香草酸和对羟基苯甲酸的电子光谱和解离常数的测定

周利,任佳,高肇林,桂玉娟,张晗,夏雁青,石铁生

(枣庄学院 化学化工与材料科学学院,山东 枣庄 277160)

香草酸 (Vanillic acid,VA) 的化学名称是4-羟基-3-甲氧基苯甲酸,是广泛存在于自然界中的一类酚酸,在蒲公英[1]、连翘[2]、安息香膏等植物和精油中都有发现。作为植物中的次生代谢产物,酚酸具有抗氧化、抗病毒、抗肿瘤等功效[3],其中,香草酸具有抗炎、抑菌等药理作用[4-9]。对羟基苯甲酸 (p-hydroxybenzoic acid,HBA) 也是存在于植物(如银杏叶[10]、三七[11])、微生物和土壤中一类常见的有机酸,具有抗菌消炎等生物活性[12-14]。香草酸和对羟基苯甲酸在水溶液中分别存在如图1、2所示的解离平衡,根据已有文献的报道,我们推测在发生氧化还原反应时其不同质子化形态的活性可能存在巨大差异[15]。在25.0℃和1.0 mol/L离子强度下,这二者在水溶液中的解离平衡常数pKa1和 pKa2至今尚未有报道,为此我们系统地研究了在不同的pH值条件下,香草酸和对羟基苯甲酸的UV-Vis光谱变化,并由此通过计算得到了二者的解离常数pKa1和pKa2,这将对研究香草酸和对羟基苯甲酸的抗氧化机理有着重要意义。

图1 香草酸在水溶液中的解离平衡

图2 对羟基苯甲酸在水溶液中的解离平衡

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

TU-1950 紫外-可见分光光度计 (普析,北京通用,配有1.00 cm厚石英比色皿),水浴恒温槽 (Lauda Alpha RA8,德国),Accumet Basic AB150 Plus pH计 (Fisher Scientific,美国)。

香草酸,对羟基苯甲酸,高氯酸钠,磷酸,磷酸二氢钠,磷酸氢二钠,磷酸钠,醋酸,醋酸钠,碳酸钠,碳酸氢钠,氯化钠,购于Sigma 或Alfa Aesar 试剂公司,所有试剂均为分析纯。标准缓冲液pH值 4.00,7.00 和10.00 购于Alfa Aesar 试剂公司,用于校准电极。 实验中所用溶液均使用二次蒸馏水配制。

1.2 缓冲溶液配制

不同的缓冲溶液分别用如下方法配制:(1)2.40 ≤pH值≤ 3.00由H3PO4和NaH2PO4按一定比例配制;(2)3.00

1.3 待测溶液配制

分别称取一定量的香草酸和对羟基苯甲酸溶解在1.0 mol/L NaClO4溶液中作为储备液,然后用不同pH值的缓冲溶液稀释分别得到0.10 mmol/L香草酸溶液和0.080 mmol/L 对羟基苯甲酸溶液 (所配制溶液使用时间不超过1 h)。

1.4 光谱测量

(1)开启分光光度计并预热15 min,调节恒温槽温度,控制在(25.0 ± 0.1)℃;(2)打开电脑和软件,设定扫描波长范围:200～400 nm或200～350 nm,采用慢速扫描;(3)放入参比溶液进行基线校准;(4)装入待测溶液恒温约10 min后进行测定。

2 结果与讨论

2.1 香草酸和对羟基苯甲酸的电子光谱

在25.0 ℃和1.0 mol/L的离子强度下,我们获得了香草酸在不同pH值下的光谱图(图3、4)。可以看出,当pH值从2.75增加到6.32时,在292 nm处吸光度逐渐下降,当pH值从6.87增加到11.83,在251 nm处吸光度值逐渐下降,而在298 nm处吸光度逐渐升高。表1～2分别给出了不同pH值下吸光度数值的变化。

图3 0.10 mmol/L香草酸在pH值为2.75,4.05和6.32缓冲溶液中的吸收光谱图

表1 25.0 ℃和1.0 mol/L 离子强度下 0.10 mmol/L香草酸在不同pH值的缓冲溶液中 292 nm 处的吸光度数据

图4 0.10 mmol/L香草酸在pH值为6.87至11.83的缓冲溶液中的吸收光谱图

表2 25.0 ℃和1.0 mol/L离子强度下0.10 mmol/L香草酸在不同pH值的缓冲溶液中251 nm和298 nm处的吸光度数据

运用相同的方法,我们也得到了在25.0 ℃和1.0 mol/L的离子强度下对羟基苯甲酸在不同pH值下的光谱图(图5和6),表3给出了在255 nm和280 nm处对羟基苯甲酸的吸光度数值随pH值的变化。

图5 0.080 mmol/L 对羟基苯甲酸在pH值为 2.47,4.50和6.30缓冲溶液中的吸收光谱图

图6 0.080 mmol/L 对羟基苯甲酸在pH值为8.06,8.61,9.10, 9.62,11.76缓冲溶液中的吸收光谱图

表3 25.0 ℃和1.0 mol/L离子强度下0.80 mmol/L对羟基苯甲酸在不同pH值的缓冲溶液中255 nm和280 nm处的吸光度数据

2.2 香草酸和对羟基苯甲酸解离常数pKa1值和pKa2值的计算

对于上述光谱随pH值的变化,可以用方程(1) 和方程(2) 来进行定量的分析[16],式中[VA]tot=1.0 × 10-4mol/L,ε1、ε2和ε3分别为香草酸三种质子化形态的摩尔吸光系数。

使用方程(1) 对表1中的数据进行非线性最小二乘方拟合,结果如图7所示。拟合结果非常理想,得到了pKa1值4.28±0.05。使用方程(2) 对表2中的数据进行非线性最小二乘方拟合,拟合的结果如图8所示,得到的结果为:251 nm 下pKa1值4.17±0.12 和pKa2=8.89±0.02;在298 nm 下pKa1值4.25±0.05 和pKa2值8.89±0.02。不难看出在两个不同波长下得到的pKa2值完全一致。而对于pKa1值,在292 nm和298 nm 处得到的数据在误差范围内是一致的,取其平均值为pKa1=值4.27 ± 0.05,而在251 nm处的误差较大,是由于吸光度值的变化幅度较小的原因。

图7 使用方程(1) 对表1数据拟合得到的关系图

图8 使用方程(2)对表2数据拟合得到的关系图

然后运用方程(3) 分别对表3中的数据进行非线性最小二乘方拟合,式中[HBA]tot=8.0×10-5mol/L,ε1、ε2和ε3分别为对羟基苯甲酸三种质子化形态的摩尔吸光系数。

(3)

拟合结果如图9所示,我们得到了两个波长下对羟基苯甲酸的解离常数,在255 nm处pKa1值4.28±0.03和pKa2值8.86±0.06;而在280 nm处pKa1值4.26±0.12和pKa2值8.90±0.02。 因此,在实验和计算的误差范围内, 在两个波长下所获得的解离常数也非常一致。 如果考虑到误差,pKa1值4.28±0.03 和pKa2值8.90±0.02更为准确。

图9 使用方程(3) 对表3数据拟合得到的关系图

3 结论

在25.0 ℃和1.0 mol/L离子强度下,我们研究了香草酸和对羟基苯甲酸的电子光谱随pH值的变化,利用光度滴定法通过计算分别得到了二者的解离常数pKa1值和pKa2值,在获得这些数据后就可以较为方便地对香草酸和对羟基苯甲酸的不同质子化形态随pH值的分布情况进行分析,这将对研究它们的抗氧化反应机理提供重要的研究基础。