酮肟鉀鹽與18-冠醚-6在有機溶劑中的配位反應與消毒性能的關系

孔令策，陳文明，張 旭，吳 遙，辛 毅，左言軍，習海玲*

(1.國民核生化災害防護國家重點實驗室,北京 102205；2.軍事科學院防化研究院,北京 102205)

消毒是指使用專用消毒劑對染有毒劑或生物戰劑的人員、裝備、地面等實施洗消的行動。化學消毒劑按照化學成分與性質，可分為活性氯、活性氧、醛類、雜環類、醇類、酚類、季銨鹽及其他類8類消毒劑[1-3]。其中，酮肟鹽類消毒劑是以堿金屬酮肟鹽為消毒活性成分的一類高效、廣譜、無毒、無刺激性的消毒劑[4-6]。目前，國外唯一商品化的一種酮肟鹽類消毒劑是1993年加拿大研制的反應型皮膚消毒液(RSDL)。該產品主要用于沾染沙林、梭曼、維埃克斯和芥子氣等典型化學毒劑以及T-2毒素的人員皮膚的應急消毒，并于1995年裝備北約國家部隊。

在跟蹤國外研究進展的基礎上，中國從2006年開始酮肟鹽皮膚消毒劑的研究工作[7-10]。目前，已研制出基于酮肟鹽的皮膚消毒液配方和人員應急消毒包的樣包。但是，酮肟鹽消毒劑配方中相轉移催化劑(冠醚)對酮肟鹽的活化機制的相關研究極少。美國E-Z-EM有限公司的一篇關于酮肟鹽消毒劑的專利[9]提到，二乙酰單肟(DAM)及其鹽(如KBDO)含有3個潛在的親核性原子：羰基氧、肟氮和程度更低的肟氧。親核性原子能夠攻擊并中和多種有毒化學品。并在一個實施例中提到了配方里可含有18-冠醚-6和其他雜環化合物，但未說明其作用原理。

目前，堿金屬酮肟鹽的金屬陽離子與配方中相轉移催化劑如何形成配合物、酮肟陰離子穩定性與消毒劑的消毒反應性能及反應動力學存在什么聯系等問題還沒有弄清楚。因此，開展酮肟鹽與冠醚在有機溶劑中的配位反應以及對消毒性能的影響規律研究，對于優化酮肟鹽類消毒劑配方和設計新型酮肟鹽消毒劑產品，從而實現酮肟鹽類消毒劑的實際應用具有十分重要的軍事意義。

近年來，文獻報道的冠醚金屬配合物穩定常數的測試方法主要有電極電位法[11]、電導率法[12-14]、吸收光譜法[15]、核磁共振法[16-17]和極譜法[18]等。其中，電導率法對檢測儀器要求比較低，操作簡單，適用范圍比較廣。現擬采用電導法研究兩種酮肟鉀鹽分別與18-冠醚-6在四乙二醇二甲醚、N-甲基吡咯烷酮、乙醇和乙腈等溶劑中的配位反應，計算配合物的穩定常數和摩爾電導率。并測試四種配合物在4種主溶劑配方中對2-氯乙基乙基硫醚(2-CEES)的消毒動力學規律，嘗試建立配合物穩定常數與其消毒性能之間的內在關系。

1 實驗部分

1.1 主要試劑與儀器

試劑：N-甲基吡咯烷酮、四乙二醇二甲醚、乙腈、無水乙醇，分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

儀器：DDSJ-308F型電導率儀，上海儀電科學儀器股份有限公司。

1.2 實驗步驟

1.2.1 測試配合物的在不同溶劑中的電導率變化

溶液配制：測試有機溶劑體系分別為四乙二醇二甲醚、N-甲基吡咯烷酮、乙腈和乙醇，分別配制0.5 mol/L的18-冠醚-6溶液25 mL和5 mmol/L的KBDO溶液250 mL。

試驗步驟：首先，取50 mL的KBDO溶液加入配有磁力攪拌器的50 mL廣口瓶中，用裝有電導率電極的塞子密封，開啟恒溫水浴和磁力攪拌；然后，用移液器每次加入定量的冠醚溶液，直到冠醚總濃度為鉀離子總濃度的5倍以上。每次加入冠醚后，需要持續攪拌，待反應和溫度平衡后，測試電導率值。每次加入冠醚溶液的體積分別為0.1、0.1、0.1、0.1、0.1、0.25、0.25、0.25、0.25、0.25、0.25、0.25和0.25 mL，總體積為2.5 mL。

1.2.2 穩定常數的計算方法

根據張強等[13-14]的方法，采用MATLAB軟件自行編寫了計算程序，利用程序計算配合物的平衡常數(KML)和摩爾電導率(ΛML)。MATLAB計算程序如下。

deltam=deltaexp(1);

cm=0.005;

cl=cm*clcm;

km1=0.1:0.0001:10;

km=10.^km1;

alpha=((km.*(cm-cl)-1)+((km.*cl+1-km.*cm).^2+4*km.*cm).^0.5)./(2*km.*cm);

deltamL=(sum((1-alpha).*deltaexp)-sum(alpha.*(1-alpha)*deltam))./(sum((1-alpha).^2));

u=sum((deltaexp-alpha*deltam-(1-alpha).*deltamL).^2);

temp=find(u==min(u))

kmL=km1(temp)

deltaca=alpha*deltam+(1-alpha).*deltamL;

deltamL(temp)

deltaca(temp)

alpha(temp);

1.2.3 消毒動力學試驗方法

(1)消毒液配制。分別以四乙二醇二甲醚、N-甲基吡咯烷酮、乙腈和無水乙醇為主溶劑，按照如下配比：酮肟鹽(8%)+主溶劑(52.7%)+相轉移催化劑(15.3%)+助溶劑(20%)+促滲劑(4%)，配制4種消毒液，每種消毒液10 g。每種溶液混合后，超聲震蕩10 min，形成均一的消毒劑溶液。

(2)試驗過程。分別取4 mL消毒液置于25 mL試管中，加入40 μL的2-CEES，2-CEES的濃度為10 mg/mL，將試管放入恒溫震蕩器中，25 ℃條件下反應，并分別在2.5、5、10、15、20、30、45和60 min等時間點取出50 μL反應液，加入取樣管中，取樣管內提前加入2 mL萃取劑二氯甲烷和50 μL中止劑10%鹽酸，之后震蕩取樣管，用長針從取樣管下層抽取萃取液，進行氣相-火焰光度檢測(gas chromatography-flame photometric detector，GC-FPD)分析，測試2-CEES的殘余濃度，并計算對2-CEES的消毒率。

2 結果與討論

2.1 18-冠醚-6與KBDO在不同溶劑中配位過程的電導率測定

除乙腈溶劑外(對KBDO溶解度較小)，其他溶劑中KBDO濃度為0.005 mol/L，乙腈溶劑中KBDO濃度為0.001 mol/L。電導率測試結果見表1和圖1。在四乙二醇二甲醚中，體系的摩爾電導率整個過程變化不大，初始值很小，隨著冠醚的加入逐漸減小，滴加結束時摩爾電導率略有升高。在N-甲基吡咯烷酮和乙醇中，體系的摩爾電導率整個過程變化也不大；在N-甲基吡咯烷酮中，隨著冠醚的加入，體系的摩爾電導率先下降后逐漸升高；而在乙醇中，體系的摩爾電導率先下降，后逐漸升高，最后又逐漸下降。在乙腈中，體系的摩爾電導率變化幅度很大，先減小后逐漸增大，并趨于平衡。

表1 18-冠醚-6加入KBDO溶液形成配合物過程中的電導率測試數據Table 1 Conductivity test data of 18-crown-6 in the process of adding KBDO solution to form a complex

圖1 KBDO溶液電導率隨18-冠醚-6加入量的變化曲線Fig.1 The change curve of KBDO solution conductivity with 18-crown -6 added amount

2.2 18-冠醚-6與K-DMKO在不同溶劑中配位過程的電導率測定

除乙腈溶劑外(對K-DMKO溶解度較小)，其他溶劑中K-DMKO濃度為0.005 mol/L，乙腈溶劑中K-DMKO濃度為0.001 mol/L。電導率測試結果見表2和圖2。在四乙二醇二甲醚中，體系的摩爾電導率整個過程變化不大，初始值很小，隨著冠醚的加入逐漸逐漸升高。在N-甲基吡咯烷酮中，隨著冠醚的加入，體系的摩爾電導率變化較大，呈逐漸升高，并趨于平衡。在乙醇中，體系的摩爾電導率整體變化不大，先逐漸升高，后逐漸下降。在乙腈中，體系的摩爾電導率變化幅度很大，體系的摩爾電導率前期快速上升，后期上升速度減緩。

表2 18-冠醚-6加入K-DMKO溶液形成配合物過程中的電導率測試數據Table 2 Conductivity test data in the process of adding 18-crown-6 to K-DMKO solution to form a complex

圖2 K-DMKO溶液電導率隨18-冠醚-6加入量的變化曲線Fig.2 The change curve of the conductivity of K-DMKO solution with the added amount of 18-crown-6

2.3 配合常數計算

假定在有機溶劑中18-冠醚-6與鉀離子形成1∶1的配合物，則反應方程可表示為

(1)

式(1)中：CM和CL分別為金屬離子和冠醚的總濃度；α為游離金屬離子分數。則穩定常數為

KML=[1-α]/α[CL-(1-α)CM]

(2)

溶液的表觀摩爾電導率Λ為

Λ=1 000κ/CM

(3)

式(3)中：κ為電導率。假定電導率為下列兩項之和，即

(4)

則

Λ=1 000κ/CM=(1-α)ΛML+αΛM

(5)

式中：ΛM、ΛML分別為鹽和配合物的摩爾電導率。利用表1和表2數據，采用自編程序計算得到穩定常數lgKML和ΛML，結果列于表3和表4。

表4 幾種溶劑中18-冠醚-6與酮肟鹽配合物的表觀摩爾電導率Table 4 Apparent molar conductivity of complexes of 18-crown-6 and ketoxime salt in several solvents

由表3分析可知，在溶劑四乙二醇二甲醚、N-甲基吡咯烷酮、乙醇和乙腈中，KBDO和18-冠醚-6配合物的穩定常數大小順序為乙醇>四乙二醇二甲醚>乙腈>N-甲基吡咯烷酮；K-DMKO和18-冠醚-6配合物的穩定常數大小順序為乙醇>N-甲基吡咯烷酮>乙腈>四乙二醇二甲醚。綜合分析，2種配合物中在乙醇中的穩定常數最大，在乙腈中穩定常數最小。

表3 幾種溶劑中18-冠醚-6與酮肟鹽配合物的穩定常數Table 3 Stability constants of complexes of 18-crown-6 and ketooxime salts in several solvents

由表4分析可知，對于不同的溶劑來說，配合物在極性較大的溶劑中表觀摩爾電導率的數值較大。本實驗中所用的溶劑極性大小順序依次為乙腈>乙醇>N-甲基吡咯烷酮>四乙二醇二甲醚，不同溶劑中同一酮肟鹽的ΛML大小順序與此是一致的。這是由于冠醚配合物在極性較強的溶劑中電離程度較大，因而表觀摩爾電導率也較大。

2.4 酮肟鹽和冠醚配合物形成的消毒劑配方對2-CEES消毒動力學

2.4.1 18-冠醚-6與KBDO配合物的配方體系對2-CEES消毒動力學

4種消毒劑溶液對2-CEES的消毒動力學曲線見圖3。由圖3可知，以乙醇為主溶劑的配方對2-CEES基本沒有消毒效果；由其他3種主溶劑形成的配方對2-CEES的消毒率均隨時間增加而逐漸增大，四種溶劑配方對2-CEES的消毒性能順序依次為四乙二醇二甲醚>N-甲基吡咯烷酮>乙腈>無水乙醇。對4個體系的消毒結果進行一級動力學擬合結果見表5。結果表明，該配方對2-CEES的消毒基本符合一級反應動力學規律。

C0、C分別為2-CEES的初始濃度和反應過程中的濃度圖3 4種主溶劑形成的消毒劑溶液對2-CEES的消毒動力學擬合曲線Fig.3 Fitting curve of decontamination kinetics of solution formed by four main solvents to 2-CEES

表5 18-冠醚-6與KBDO配合物的不同主溶劑配方對2-CEES消毒動力學結果Table 5 Decontamination kinetics results of 2-CEES by different main solvent formulations of 18-crown-6 and KBDO complexes

2.4.2 18-冠醚-6與K-DMKO配合物的配方體系對2-CEES消毒動力學

4種消毒劑溶液對2-CEES的消毒動力學曲線見圖4。由圖4可知，以乙腈為主溶劑的配方對2-CEES基本沒有消毒效果；由其他3種主溶劑形成的配方對2-CEES的消毒率均隨時間增加而逐漸增大，4種溶劑配方對2-CEES的消毒性能順序依次為N-甲基吡咯烷酮>四乙二醇二甲醚>無水乙醇>乙腈。對4個體系的消毒結果進行一級動力學擬合結果見表6。結果表明，該配方對2-CEES的消毒也基本符合一級反應動力學規律。

C0、C分別為2-CEES的初始濃度和反應過程中的濃度圖4 4種主溶劑形成的消毒劑溶液對2-CEES的消毒動力學擬合曲線Fig.4 Fitting curve of decontamination kinetics of solution formed by four main solvents to 2-CEES

表6 18-冠醚-6與K-DMKO配合物的不同主溶劑配方對2-CEES消毒動力學結果Table 6 Decontamination kinetics results of 2-CEES by different main solvent formulations of 18-crown-6 and K-DMKO complexes

2.5 配合物穩定常數與消毒性能的關系分析

將酮肟鹽與冠醚形成的配合物在不同溶劑中的穩定常數與配方對2-CEES的消毒性能進行關聯分析可知，在幾個溶劑體系中，乙醇溶劑中配合物的穩定常數基本是最大的，但是2種配合物在乙醇溶劑中的一級消毒反應速率常數k基本為最小值；N-甲基吡咯烷酮溶劑中配合物的穩定常數中等偏小，但是2種配合物在N-甲基吡咯烷酮溶劑中的一級消毒反應速率常數k基本為最大值。

根據文獻報道[5]，酮肟鹽消毒劑配方中加入冠醚后，可以形成酮肟鉀和冠醚的配合物，有利于酮肟陰離子的暴露而促進親核消毒反應的發生。而當前實驗結果表明，乙醇溶劑體系中配合物穩定常數最大，但消毒反應反應速率最慢。可能的原因是，乙醇作為一種極性質子溶劑能夠提供質子，質子與配合物中的酮肟陰離子以氫鍵相結合而變得穩定，從而降低了酮肟陰離子的親核進攻性能，從而導致消毒反應速率的降低。

綜合分析認為，酮肟鹽消毒劑配方消毒速率不僅與配合物在溶液中的穩定常數有關，還與配合物在溶劑中的溶解度有關。一般而言，配合物在溶液中溶解性越好，溶液中消毒活性成分的濃度越高，從而對目標物的消毒速度越快。在消毒液配制過程中發現，配合物在N-甲基吡咯烷酮溶劑配方中溶解度最佳，而在乙腈溶解度最差。因此，2種配合物在4種不同主溶劑中形成的消毒劑配方對目標物的消毒反應動力學規律是以上兩種主要影響因素共同作用的結果。

3 結論

(1)2,3-丁二酮單肟鉀與18-冠醚-6配合物的穩定常數大小順序為：乙醇>四乙二醇二甲醚>乙腈>N-甲基吡咯烷酮；丙酮肟鉀鹽與18-冠醚-6配合物的穩定常數大小順序為：乙醇>N-甲基吡咯烷酮>乙腈>四乙二醇二甲醚。兩種酮肟鹽冠醚配合物的摩爾電導率值大小順序均為：乙腈>乙醇>N-甲基吡咯烷酮>四乙二醇二甲醚。

(2)配合物穩定常數與消毒性能的關系。在不同的溶劑體系中，乙醇溶劑中配合物的穩定常數基本是最大的，但是2種配合物在乙醇溶劑中的一級消毒反應速率常數k基本為最小值；N-甲基吡咯烷酮溶劑中配合物的穩定常數中等偏小，但是2種配合物在N-甲基吡咯烷酮溶劑中的一級消毒反應速率常數k基本為最大值。2種配合物在4種不同主溶劑中形成消毒劑配方的消毒反應動力學規律基本符合一級反應動力學規律。酮肟鹽消毒劑配方消毒速率不僅與配合物在溶液中的穩定常數有關，還與配合物在溶劑中的溶解度有關，是以上兩種主要影響因素共同作用的結果。