尹翠

（中國礦業(yè)大學 化工學院，江蘇 徐州 221008）

硫氰酸鹽氧化反應(yīng)的動力學分析

尹翠

（中國礦業(yè)大學 化工學院，江蘇 徐州 221008）

本文開發(fā)了一種毛細管電泳分析方法以用于SCN--H2O2反應(yīng)體系的動力學研究。利用此方法，在7-10的pH區(qū)間內(nèi)對硫氰酸鹽的氧化反應(yīng)進行了定性和定量分析。通過對反應(yīng)溶液的實時分離，檢測到了重要的氧化中間物次硫氰酸根離子OSCN-。通過測定反應(yīng)物和氧化產(chǎn)物的濃度變化關(guān)系確定了這一反應(yīng)對硫氰酸鹽和過氧化氫的反應(yīng)級數(shù)均為1。并且，發(fā)現(xiàn)pH值對反正速率存在顯著的影響。在本實驗的條件范圍內(nèi)，增加溶液的pH值將導(dǎo)致反應(yīng)速率的降低。在實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了可能的氧化反應(yīng)機理。

硫氰酸鹽；過氧化氫；氧化；動力學；毛細管電泳

硫氰酸鹽（SCN-）是重要的含硫化合物之一。由于硫氰酸鹽特有的物理和化學性質(zhì)，因此被廣泛應(yīng)用于浸金、電鍍、洗印工業(yè)以及染料加工等領(lǐng)域[1-3]。也正因如此，硫氰酸鹽常出現(xiàn)于各種工業(yè)廢水中。盡管硫氰酸鹽的毒性較弱，但當它與酸接觸時將通過化學反應(yīng)生成有毒氣體，造成人體呼吸困難，嚴重時將引發(fā)死亡，從而為人類和水棲生態(tài)系統(tǒng)帶來嚴重威脅[4]。因此，出于環(huán)境方面的考慮，硫氰酸鹽的氧化降解一直備受關(guān)注[2,5-9]。近年來，隨著對硫氰酸鹽在生物化學和醫(yī)學方面所起作用的發(fā)現(xiàn)，進一步激發(fā)了人們對這一體系研究的興趣[10-13]。目前，較為普遍的觀點是，在人體的宿主免疫防御體系中，在過氧化物酶（如乳過氧化物酶、唾液過氧化物酶、髓過氧化物酶和嗜酸性粒細胞過氧化物酶等）的催化作用下，硫氰酸鹽將與雙氧水反應(yīng)形成次硫氰酸根離子（OSCN-），它具有比過氧化氫更強的殺菌功能，但并不會對人體細胞造成危害[14]。因此，過去有大量研究集中在對各種生物體系中酶催化[15-18]以及無酶催化的H2O2/SCN-反應(yīng)[19-22]，并揭示出具有活性的OSCN-既可以通過對SCN-的直接氧化生成，也可先將SCN-氧化成(SCN)2，然后通過水解形成OSCN-離子[23]。有實驗證據(jù)表明，除了HOSCN/OSCN-外，硫氰酸鹽的氧化過程中可能存在著其他具有高度活性的氧化中間物，并且這些中間物具有較短的壽命因此難以在最終產(chǎn)物中檢測到[18]，而對SCN-氧化機理的認識也需要進一步的研究。

最近三十年以來，在硫氰酸鹽的氧化過程中觀察到了大量的非線性動力學行為[24-27]。這些現(xiàn)象也表明硫氰酸鹽的氧化過程中可能有多種產(chǎn)物生成，并且伴隨著化學反應(yīng)之間的正負反饋等相互耦合的過程[28]。然而，目前無論是對硫氰酸鹽抗菌機制，還是氧化過程中非線性動力學行為的機理都缺乏足夠的認識。其中最關(guān)鍵的缺乏對反應(yīng)產(chǎn)物和關(guān)鍵中間物的檢測以及對其動力學變化關(guān)系的描述。因此，對相關(guān)物質(zhì)的識別及其濃度變化的同步測定，無疑將有助于揭示這一體系的機理。

作為一種相對較新的分離與分析手段，毛細管電泳(CE)在離子分析方面具有十分明顯的優(yōu)勢[29]。與離子色譜相比，毛細管電泳具有高效、快速和靈敏和特點，完全可以應(yīng)用于反應(yīng)速率較低的化學動力學研究中。因此，本文將利用毛細管電泳方法對硫氰酸鹽和過氧化氫的反應(yīng)進行監(jiān)測，檢測反應(yīng)中的未知中間物，并記錄它們隨時間變化的關(guān)系，從而對其機理作進一步的分析。

1 實驗部分

本實驗中所用的試劑均為分析純，其中磷酸二氫鉀、磷酸氫二鉀和高錳酸鉀購自于上海試劑一廠綜合經(jīng)營公司，氫氧化鈉和氫氧化鉀購自于上海化學試劑公司，硫酸、鹽酸、過氧化氫、甲醇、無水乙醇、氯化鉀、硫氰酸鉀、氯化銨、氫氧化鋰、硫酸鉀和四硼酸鈉則由國藥集團化學試劑有限公司供應(yīng)。所用溶液均由MilliQ超純水（18.2 M·cm）配制。反應(yīng)溶液的pH值通過氨水和氯化銨調(diào)節(jié)，總濃度為20mM。

毛細管電泳實驗在Beckman Coulter P/ACE MDQ毛細管電泳儀（Beckman，USA)上完成。該系統(tǒng)采用自動進樣器進樣，并配備了二極管陣列檢測器(DAD，190～400 nm)，實驗控制以及數(shù)據(jù)的采集分析在32 Karat Software軟件中進行。在數(shù)據(jù)分析時，為了對多種物質(zhì)定量，分別對210、230和235 nm的光譜信號進行分析。實驗采用壓力進樣（0.5psi.×5s），分離在熔融石英毛細管柱（75μmi.d.×375μm o.d.，總長度57.5cm，有效長度50cm，河北永年銳灃光導(dǎo)纖維廠）中進行。溶液的pH值由PHS-10A型數(shù)字式pH-離子計（上海日島科學儀器有限公司）測定，進樣前，所有溶液均通過0.45μm微孔濾膜過濾以除去可能形成的不溶性固體顆粒。通過對分離條件的優(yōu)化，最終確定適合于本實驗的工作條件為：采用間接紫外法為檢測手段，以20mM KNO3為背景電解質(zhì)，并加入2.0×10-5mM的電滲流改性劑HDB，最終溶液的pH值由LiOH調(diào)節(jié)。分離過程所施加的電壓為20 kV，分離檢測溫度為25℃。

2 結(jié)果與討論

為了對SCN--H2O2反應(yīng)過程進行實行的監(jiān)測，在不同時刻提取反應(yīng)溶液進行毛細管電泳分析。通過與標準參照物的對比，離子淌度的估算以及DAD檢測器中獲得的各組分的UV-Vis光譜數(shù)據(jù)，在一定程度上可以對電泳圖中的各個色譜峰進行識別，并根據(jù)峰的積分面積與校正曲線的關(guān)系，可以定量計算出反應(yīng)過程中各物質(zhì)濃度隨反應(yīng)時間的變化。圖1所示的即為不同時刻所得到的電泳圖，其中SCN-和H2O2的濃度分別為0.5和35 mM，溶液的pH值為9.85，選取的檢測波長為210 nm。在反應(yīng)的初始階段（曲線a，35 min），在2.37min處存在一較高的峰，為緩沖溶液中的Cl-。反應(yīng)物SCN-則出現(xiàn)在2.60min處。除此之外，電泳圖中還可觀察到另一組分，其對應(yīng)的遷移時間tm =2.53min。通過與可能的產(chǎn)物標準品對比，可以確定該產(chǎn)物為硫酸根SO42-。隨著反應(yīng)的進行，反應(yīng)物SCN-對應(yīng)的峰逐漸降低，表明SCN-通過與H2O2的反應(yīng)而被消耗，同時硫的最高價氧化產(chǎn)物SO42-的量也逐漸增加。當反應(yīng)時間達到70 min時（曲線b），在tm = 2.68min處可以明顯觀察到另一氧化產(chǎn)物。根據(jù)前人研究的結(jié)果[23]以及該組分在UV-Vis光譜中所具有的特征，可以判斷該產(chǎn)物為次硫氰酸根離子OSCN-。隨著反應(yīng)的進一步進行，OSCN-和SO42-的含量進一步增加，同時初始反應(yīng)物SCN-的濃度隨時間逐漸降低并趨于消失（曲線c和d）。值得注意的是，OSCN-的濃度并非隨時間呈單調(diào)的變化關(guān)系。隨著反應(yīng)物SCN-的消耗，OSCN-的生成速率逐漸降低。當反應(yīng)時間達到一定值時，OSCN-的濃度逐漸降低直至完全消失（曲線e）。同時，在電泳圖中可以觀察到SO42-對應(yīng)的峰的高度（濃度）進一步增加，表明OSCN-可通過直接或間接的過程氧化生成

圖1 不同時刻SCN--H2O2反應(yīng)體系的電泳圖：(a) 35 min；(b) 70 min；(c) 386 min；(d) 870 min；(e) 1697 min。SCN-和H2O2濃度分別為0.5和35 mM，溶液pH值為9.85.Fig.1 Electrophergrams obtained in the SCN--H2O2reaction at different reaction time:(a) 35 min; (b) 70 min; (c) 386 min; (d) 870 min; and (e) 1697 min. The concentration of SCN- and H2O2is 0.5 and 35 mM, respectively, and the pH is 9.85.

圖2 SCN-的氧化過程中各物質(zhì)濃度隨時間的變化關(guān)系。初始溶液的組成為[SCN-]0 = 0.90 mM，[H2O2]0 = 35 mM，pH = 9.85。Fig.2 The plot of concentration involved in the oxidation of SCN- against reaction time. The initial composition of the solution is [SCN-]0 = 0.90 mM,[H2O2]0 = 35 mM and the pH is 9.85.

圖3 不同SCN-濃度下ln[c/c0]對反應(yīng)時間t的變化關(guān)系圖H2O2濃度為35 mM，pH為9.85。Fig.3 The plot of ln[c/c0]vs. tat various SCN- concentrations. The concentration of H2O2is 35 mM and the pH of the solution of 9.85.

為了進一步描述反應(yīng)過程中各物質(zhì)的動力學變化關(guān)系，對電泳圖中各個峰作積分，通過積分面積與標準品的校正曲線，得到其濃度隨時間變化的關(guān)系，如圖2如示。其中，SCN-的起始濃度為0.90mM，其他條件與圖1中一致。由于氧化中間物OSCN-不穩(wěn)定，并且缺乏高純的標準品，因此并不能獲得對應(yīng)的校正關(guān)系。通過對OSCN-人為引入一校正系數(shù)，則圖2中OSCN-對應(yīng)的曲線表示相對于一任意單位的濃度。從圖中可以看出，隨著反應(yīng)的進行，反應(yīng)物SCN-的濃度不斷降低，同時產(chǎn)物中SO42-的含量不斷增加。在反應(yīng)的初始階段，隨著反應(yīng)的進行，OSCN-的含量逐漸增加。當反應(yīng)時間達到約500分鐘時，溶液中SCN-的濃度約為反應(yīng)前的1/2，此時OSCN-的量達到最大值。隨后，隨著反應(yīng)的進一步進行，OSCN-的濃度開始呈現(xiàn)出下降趨勢。這表明硫氰酸鹽與過氧化氫的反應(yīng)必然涉及兩步或兩步以上的連續(xù)過程。也就是說，在SCN-與H2O2反應(yīng)生成的OSCN-將繼續(xù)與氧化劑H2O2作用，以直接或間接的方式轉(zhuǎn)變成最終氧化產(chǎn)物

圖4 表觀速率常數(shù)隨H2O2濃度變化關(guān)系Fig.4 The dependence of apparent rate constant on the H2O2concentration.

圖5 (a)不同初始濃度下SCN-濃度隨反應(yīng)時間曲線圖(b)初始速率隨SCN-濃度的變化關(guān)系H2O2濃度為35 mM，pH為9.85。Fig.5 (a) The plot of SCN-concentration vs. reaction time at different initial SCN-concentration; (b)The dependence of instant reaction rate on initial concentration of SCN-.The concentration of H2O2is 35 mM and the pH of the solution of 9.85.

表1 SCN-H2O2體系在不同pH條件下的反應(yīng)級數(shù)和速率常數(shù)。Table 1 Reaction order and rate constant for the SCN--H2O2at various pHs.

當通過ln[c/c0]對反應(yīng)時間t作圖時，可以得到圖3。其中c和c0分別為SCN-在不同時刻測得的濃度和初始溶液（t = 0）的濃度。在圖3中，由于H2O2遠遠過量，因此其濃度變化可以忽略而被視作常數(shù)。在實際的測量中，H2O2對應(yīng)色譜峰（位于tm> 3 min處，未在圖1中給出）也在整個實驗過程中沒有明顯變化。由圖可以看出，在不同濃度條件下，ln[c/c0]均與t成較好的線性關(guān)系，并且?guī)缀踔睾?。這表明這一體系對SCN-的反應(yīng)級數(shù)為1級。從這些線性關(guān)系的斜率，可以計算出準一級速率常數(shù)，在這一條件下為1.8×10-3min-1。

圖4所示的為不同pH條件下表觀速率常數(shù)k隨H2O2濃度的變化關(guān)系。由圖可以看出，在各個pH條件下，準一級速率常數(shù)k均隨[H2O2]線性增加。這一線性關(guān)系表明該反應(yīng)對過氧化氫也為一級反應(yīng)，反應(yīng)速率可以表述為v = k0[SCN-][H2O2]的形式。其中圖3和圖4中的表觀速率常數(shù)k = k0[H2O2]。因此，通過圖4中各線性關(guān)系的斜率可以計算得到速率常數(shù)k0。

為了進一步確認這一體系中對各反應(yīng)物的反應(yīng)級數(shù)和速率常數(shù)，采用了初始速率法進行了獨立的分析。首先，SCN-反應(yīng)速率可表示為：

當固定溶液中H2O2和pH值時，通過改變SCN-的濃度，獲得一系列不同初始濃度下反應(yīng)物SCN-濃度隨時間變化的曲線，如圖5a所示。通過在反應(yīng)初始階段（t趨近于零）時在濃度-時間曲線上作切線，從其斜率可以獲得該濃度下的初始反應(yīng)速率。圖5b所示的為不同濃度下計算得到的初始反應(yīng)速率。由于其大小與硫氰酸鹽SCN-的濃度成線性關(guān)系，因此該反應(yīng)對SCN-為一級反應(yīng)。同樣，通過改變H2O2的濃度，可以得到在本實驗所使用的pH范圍內(nèi)，這一反應(yīng)對過氧化氫也為一級反應(yīng)。這與采用動力學曲線得到的結(jié)果一致。根據(jù)這些結(jié)果，可進一步計算得到各pH條件下的速率常數(shù)，其結(jié)果可見表1。

根據(jù)毛細管電泳分離和檢測的結(jié)果，OSCN-為主要的氧化中間物，結(jié)合前人的研究結(jié)果[8,10,22,23]，OSCN-的形成可表示為：

隨后，生成的OSCN-將與H2O2發(fā)生進一步所反應(yīng)形成最終氧化產(chǎn)物SO42-，這一過程中包含的具體反應(yīng)可能包括：

其中，OSCN-主要通過R1生成，表觀上對SCN-和H2O2都是一級反應(yīng)，并且隨著pH值的增加，速率常數(shù)呈現(xiàn)出降趨勢。

3 結(jié)論

通過在開發(fā)毛細管電泳方法的基礎(chǔ)上，對硫氰酸鹽與過氧化氫之間的氧化還原反應(yīng)進行了詳細的研究。在實驗所研究的pH范圍內(nèi)均可檢測到氧化中間物次硫氰酸根離子OSCN-的存在，并且它將通過與H2O2之間的一系列作用形成最終的氧化產(chǎn)物SO42-。由于OSCN-在SCN-被完全氧化消耗之后仍能在較長時間內(nèi)存在，因此它的消耗速率應(yīng)與生成速率相當，而這一過程也將有待于在今后的工作中作進一步研究。在定量分析的基礎(chǔ)上，確定了該反應(yīng)對硫氰酸鹽和過氧化氫的反應(yīng)級數(shù)均為1，并且這一體系的氧化速率強烈依賴于溶液的pH值。當pH值增加后，反應(yīng)的速率常數(shù)將顯著減小。

[1]AKCIL A. Destruction of cyanide in gold mill effluents: Biological versus chemical treatments [J]. BiotechnolAdv 2003, 21 (6): 501-511.

[2]DASH R R, GAUR A, BALOMAJUMDER C. Cyanide in industrial wastewaters and its removal: A review on Biotreatment [J]. J Hazard Mater 2009, 163 (1): 1-11.

[3]PAPADIMITRIOU C A, SAMARAS P, SAKELLAROPOULOS G P.Comparative study of phenol and cyanide containing wastewater in CSTR and SBR activated sludge reactor [J]. BioresTechnol 2009, 100 (1): 31-37.

[4]BHUNIA F, SAHA N C, KAVIRAJ A. Toxicity of thiocyanate to fish,plankton, worm and aquatic ecosystem [J]. 2000, 64 (2): 197-204.

[5]EBBS S. Biological degradation of cyanide compounds [J]. Biotechnology 2004, 15 (3): 231-236.

[6]STAIB C, LANT P. Thiocyanate degradation during activated sludge treatment of coke-ovens wastewater [J]. BiochemEng J 2007, 34 (2):122-130.

[7]SHARMA V, OICONOR D, CABELLI D. Oxidation of thiocyanate by iron(V) in alkaline medium [J]. InorgChimActa 2004, 357 (15): 4587-4591.

[8]WILSON I, HARRIS G.The oxidation of thiocyanate ion by hydrogen peroxide. I. The pH independent reaction [J]. J Am ChemSoc 1960, 82(17): 4515-4517.

[9]VICENTE J, DIAZ M. Thiocyanate wet oxidation [J]. Environ SciTechnol 2003, 37 (7): 1452-1456.

[10]BARNETT J J, MCKEE M L, STANBURY D M. Acidic aqueous decomposition of thiocyanogen [J]InorgChem 2004, 43 (16): 5021-5033.

[11]ASHBY M T, ANEETHA H. Reactive sulfur species: Aqueous chemistryofsulfenylthiocyanates [J]. J Am ChemSoc 2004, 126 (33):10216-10217.

[12]FURTMUELLER P G, JANTSCHKO W, REGELSBERGER G, et al.Reaction of lactoperoxidaxe compound I with halides and thiocyanate [J].Biochemistry 2002, 41 (39): 11895-11900.

[13]NAGY P, ALGUINDIGUE S S, ASHBY M T. Lactoperoxidaxecatalyzed oxidation of thiocyanate by hydrogen peroxide: A reinvestigation of hypothiocyanite by nuclear magnetic resonance andoptical spectroscopy [J]. Biochemistry 2006, 45 (41): 12610-12616.

[14]CARLESSON J, EDLUND M B HANSTROM L. Bactericidal and cytotoxic effects of hypothiocyanite-hydrogen peroxide mixture [J].Infect. Innun. 1984, 44 (3): 581-586.

[15]HOGG D M, JAGO G R. The antibacterial action of lactoperoxidase.The nature of the reaction inhibitor [J].Biochem J 1970, 117: 779-790.

[16]BOSCH E H, VAN DOORNE H, DE VRIES S. The lactoperoxidase system: The influence of iodide and the chemical antimicrobial stability over the period of about 18 months [J]. J ApplMicrobiol 2000, 89 (2):215-224.

[17]VAN DALEN C J, KETTLE A J. Substrates and products of eosinophil peroxidase [J].Biochem J 2001, 358 (1): 233-239.

[18]PRUITT K M, TENOVUO J, ANDREWS R W, et al. Lactoperoxidasecatalyzed oxidation of thiocyanate: Polarographic study of the oxidation products [J]. Biochemistry 1982, 21 (3): 562-567.

[19]ROSIN M, KOCHER T, KRAMER A. Effects of SCN-/H2O2combinations in dentifrices on plaque and gingivitis [J]J Clin Periodontology 2001, 28 (3): 270-276.

[20]ROSIN M, KRAMER A, BRADTKE D, et al. The effect of a SCN-/H2O2toothpaste compared to a commercially available triclosancontaining toothpaste on oral hygiene and gingival health - A 6-moth home-use study [J]. J Clin Periodontology 2002, 29 (12): 1086-1091.

[21]CHRISTY AA, EGEBERG P K. Oxidation of thiocyanate by hydrogen peroxide - A reaction kinetic study by capillary electrophoresis [J].Talanta 2000, 51 (): 1049-1058.

[22]FIGLAR J N, STANBURY D M. Thiocyanogen as intermediate in the oxidation of thiocyanate by hydrogen peroxide in acidic aqueous solution [J]. InorgChem 2000, 39 (22): 5089-5094.

[23]DUA S, MACLEAN M J, FITZGERALD M, et al. Is the hypothiocyyanite anion (OSCN)- the major product in the peroxidase catalyzed oxidation of the thiocyanate anion (SCN)-? A joint experimental and theoretical study [J]. J PhysChem A 2006, 110 (14): 4930-4936.

[24]ORBAN M. Oscillations and bistability in the Cu(II)-catalyzed reaction between H2O2and KSCN [J]. J Am ChemSoc 1986, 108 (22): 6893-6898.

[25]SIMOYI R H, EPSTEIN I R, KUSTIN K. Complex dynamical behavior in the oxidation of thiocyanate by iodate [J]J PhysChem 1989, 93 (5):1689-1691.

[26]VALENT I, ADAMCFKOVA L. Irregular oscillations in a bromatethiocyanate batch system under constant nitrogen gas-flow [J]. J PhysChem 1994, 98 (16): 4303-4306.

[27]LENGYEL I, GYORGYI L, EPSTEIN I R. Analysis of a model of chlorite-based chaotic chemical oscillators [J]. J PhysChem 1995, 99(34): 12804-12808.

[28]SCOTT S K. Oscillations, Waves, and Chaos in Chemical Kinetics [M].Oxford: Oxford University Press, 1994.

[29]WEINBERGER R. Practical Capillary Electrophoresis, 2nd Edition [M].San Diego: Academic Press, 1999

Kinetic of the Oxidation of Thiocyanage Using Capillary Electrophoresis

Yin Cui
(1College of Chemical and Environment,2College of Materials Science and Engineering,North University of China,Taiyuan,030051,Shanxi)

Icapillary electrophoresis method was developed for the kinetic study of the oxidation of thiocyanage by hydrogen peroxide. With such method, the oxidation reaction was qualitatively and quantitivelyanalyzed in the pH range between 7 and 10.The key intermediate OSCN- was detected in the real time separation of the solution, and the reaction order was determined to be 1 for both thiocyanate and hydrogen peroxide. It was also noted that the reaction rate significantly depended on the pH value of the reaction medium. In our experiment conditions, the rate constant decreases with the pH.

Thiocynate; Hydrogen peroxide; Capillary electrophoresis; Oxidation; Kinetics.

O 657

A

T1672-8114(2012)06-055-06

尹翠，中國礦業(yè)大學化工學院研究生。