香草酸和對羥基苯甲酸的電子光譜和解離常數的測定

周利,任佳,高肇林,桂玉娟,張晗,夏雁青,石鐵生

(棗莊學院 化學化工與材料科學學院,山東 棗莊 277160)

香草酸 (Vanillic acid,VA) 的化學名稱是4-羥基-3-甲氧基苯甲酸,是廣泛存在于自然界中的一類酚酸,在蒲公英[1]、連翹[2]、安息香膏等植物和精油中都有發現。作為植物中的次生代謝產物,酚酸具有抗氧化、抗病毒、抗腫瘤等功效[3],其中,香草酸具有抗炎、抑菌等藥理作用[4-9]。對羥基苯甲酸 (p-hydroxybenzoic acid,HBA) 也是存在于植物(如銀杏葉[10]、三七[11])、微生物和土壤中一類常見的有機酸,具有抗菌消炎等生物活性[12-14]。香草酸和對羥基苯甲酸在水溶液中分別存在如圖1、2所示的解離平衡,根據已有文獻的報道,我們推測在發生氧化還原反應時其不同質子化形態的活性可能存在巨大差異[15]。在25.0℃和1.0 mol/L離子強度下,這二者在水溶液中的解離平衡常數pKa1和 pKa2至今尚未有報道,為此我們系統地研究了在不同的pH值條件下,香草酸和對羥基苯甲酸的UV-Vis光譜變化,并由此通過計算得到了二者的解離常數pKa1和pKa2,這將對研究香草酸和對羥基苯甲酸的抗氧化機理有著重要意義。

圖1 香草酸在水溶液中的解離平衡

圖2 對羥基苯甲酸在水溶液中的解離平衡

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

TU-1950 紫外-可見分光光度計 (普析,北京通用,配有1.00 cm厚石英比色皿),水浴恒溫槽 (Lauda Alpha RA8,德國),Accumet Basic AB150 Plus pH計 (Fisher Scientific,美國)。

香草酸,對羥基苯甲酸,高氯酸鈉,磷酸,磷酸二氫鈉,磷酸氫二鈉,磷酸鈉,醋酸,醋酸鈉,碳酸鈉,碳酸氫鈉,氯化鈉,購于Sigma 或Alfa Aesar 試劑公司,所有試劑均為分析純。標準緩沖液pH值 4.00,7.00 和10.00 購于Alfa Aesar 試劑公司,用于校準電極。 實驗中所用溶液均使用二次蒸餾水配制。

1.2 緩沖溶液配制

不同的緩沖溶液分別用如下方法配制:(1)2.40 ≤pH值≤ 3.00由H3PO4和NaH2PO4按一定比例配制;(2)3.00

1.3 待測溶液配制

分別稱取一定量的香草酸和對羥基苯甲酸溶解在1.0 mol/L NaClO4溶液中作為儲備液,然后用不同pH值的緩沖溶液稀釋分別得到0.10 mmol/L香草酸溶液和0.080 mmol/L 對羥基苯甲酸溶液 (所配制溶液使用時間不超過1 h)。

1.4 光譜測量

(1)開啟分光光度計并預熱15 min,調節恒溫槽溫度,控制在(25.0 ± 0.1)℃;(2)打開電腦和軟件,設定掃描波長范圍:200～400 nm或200～350 nm,采用慢速掃描;(3)放入參比溶液進行基線校準;(4)裝入待測溶液恒溫約10 min后進行測定。

2 結果與討論

2.1 香草酸和對羥基苯甲酸的電子光譜

在25.0 ℃和1.0 mol/L的離子強度下,我們獲得了香草酸在不同pH值下的光譜圖(圖3、4)。可以看出,當pH值從2.75增加到6.32時,在292 nm處吸光度逐漸下降,當pH值從6.87增加到11.83,在251 nm處吸光度值逐漸下降,而在298 nm處吸光度逐漸升高。表1～2分別給出了不同pH值下吸光度數值的變化。

圖3 0.10 mmol/L香草酸在pH值為2.75,4.05和6.32緩沖溶液中的吸收光譜圖

表1 25.0 ℃和1.0 mol/L 離子強度下 0.10 mmol/L香草酸在不同pH值的緩沖溶液中 292 nm 處的吸光度數據

圖4 0.10 mmol/L香草酸在pH值為6.87至11.83的緩沖溶液中的吸收光譜圖

表2 25.0 ℃和1.0 mol/L離子強度下0.10 mmol/L香草酸在不同pH值的緩沖溶液中251 nm和298 nm處的吸光度數據

運用相同的方法,我們也得到了在25.0 ℃和1.0 mol/L的離子強度下對羥基苯甲酸在不同pH值下的光譜圖(圖5和6),表3給出了在255 nm和280 nm處對羥基苯甲酸的吸光度數值隨pH值的變化。

圖5 0.080 mmol/L 對羥基苯甲酸在pH值為 2.47,4.50和6.30緩沖溶液中的吸收光譜圖

圖6 0.080 mmol/L 對羥基苯甲酸在pH值為8.06,8.61,9.10, 9.62,11.76緩沖溶液中的吸收光譜圖

表3 25.0 ℃和1.0 mol/L離子強度下0.80 mmol/L對羥基苯甲酸在不同pH值的緩沖溶液中255 nm和280 nm處的吸光度數據

2.2 香草酸和對羥基苯甲酸解離常數pKa1值和pKa2值的計算

對于上述光譜隨pH值的變化,可以用方程(1) 和方程(2) 來進行定量的分析[16],式中[VA]tot=1.0 × 10-4mol/L,ε1、ε2和ε3分別為香草酸三種質子化形態的摩爾吸光系數。

使用方程(1) 對表1中的數據進行非線性最小二乘方擬合,結果如圖7所示。擬合結果非常理想,得到了pKa1值4.28±0.05。使用方程(2) 對表2中的數據進行非線性最小二乘方擬合,擬合的結果如圖8所示,得到的結果為:251 nm 下pKa1值4.17±0.12 和pKa2=8.89±0.02;在298 nm 下pKa1值4.25±0.05 和pKa2值8.89±0.02。不難看出在兩個不同波長下得到的pKa2值完全一致。而對于pKa1值,在292 nm和298 nm 處得到的數據在誤差范圍內是一致的,取其平均值為pKa1=值4.27 ± 0.05,而在251 nm處的誤差較大,是由于吸光度值的變化幅度較小的原因。

圖7 使用方程(1) 對表1數據擬合得到的關系圖

圖8 使用方程(2)對表2數據擬合得到的關系圖

然后運用方程(3) 分別對表3中的數據進行非線性最小二乘方擬合,式中[HBA]tot=8.0×10-5mol/L,ε1、ε2和ε3分別為對羥基苯甲酸三種質子化形態的摩爾吸光系數。

(3)

擬合結果如圖9所示,我們得到了兩個波長下對羥基苯甲酸的解離常數,在255 nm處pKa1值4.28±0.03和pKa2值8.86±0.06;而在280 nm處pKa1值4.26±0.12和pKa2值8.90±0.02。 因此,在實驗和計算的誤差范圍內, 在兩個波長下所獲得的解離常數也非常一致。 如果考慮到誤差,pKa1值4.28±0.03 和pKa2值8.90±0.02更為準確。

圖9 使用方程(3) 對表3數據擬合得到的關系圖

3 結論

在25.0 ℃和1.0 mol/L離子強度下,我們研究了香草酸和對羥基苯甲酸的電子光譜隨pH值的變化,利用光度滴定法通過計算分別得到了二者的解離常數pKa1值和pKa2值,在獲得這些數據后就可以較為方便地對香草酸和對羥基苯甲酸的不同質子化形態隨pH值的分布情況進行分析,這將對研究它們的抗氧化反應機理提供重要的研究基礎。