新型甘氨酸鋅螯合物的晶體結(jié)構(gòu)研究

桑誠誠 陶建軍 彭紅星 周長虹

（長沙興嘉生物工程股份有限公司，湖南 長沙 410000）

近年來，如何提高礦物質(zhì)微量元素的生物利用效率成為畜禽生產(chǎn)中關(guān)注的熱點(diǎn)話題[1-3]。直接給機(jī)體補(bǔ)鋅不宜吸收，還會帶來負(fù)面影響[4]。與傳統(tǒng)的硫酸鋅（ZnSO4）和葡萄糖酸鋅（Zn(C6H11O7)2）相比，甘氨酸鋅是一種更好的補(bǔ)充劑[5-7]。甘氨酸鋅純品中鋅含量為30.28%，是一種鋅含量較高的補(bǔ)鋅試劑。國內(nèi)外學(xué)者對不同水平的甘氨酸鋅的合成方法及晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[8-10]。鋅與配體形成四配位的配合物時，其外層原子軌道采用sp3雜化；形成六配位的八面體配合物時采用sp3d2雜化。根據(jù)配位場理論，Zn2+為d10組態(tài)，各配位場晶體場穩(wěn)定化能在強(qiáng)場和弱場中均為0，由于不同的合成條件及特殊的配位體影響，鋅可采用sp3d雜化形成五配位的配合物。因此，在不同的化學(xué)反應(yīng)條件下能夠得到不同配位結(jié)構(gòu)的螯合物[11-14]。

氨基酸系列補(bǔ)鋅產(chǎn)品甘氨酸鋅在食品營養(yǎng)強(qiáng)化劑國標(biāo)GB 1903.2—2015中分子式為Zn(C2H4NO2)2·H2O，理論鋅含量為31.8%。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部公告第1126 號批準(zhǔn)甘氨酸鋅能夠作為飼料添加劑使用，甘氨酸鋅標(biāo)準(zhǔn)中分子式為［Zn(C2H5NO2)2·4H2O］ SO4·ZnSO4·6H2O，鋅含量大于21%。甘氨酸鋅的吸收機(jī)制與普通的無機(jī)鹽存在很大區(qū)別，其在螯合物中心的金屬元素可通過小腸絨毛刷狀緣，在通過氨基酸分子通道從腸黏膜吸收，免遭一些理化因素的影響，如草酸、植酸、磷酸鹽及霉菌毒素等，能夠高效吸收，因此具有較高的生物學(xué)效價[15-17]。目前常見合成甘氨酸鋅的方法主要有水合成法、固相合成法、電解法和相平衡法等，鋅源為ZnCl2、ZnSO4和ZnCO3等，其合成的產(chǎn)物均為單斜晶體的五配位甘氨酸螯合物[18-19]。本試驗中通過調(diào)節(jié)pH 值得到了一種四配位的甘氨酸鋅五元螯合物，與之前報道得到的甘氨酸鋅相比是不同的晶系，豐富了甘氨酸鋅的晶體結(jié)構(gòu)庫，為不同晶型之間的轉(zhuǎn)變提供了可能性。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

甘氨酸、氧化鋅、稀鹽酸、氫氧化鈉、無水乙醇均購自阿拉丁公司。

單晶X-射線衍射儀（德國Bruker 公司）、電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（上海精宏實驗設(shè)備有限公司）、PHS-3BpH計（上海精科實業(yè)有限公司）、SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵（鄭州長城科工貿(mào)易有限公司）、Elementar Corporation Vario EL Ⅲ元素分析儀（德國elementar 公司）、磁力攪拌油浴（水浴）攪拌器（湖南雙新儀器儀表有限公司）。

1.2 試驗方法

1.2.1 甘氨酸鋅合成

甘氨酸與不同鋅源發(fā)生反應(yīng)時可以形成不同的產(chǎn)物[13]，本文中使用氧化鋅為鋅源，其化學(xué)反應(yīng)方程式為：ZnO+2C2H5NO2=Zn(C2H4NO2)2·H2O。

具體步驟為：將10 g C2H5NO2用水溶解，調(diào)節(jié)pH值至9～10，加熱至90 ℃，加入4.5 g 氧化鋅進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)攪拌3 h，過濾未反應(yīng)的粉末，得到澄清母液；將母液稀釋，加入44%乙醇進(jìn)行結(jié)晶，得到白色晶體，晶體用乙醇繼續(xù)清洗，低溫烘干，得到純的甘氨酸鋅晶體粉末。

1.2.2 反應(yīng)條件篩選

本研究選擇pH值、原料物質(zhì)的量的比、溫度進(jìn)行單因素試驗，觀察反應(yīng)體系溶液狀態(tài)，記錄產(chǎn)物的重量，檢測產(chǎn)物鋅及甘氨酸含量，計算產(chǎn)物中鋅及甘氨酸的物質(zhì)的量的比，篩選最優(yōu)反應(yīng)條件。

1.2.2.1 甘氨酸∶鋅對產(chǎn)率的影響

根據(jù)配體的配位點(diǎn)及金屬中心，并保證能夠發(fā)生反應(yīng)，遵循節(jié)省物料的原則，在反應(yīng)過程中選擇甘氨酸∶鋅物質(zhì)的量的比為1.0∶1、2.0∶1、2.5∶1、3.0∶1。

具體步驟為：將10 g C2H5NO2用水溶解，調(diào)節(jié)pH值至9～10，加熱至90 ℃，加入11.1 g（甘氨酸∶鋅物質(zhì)的量的比為1.0∶1）、5.6 g（甘氨酸：鋅物質(zhì)的量的比為2.0∶1）、4.5 g（甘氨酸∶鋅物質(zhì)的量的比為2.5∶1）、3.7 g（甘氨酸∶鋅物質(zhì)的量的比為3.0∶1）氧化鋅進(jìn)行反應(yīng)，攪拌3 h，過濾未反應(yīng)的粉末，得到母液，加入44%乙醇進(jìn)行結(jié)晶，得到甘氨酸鋅粉末。

1.2.2.2 不同溫度對產(chǎn)率的影響

螯合反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，升溫可加速分子間的碰撞，造成有效碰撞加劇，反應(yīng)溫度提高能夠有效增加化學(xué)反應(yīng)速度，平衡常數(shù)增大，但溫度過高也容易造成副反應(yīng)產(chǎn)生；反應(yīng)溫度太低，則不利于配位反應(yīng)。因此，本試驗中氨基酸螯合反應(yīng)溫度選擇50～100 ℃。

具體步驟：將10 g C2H5NO2用水溶解，調(diào)節(jié)pH值至9～10，加熱至50～100 ℃，加入4.5 g（甘氨酸∶鋅物質(zhì)的量的比為2.5∶1）氧化鋅進(jìn)行反應(yīng)，將反應(yīng)攪拌3 h，過濾未反應(yīng)的粉末，得到母液，加入44%乙醇進(jìn)行結(jié)晶操作，得到甘氨酸鋅粉末。

1.2.2.3 pH值對產(chǎn)率的影響

反應(yīng)的pH值一般需要精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，酸性氨基酸一般在脫氫后，易與金屬鹽發(fā)生反應(yīng)。舒緒剛等[9]研究表明，在加熱的條件下，甘氨酸與氧化鋅可生成五配位的2∶1型甘氨酸鋅。因此，本試驗調(diào)節(jié)pH值7～11。

具體步驟：將10 g C2H5NO2用水溶解，調(diào)節(jié)pH值至7～11，加熱至90 ℃，加入4.5 g（甘氨酸∶鋅物質(zhì)的量的比為2.5∶1）氧化鋅進(jìn)行反應(yīng)，攪拌3 h，過濾未反應(yīng)的粉末，得到母液，加入44%乙醇進(jìn)行結(jié)晶操作，得到甘氨酸鋅粉末。

1.2.3 鋅含量定量分析

甘氨酸鋅中鋅含量采用（DB 43/T 888—2014）。稱取0.2 g 試樣（精確至 0.000 2 g），置于 250 mL 錐形瓶中，加 20 mL（1+3）鹽酸溶液，加熱煮沸5 min，使試樣全部溶解，用少量水沖洗瓶口，冷卻，加 10 mL 水，5 mL 氟化鉀溶液，2 滴二甲酚橙指示液，搖勻。用氨水溶液調(diào)節(jié)至溶液呈淺紅色，加10 mL 硫脲飽和溶液，20 mL乙酸-乙酸鈉緩沖溶液，4 g碘化鉀，搖勻。用乙二胺四乙酸二鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定液滴定至溶液呈亮黃色即為終點(diǎn)。記錄所消耗的乙二胺四乙酸二鈉的體積，計算鋅含量。鋅含量計算公式參考DB 43/T 888—2014。

1.2.4 甘氨酸含量定量分析

甘氨酸鋅中氨基酸含量采用凱氏定氮法測定，稱取甘氨酸鋅樣品，加入無水硫酸銅和無水硫酸鈉混合指示劑，10 mL 濃硫酸，450 ℃消解2 h，定氮，繼續(xù)加入甲基紅-溴甲酚綠，用0.1 mol/L 稀鹽酸滴定，由深綠色滴定至綠色消失。記錄稀鹽酸的消耗量，計算甘氨酸含量。甘氨酸含量計算公式參考DB 43/T 888—2014。

1.2.5 紅外分析

紅外光譜法可研究化合物中的不同結(jié)構(gòu)及化學(xué)鍵，利用溴化鉀壓片法對配體與螯合物的紅外光譜圖進(jìn)行對比分析，利用譜圖進(jìn)行鑒定官能團(tuán)，找出差異在，分析結(jié)構(gòu)區(qū)別。紅外光譜圖是定性鑒定的依據(jù)之一。

取甘氨酸和甘氨酸鋅粉末各10 mg，分別與1 g 溴化鉀粉末混合研磨，研磨時，不斷用小不銹鋼鏟，把樣品刮至研缽中心，以便研磨得更細(xì)，避免顆粒不均勻產(chǎn)生散射，造成基線不平。將處理好的樣本置于壓片機(jī)上壓片后，置于紅外光譜儀上測試，掃描4 000～400 cm-1紅外光譜。

1.2.6 晶體結(jié)構(gòu)

選擇合適尺寸的單晶測試，置于Bruker Smart 1000 CCD型單晶衍射儀上，使用石墨單色化鉬靶（λ=0.071 073 nm）輻射光源，在296 K 條件下，2.560°≤θ≤24.990°范圍內(nèi)共收集了675個獨(dú)立衍射點(diǎn)，其中可觀測點(diǎn)657個。晶體結(jié)構(gòu)采用直接法給出，對所有非氫原子坐標(biāo)及各向異性參數(shù)進(jìn)行全矩陣最小二乘法修正。

1.2.7 元素分析

根據(jù)使用儀器C、H、N等元素測試范圍，用錫罐稱取均勻的30 mg甘氨酸鋅粉末，精確至±0.001 mg，試樣在純氧的條件下進(jìn)行高溫燃燒，生產(chǎn)二氧化碳、水蒸氣、氮氧化物及氮，將混合氣體以氦氣作為載氣，使用熱銅管除去剩余的氧，將氮氧化物還原成氮，采用合適的吸收方法分離出N2、CO2、H2O，采用Elementar Corporation Vario EL Ⅲ元素分析儀（德國elementar 公司）的檢測器檢測，分別計算得到含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 反應(yīng)條件篩選結(jié)果

2.1.1 甘氨酸∶鋅對甘氨酸鋅產(chǎn)率的影響（見表1）

由表1可知，當(dāng)甘氨酸∶鋅的物質(zhì)的量的比為1.0∶1時，氧化鋅出現(xiàn)了剩余，溶液中可明顯觀察到白色渾濁物，而2.0∶1時僅有少許沉淀，2.5∶1、3.0∶1的溶液澄清透明，表明2.0∶1 時基本反應(yīng)完全，2.5∶1 及3.0∶1完全反應(yīng)；當(dāng)甘氨酸∶鋅的物質(zhì)的量的比為2.5∶1 反映的收率最高，達(dá)84.6%，這組甘氨酸含量為63.7%（理論值64.90%），鋅含量28.2%（理論值28.24%），與理論值接近；產(chǎn)物中甘氨酸∶鋅的物質(zhì)的量的比為1.97∶1，接近理論值2∶1。

因此，選擇甘氨酸∶鋅物質(zhì)的量的比為2.5∶1 較合適。

2.1.2 不同溫度對甘氨酸鋅產(chǎn)率的影響（見表2）

表2 不同溫度對甘氨酸鋅產(chǎn)率的影響

由表2可知，50～90 ℃時，隨著反應(yīng)溫度升高，甘氨酸鋅收率逐漸提高，由67.8%升高至84.6%，90 ℃時甘氨酸鋅反應(yīng)產(chǎn)物甘氨酸∶鋅物質(zhì)的量的比為1.97∶1，接近于理論值2∶1；在100℃時，收率基本維持不變；當(dāng)反應(yīng)溫度低于90 ℃時，會有不溶物產(chǎn)生，表明原料氧化鋅未完全參與化學(xué)反應(yīng)，最終產(chǎn)物會減少，收率降低，使甘氨酸∶鋅的物質(zhì)的量的比偏離理論值2∶1。因此，為了保證產(chǎn)物能達(dá)到甘氨酸∶鋅物質(zhì)的量的比接近理論值，避免能耗浪費(fèi)，選擇90 ℃作為反應(yīng)溫度。

2.1.3 不同pH值對甘氨酸鋅產(chǎn)率的影響（見表3）

表3 不同pH值對甘氨酸鋅產(chǎn)率的影響

由表3 可知，pH 值在9、10 時才會產(chǎn)生棒狀晶體，其大小足夠進(jìn)行晶體測試，晶體較大，更容易實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)。pH值為7、11時不會產(chǎn)生晶體，可能是由于pH值為7時，甘氨酸上羧酸氫沒有與堿反應(yīng)生成羧酸根離子，也就不能與鋅進(jìn)行配位；而pH值為11時，可能甘氨酸上羧酸氫與堿反應(yīng)生成羧酸根離子，能夠與鋅進(jìn)行配位，但由于堿性太強(qiáng)，造成鋅與堿形成了氫氧化鋅，成為沉淀被過濾，所以后續(xù)無甘氨酸鋅晶體產(chǎn)生，pH值為8時，晶體過小，不易測試。因此，選擇pH值為9～10進(jìn)行試驗。

2.2 定性分析結(jié)果

稱取0.1 g 甘氨酸鋅螯合物粉末，加入100 g 水使溶解，取5 mL甘氨酸鋅溶液，加入1 mL乙酸-乙酸鈉緩沖液（pH 值6.0），加入1mL 茚三酮溶液，煮沸約5 min，可看到溶液顯示明顯藍(lán)紫色，符合α-氨基酸與茚三酮的典型顯色反應(yīng)，表明含有α-氨基酸的結(jié)構(gòu)。

稱取0.2 g 甘氨酸鋅螯合物粉末，加10 mL 稀鹽酸溶液，加熱至試樣全部溶解，加5 mL水，使用氨水調(diào)節(jié)試驗溶液pH 值為4～5，加兩滴硫酸鈉溶液，加數(shù)滴雙硫腙四氯化碳溶液和1 mL 三氯甲烷，振搖，有機(jī)層顯紫紅色，表明含有鋅離子。

2.3 紅外分析結(jié)果

光譜分析是一種根據(jù)物質(zhì)的光譜鑒別物質(zhì)并確定其化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)或相對含量的方法。本研究采用KBr 壓片法測定甘氨酸及甘氨酸鋅在波數(shù)為4 000～400 cm-1紅外光譜，結(jié)果見圖1、圖2。

圖1 甘氨酸的紅外光譜

圖2 甘氨酸鋅的紅外光譜

鐘國清[10]報道，甘氨酸具有特征峰。由圖1可知，甘氨酸的特征峰在2 227 cm-1NH3＋，而特征峰在甘氨酸鋅螯合物紅外譜圖中完全消失。甘氨酸在2 600～3 100 cm-1具有較寬的吸收峰，1 629 cm-1為羧酸根的反對稱振動，1 390 cm-1為羧酸根的對稱振動，甘氨酸中羧酸根的反對稱振動與對稱振動差值為239 cm-1。1 436 cm-1為C—C伸縮振動，1 126 cm-1為C—H伸縮振動。

由圖2 可知，甘氨酸鋅中3 100～3 500 cm-1處出現(xiàn)了較寬的吸收峰，3 447 cm-1處的O—H 伸縮振動吸收峰，表明甘氨酸鋅中存在結(jié)晶水。3 309 cm-1為N—H 的反對稱伸縮振動吸收峰和3 268 cm-1為N—H 對稱伸縮振動吸收峰，與甘氨酸中的N—H（3 106 cm-1處）相比發(fā)生了明顯的藍(lán)移，在530 cm-1處出現(xiàn)了Zn—N的伸縮振動峰，表明形成了配合物。1 594 cm-1為甘氨酸鋅中的羧酸根反對稱伸縮振動，1 409 cm-1是甘氨酸鋅中的對稱伸縮振動，甘氨酸鋅中羧酸根的反對稱振動與對稱振動差值為185 cm-1（甘氨酸羧酸根的反對稱振動與對稱振動差值為239 cm-1），表明分子中存在螯環(huán)。因此，甘氨酸在形成甘氨酸鋅晶體后紅外譜圖發(fā)生了明顯變化。

2.4 元素分析結(jié)果

本試驗進(jìn)一步使用元素分析儀對該螯合物中的元素進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)C 含量20.89%，H 含量4.28%，N 含量11.87%，Zn含量28.35%；一水甘氨酸鋅的理論值為C含量20.75%，H 含量4.35%，N 含量12.1%，Zn 含量28.24%。理論值與測定值接近，可該螯合物的化學(xué)式為Zn(NH2CH2COO)2·H2O。

2.5 單晶結(jié)構(gòu)分析

取0.23 mm × 0.12 mm × 0.78 mm 大小的甘氨酸鋅單晶置于Bruker Smart 1000 CCD 型單晶衍射儀上，甘氨酸鋅螯合物晶體參數(shù)見表4。

表4 甘氨酸鋅螯合物晶體參數(shù)

由表4可知，晶體為單斜晶系，空間群為c2/c，晶體的軸長為a=17.567(3)?，b=5.207 3 (16)?，c=9.829 9 (13)?，晶體的軸角：α=90°，β=121.072(1)°，γ=90°，單位晶胞所含的分子數(shù)Z＝4，晶胞體積V＝770.205 ?3，晶體密度計算值Dc＝1.997 g/cm3，非權(quán)重一致性因子R1＝0.070 8（433），權(quán)重一致性因子wR2＝0.168 6（657）。

甘氨酸鋅的化學(xué)結(jié)構(gòu)、晶胞堆積見圖3、圖4。

圖3 甘氨酸鋅的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖4 甘氨酸鋅的晶胞堆積

由圖3、圖4 可知，鋅作為金屬中心在配位中采取4配位的模式，分子中的水分子不參與配位，跟已報道的絡(luò)合物中的鋅原子采取五配位方式，形成畸變的三角雙錐構(gòu)型，是完全不同的結(jié)構(gòu)；這里的鋅與甘氨酸分子中的氮及氧形成2 個五元雜環(huán)，2 個五元雜環(huán)位于同一平面；該晶體中鋅帶2 個單位正電荷，甘氨酸由于脫氫，帶有1 個單位負(fù)電荷，1 個鋅中和2 個甘氨酸脫氫后的電荷，整個體系呈中性環(huán)境。

分子的主要鍵長鍵角見表5、表6，該甘氨酸鋅螯合物的CCDC號為2155579。

表5 甘氨酸鋅螯合物的鍵長 單位：nm

表6 甘氨酸鋅螯合物的鍵角

3 討論

本研究通過元素分析、單晶結(jié)構(gòu)、紅外光譜分析表明，改變液相反應(yīng)的pH值，采用擴(kuò)散法得到了甘氨酸鋅晶體。Low 等[20]研究得到甘氨酸鋅晶體分子式為Zn(NH2CH2COO)2·H2O，晶體結(jié)構(gòu)為三斜晶系，鋅離子為六配位，配體甘氨酸的羧基和氨基與鋅離子形成五元螯合環(huán)。徐鑫[21]先用硫酸鋅溶液和氫氧化鈉間接法制得白色針狀晶體，采用紅外光譜和單晶X-射線衍射分析了甘氨酸鋅晶體，結(jié)果得到，甘氨酸鋅的分子式為Zn(NH2CH2COO)2·H2O，為單斜晶系，五配位的鋅，配體的氨基與羧基與鋅離子形成五元螯合環(huán)。本文得到的甘氨酸鋅是單斜晶系，鋅以四配位的方式與配體中的氧及氮配位，處于同一平面，與上述研究得到的五配位及六配位的空間結(jié)構(gòu)存在很大的區(qū)別，這可能是由于本試驗在合成過程中調(diào)節(jié)了反應(yīng)體系的pH值，抑制了甘氨酸與氧化鋅的反應(yīng)速度，改變了甘氨酸鋅的結(jié)晶過程，由于水分子不參與配位，使本試驗得到的甘氨酸鋅失去一分子結(jié)晶水所需要的能量更低，更易干燥，得到更高含量的甘氨酸鋅，為今后合成不同結(jié)構(gòu)的螯合物提供了思路。

4 結(jié)論

本試驗確定了甘氨酸鋅最佳合成條件為甘氨酸與氧化鋅的物質(zhì)的量的比為2.5∶1，反應(yīng)溫度為90 ℃，pH值為9～10；經(jīng)過元素分析和X-射線單晶衍射儀分析確定了化學(xué)式為Zn(NH2CH2COO)2·H2O。