

缓冲溶液：0.1 mol/L HCl与0.1 mol/L NaOH溶液按不同的比例进行混合，制备成pH值为2.87～8.12的一系列溶液，加入乙酰甲胺磷溶液中，并加入2 mol/L KCl溶液0.25 mL控制离子强度。

分别将不同pH值的乙酰甲胺磷溶液置于1 cm吸收池中，以对应的pH值溶液做空白对照，在210～250 nm波长范围内扫描，得到不同pH值的乙酰甲胺磷溶液的紫外吸收光谱。选择合适波长处测定不同pH值的乙酰甲胺磷溶液的吸光度值，利用Origin 9.0软件拟合曲线求出乙酰甲胺磷的解离常数[8]。

2 结果与分析

2.1 测定波长的选定

图1为不同pH值条件下乙酰甲胺磷溶液的210～250 nm紫外吸收光谱图，可以看出pH值为2.21～4.98的溶液的紫外吸收光谱基本重合，可以认为pH值在4.98以下，乙酰甲胺磷基本上以分子形式存在；pH值为9.61～12.13的缓冲溶液的紫外吸收光谱基本重合，可以认为pH值在9.61以上，乙酰甲胺磷基本上以离子形式存在；pH值为4.98～9.61，乙酰甲胺磷一部分以分子状态存在，一部分以离子状态存在。

图1 乙酰甲胺磷在不同pH值的缓冲溶液中的紫外吸收光谱

乙酰甲胺磷在波长210 nm、217 nm和230 nm处随pH值的变化，曲线呈现规律性变化，因此可以选择这3个波长作为测定波长。

将210 nm、217 nm和230 nm波长处不同pH值下乙酰甲胺磷溶液的吸光度绘制成图2，于210 nm和217 nm处可以观测曲线有3个拐点，所以乙酰甲胺磷有2个pKa值。

图2 3个波长下不同pH值的乙酰甲胺磷溶液的吸光度

2.2 乙酰甲胺磷一级解离常数（pKa1）的测定

由图2可知，乙酰甲胺磷有2个pKa值。根据3个波长下不同pH值的乙酰甲胺磷溶液的吸光度，利用Origin 9.0软件以pH值为横坐标，以不同pH值对应的吸光度值为纵坐标，以Sigmoidal数理模型拟合曲线方程，求得pKa。

对于pKa1，拟合曲线方程：

其中，Abase、Aacid、x都在图2中可知，将数据输入拟合曲线方程中，利用Origin 9.0分析可得乙酰甲胺磷的解离常数pKa1。根据图2，选择3个波长处的pH值为2～12的吸光度值进行Sigmoidal数理模型拟合，得到图3、图4和图5。

图3 波长210 nm处Sigmoidal数理模型拟合A-pH曲线

图4 波长217 nm处Sigmoidal数理模型拟合A-pH曲线

图5 波长230 nm处Sigmoidal数理模型拟合A-pH曲线

由图3、图4和图5模拟分析结果可得，当波长为210 nm时，pKa1值为7.483 65，相关系数为0.990 68；当波长为217 nm时，pKa1值为7.422 60，相关系数为0.992 07；波长为230 nm时，pKa1值为7.497 55，相关系数为0.973 93；所得的pKa1值比较可靠。求得乙酰甲胺磷解离常数的平均值pKa1为7.467 93。

2.3 乙酰甲胺磷二级解离常数（pKa2）的测定

对于pKa2，由于pH值大于12.5的数值难以在实验条件下测得，所以曲线采用赋值测试的方法进行拟合。选取210 nm处pH值大于9.4的数据进行赋值拟合，设初始值Aacid=1，Abase=3，曲线拟合结果见图6。

图6 波长210nm处Sigmoidal数理模型拟合A-pH曲线

由图6模拟分析结果可得，在pH值为9.5～12.5时，波长为210 nm时，pKa2值为12.778 3，相关系数为0.998 71。

2.4 理论分析乙酰甲胺磷解离常数的合理性

乙酰甲胺磷的水解位点见图7。乙酰甲胺磷的分子结构中存在3个可能的水解位点，包括磷酸基、仲氨基、羰基。其中对于仲氨基来说，其具有较多的取代基，在诱导效应与位阻效应的双重作用下，较难发生水解。因此，仲氨基的水解常数一般在10以上。这与本实验中pKa2值为12.778 3的结果基本吻合，故可以推测乙酰甲胺磷的第2个水解常数应发生在仲氨基。比较而言，磷酸基较易发生水解反应，且一般在中性pH值附近，因此可将乙酰甲胺磷的第1个水解常数（pKa1值为7.467 93）归因于磷酸基的水解过程[9]。而对于羰基，其孤对电子难以与质子发生结合，因此可以认为在本实验的pH值范围内不发生水解反应[10-11]。