蛋白纖維與84消毒液的反應(yīng)初探

吳孫富 王洪升

摘要：從理論及實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面，探析了棉花纖維難以溶解于84消毒液的原因。介紹了蛋白纖維溶于84消毒液時(shí)可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)及生成的主要產(chǎn)物。指出了本研究有待進(jìn)一步解決的問(wèn)題及在中學(xué)化學(xué)教學(xué)上的意義。

關(guān)鍵詞：蛋白纖維；84消毒液；氧化反應(yīng)；水解反應(yīng)；類似多肽

文章編號(hào)：1005–6629（2016）6–0069–03 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1 問(wèn)題的提出

“學(xué)生化學(xué)趣味實(shí)驗(yàn)大賽的實(shí)踐與啟示”[1]一文中說(shuō)：取相同的兩只燒杯，里面盛放50mL 84消毒液，各取一團(tuán)棉花和蠶絲，分別投入到84消毒液中，充分?jǐn)嚢?分鐘，發(fā)現(xiàn)蠶絲完全溶解，而棉花沒(méi)有任何變化。該實(shí)驗(yàn)提供了一種既簡(jiǎn)單又可靠的檢驗(yàn)蠶絲與棉花的方法，也便于學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)與檢驗(yàn)。

用84消毒液檢驗(yàn)蠶絲與棉花確實(shí)是一種有趣、可靠、適用于進(jìn)行家庭小實(shí)驗(yàn)的教學(xué)資源，但學(xué)生很容易就該實(shí)驗(yàn)提出兩個(gè)問(wèn)題：為什么蠶絲易溶于84消毒液，而棉花難溶于84消毒液？蠶絲與84消毒液發(fā)生了什么化學(xué)反應(yīng)？眾所周知，84消毒液的有效成分是NaClO，其中還含有NaOH、NaCl等。筆者發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有文獻(xiàn)和參考書(shū)均沒(méi)有關(guān)于蠶絲與NaClO和NaOH的混合溶液或蠶絲與84消毒液發(fā)生反應(yīng)的報(bào)道。在此，筆者先簡(jiǎn)要分析棉花難溶解于84消毒液的原因，然后從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面重點(diǎn)探析蛋白纖維與84消毒液的反應(yīng)。

2 理論探析

棉花的主要成分是纖維素，纖維素是D-葡萄糖以β-1，4糖苷鍵連接起來(lái)的直鏈高分子，其結(jié)構(gòu)式如下[2]：

纖維素可以在酸、堿或酶等催化劑的催化下水解成葡萄糖。用酸、堿催化水解時(shí)，通常需要用較高濃度的酸、堿在加熱的條件下進(jìn)行。84消毒液顯堿性，從理論上說(shuō)，84消毒液可以催化水解棉花。由于84消毒液中的主要成分是NaClO，其中所含堿的濃度較低，所以棉花常溫下在84消毒液中的水解速率很慢，很難在短時(shí)間內(nèi)觀察到棉花明顯溶解于84消毒液的現(xiàn)象。纖維素中不含還原性基團(tuán)，所以難以和84消毒液中的主要成分NaClO發(fā)生氧化還原反應(yīng)。這兩個(gè)因素決定了一團(tuán)棉花投入到84消毒液中難以在常溫下攪拌1分鐘后觀察到明顯的溶解現(xiàn)象。

蠶絲的成分是蛋白質(zhì)，線型蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)可表示如下[3]：

由于各種氨基酸中的R-互不相同，所以此結(jié)構(gòu)中的各基團(tuán)R-并不相同，R-代表每一個(gè)氨基酸分子中α-碳原子上連接的氨基（-NH2）與羧基（-COOH）之外的其余部分。

蠶絲與84消毒液作用時(shí)，蠶絲較快地溶解了，這說(shuō)明蠶絲中的蛋白質(zhì)鏈發(fā)生斷裂生成了一些可溶于水的小分子物質(zhì)。由于堿可以催化蛋白質(zhì)的水解，所以蠶絲與84消毒液發(fā)生的一種可能的反應(yīng)是水解反應(yīng)，部分蠶絲在堿性條件下水解生成了易溶于水的短鏈狀的多肽的鈉鹽或氨基酸的鈉鹽[4]。又由于常溫下蛋白質(zhì)在低濃度堿溶液中的水解速度并不會(huì)很快，所以蛋白纖維很可能會(huì)在84消毒液中發(fā)生其他的反應(yīng)，從而導(dǎo)致蠶絲較快地溶解。這種反應(yīng)可能是肽鏈被氧化斷裂成了小分子，因?yàn)镹aClO和NaOH的混合溶液具有很強(qiáng)的氧化性[5]。筆者在大學(xué)有機(jī)化學(xué)教材中選擇了一個(gè)具有借鑒價(jià)值的化學(xué)反應(yīng)如下[6]：

這個(gè)化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物是酰胺、次鹵酸鈉NaXO和NaOH，該反應(yīng)中的酰胺與蛋白質(zhì)中的肽鍵在結(jié)構(gòu)上有相似之處，該反應(yīng)中的NaXO和NaOH與84消毒液的成分大體相同。在這個(gè)反應(yīng)中，次鹵酸鹽將連接在烴基R-與氨基H2N-間的羰基氧化生成了Na2CO3，同時(shí)氨基發(fā)生霍夫曼重排與烴基結(jié)合生成了伯胺。蛋白質(zhì)的片段結(jié)構(gòu)與酰胺有相似之處，蛋白質(zhì)肽鏈中的羰基有可能被NaClO和NaOH的混合溶液氧化生成Na2CO3，只是氧化后間隔在羰基之間的碳、氮原子不會(huì)像酰胺一樣發(fā)生重排而連接到一起。這樣說(shuō)的理由有兩點(diǎn)，一是肽鍵氮原子上連有其他結(jié)構(gòu)較大的基團(tuán)，進(jìn)行重排的空間阻礙作用較大；二是羰基之間的碳、氮原子若重排連接到一起，則蛋白質(zhì)就會(huì)轉(zhuǎn)化成一種新的難溶于水的高分子，這與已知的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不相符合。基于這些理論分析，筆者選用雞毛和羊毛設(shè)計(jì)完成了如下蛋白纖維與84消毒液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。

3 實(shí)驗(yàn)探析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)說(shuō)明

下列實(shí)驗(yàn)記錄表中的實(shí)驗(yàn)分為四個(gè)大實(shí)驗(yàn)（大序號(hào)），每個(gè)大實(shí)驗(yàn)都是先在大試管里加入一團(tuán)雞毛或羊毛（各約0.15g）后，再加入40mL 84消毒液（廣州藍(lán)月亮實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)，下同），然后放在水浴中加熱，T表示水浴加熱的溫度、t表示水浴加熱的時(shí)間。每個(gè)大實(shí)驗(yàn)序號(hào)下包含兩個(gè)小實(shí)驗(yàn)（小序號(hào)），小實(shí)驗(yàn)中的“2mL反應(yīng)液”均取自大試管中停止加熱后的反應(yīng)混合液。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想

蛋白纖維會(huì)水解成氨基酸的鈉鹽及多肽的鈉鹽，還可能會(huì)在肽鍵處氧化斷裂并生成Na2CO3，后者可能是蛋白纖維溶于84消毒液的主要反應(yīng)。文獻(xiàn)[1]中所用的蛋白纖維是蠶絲，且實(shí)驗(yàn)是在常溫下進(jìn)行的。由于本地不養(yǎng)蠶，難以得到純凈的蠶繭或蠶絲，所以本文實(shí)驗(yàn)所選用的蛋白纖維是雞毛和羊毛這兩種廉價(jià)易得的物質(zhì)。為了加快反應(yīng)速率，特在水浴加熱（55℃）下進(jìn)行。從實(shí)驗(yàn)事實(shí)看，加熱還有利于產(chǎn)物氣體的逸出。為了說(shuō)明反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)進(jìn)程的影響，本文中有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)加熱了5min，另外兩個(gè)實(shí)驗(yàn)加熱了10min。

3.3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

（1）雞毛、羊毛等蛋白纖維同蠶絲一樣可溶于84消毒液，只是由于雞毛粗細(xì)不勻，所以較粗的雞毛難以在短時(shí)間內(nèi)全部溶解。在一定量的84消毒液中，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，溶解的雞毛或羊毛就越多。由于羊毛比雞毛更易溶于84消毒液，所以羊毛反應(yīng)液的后續(xù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比雞毛更明顯一些。

（2）雞毛、羊毛與84消毒液反應(yīng)時(shí)，氧化生成了Na2CO3，同時(shí)還逸出了NH3。這與上述理論分析相一致，Na2CO3是蛋白質(zhì)肽鏈中部分肽鍵上的羰基被NaClO和NaOH的混合溶液氧化生成的產(chǎn)物。在生成Na2CO3的同時(shí)逸出NH3是理論分析之外的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明肽鍵上的亞氨基-NH-氮原子在NaClO和NaOH的混合溶液中與其兩邊的碳原子發(fā)生了水解斷裂，應(yīng)屬于水解產(chǎn)物。

（3）由反應(yīng)液與硫酸反應(yīng)的現(xiàn)象可知，反應(yīng)液中可能含有Na2S、CH3SNa等物質(zhì)，這是由于組成蛋白質(zhì)的半胱氨酸、蛋氨酸等物質(zhì)中含有硫元素。半胱氨酸、蛋氨酸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式如下：

在含有半胱氨酸、蛋氨酸結(jié)構(gòu)片段的部位，基團(tuán)HS-與基團(tuán)CH3S-會(huì)水解生成Na2S、CH3SNa，這種變化使得蛋白纖維鏈上的基團(tuán)R-發(fā)生了變化。同時(shí)，蛋白纖維中部分肽鍵上的羰基被氧化生成了Na2CO3，相應(yīng)肽鍵上的亞氨基-NH-也水解生成了NH3，這樣，反應(yīng)斷裂生成的一些蛋白質(zhì)片段結(jié)構(gòu)的端基就不是多肽應(yīng)該具有的氨基和羧基。這兩個(gè)因素的存在，使得蛋白纖維在84消毒液中氧化斷鏈后得到的并不是多肽，而是一種結(jié)構(gòu)類似多肽的物質(zhì)。這種類似多肽的物質(zhì)依然含有酸性基團(tuán)，酸性基團(tuán)的存在使得這類物質(zhì)在堿性的84消毒液中有較大的溶解度，而在硝酸或硫酸酸化的溶液中較難溶解，這也是上述硝酸酸化和硫酸酸化的溶液存在或出現(xiàn)渾濁的原因。

就實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)看，羊毛反應(yīng)液與BaCl2溶液反應(yīng)后，再加入硝酸，溶液并沒(méi)有完全變得澄清，溶液依然存在渾濁現(xiàn)象。這種“渾濁”與羊毛反應(yīng)液與硫酸作用后的“渾濁”均難以較迅速地沉降到試管底部，這些難溶物質(zhì)可能是多肽及那些結(jié)構(gòu)類似多肽的物質(zhì)。我們知道，BaSO4是一種式量較大的難溶物質(zhì)，這決定了BaSO4在溶液中能較快地沉降到試管底部。又由于亞硫酸鹽在84消毒液和硝酸中均容易被氧化成硫酸鹽，所以說(shuō)蛋白纖維中的硫元素沒(méi)有被84消毒液氧化生成亞硫酸鹽或硫酸鹽。

（4）有機(jī)化學(xué)反應(yīng)是復(fù)雜的，NaOH本身能夠催化蛋白質(zhì)的水解，所以雞毛、羊毛與84消毒液反應(yīng)時(shí)也應(yīng)該有部分蛋白質(zhì)水解成了多肽，只是我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中難以通過(guò)有關(guān)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象確認(rèn)這些多肽物質(zhì)的存在。也就是說(shuō)，在“反應(yīng)液”與酸作用后出現(xiàn)的“渾濁”物質(zhì)中，應(yīng)包括多肽及一些類似多肽的物質(zhì)。

（5）雞毛溶解時(shí)，雞毛中所含的色素也溶解在84消毒液中了，且這種色素難以被84消毒液氧化，這是反應(yīng)液與雞毛的顏色一致的原因。

4 結(jié)論與意義

蛋白纖維可溶于足量的84消毒液，主要發(fā)生了如下三類化學(xué)反應(yīng)。一是蛋白質(zhì)中部分肽鍵的催化水解；二是部分肽鍵處的羰基發(fā)生了氧化反應(yīng)、亞氨基發(fā)生了水解反應(yīng)；三是HS-和基團(tuán)CH3S-發(fā)生了水解反應(yīng)。蛋白纖維溶于84消毒液時(shí)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的產(chǎn)物主要是多肽的鈉鹽、氨基酸的鈉鹽、類似多肽物質(zhì)的鈉鹽、Na2CO3、NH3、Na2S、CH3SNa、色素等。

根據(jù)以上分析，蛋白纖維與84消毒液的反應(yīng)還有如下幾個(gè)問(wèn)題需要進(jìn)一步探究。一是蛋白纖維與84消毒液反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理需要探究清楚；二是反應(yīng)中生成的類似多肽物質(zhì)的鈉鹽、多肽的鈉鹽、氨基酸的鈉鹽及可能生成的其他一些小分子需要進(jìn)行進(jìn)一步的分離檢驗(yàn)；三是小分子化合物CH3SNa需要進(jìn)一步確認(rèn)；四是不能被NaClO氧化褪色的色素是什么物質(zhì)。

若將此探究活動(dòng)應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)教學(xué)，是十分有利于培養(yǎng)和激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣和探究精神的。

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