酮肟鉀鹽與18-冠醚-6在有機溶劑中的配位反應(yīng)與消毒性能的關(guān)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(zāi)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(zhàn)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(zhì)，可分為活性氯、活性氧、醛類、雜環(huán)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(yīng)型皮膚消毒液(RSDL)。該產(chǎn)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(yīng)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(chǔ)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(yīng)急消毒包的樣包。但是，酮肟鹽消毒劑配方中相轉(zhuǎn)移催化劑(冠醚)對酮肟鹽的活化機制的相關(guān)研究極少。美國E-Z-EM有限公司的一篇關(guān)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(huán)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(zhuǎn)移催化劑如何形成配合物、酮肟陰離子穩(wěn)定性與消毒劑的消毒反應(yīng)性能及反應(yīng)動力學存在什么聯(lián)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(yīng)以及對消毒性能的影響規(guī)律研究，對于優(yōu)化酮肟鹽類消毒劑配方和設(shè)計新型酮肟鹽消毒劑產(chǎn)品，從而實現(xiàn)酮肟鹽類消毒劑的實際應(yīng)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(wěn)定常數(shù)的測試方法主要有電極電位法[11]、電導(dǎo)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(dǎo)率法對檢測儀器要求比較低，操作簡單，適用范圍比較廣?，F(xiàn)擬采用電導(dǎo)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(yīng)，計算配合物的穩(wěn)定常數(shù)和摩爾電導(dǎo)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(guī)律，嘗試建立配合物穩(wěn)定常數(shù)與其消毒性能之間的內(nèi)在關(guān)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(xù)攪拌，待反應(yīng)和溫度平衡后，測試電導(dǎo)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(wěn)定常數(shù)的計算方法

根據(jù)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(shù)(KML)和摩爾電導(dǎo)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(zhuǎn)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(yīng)，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(yīng)液，加入取樣管中，取樣管內(nèi)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(jié)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(dǎo)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(dǎo)率測試結(jié)果見表1和圖1。在四乙二醇二甲醚中，體系的摩爾電導(dǎo)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(jié)束時摩爾電導(dǎo)率略有升高。在N-甲基吡咯烷酮和乙醇中，體系的摩爾電導(dǎo)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(dǎo)率先下降后逐漸升高；而在乙醇中，體系的摩爾電導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率測試數(shù)據(jù)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率測試結(jié)果見表2和圖2。在四乙二醇二甲醚中，體系的摩爾電導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)率變化幅度很大，體系的摩爾電導(dǎo)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(dǎo)率測試數(shù)據(jù)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(dǎo)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(shù)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(yīng)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(shù)。則穩(wěn)定常數(shù)為

KML=[1-α]/α[CL-(1-α)CM]

(2)

溶液的表觀摩爾電導(dǎo)率Λ為

Λ=1 000κ/CM

(3)

式(3)中：κ為電導(dǎo)率。假定電導(dǎo)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(dǎo)率。利用表1和表2數(shù)據(jù)，采用自編程序計算得到穩(wěn)定常數(shù)lgKML和ΛML，結(jié)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(dǎo)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(wěn)定常數(shù)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(wěn)定常數(shù)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(wěn)定常數(shù)最大，在乙腈中穩(wěn)定常數(shù)最小。

表3 幾種溶劑中18-冠醚-6與酮肟鹽配合物的穩(wěn)定常數(shù)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(dǎo)率的數(shù)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(dǎo)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(jié)果進行一級動力學擬合結(jié)果見表5。結(jié)果表明，該配方對2-CEES的消毒基本符合一級反應(yīng)動力學規(guī)律。

C0、C分別為2-CEES的初始濃度和反應(yīng)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(jié)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(jié)果進行一級動力學擬合結(jié)果見表6。結(jié)果表明，該配方對2-CEES的消毒也基本符合一級反應(yīng)動力學規(guī)律。

C0、C分別為2-CEES的初始濃度和反應(yīng)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(jié)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(wěn)定常數(shù)與消毒性能的關(guān)系分析

將酮肟鹽與冠醚形成的配合物在不同溶劑中的穩(wěn)定常數(shù)與配方對2-CEES的消毒性能進行關(guān)聯(lián)分析可知，在幾個溶劑體系中，乙醇溶劑中配合物的穩(wěn)定常數(shù)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(yīng)速率常數(shù)k基本為最小值；N-甲基吡咯烷酮溶劑中配合物的穩(wěn)定常數(shù)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(yīng)速率常數(shù)k基本為最大值。

根據(jù)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(yīng)的發(fā)生。而當前實驗結(jié)果表明，乙醇溶劑體系中配合物穩(wěn)定常數(shù)最大，但消毒反應(yīng)反應(yīng)速率最慢。可能的原因是，乙醇作為一種極性質(zhì)子溶劑能夠提供質(zhì)子，質(zhì)子與配合物中的酮肟陰離子以氫鍵相結(jié)合而變得穩(wěn)定，從而降低了酮肟陰離子的親核進攻性能，從而導(dǎo)致消毒反應(yīng)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(wěn)定常數(shù)有關(guān)，還與配合物在溶劑中的溶解度有關(guān)。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(fā)現(xiàn)，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(yīng)動力學規(guī)律是以上兩種主要影響因素共同作用的結(jié)果。

3 結(jié)論

(1)2,3-丁二酮單肟鉀與18-冠醚-6配合物的穩(wěn)定常數(shù)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(wěn)定常數(shù)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(dǎo)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(wěn)定常數(shù)與消毒性能的關(guān)系。在不同的溶劑體系中，乙醇溶劑中配合物的穩(wěn)定常數(shù)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(yīng)速率常數(shù)k基本為最小值；N-甲基吡咯烷酮溶劑中配合物的穩(wěn)定常數(shù)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(yīng)速率常數(shù)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(yīng)動力學規(guī)律基本符合一級反應(yīng)動力學規(guī)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(wěn)定常數(shù)有關(guān)，還與配合物在溶劑中的溶解度有關(guān)，是以上兩種主要影響因素共同作用的結(jié)果。