阿司匹林水解反應動力學參數測定實驗的改進

張勝紅，戚傳松，榮華，龔良發，李巍

北京石油化工學院化學工程學院，北京 102617

阿司匹林(又名乙酰水楊酸)是一種常見的非甾體藥物，廣泛用于解熱、陣痛、抗炎和抗血栓等方面[1]。阿司匹林的合成是有機化學的經典實驗[2–4]，阿司匹林片劑的制劑、溶出和質量分析也是藥物化學及相關專業的綜合性實驗[5]，但其水解實驗，作為阿司匹林綜合實驗的重要一環，至今尚未納入國內大學化學實驗課程。究其原因，現行阿司匹林水解反應動力學的測定主要基于絡合顯色法[6–9]，即采用可溶性Fe3+鹽與阿司匹林水解產物水楊酸(見圖1)在酸性條件下形成穩定的紫色絡合物，然后利用可見分光光度法監測水楊酸絡合物在波長～525 nm處的吸光度并間接測定阿司匹林的含量。該方法在實驗原理和操作層面存在以下不足：

圖1 阿司匹林水解反應方程式

(1) Fe3+和水楊酸絡合顯色的pH值窗口較窄，介于2.5–3.5之間，這直接導致可溶性Fe3+鹽存在時只能測定酸性條件下阿司匹林水解反應的動力學數據，難以模擬藥物存儲環境測定中性條件下阿司匹林水解反應的動力學。

(2) 若采用反應液取樣和Fe3+絡合顯色，實驗操作過程繁瑣，需要準確移取一定量的反應液加入到特定pH值(通常為緩沖溶液)和Fe3+濃度的顯色溶液；此外，該方法無法排除顯色過程，尤其是緩沖溶液的低pH值(2.5–3.5)對阿司匹林水解反應的影響。

(3) 絡合顯色法需要事先明確絡合物的穩定性、檢出限和標準曲線的線性區間，額外增加了實驗內容并延長了實驗時間，難以適應常規物理化學實驗學時(4學時)的要求。

為規避化學衍生顯色法的弊端，張彩云等[10]基于水楊酸在275 nm和316 nm具有等吸收點的特性，采用雙波長紫外分光光度法成功消除水楊酸對阿司匹林的干擾，測定了阿司匹林水解反應的動力學參數并據此推測阿司匹林水溶液的有效期。但該方法未采用緩沖溶液穩定反應體系的pH，忽略了產物水楊酸(pKa= 2.98)對溶液pH以及阿司匹林水解速率的影響，在原理上存在瑕疵。

借鑒上述研究成果，本文嘗試從實驗方法和內容方面進一步改進阿司匹林水解實驗。具體而言，采用近中性的NaH2PO4-Na2HPO4緩沖體系(pH = 6.85，25 °C)模擬中性條件下阿司匹林水溶液的存儲環境，采用紫外分光光度法監測產物水楊酸的吸光度并直接利用測得的吸光度替代濃度推導反應的速率常數。改進的實驗方案不僅簡化了實驗內容和操作過程，縮短了反應時間，而且在大幅度減少藥品使用種類和數量的同時避免了含酸廢液的生成，符合物理化學實驗教學改革的要求。

1 實驗部分

1.1 實驗原理

阿司匹林和水楊酸的pKa分別為3.57和2.98，在近中性的NaH2PO4-Na2HPO4緩沖溶液中二者主要以離子的形式存在并且對光的吸收集中在紫外區，如圖2所示。

圖2 阿司匹林和水楊酸在NaH2PO4-Na2HPO4緩沖溶液中的紫外-可見吸收光譜

其中，水楊酸的最大吸收波長為296 nm，而阿司匹林在此波長時幾乎不存在吸收(由于阿司匹林在常溫下亦能水解，采用5 × 10?4mol·L?1的溶液實際測得水楊酸和阿司匹林在296 nm處的摩爾吸光系數之比大于100/1)。因此，理論上可以忽略阿司匹林的影響，采用296 nm波長時的吸光度A監測水楊酸的濃度以及阿司匹林水解反應的進度[11]。

阿司匹林在pH恒定的水溶液中的水解反應為準一級反應，反應速率與阿司匹林的濃度呈正比，即：

式中c為時間t時阿司匹林的濃度，k為速率常數。式(1)積分可得：

其中，c0為阿司匹林的初始濃度。根據Lambert-Beer定律，反應未開始、反應達到平衡和反應過程中任意時間t時溶液在296 nm處的吸光度(記作A0，A∞和At)可以分別采用式(3–5)進行表示。考慮到實驗測定A∞的數值需要等待較長的時間，可以合理假設阿司匹林完全水解并采用濃度為c0的水楊酸溶液的吸光度數值代替反應平衡時水解溶液的吸光度A∞[11]。

式(3–5)中，b為石英樣品池的內部寬度，ε和ε'分別為阿司匹林和水楊酸的摩爾吸光系數。將式(3–5)聯立，得：

進一步將式(6)和(7)代入式(2)得：

以ln(A∞?At)對t作圖，由其斜率即可求得反應的速率常數k。假設阿司匹林水解反應的活化能在實驗溫度區間為定值，則可由不同溫度下的k值和式(9)中的Arrhenius方程計算阿司匹林水解反應的表觀活化能Ea。

1.2 實驗儀器與試劑

主要實驗儀器：G-10雙光束紫外可見分光光度計(讓奇(上海)儀器科技有限公司)；SYC-15c超級恒溫水浴(南京桑力電子設備廠)；電子分析天平，容量瓶，100 mL玻璃試管。

試劑：阿司匹林，水楊酸，NaH2PO4·2H2O和Na2HPO4，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；Parafilm封口膜，瑞士Bemis公司。

1.3 實驗步驟

(1) 配制溶液：以NaH2PO4和Na2HPO4濃度均為0.025 mol·L?1的緩沖溶液為溶劑，分別配制5 × 10?4mol·L?1的阿司匹林溶液和水楊酸溶液。

(2) 打開紫外-可見分光光度計，待儀器穩定后以緩沖溶液為參照分別測定阿司匹林和水楊酸溶液的紫外-可見吸收光譜，確定水楊酸的最大吸收波長以及此波長時二者的摩爾吸光系數。

(3) 打開恒溫水浴裝置并設定目標溫度為60 °C，待溫度穩定后將盛有約60 mL阿司匹林溶液的大試管置入水浴中，同時開始計時。每隔30 min吸取適量反應液滴入石英比色皿中并置于大量室溫水浴中冷卻2 min，然后以緩沖溶液為參比測定反應液在296 nm處的吸光度，每個樣品重復測量三次并對結果取平均值。反應時長控制為180 min。

(4) 采用和步驟(3)相似的方法測定80 °C時阿司匹林水解反應液的吸光度，取樣間隔和反應時長分別控制為20和80 min。

2 結果與討論

不同溫度下阿司匹林水解反應液在296 nm處的吸光度A隨時間t的變化如圖3(a)所示，其中，A0和A∞分別為0.0145和1.5991。以ln(A∞?At)對t作圖，結果如圖3(b)所示，60 °C和80 °C的數據點均呈現明顯的線性相關(擬合直線的線性回歸決定系數R2分別為0.9999和0.9997)，證實上述條件下阿司匹林水解遵從準一級反應動力學。由擬合直線斜率計算出60 °C和80 °C時阿司匹林水解反應的k值分別為4.65 × 10?3和2.03 × 10?2min?1，進而根據式(9)中的Arrhenius公式得出阿司匹林在60–80 °C近中性緩沖溶液中水解反應的平均表觀活化能Ea為72.0 kJ·mol?1。據文獻報道[12]，pH為5–9時阿司匹林水解反應的Ea為68.6–73.6 kJ·mol?1。改進實驗得到的Ea值與文獻結果吻合，同時也接近絡合顯色法測得的弱酸性介質中阿司匹林水解反應的活化能(69.8–73.0 kJ·mol?1)[6–8]，表明此改進實驗方法的準確性能夠比擬傳統絡合顯色法。

圖3 不同溫度下阿司匹林水解反應液吸光度A (a)和ln(A∞ ? At) (b)隨反應時間t變化關系圖

3 實驗教學建議

3.1 實驗準備

鑒于實驗中阿司匹林和水楊酸溶液濃度較低(5 × 10?4mol·L?1)且用量不多(250 mL和50 mL)，直接配制溶液容易導致較大的稱量誤差，需要采用逐級稀釋法配制。為減少學生配制溶液時的繁瑣操作和不必要的藥品浪費，建議任課教師或實驗員提前準備足量的5 × 10?4mol·L?1的水楊酸溶液，以及NaH2PO4和Na2HPO4濃度均為0.025 mol·L?1的緩沖溶液。對于不穩定的阿司匹林溶液，建議實驗當天配制濃度為5 × 10?3mol·L?1的母液以供學生稀釋后直接使用。

3.2 教學設計

實驗課堂教學中，任課教師可以通過阿司匹林的“一專多能”功效激發學生的興趣，引導他們思考：為什么常見的阿司匹林藥品是片劑而不是針劑或者口服液？進而引出化學穩定性是藥物劑型設計的關鍵因素，以及如何設計實驗測定阿司匹林水解反應的動力學參數。教學策略方面，建議采用探究式教學法鼓勵學生質疑阿司匹林水解反應的準一級反應動力學特征并自己去證實，以培養其“質疑–假設–求證–結論”的科學思維方法[13]。具體而言，任課教師不需要按部就班地講解實驗原理、方法和內容，而是應該鼓勵學生對阿司匹林水解反應動力學進行大膽假設和小心求證。假設該反應遵從一級反應動力學，那么lnc應該與t成線性關系，也就是ln(A∞?At)與t成線性關系；然后指導學生開展實驗探究，采集和分析數據以明確ln(A∞?At)與t之間的關系。如果ln(A∞?At)與t線性相關，即證實阿司匹林水解反應遵從一級反應動力學并由此計算相關的速率常數和表觀活化能。

3.3 實驗拓展

藥品的有效期通常是指25 °C時藥效損失10%所需的時間。假設阿司匹林在60?80 °C水解反應的Ea為常數，則可進一步引導學生利用實驗測定的數據估算阿司匹林溶液在25 °C和近中性條件下的有效期。此外，任課教師還可以要求學生思考并在實驗報告中回答以下問題：(1) 阿司匹林溶液為什么要現用現配？其新鮮度對實驗結果理論上有無影響？(2) 查閱文獻，列舉至少三種測定阿司匹林水解反應動力學的方法并評價其優缺點。(3) 查閱文獻，分析溶液pH值影響阿司匹林水解反應速率常數的規律并給出初步解釋。

3.4 注意事項

阿司匹林室溫下在水中的溶解度較小，配制溶液時可以采用超聲輔助溶解；為減少高溫水浴時阿司匹林溶液中水的蒸發，非取樣時間可以采用Parafilm封口膜對大試管進行密封；為節約時間，雙人實驗小組成員在配制溶液前應預熱分光光度計和恒溫水浴，組內分工分別測定60 °C和80 °C的反應數據，組間共用彼此的恒溫水浴裝置(即相鄰兩組的水浴溫度分別設定為60 °C和80 °C)以保證每組同時進行兩個溫度系列的阿司匹林水解實驗。

4 結語

借鑒現有阿司匹林水解反應動力學測定方法，創新性地發展了單波長紫外分光光度法測定阿司匹林水解反應動力學的實驗方法。和傳統絡合顯色法相比，新方案大幅簡化了實驗內容和步驟，雙人實驗小組通過合理分工協作能夠將實驗時間控制在4小時以內。因此，改進后的阿司匹林水解實驗有望發展成為面向藥學和醫學專業學生的化學動力學教學實驗。