肼及其衍生物與HNO2反應的定量構效關系

聶 江，楊舒茗，李明明，楊雅雅，劉曉娟，歐陽應根，肖松濤

中國原子能科學研究院 放射化學研究所，北京 102413

U/Pu分離是PUREX流程共去污循環的關鍵步驟，此步驟通過選擇合適的還原反萃試劑對Np、Pu價態進行調整，實現U、Pu的分離，控制Np的走向。廣泛使用的U(Ⅳ)/肼還原劑存在一定的不足，開發新型有機無鹽還原劑成為PUREX流程改進的一個重要方向。中國原子能科學研究院何輝等[1]基于N,N-二甲基羥胺/單甲基肼體系發展的PUREX二循環流程是較典型的無鹽化改進流程。

強放射性條件下HNO3分解等過程使體系中存在HNO2[2]。HNO2影響料液中Np、Pu以及部分裂片元素的價態和形態，從而影響Pu的收率、Np的走向以及凈化效果。普遍采用向還原劑體系中引入HNO2清掃劑來消除這些影響。最常用的HNO2清掃劑是肼，但肼與HNO2反應會生成疊氮酸[3]。因此，尋找新的HNO2清掃劑[4]、降低疊氮酸的生成量，對于進一步優化PUREX流程，有著十分重要的意義。

Perron等[5]在高氯酸介質中研究了肼過量時HNO2和肼反應的產物和反應動力學，認為肼與HNO2之間的反應是N-亞硝化反應；Phelan等[6]用質譜分析了15N標記的肼和過量HNO2反應生成的N2和N2O中15N的分布情況，提出了一種環狀的疊氮酸作為中間產物的反應機理；Stedman等[7]對HNO2和苯肼的反應動力學及反應機理進行了研究，認為該反應是由[NO]+或者[H2NO2]+與芳基肼鎓離子控制的亞硝化反應。上述工作對肼及其衍生物與HNO2之間的反應機制進行了研究，但未討論肼及其衍生物的分子結構與其反應活性之間的關系。

定量構效關系(quantitative structure activity relationship, QSAR)是定量描述有機物結構和活性之間相互關系的一種方法，通過選擇表征反應活性的參數以及分子結構描述符，結合數理統計方法揭示化合物活性與其物理化學特征或者分子結構之間的定量變化規律，被廣泛應用于藥物設計、環境科學、化學等領域[8-15]。

本工作擬利用分光光度法測量肼及其衍生物與HNO2的半反應時間，結合肼及其衍生物量化計算的結果，建立肼及其衍生物與HNO2反應的定量構效關系模型，以期為新的HNO2清掃劑的選擇提供指導。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

所有試劑均為市售分析純。

SFA-20 Rapid Kinetics Accessory流動注射裝置，HI-TEC公司，示意圖示于圖1；UV Power紫外可見分光光度儀，北京萊伯泰科儀器股份有限公司；恒溫水浴槽，寧波新藝超聲設備有限公司。

A——泵，B1、B2、B3——注射器，C1、C2、C3——閥門，D——混合器，E——比色皿圖1 流動注射裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of stopped-flow injection device

1.2 實驗方法

利用恒溫水浴槽控制反應溫度為(1.0±0.5) ℃。利用流動注射裝置將肼和NaNO2快速混合，并用分光光度儀測量一段時間內HNO2的吸光度隨時間的變化。實驗過程以及數據處理方法如下：

(1) 配制Ⅰ、Ⅱ 兩種反應溶液，其中，反應溶液Ⅰ為0.01 mol/L NaNO2溶液；反應溶液Ⅱ為0.1 mol/L肼(溶于1.2 mol/L HClO4)；

(2) 將Ⅰ、Ⅱ兩種溶液置于溫度為1 ℃的水槽中恒溫15 min；

(3) 用兩支注射器分別?、?、Ⅱ兩種反應液各20 mL，利用流動注射裝置，每間隔幾秒向比色皿中等體積注射Ⅰ、Ⅱ兩種液體(混合后肼的濃度為0.05 mol/L，NaNO2濃度為0.005 mol/L，HClO4濃度約為0.6 mol/L)，與此同時分光光度儀在371 nm處對HNO2的吸光度開始動力學測量；

(4) 由動力學測量得到吸光度(A)隨時間(t)的變化，繪制A-t曲線。根據A-t曲線中HNO2的起始吸光度A0和HNO2的標準曲線確定HNO2起始濃度c0(實驗中出現A0超出HNO2標準曲線范圍的情況，考慮是溶液混合不均勻引起的，此時將標準曲線外推確定c0)，再由標準曲線確定1/2c0所對應的吸光度，并結合A-t曲線求出半反應時間t1/2。最終得到的半反應時間為多次測量的平均值。

1.3 計算方法

利用GaussView構建肼及其衍生物的初始結構(圖2)，使用Gaussian09的密度泛函B3LYP方法、6-311+(3d，3p)基組對化合物進行結構優化和能量計算，得到能量最低的穩定結構及各分子的偶極矩。計算振動頻率，所有分子的振動頻率計算值均無虛頻，說明獲得的是最穩定構型?？紤]到溶劑對反應物分子的幾何構型、電子結構、穩定性等方面均會產生一定的影響[16-17]，為了更真實地反映溶液中分子的真實行為，在此基礎上增加關鍵詞scrf(SMD，solvent=water)，即選擇水作為溶劑，用基于極化連續介質模型的自洽場方法對計算進行修正。

使用Gaussian09和HyperChem進一步計算結構優化后的分子的軌道躍遷能、疏水性參數、水合能、分子體積、分子表面積(估算)、分子表面積(網格化)和折射系數等結構參數。

綜上，利用Gaussian09和HyperChem計算獲得了肼及其衍生物的分子總能量、偶極矩、軌道躍遷能、疏水性參數、水合能、分子體積、分子表面積(估算)、分子表面積(網格化)和折射系數等結構參數。

(a)——肼，(b)——甲基肼，(c)——乙基肼，(d)——異丙基肼，(e)——叔丁基肼，(f)——正庚基肼，(g)——烯丙基肼，(h)——苯肼圖2 肼及其衍生物的結構式Fig.2 Hydrazine and its derivatives’ structures

2 實驗結果與模型建立

2.1 半反應時間

通過實驗測量得到HNO2吸光度隨時間的變化曲線示于圖3，標準曲線示于圖4。HNO2與肼及其衍生物的半反應時間列入表1。從表1可以看出：

圖3 HNO2的吸光度隨時間的變化(與肼反應)Fig.3 Absorbance of HNO2 changing over time (reaction with N2H4)

圖4 HNO2標準曲線Fig.4 Standard curve of HNO2

(1) 正庚基肼與HNO2的半反應時間遠遠大于其它幾種衍生物的，這可能是由于其水溶性較差，僅僅通過流動注射裝置難以使其與HNO2在短時間內均勻混合，導致測得的半反應時間遠遠大于其它衍生物的；

(2) 對比肼、甲基肼、乙基肼、異丙基肼及叔丁基肼與HNO2的半反應時間可知，對于含飽和支鏈的衍生物，半反應時間隨著支鏈碳原子數的增加而增加；

(3) 對比異丙基肼和烯丙基肼與HNO2的半反應時間可知，具有不飽和支鏈的衍生物能與HNO2更快反應。

表1 肼及其衍生物與HNO2反應的半反應時間Table 1 Half-reaction time of hydrazine and its derivatives with HNO2

2.2 量化參數

利用Gaussian09 的密度泛函B3LYP方法、6-311+(3d，3p)基組，同時考慮水作為溶劑對分子的影響，對肼、甲基肼、乙基肼、異丙基肼、叔丁基肼、正庚基肼、烯丙基肼和苯肼共8種化合物進行結構優化，計算分子總能量(E)、偶極矩(μ)、最高占據軌道能(EHOMO)、最低未占據軌道能(ELUMO)以及軌道躍遷能(ΔE)。在對輸出文件進行頻率檢查時發現，肼和乙基肼的頻率出現負值，即出現虛頻，此時所得的構型并不是能量最低的穩定構型，為了消除虛頻，添加關鍵詞opt=calcall(表示每一步優化都計算力矩陣，力矩陣可以指引優化的方向，雖然在一定程度上增加了計算負擔，但有效消除了虛頻)。進一步使用HyperChem軟件計算經Gaussian09 進行結構優化后的各化合物的疏水性參數(lgP)、水合能(EH)、分子體積(V)、分子表面積(估算)(A)、分子表面積(網格化)(G)、折射率(R)以及相對分子質量(Mr)。將從上述兩個軟件中取得的結構參數匯總列于表2。

2.3 統計回歸建模

正庚基肼由于水溶性較差，測得的半反應時間遠遠大于其它衍生物的，在模型建立階段將其從樣本中剔除。在去掉正庚基肼所對應的數據后，使用SPSS軟件對上述各結構參數與半反應時間進行相關性分析，得到Pearson相關系數矩陣列于表3。

為了分析各結構參數與半反應時間之間可能存在的其它相關關系，以半反應時間為因變量，分別對其余變量作散點圖，結果示于圖5。

由相關系數矩陣和散點圖可知，最低未占據軌道能、水合能、分子表面積(估算)、軌道躍遷能、最高占據軌道能與半反應時間之間的相關性較差，考慮將它們剔除。

表2 肼及其衍生物的量化參數Table 2 Quantization parameters of hydrazine and its derivatives

表3 Pearson相關系數矩陣Table 3 Pearson correlation matrix

圖5 量化參數與半反應時間之間的散點圖Fig.5 Scatter plots of quantization parameters and half-reaction time

將其余變量與半反應時間之間的相關系數按照絕對值從大到小的順序排列，結果列于表4。由表4可見，分子總能量與半反應時間之間的線性相關性最強，考慮其它幾個變量與分子總能量之間的相關性(表5)可知，折射率、相對分子質量、疏水性參數、分子體積、分子表面積(網格化)與分子總能量之間均存在很強的線性關系，即可以用分子總能量代替這部分變量，故將這些變量剔除。經上述操作后，最終將初始的12個變量篩選至2個變量：分子總能量E和偶極矩μ。

表4 其余變量與半反應時間之間的相關系數Table 4 Pearson correlation between half-reaction time and other variables

表5 其余變量與分子總能量之間的相關系數Table 5 Pearson correlation between E and other variables

根據偶極矩對半反應時間的散點圖，考慮在模型中增加μ2項，使用分子總能量E、偶極矩μ和μ2作為自變量，調用Matlab R2021a統計工具箱中的“regress()”命令對半反應時間進行多元線性回歸(置信水平α=0.05)，得到以下兩個模型列于表6、表7。

表6 模型1計算結果Table 6 Results of model 1

表7 模型2計算結果Table 7 Results of model 2

由表6、7可知，這兩個模型的r2均大于0.9，但是μ和μ2項的回歸系數的置信區間均包含零點，即這兩項對半反應時間的影響不顯著，為此考慮用E單獨進行回歸(表8)。該模型的殘差分析示于圖6。由圖6可知，除了烯丙基肼外，其余肼及衍生物的殘差均離零點較近，且殘差的置信區間均包含零點，說明此模型能對原始數據進行較好地解釋，但是不能較好地預測烯丙基肼。

表8 模型3計算結果Table 8 Results of model 3

1——肼，2——甲基肼，3——乙基肼，4——異丙基肼，5——叔丁基肼，6——烯丙基肼，7——苯肼圖6 模型3的殘差分析圖Fig.6 Residual analysis plot of model 3

表9 留一法交叉驗證結果Table 9 Results of leave-one-out method

3 結 論

對肼及其衍生物與HNO2的反應進行研究可以為其在PUREX流程中的進一步應用提供指導。本工作借助流動注射裝置，使用分光光度法測定了肼及其衍生物與HNO2反應的半反應時間，結合量化計算的結果，構建了肼及其衍生物與HNO2反應的定量構效模型，經過檢驗，所得到的模型具有良好的內部預測能力和穩定性。模型顯示，分子總能量E是該反應最重要的影響因素，半反應時間大致隨E的增加而增加。