第28卷第6期 河北大学学报( 自然科 学版) Vo1.28 NO.6 2008年11月 Journal of Hebei University (Natural Science Edition) NOV.2008 碱性介质中分光光度法研究二过碲酸合铜(111) 氧化某些氨基酸的反应动力学及机理 王立平 ,单金缓 ,申世刚 ,许明远 ,葛旭升 (1.河北大学化学与环境科学学院,河北省分析科学技术重点实验室,河北保定071002; 2.保定学院化学系,河北保定071000) 摘 要:在碱性介质中,用分光光度法研究了二过碲酸合铜(Ⅲ)(DTC)氧化天冬氨酸(Asp)和谷氨酸(Glu) 的反应动力学及其机理.结果表明,反应对DTC为准一级,对氨基酸均为分数级;表观速率常数kob 随[OH一]和 [TeO 卜]的增大均减小,且有负盐效应.据此提出了包括配离子和氨基酸形成络合物的前期快速平衡的反应机 理,由假设反应机理推出的速率方程能解释全部实验现象,进一步求得速控步的速率常数和活化参数. 关键词:二过碲酸合铜(Ⅲ);天冬氨酸;谷氨酸;氧化还原反应;动力学及机理 中图分类号:0 643.11 文献标识码:A 文章编号:1000—1565(2008)06—0640—06 Kinetics and Mechanism of Oxidation of Some Amino Acid Salts by Ditellurat0cuprate(I1[)with Spectrophotometry in Alkaline Medium WANG Li—ping’ .SHAN Jin—huan ,SHEN Shi—gang’,XU Ming-yuan ,GE Xu—sheng。 (1.Key Laboratory of Analytical Science and Technology of Hebei Provience,College of Chemistry and Environmental Science, Hebei University,Baoding 071002,China; 2.Department of Chemistry, Baoding University,Baoding 071000,China) Abstract:The kinetics of oxidation of aspartic acid salt(Asp)and glutamic acid salt(Glu)by ditellu~ ratocuprate(Ⅲ)(DTC)were studied spectrophotometrically between 293.2 K and 308.2 K in alkaline me~ dium.The reaction rate showed first order dependence in DTC and fractional order in each amino acid.It was found that the pseudo—first order rate constant忌nh decreased with an increase in concentration of 0H— and concentration of TeO4 respectively.There is a negative salt effect.A plausible mechanism involving a pre—equilibrium of an adduct formation between the complex and amino acid was proposed.The rate equations derived from mechanism can explain all experimental observations.The activation parameters alongwith the rate constants of the rate—determining step were calculated. Key words:ditelluratocuprate(Ⅲ); aspartic acid salt; glutamic acid salt; redox reaction; kinetics and mechani sm 无论是化工生产还是生物化学工程,要想真正了解反应的本质,研究反应进行的机理是必经之路.近年 收稿日期:2008一O1—05 第一作者:王立平(197O一),女,河北定州人,保定学院讲师. 通讯作者:单金缓(1960一),女,河北深县人,河北大学教授,主要从事液相反应动力学方向研究 第6期 王立平等:碱性介质中分光光度法研究二过碲酸合铜(Ⅲ)氧化某些氨基酸的反应动力学及机理 ・641・ 来,人们不断地对过渡金属超常氧化态反应动力学进行研究,二过碘酸合铜(Il1) 引、二过碲酸合铜 (Il1) 广泛用于糖类、氨基酸、蛋白质的定量分析 引,较多地研究了Cu(Ⅲ)氧化某些醇类的反应动力 学 s_7],对组成和结构比较复杂的氨基酸尚未涉及,本文研究二过碲酸合铜(Ⅲ)配离子氧化某些氨基酸的反 应动力学,会为氨基酸生产技术的不断革新、基础研究的进一步发展提供有价值的动力学信息,促进氨基酸 的应用向多元化发展. 1 实验部分 1.1试剂与仪器 所有试剂均为AR级.所用溶液都是用二次蒸馏水配制.二过碲酸合铜(Ⅲ)储备液按Jaiswal和Yadava 方法制备和标定嘲.反应体系的离子强度( )用KNO。溶液调节,pH用KOH溶液调节. UV一8500型分光光度计(上海)配有恒温池架;501型恒温槽(上海,温度变化范围-4-0.1。C). 1.2动力学方法与产物鉴定 在一定温度、准一级反应条件下,将选定浓度的DTC、氨基酸各2 mL分别置于 型反应器的上下支管 中.恒温后将两者迅速混合摇匀,并马上转移到配有恒温池架及池盖的石英池内.在405 nm下自动记录反 应液吸光值A随t的变化曲线,由此得到动力学信息. 用点滴实验 。 鉴定产物为氨和相应的酮酸盐,经重量法测定表明,DTC与氨基酸反应物质的量之比近 似为2:1. 2 结果与讨论 2.1准一级速率常数的求算 准一级速率常数 。 的求算方法详见以前的工作I6]. 2.2[氨基酸]对表观速率常数的影响 恒温、恒定离子强度和ECu(1lI)],[OH一],ETeO 。一],改变氨基酸的浓度,发现忌。 。随着氨基酸浓度的 增加而增大.在不同温度下,以1/k。 。对1/[氨基酸]作图均为有正截距的直线(r≥0.997)(表1,图1),表明 反应对氨基酸为分数级. 表1 不同温度下[谷氨酸]对表观速率常数的影响 Tab.1 k。bs varying with the different[Clu]at different temperatures 不同温度下的k0b /(10_”S_1) 293.2 K 298.2 K 303.2 K 308.2 K 3.OO 3.952 11.9O 4.00 5.28O 15.62 5.00 6.34l 19.55 9.00 11.63 32.94 15.O 17.79 51.54 ECu(Il1)]一8.90×10一mol/L;[TeO4 ]一4.O0×10I。mol/L;EOH]一0.10 mol/L; 一0.16 mol/L ・ 642 ・ 河北大学学报(自然科学版) 2008年 ∞ \ 0 、\ 50 i00 l50 200 250 300 350 1/[Asp]/(L.mol。) [Cu(1]I)]一8.10×10 mol/L;[TeO4 ]一4.50×10。mol/L;[OH一]一O.20 mol/Lu ̄一0.25 mol/L 图1 不同温度下l/k 对1/[天冬氨酸]作图 Fig.1 Plots of 1/k。bs VS l/[Asp]at different temperatures 2.3 [OH一]和[TeO 一]对表观速率常数的影响 恒定其他条件,分别改变[OH]和[TeO 。一],k。 。随着[OH一]和[TeO ]增大均减小,反应对OH一和 TeO 卜均为负分数级,以1/k ob 对[OH]和[TeO 。卜]fie图均为直线(表2,图2和图3) 表2[OH一]和[TeO 一]对表观速率常数的影响 Tab.2 k。k varying with the different[TeO4 一],[OH一] [谷氨酸]/ [TeO 一]/ H一] p_/(mo1.L 1) mol L ‘ 尼3ob/1 。/( o—s U。 s-i)S (10 mo1.L ) (10。mol・L ) (10一 mo1.L一 ) [Cu(Ⅲ)]一8.90×10一 mol・L一 ;T一298.2 K 第6期 王立平等:碱性介质中分光光度法研究二过碲酸合铜(HI)氧化某些氨基酸的反应动力学及机理 ・643・ l40 12O 100 80 60 2 4 6 8 10 12 14 2 3 4 [TeO4 ̄_]/(otol・L一) [OH]/(mol-L ) [Cu(Ⅲ)]一8.10×10一mol/L;EOH一]一0.20 mol/L,; [Cu(Il1)]一8.10×10 mol/L;[TeO4 一]一4.50× [天冬氨酸]一7.00×10~mol/L; 一0.22 mol/L;T一 10~mol/L;[天冬氨酸]一5.00×10 mol/L; 298.2 K “一0.25 mol/L,r,一303.2 K 图2 1/七 对[Tes/∞q0 \'O4【 一]作图 图3 1/k。bs对Eon一]作图 Fig.2 Pl加 加 ots of∞ 1/七 VS[Te舳 ∞ O, 一] ∞ Fig.3 Plot of 1/ VS[OH一] 2.4 离子强度 对表观速率常数的影响 恒定其他条件,改变体系的离子强度,发现尼 。随离子强度的增加而减小,存在负盐效应(表3),其原因 是由于“离子氛”的形成,离子间产生牵制作用,使得活性物种的有效浓度降低,且体系的离子强度越大,活性 物种的有效浓度越小,k 。随之减小. 表3 离子强度对表观速率常数的影响 Tab.3 Influence of variation ionic strength.1‘ 13.00 3.OO8 6.7O 1.534 18.O 2.90l 13.0 1.324 23.0 2.754 20.0 1.259 28.0 2.578 26.O 1.186 33.O 2.488 33.0 1.099 [天冬氨酸]一5.00×10_ mol/L,ECu(HI)]一8.10x10一mol/L,EOH一]一0.10 tool/L; ETeO4 一]一4.50×10_ mol/L,T一303.2 K; [谷氨酸]一5.00×10一。mol/L,ECu(Ⅲ)]--8.90×10一 mol/L,EOH一]一4.00×10一 mol/L; [TeO4 ]一4.00x 10 mol/L,T=298.2 K. 2.6对反应机理的讨论 碲酸根在碱性介质中存在如下平衡 (pKw=14): H5TeO6一+OH一; H4TeO6 一+H2O,lgfll--3.049; (1) H4TeO6 ~+OH一 H3TeO6。一+H2O,lg//2一一1. (2) 由公式(1),(2)可以计算出各物种的分布,在EOH一]===0. 1 mol/L时,EH TeO6卜]:[H5TeO6一]: ・644・ 河北大学学报(自然科学版) 2008芷 [H。TeOe。卜]一100:8.9:1,因此,在实验浓度范围内,H ̄TeO 一和H。TeO 可以忽略,,过碲酸根主要 以质子化的H TeO 一形式存在. 根据以上实验事实和讨论,提出下列反应机理: L, ECu(OH)2(H4TeO6)2]。一+OH一 lkl ECu(OH)2(H。TeO )]。一+H TeO6。一+H2O. (3) OOCCH(NH2)CH2COO+H2O未 OOCCH(NH。 )CH2COO+OH一k, . (4) ECu(OH) (H。TeO )]。一+一OOCCH(NH。 )CH。COO E-Cu(OH)2(H3TeO6)( OOCCH(NH3 )cH2COO)]卜. (5) L [cu(OH)2(H3TeO6)(OOCCH(NH3 )cH2COO)]卜_ SIOw OOC・C(OH)CH2COO一+Cu(Ⅱ)+NH。+H2O+H3TeO6 . (6) , Cu*(Ⅲ)+oH一+OOC・C(OH)cH2COO一 Cu(11)+一OOCCOCH2COO+H2O. (7) iast 反应(6)是速控步骤.Cu (Ⅲ)表示平衡中存在的Cu(Il1)任何一种形式. ECu(Ⅲ)]T—FCu(OH)2(H3 TeO6)] +[Cu(OH)2(H3TeO6)(OOCCH(NH3 )cH2COO一)] 。一十 ECu(0H)2(H TeO6)2] . 式中T和e分别代表分析浓度和平衡浓度,则速率方程为 d[Cu(Ⅲ)]T/dt一2k[-Cu(OH)2(H3TeO6)(OOCCH(NH3 )cH2CO0一)]卜. (8) 一—d[Cu(I— ~H)] 一 2kK K2K3[OOCCH(NH2)CH2COO一][cu(Il1)]T EH TeO ]+K [OH]+K K。K。[OOCCH(NH2)CH。COO一] (9) 一是。b [cu(Ⅲ)]T. 2忌K K2K3l O0CCH(NH2)CH2COO—I 曲。 [H TeO 。一]+K E0H一]+K K2K。E—OOCCH(NH )CH COO一]‘ (10) 重新整理式(10)得到式(11)和(12) k忐o b 2k+堕 2 ’kK蒜 l K 2 K 3 —E OO—CCH—(NH Cz) 2丽H C丽OO.一]‘ (11) 1~1{ K1 EOH] I EH TeO6 一] 。b 2k’2kK1K2K3[OOCCH(NH2)CH2CO0一] 2kK1K2K3[OOCCH(NH2)CH2COO一]’ (12) (¨)式表明反应对氨基酸为分数级,1/k 对]/E氨基酸]作图应为直线,由直线的截距可以求得不同 温度下的速控步的速率常数k,并进一步求得实验的活化参数(表4)[ ].反应式(12)表明反应对OH一和 TeO 。均为负分数级,1/k。 对EOH一]和1/k 。对[H TeO ]应均为直线,由假设反应机理推出的速率 方程能解释全部实验现象. 表4速控步的速率常数和活化参数 Tab.4 Rate constants(k)and Activation parameters of the rate-determining step 第6期 王立平等:碱性介质中分光光度法研究二过碲酸合铜(HI)氧化某些氨基酸的反应动力学及机理 ・645. 用lnk对1/T作图,所得截距、斜率、相关系数分别为天冬氨酸:16.O5,一5 433.31,0.998;谷氨酸: 17.58,一5 990.03,0.999. 由实验结果可知,天冬氨酸的表观速率常数和速控步的速率常数都大于谷氨酸,这和氨基酸的空间结构 相一致,天冬氨酸比谷氨酸的碳链短,组成上少1个一CH 一,形成的过渡状态相对稳定,反应速率快,另一 方面,天冬氨酸的空间位阻小,也有利于反应的进行,所以反应速率随碳链的增长而减小. 参考 文 献: Eli单金缓,申世刚,马志广,等.用分光光度法研究二过碘酸合铜(M)配离子氧化乙二胺的动力学[J].河北大学学报(自然科 学版),1998,18(3):253—255. 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