周利,任佳,高肇林,桂玉娟,張晗,夏雁青,石鐵生

(棗莊學(xué)院 化學(xué)化工與材料科學(xué)學(xué)院,山東 棗莊 277160)

香草酸 (Vanillic acid,VA) 的化學(xué)名稱是4-羥基-3-甲氧基苯甲酸,是廣泛存在于自然界中的一類酚酸,在蒲公英[1]、連翹[2]、安息香膏等植物和精油中都有發(fā)現(xiàn)。作為植物中的次生代謝產(chǎn)物,酚酸具有抗氧化、抗病毒、抗腫瘤等功效[3],其中,香草酸具有抗炎、抑菌等藥理作用[4-9]。對羥基苯甲酸 (p-hydroxybenzoic acid,HBA) 也是存在于植物(如銀杏葉[10]、三七[11])、微生物和土壤中一類常見的有機(jī)酸,具有抗菌消炎等生物活性[12-14]。香草酸和對羥基苯甲酸在水溶液中分別存在如圖1、2所示的解離平衡,根據(jù)已有文獻(xiàn)的報道,我們推測在發(fā)生氧化還原反應(yīng)時其不同質(zhì)子化形態(tài)的活性可能存在巨大差異[15]。在25.0℃和1.0 mol/L離子強度下,這二者在水溶液中的解離平衡常數(shù)pKa1和 pKa2至今尚未有報道,為此我們系統(tǒng)地研究了在不同的pH值條件下,香草酸和對羥基苯甲酸的UV-Vis光譜變化,并由此通過計算得到了二者的解離常數(shù)pKa1和pKa2,這將對研究香草酸和對羥基苯甲酸的抗氧化機(jī)理有著重要意義。

圖1 香草酸在水溶液中的解離平衡

圖2 對羥基苯甲酸在水溶液中的解離平衡

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

TU-1950 紫外-可見分光光度計 (普析,北京通用,配有1.00 cm厚石英比色皿),水浴恒溫槽 (Lauda Alpha RA8,德國),Accumet Basic AB150 Plus pH計 (Fisher Scientific,美國)。

香草酸,對羥基苯甲酸,高氯酸鈉,磷酸,磷酸二氫鈉,磷酸氫二鈉,磷酸鈉,醋酸,醋酸鈉,碳酸鈉,碳酸氫鈉,氯化鈉,購于Sigma 或Alfa Aesar 試劑公司,所有試劑均為分析純。標(biāo)準(zhǔn)緩沖液pH值 4.00,7.00 和10.00 購于Alfa Aesar 試劑公司,用于校準(zhǔn)電極。 實驗中所用溶液均使用二次蒸餾水配制。

1.2 緩沖溶液配制

不同的緩沖溶液分別用如下方法配制:(1)2.40 ≤pH值≤ 3.00由H3PO4和NaH2PO4按一定比例配制;(2)3.00

1.3 待測溶液配制

分別稱取一定量的香草酸和對羥基苯甲酸溶解在1.0 mol/L NaClO4溶液中作為儲備液,然后用不同pH值的緩沖溶液稀釋分別得到0.10 mmol/L香草酸溶液和0.080 mmol/L 對羥基苯甲酸溶液 (所配制溶液使用時間不超過1 h)。

1.4 光譜測量

(1)開啟分光光度計并預(yù)熱15 min,調(diào)節(jié)恒溫槽溫度,控制在(25.0 ± 0.1)℃;(2)打開電腦和軟件,設(shè)定掃描波長范圍:200～400 nm或200～350 nm,采用慢速掃描;(3)放入?yún)⒈热芤哼M(jìn)行基線校準(zhǔn);(4)裝入待測溶液恒溫約10 min后進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 香草酸和對羥基苯甲酸的電子光譜

在25.0 ℃和1.0 mol/L的離子強度下,我們獲得了香草酸在不同pH值下的光譜圖(圖3、4)?？梢钥闯?當(dāng)pH值從2.75增加到6.32時,在292 nm處吸光度逐漸下降,當(dāng)pH值從6.87增加到11.83,在251 nm處吸光度值逐漸下降,而在298 nm處吸光度逐漸升高。表1～2分別給出了不同pH值下吸光度數(shù)值的變化。

圖3 0.10 mmol/L香草酸在pH值為2.75,4.05和6.32緩沖溶液中的吸收光譜圖

表1 25.0 ℃和1.0 mol/L 離子強度下 0.10 mmol/L香草酸在不同pH值的緩沖溶液中 292 nm 處的吸光度數(shù)據(jù)

圖4 0.10 mmol/L香草酸在pH值為6.87至11.83的緩沖溶液中的吸收光譜圖

表2 25.0 ℃和1.0 mol/L離子強度下0.10 mmol/L香草酸在不同pH值的緩沖溶液中251 nm和298 nm處的吸光度數(shù)據(jù)

運用相同的方法,我們也得到了在25.0 ℃和1.0 mol/L的離子強度下對羥基苯甲酸在不同pH值下的光譜圖(圖5和6),表3給出了在255 nm和280 nm處對羥基苯甲酸的吸光度數(shù)值隨pH值的變化。

圖5 0.080 mmol/L 對羥基苯甲酸在pH值為 2.47,4.50和6.30緩沖溶液中的吸收光譜圖

圖6 0.080 mmol/L 對羥基苯甲酸在pH值為8.06,8.61,9.10, 9.62,11.76緩沖溶液中的吸收光譜圖

表3 25.0 ℃和1.0 mol/L離子強度下0.80 mmol/L對羥基苯甲酸在不同pH值的緩沖溶液中255 nm和280 nm處的吸光度數(shù)據(jù)

2.2 香草酸和對羥基苯甲酸解離常數(shù)pKa1值和pKa2值的計算

對于上述光譜隨pH值的變化,可以用方程(1) 和方程(2) 來進(jìn)行定量的分析[16],式中[VA]tot=1.0 × 10-4mol/L,ε1、ε2和ε3分別為香草酸三種質(zhì)子化形態(tài)的摩爾吸光系數(shù)。

使用方程(1) 對表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性最小二乘方擬合,結(jié)果如圖7所示。擬合結(jié)果非常理想,得到了pKa1值4.28±0.05。使用方程(2) 對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性最小二乘方擬合,擬合的結(jié)果如圖8所示,得到的結(jié)果為: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。不難看出在兩個不同波長下得到的pKa2值完全一致。而對于pKa1值,在292 nm和298 nm 處得到的數(shù)據(jù)在誤差范圍內(nèi)是一致的,取其平均值為pKa1=值4.27 ± 0.05,而在251 nm處的誤差較大,是由于吸光度值的變化幅度較小的原因。

圖7 使用方程(1) 對表1數(shù)據(jù)擬合得到的關(guān)系圖

圖8 使用方程(2)對表2數(shù)據(jù)擬合得到的關(guān)系圖

然后運用方程(3) 分別對表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性最小二乘方擬合,式中[HBA]tot=8.0×10-5mol/L,ε1、ε2和ε3分別為對羥基苯甲酸三種質(zhì)子化形態(tài)的摩爾吸光系數(shù)。

(3)

擬合結(jié)果如圖9所示,我們得到了兩個波長下對羥基苯甲酸的解離常數(shù),在255 nm處pKa1值4.28±0.03和pKa2值8.86±0.06;而在280 nm處pKa1值4.26±0.12和pKa2值8.90±0.02。 因此,在實驗和計算的誤差范圍內(nèi), 在兩個波長下所獲得的解離常數(shù)也非常一致。 如果考慮到誤差,pKa1值4.28±0.03 和pKa2值8.90±0.02更為準(zhǔn)確。

圖9 使用方程(3) 對表3數(shù)據(jù)擬合得到的關(guān)系圖

3 結(jié)論

在25.0 ℃和1.0 mol/L離子強度下,我們研究了香草酸和對羥基苯甲酸的電子光譜隨pH值的變化,利用光度滴定法通過計算分別得到了二者的解離常數(shù)pKa1值和pKa2值,在獲得這些數(shù)據(jù)后就可以較為方便地對香草酸和對羥基苯甲酸的不同質(zhì)子化形態(tài)隨pH值的分布情況進(jìn)行分析,這將對研究它們的抗氧化反應(yīng)機(jī)理提供重要的研究基礎(chǔ)。