谷氨酸衍生物螯合剂的合成和性能

吴亚军,陈洪龄

(南京工业大学 化工学院,江苏 南京 211800)

螯合剂能够与Ca2+和Mg2+等离子有效结合形成稳定的水溶性化合物,防止形成钙盐沉淀,一般也称作软水剂。螯合性能好、无毒无害的螯合剂是目前的研究趋势[1-3]。

螯合剂一般和金属离子形成环状结构[4-5],因此具有特殊的稳定性。目前,常用的螯合剂主要有磷酸盐、羟基酸、氨基酸以及丙烯酸类聚合物[6-8]。磷酸盐主要是三聚磷酸钠(STPP),由于磷的排放会造成环境的富营养化,故磷酸盐螯合剂正渐渐淡出市场。羟基酸主要有葡萄糖酸钠、柠檬酸钠、酒石酸钠等,它们虽然绿色环保,但螯合效果一般。丙烯酸类聚合物属于高分子螯合剂,除具有螯合能力外,兼具增稠作用。氨基酸类螯合剂螯合效果较好,如乙二胺四乙酸(EDTA)可以螯合多种金属离子,与多种金属离子形成1∶1化合物,螯合性能良好,然而EDTA生物降解性能不佳,对环境不太友好[9-10];氮川三乙酸(NTA)生成的螯合物稳定,价格有优势,但浓度过高会致癌;二乙烯三胺五乙酸(DTPA)可能对人体有害[11-12]。

近年来,新型螯合剂与氨基酸衍生物的研究受到人们越来越多的关注。 文献[13-15]通过邻苯二酚配位单元拼接的方法合成了一种双邻苯二酚配体,并测试了该配体对Cu2+、Zn2+的螯合性,但螯合性能较弱;李文曦等[16]改进了之前合成亚氨基二琥珀酸的方法,以顺丁烯二酸酐和天冬氨酸直接反应合成了亚氨基二琥珀酸,对Ca2+、Mg2+的螯合能力接近于EDTA。

笔者以谷氨酸钠与二乙二醇双甲酸酯双酰氯为主要反应原料,合成一种含有多羧基的氨基酸衍生物,考察其合成条件和螯合性能,以期制备符合可持续发展理念及趋势的绿色环保型螯合剂。

1 实验

1.1 试剂和仪器

谷氨酸钠(质量分数99.9%),南京华狮新材料有限公司;二乙二醇双甲酸酯双酰氯(质量分数99%),江苏乾元新材料有限公司;二氯甲烷、NaOH、盐酸、无水乙醇,均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司。

傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)、紫外-可见分光光度计(UV-Vis),北京北分瑞利分析仪器有限公司;Anke TGL-16G型高速台式离心机,上海安亭科学仪器厂;集热式恒温加热磁力搅拌器,巩义市予华仪器有限责任公司;LABOROTA-4000型旋转蒸发仪,上海亚荣生化有限公司;6230 TOF 型液相色谱-质谱(MS)联用仪,美国Agilent公司; Vario EL cube 型元素分析仪,德国Elementar公司;X-4B型显微熔点仪,上海精密仪器仪表有限公司。

1.2 合成方法

向100 mL三口烧瓶中分别加入0.042 mol谷氨酸钠、5 mL水和35 mL二氯甲烷,充分搅拌,冰水浴保持温度0 ℃。取0.02 mol二乙二醇双甲酸酯双酰氯缓慢滴加到反应液中,同时滴加10 mL 质量分数为10%的NaOH溶液,控制反应pH在8～10,滴加结束后反应4 h。静置分液除去有机溶剂,真空旋转蒸发除去水后得到粗产品。得到的粗产品用无水乙醇洗涤2～3次后,用10 mL 1 mol/L盐酸将粗产品酸化,真空抽滤、干燥得到产物二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸样品。反应方程式见式(1)。

2 结果与讨论

2.1 反应条件的选择

在水与二氯甲烷体积比为1∶7的条件下,考察酰胺化反应的投料比对反应产率的影响,结果见表1。反应的产率以二乙二醇双甲酸酯双酰氯投料物质的量为基准计算,为提纯后产品的实际质量与理论产品质量的比值。由表1可知:在水与二氯甲烷体积比为1∶7的条件下,当谷氨酸钠与二乙二醇双甲酸酯双酰氯的摩尔比(n1∶n2)为2∶1时,产率为64.14%;当谷氨酸钠与二乙二醇双甲酸酯双酰氯的摩尔比提高到2.1∶1时,产率为78.25%,相比摩尔比为2∶1时投料的产率明显提高;进一步提高谷氨酸钠的投料比到2.2∶1时,产率为78.47%,说明进一步提高谷氨酸钠的加入量意义已不大。二乙二醇双甲酸酯双酰氯在水中易发生水解,但在较低温度时,水解可得到抑制,故实验温度控制为0 ℃[17]。实验表明,水量的多少对反应影响较大,水量过低或过高都会对反应产生影响。如表2所示,在谷氨酸钠与二乙二醇双甲酸酯双酰氯的摩尔比为2.1∶1的条件下,水与二氯甲烷的体积比大于1∶7时,混合溶剂中随着水量的增加,反应产率降低,这和二乙二醇双甲酸酯双酰氯与水的接触机会的增加导致水解程度增大有关;而当水与二氯甲烷的体积比小于1∶7时,混合溶剂中的水量减少,水与二氯甲烷的两相接触面会减小,导致谷氨酸钠与二乙二醇双甲酸酯双酰氯的分子碰撞概率减小,反应产率降低。综上所述,最佳反应条件为谷氨酸钠和二乙二醇双甲酸酯双酰氯的摩尔比为2.1∶1,溶剂水与二氯甲烷的体积比为1∶7,反应温度为0 ℃,产率可达78.25%。

表1 反应物摩尔比对产物产率的影响

表2 溶剂体积比对产物产率的影响

2.2 FT-IR分析

图1 二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸的FT-IR图谱Fig.1 FT-IR spectrum of diethylene glycol bis-formate bis-glutamic acid

2.3 MS分析

利用ESI源液相色谱-质谱联用分析仪对产物结构进一步确认,质谱如图2所示。在负离子模式下测定产物的质荷比(m/z)为451.128。目标产物的分子式为C16H24O13N2,分子量为452,分子量与质谱结果相符。

图2 样品的质谱Fig.2 Mass spectrum of sample

2.4 元素分析

用元素分析仪对样品进行C、H、N含量分析,元素分析结果:C、H、N的原子质量分数分别为42.81%、5.32%、6.50%;按分子式计算得到C、H、N的原子质量分数分别为42.48%、5.31%、6.19%。分析结果与计算值相当,证实合成得到了目标产物。

2.5 UV分析

分别配制0.03 mol/L的二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸和二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸钙溶液,用紫外-可见分光光度计测定它们的紫外吸收光谱,结果见图3。由图3可见:二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸吸收曲线最大吸收峰位于215 nm处,二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸钙吸收曲线最大吸收峰位于222 nm处,Ca2+螯合后向长波方向移动了7 nm。这是由于一般螯合物的生成会使其配位体对光吸收性能发生改变[18]。

图3 样品的紫外吸收光谱Fig.3 Ultraviolet absorption spectra of samples

2.6 配位稳定常数

2.6.1 222 nm处吸光度标准曲线

分别配制0.005、0.01、0.015、0.02、0.025和0.03 mol/L的二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸和二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸钙溶液,采用紫外分光光度法测定各浓度溶液222 nm处的吸光度,分别绘制二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸浓度(cg)与吸光度(Ag)、二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸钙浓度(cc)与吸光度(Ac)的标准曲线,如图4所示。对标准曲线用Origin软件进行线性拟合,得到的回归线性方程见式(1)和(2)。

Ag=87.978 5cg

(1)

Ac=43.045 7cc

(2)

拟合方程的相关系数(R2)分别为0.999与0.998,说明线性拟合程度较好。

图4 二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸与二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸钙在222 nm处吸光度标准曲线Fig.4 Absorbance standard curves of diethylene glycol bis-formate bis-glutamate acid and diethylene glycol bis-formate bis-glutamate calcium at 222 nm

2.6.2 分光光度法测定的配位稳定常数

分别配制0.03 mol/L的二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸和CaCl2溶液;分别配制总体积相同、总的物质的量相同、摩尔比不同的二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸与CaCl2的混合溶液,保持溶液总体积为10 mL,二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸与CaCl2摩尔比分别为9∶1、8∶2、7∶3、6∶4、5∶5、4∶6、3∶7、2∶8和1∶9,采用紫外分光光度法测量混合溶液在222 nm处的总吸光度(As),结果如表3所示。

表3 混合溶液中各组分的浓度与总吸光度值

222 nm处的总吸光度即222 nm处二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸的吸光度与二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸钙的吸光度之和(As=Ag+Ac)。由吸光度标准曲线Ag=87.978 5cg与Ac=43.045 7cc可以得到式(3)。

As=87.978 5cg+43.045 7cc

(3)

在混合溶液中螯合剂原浓度(cg0)应等于螯合后二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸的浓度(cg)与二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸钙的浓度(cc)之和(式(4))。

cg0=cg+cc

(4)

由式(3)与(4)联立得螯合后二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸钙的浓度cc为

cc=(87.978 5cg0-As)/44.932 8

(5)

由式(5)计算出在不同摩尔比下螯合后二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸钙的浓度。二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸与CaCl2的不同摩尔比对应的二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸钙浓度如表3所示。由表3可见:当二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸与CaCl2摩尔比为1∶1时,螯合物二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸钙浓度最高,由此可以得到,二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸与Ca2+的配位比为1∶1,则二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸(G)与CaCl2的螯合反应方程式为G2-+Ca2+=G·Ca。

2.6.3 配位稳定常数的计算[19]

螯合剂性能的优劣一般通过配位稳定常数判断。1∶1型螯合物的稳定常数由式(6)表示。

(6)

式中:c(Men+)为游离金属离子浓度,c(Zm-)为螯合剂的浓度,K为螯合剂的配位稳定常数。

较高的K值表明螯合剂对于特定的金属离子具有较高的亲和性,也体现了螯合剂较好的螯合能力。表4给出了本文合成的二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸和一些常用的螯合剂对Ca2+的配位稳定常数。由表4可以看出:本文合成的螯合剂的螯合性能比谷氨酸二乙酸、甲基甘氨酸二乙酸、柠檬酸、氮川三乙酸强,弱于乙二胺四乙酸、二乙撑三胺五乙酸。

表4 螯合剂对Ca2+的配位稳定常数(0.1 mol/L, 25 ℃)[20]

2.7 理化性质

产物二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸外观为白色固体,pH=3.50(1%水溶液,16.7 ℃),熔程为340.2～341.2 ℃。

3 结论

1)由谷氨酸钠与二乙二醇双甲酸酯双酰氯制备二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸的较合适反应条件为谷氨酸钠与二乙二醇双氯甲酸酯的摩尔比2.1∶1,水与二氯甲烷体积比1∶7,反应温度0 ℃。在该反应条件下,反应产率为78.25%。

2)二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸对Ca2+的结合能力较强,螯合效果较好,螯合物的配位比为1∶1,对Ca2+的配位稳定常数为3.06×108。二甘醇双甲酸酯双酰谷氨酸的螯合性能比谷氨酸二乙酸、甲基甘氨酸二乙酸、柠檬酸、氮川三乙酸强,弱于乙二胺四乙酸、二乙撑三胺五乙酸。