蛋白纖維與84消毒液的反應初探

吳孫富 王洪升

摘要：從理論及實驗兩個方面，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消毒液時可能發生的化學反應及生成的主要產物。指出了本研究有待進一步解決的問題及在中學化學教學上的意義。

關鍵詞：蛋白纖維；84消毒液；氧化反應；水解反應；類似多肽

文章編號：1005–6629（2016）6–0069–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

“學生化學趣味實驗大賽的實踐與啟示”[1]一文中說：取相同的兩只燒杯，里面盛放50mL 84消毒液，各取一團棉花和蠶絲，分別投入到84消毒液中，充分攪拌1分鐘，發現蠶絲完全溶解，而棉花沒有任何變化。該實驗提供了一種既簡單又可靠的檢驗蠶絲與棉花的方法，也便于學生獨立進行實驗與檢驗。

用84消毒液檢驗蠶絲與棉花確實是一種有趣、可靠、適用于進行家庭小實驗的教學資源，但學生很容易就該實驗提出兩個問題：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消毒液發生了什么化學反應？眾所周知，84消毒液的有效成分是NaClO，其中還含有NaOH、NaCl等。筆者發現現有文獻和參考書均沒有關于蠶絲與NaClO和NaOH的混合溶液或蠶絲與84消毒液發生反應的報道。在此，筆者先簡要分析棉花難溶解于84消毒液的原因，然后從理論和實驗兩方面重點探析蛋白纖維與84消毒液的反應。

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糖苷鍵連接起來的直鏈高分子，其結構式如下[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，通常需要用較高濃度的酸、堿在加熱的條件下進行。84消毒液顯堿性，從理論上說，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，很難在短時間內觀察到棉花明顯溶解于84消毒液的現象。纖維素中不含還原性基團，所以難以和84消毒液中的主要成分NaClO發生氧化還原反應。這兩個因素決定了一團棉花投入到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象。

蠶絲的成分是蛋白質，線型蛋白質的結構可表示如下[3]：

由于各種氨基酸中的R-互不相同，所以此結構中的各基團R-并不相同，R-代表每一個氨基酸分子中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，蠶絲較快地溶解了，這說明蠶絲中的蛋白質鏈發生斷裂生成了一些可溶于水的小分子物質。由于堿可以催化蛋白質的水解，所以蠶絲與84消毒液發生的一種可能的反應是水解反應，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在低濃度堿溶液中的水解速度并不會很快，所以蛋白纖維很可能會在84消毒液中發生其他的反應，從而導致蠶絲較快地溶解。這種反應可能是肽鏈被氧化斷裂成了小分子，因為NaClO和NaOH的混合溶液具有很強的氧化性[5]。筆者在大學有機化學教材中選擇了一個具有借鑒價值的化學反應如下[6]：

這個化學反應的反應物是酰胺、次鹵酸鈉NaXO和NaOH，該反應中的酰胺與蛋白質中的肽鍵在結構上有相似之處，該反應中的NaXO和NaOH與84消毒液的成分大體相同。在這個反應中，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，同時氨基發生霍夫曼重排與烴基結合生成了伯胺。蛋白質的片段結構與酰胺有相似之處，蛋白質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、氮原子不會像酰胺一樣發生重排而連接到一起。這樣說的理由有兩點，一是肽鍵氮原子上連有其他結構較大的基團，進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，則蛋白質就會轉化成一種新的難溶于水的高分子，這與已知的實驗現象不相符合。基于這些理論分析，筆者選用雞毛和羊毛設計完成了如下蛋白纖維與84消毒液反應的實驗。

3 實驗探析

3.1 實驗設計說明

下列實驗記錄表中的實驗分為四個大實驗（大序號），每個大實驗都是先在大試管里加入一團雞毛或羊毛（各約0.15g）后，再加入40mL 84消毒液（廣州藍月亮實業有限公司生產，下同），然后放在水浴中加熱，T表示水浴加熱的溫度、t表示水浴加熱的時間。每個大實驗序號下包含兩個小實驗（小序號），小實驗中的“2mL反應液”均取自大試管中停止加熱后的反應混合液。

3.2 實驗設計思想

蛋白纖維會水解成氨基酸的鈉鹽及多肽的鈉鹽，還可能會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。文獻[1]中所用的蛋白纖維是蠶絲，且實驗是在常溫下進行的。由于本地不養蠶，難以得到純凈的蠶繭或蠶絲，所以本文實驗所選用的蛋白纖維是雞毛和羊毛這兩種廉價易得的物質。為了加快反應速率，特在水浴加熱（55℃）下進行。從實驗事實看，加熱還有利于產物氣體的逸出。為了說明反應時間對反應進程的影響，本文中有兩個實驗加熱了5min，另外兩個實驗加熱了10min。

3.3 實驗現象分析

（1）雞毛、羊毛等蛋白纖維同蠶絲一樣可溶于84消毒液，只是由于雞毛粗細不勻，所以較粗的雞毛難以在短時間內全部溶解。在一定量的84消毒液中，反應時間越長，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，所以羊毛反應液的后續實驗現象比雞毛更明顯一些。

（2）雞毛、羊毛與84消毒液反應時，氧化生成了Na2CO3，同時還逸出了NH3。這與上述理論分析相一致，Na2CO3是蛋白質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物。在生成Na2CO3的同時逸出NH3是理論分析之外的實驗發現，說明肽鍵上的亞氨基-NH-氮原子在NaClO和NaOH的混合溶液中與其兩邊的碳原子發生了水解斷裂，應屬于水解產物。

（3）由反應液與硫酸反應的現象可知，反應液中可能含有Na2S、CH3SNa等物質，這是由于組成蛋白質的半胱氨酸、蛋氨酸等物質中含有硫元素。半胱氨酸、蛋氨酸的結構簡式如下：

在含有半胱氨酸、蛋氨酸結構片段的部位，基團HS-與基團CH3S-會水解生成Na2S、CH3SNa，這種變化使得蛋白纖維鏈上的基團R-發生了變化。同時，蛋白纖維中部分肽鍵上的羰基被氧化生成了Na2CO3，相應肽鍵上的亞氨基-NH-也水解生成了NH3，這樣，反應斷裂生成的一些蛋白質片段結構的端基就不是多肽應該具有的氨基和羧基。這兩個因素的存在，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，而是一種結構類似多肽的物質。這種類似多肽的物質依然含有酸性基團，酸性基團的存在使得這類物質在堿性的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渾濁的原因。

就實驗現象來看，羊毛反應液與BaCl2溶液反應后，再加入硝酸，溶液并沒有完全變得澄清，溶液依然存在渾濁現象。這種“渾濁”與羊毛反應液與硫酸作用后的“渾濁”均難以較迅速地沉降到試管底部，這些難溶物質可能是多肽及那些結構類似多肽的物質。我們知道，BaSO4是一種式量較大的難溶物質，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，所以說蛋白纖維中的硫元素沒有被84消毒液氧化生成亞硫酸鹽或硫酸鹽。

（4）有機化學反應是復雜的，NaOH本身能夠催化蛋白質的水解，所以雞毛、羊毛與84消毒液反應時也應該有部分蛋白質水解成了多肽，只是我們在實驗中難以通過有關實驗現象確認這些多肽物質的存在。也就是說，在“反應液”與酸作用后出現的“渾濁”物質中，應包括多肽及一些類似多肽的物質。

（5）雞毛溶解時，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，這是反應液與雞毛的顏色一致的原因。

4 結論與意義

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

根據以上分析，蛋白纖維與84消毒液的反應還有如下幾個問題需要進一步探究。一是蛋白纖維與84消毒液反應的反應機理需要探究清楚；二是反應中生成的類似多肽物質的鈉鹽、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行進一步的分離檢驗；三是小分子化合物CH3SNa需要進一步確認；四是不能被NaClO氧化褪色的色素是什么物質。

若將此探究活動應用于中學化學教學，是十分有利于培養和激發學生學習化學的興趣和探究精神的。

參考文獻：

[1]王雪艷.學生化學趣味實驗大賽的實踐與啟示[J].化學教學，2015，（10）：32～34.

[2][3]北京師范大學，華中師范大學，南京師范大學編.有機化學（下冊）[M].北京：高等教育出版社，2010：46，66～67.

[4]魏華，何衛江等.肽鍵水解斷裂的理論研究[J].無機化學學報，2000，16（4）：653～657.

[5]周相武，汪曉軍，劉姣等.次氯酸鈉溶液的氧化性研究[J].氯堿工業，2006，（8）：28～30.

[6]北京師范大學，華中師范大學，南京師范大學編.有機化學（上冊）[M].北京：高等教育出版社，2010：343.