次氮基三丙酸與鈹離子螯合作用的研究

馬繼飛 姚 劍 諸 穎 李玉蘭

(中國科學院上海應用物理研究所 熔鹽化學與工程技術部，上海 201800)

0 前言

鈹是一種外表呈灰色的稀有輕金屬，主要來源于綠柱石礦，被廣泛用于航空航天、核能工業(yè)、石油儀器、制冷機械、通訊等高科技工業(yè)領域。由于鈹及其化合物的廣泛應用，早在20世紀30～40年代，人們就認識到鈹具有較強的毒性，至今，對鈹?shù)亩拘匝芯恳延薪话倌闧1-2]。研究人員認為螯合劑扮演著清除“沙子”的功能，可以清除體內的鈹金屬[3-5]。螯合療法主要是使用螯合劑螯合住體內有害的金屬，使之成為安全的螯合物，以靜脈注射的方式來治療疾病，經(jīng)由腎臟變成無害的尿液排出體外[5-6]。

次氮基三乙酸是一種常見的有機配體，由于其生物學意義和螯合性能已被廣泛地研究[7-8]。本研究采用的次氮基三丙酸(NTP)具有次氮基三乙酸相似結構的配體，與次氮基三乙酸相比，在每條酸鏈上含一個額外的—CH2—結構，因此具備更好的金屬螯合性能[9]。

在本研究中，采用分光光度法測定NTP與Be2+的相互作用之間的關系，測得NTP與Be2+的配比關系和條件穩(wěn)定常數(shù)，為尋找對鈹中毒有效的螯合劑提供理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

U3010型紫外/可見光光度計(日立公司)，ORION/310P pH計(美國奧立龍)， Elix Advantage純水儀(美國Millipore公司)。

3,3',3''-次氮基三丙酸(Sigma試劑)、硫酸鈹四水合物(阿拉丁試劑)、高氯酸(國藥試劑)、氫氧化鈉(國藥試劑)均為分析純及以上級別試劑，水由Millipore公司的Milli-Q系統(tǒng)純化的二次去離子水。

1.2 實驗方法

1.2.1螯合動力學

在室溫25 ℃，pH=6.0條件下，考察不同時間下，NTP對Be2+的螯合動力學。

1.2.2螯合物配比和條件穩(wěn)定常數(shù)的測定

所有實驗在室溫25 ℃，pH=6.0條件下進行，以水作為參比，在242 nm處測定溶液的吸光度值。

采用摩爾率法[10-11]測定螯合物配比。配制一系列含不同濃度比的NTP和Be2+離子溶液，其中NTP終濃度恒定為2.5 mmol/L，Be2+離子的終濃度范圍從0.25～10 mmol/L，測定溶液的吸光度值。

采用Job法[11]測定螯合物的配比和條件穩(wěn)定常數(shù)。固定NTP和Be2+的總物質的量為5 mmol/L，改變兩種組分的比例，測定溶液的吸光度值。

1.2.3不同pH值下NTP對Be2+的螯合影響

用高氯酸與NaOH調節(jié)pH值，在室溫25 ℃與不同pH值條件下，考察2.5 mmol/L NTP對2.5 mmol/L Be2+的螯合量，測定溶液在242 nm處的吸光度值。

2 結果與討論

2.1 NTP溶液標準曲線測定

配置5 mmol/L的母液，然后分別配置0.625，1.25，2.5，4，5 mmol/L的NTP溶液，用高氯酸與NaOH調節(jié)pH值。測定其在206 nm處的吸光度值，制作標準曲線。曲線的線性回歸方程為Y=0.170X+0.005，相關系數(shù)R2=0.999。

2.2 NTP與Be2+螯合物的測定

2.2.1NTP與Be2+螯合動力學

在室溫25 ℃，pH=6.0，測定濃度為2.5 mmol/L的NTP對2.5 mmol/L的Be2+溶液的螯合動力學。NTP對Be2+的螯合在較短的時間內完成，2 h左右達到最大，隨著時間延長螯合量趨于平衡。NTP對Be2+的作用機理如圖1所示，Be2+與NTP結構中的3個羧基氧原子和1個氮原子形成螯合四齒配體結構，NTP與Be2+作用時較快且穩(wěn)定[12]。

圖1 NTP與Be2+的作用機理圖Figure 1 Reaction mechanism of NTP-Be2+ complex.

2.2.2NTP與不同Be2+螯合的光譜分析

在室溫25 ℃，pH=6.0，螯合時間為2 h，測定NTP與Be2+的螯合物的吸收光譜。偏酸性是為了避免Be2+的水解，過高的pH值會生成Be(OH)2沉淀，而過低pH值會影響NTP鏈上的H+解離[13]。從200 nm到400 nm，分析NTP與Be2+螯合物的吸收光譜，如圖2所示，螯合物在242 nm處有吸收峰。

圖2 NTP與不同Be2+螯合的吸收光譜圖Figure 2 Absorption spectra of Be2+(a), NTP(b), and NTP-Be2+ complex(c～g).

2.2.3NTP與Be2+螯合物配比的測定

采用摩爾比法(molar ratio method)測定螯合物配比，在242 nm處測量溶液的吸光度值。配制一系列含NTP和Be2+不同濃度比溶液，其中NTP終濃度恒定為：2.5 mmol/L，Be2+的終濃度范圍為：0.25，0.5，1，1.5，2.5，5，7.5，10 mmol/L。通過摩爾比法得到的圖3表明，Be2+與NTP螯合物的摩爾比為1∶1。可以看到，在Be2+與NTP摩爾比大于2∶1時，獲得吸收飽和。

此外，采用Job法測定螯合物的配比。固定NTP和Be2+的總物質的量不變，改變兩種組分的比例，在恒定條件下(室溫，pH=6.0)，螯合時間為2 h，在242 nm處測量溶液的吸光度值。圖4顯示NTP與Be2+體系的Job曲線，該曲線在摩爾分數(shù)0.5處出現(xiàn)最大值，說明NTP與Be2+形成1∶1的螯合物。通過Job曲線擬合得到NTP與Be2+體系的條件穩(wěn)定常數(shù)lgK為4.35。

圖4 NTP與Be2+螯合的Job曲線Figure 4 Job’s curve of NTP-Be2+ complex.

2.2.4不同pH值下NTP與Be2+的螯合影響

在不同pH條件下，考察了2.5 mmol/L的NTP對2.5 mmol/L的Be2+溶液螯合3 h的螯合量。結果見圖5，在pH=6.0的條件下，NTP對Be2+的螯合量最大；在pH=4.5～6.0的范圍內，NTP對Be2+的螯合較為穩(wěn)定；隨著pH的降低(2.5～4.5)，螯合量逐漸減少；隨著酸性的增強，NTP對Be2+基本沒有作用。這是因為酸效應的影響，NTP鏈上的H+解離不多，NTP與金屬離子配位的位置較少，被螯合的金屬離子也就較少。另外，隨著堿性的增強，NTP與Be2+螯合物也開始部分水解，被螯合的金屬離子進入堿性螯合液，與OH-以氫氧化物的形式沉淀析出，會導致螯合量的下降。

圖5 不同pH值對NTP螯合Be2+的影響Figure 5 Effect of pH on absorbency of NTP-Be2+ complex (pH=2～6).

3 結論

次氮基三丙酸能夠與Be2+在較短時間內形成穩(wěn)定的螯合物，這為對鈹中毒有效的新螯合劑的研制方向提供了理論依據(jù)。NTP對Be2+螯合物的摩爾比為1∶1，這與作用機理圖相吻合，條件穩(wěn)定常數(shù)lgK為4.35，說明螯合物比較穩(wěn)定。螯合反應時pH值對NTP與Be2+螯合量有著重要的影響。當螯合反應顯弱酸性時，不僅NTP末端的羧基發(fā)生電離，NTP氨基上的H+也會被解離而被鈹元素取代，從而形成四齒配體結構，因此隨著螯合時pH值的上升，鈹離子螯合的量也隨之增大。但隨著堿性的進一步增強，螯合Be2+的含量反而會減少。所以可通過調節(jié)NTP與Be2+溶液的pH值來控制NTP與Be2+的螯合量。

[1] 卓馨,蔡紅,石影.雙水相萃取光度法測定鈹[J].稀有金屬,2011,30(4):567-569.

[2] Sharma P, Johri S, Shukla S.Beryllium-induced toxicity and its prevention by treatment with chelating agents[J].Journal of Applied Toxicology,2000,20(4):313-318.

[3] Flora S J S.Chelation therapy[J].Chemistry,Molecular Sciences and Chemical Engineering,2013(3):987-1013.

[4] Britton R S,Leicester K L,Bacon B R. Iron toxicity and chelation therapy[J]. International Journal of Hematology,2002,76(3):219-228.

[5] Schmidt M, Bauer A, Schmidbaur H. Beryllium chelation by dicarboxylic acids in aqueous solution[J].Inorganic Chemistry,1997,36(10):2040-2043.

[6] Maron D J,Hlatky M A.Trial to assess chelation therapy (TACT) and equipoise: When evidence conflicts with beliefs [J].American Heart Journal,2014,168(1):4-5.

[7] Anna H, Milan V, Renate O.Iron(III)-exchange between transferrin and chelates in vitro[J]. Chemico-Biological Interactions，1970,1(3):271-283.

[8] Vladimir E, Lidia A, Ygor A. Metal-chelating chitin derivatives via reaction of chitosan with nitrilotriacetic acid[J].Carbohydrate Research,1996,290(1):33-41.

[9] Mederos A, Domínguez S, Medina AM,et al.Equilibria in aqueous solution between Be(II) and iminodiacetic, N-methyliminodiacetic, N-ethyliminodiacetic and N-propyliminodiacetic acids[J].Polyhedron,1987,6(6):1365-1373.

[10] Syed A T,Feroza H W,Muhammad H S W,et al.Spectrophotometric study of stability constants of cimetidine-Ni(II) complex at different temperatures[J]. Arabian Journal of Chemistry,2012,5(3):309-314.

[11] Jadranka K, Ivana J, Jovan N,et al.Spectrophotometric determination of alendronate in pharmaceutical formulations via complex formation with Fe(III) ions[J].Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis,2002,28(6):1215-1220.

[12] Govender K K, Cukrowski I. Density functional theory in prediction of four stepwise protonation constants for nitrilotripropanoic acid(NTPA)[J]. The Journal of Physical Chemistry A, 2009,113(15):3639-3647.

[13] Erasmo C,Sixto D,Alfredo M,et al.Nitrilotripropionic acid(NTP) and other polyamino carboxylic acids as sequestering agents for beryllium(II). X-ray crystal structure of sodium (nitrilotripropionato)beryllate(II) trihydrate, Na[Be(NTP)].cntdot.3H2O[J].Inorganic Chemistry,1995,34(6):1579-1587.