新型甘氨酸鋅螯合物的晶體結構研究

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，如何提高礦物質微量元素的生物利用效率成為畜禽生產中關注的熱點話題[1-3]。直接給機體補鋅不宜吸收，還會帶來負面影響[4]。與傳統的硫酸鋅（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鋅試劑。國內外學者對不同水平的甘氨酸鋅的合成方法及晶體結構進行研究[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。根據配位場理論，Zn2+為d10組態，各配位場晶體場穩定化能在強場和弱場中均為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，在不同的化學反應條件下能夠得到不同配位結構的螯合物[11-14]。

氨基酸系列補鋅產品甘氨酸鋅在食品營養強化劑國標GB 1903.2—2015中分子式為Zn(C2H4NO2)2·H2O，理論鋅含量為31.8%。農業農村部公告第1126 號批準甘氨酸鋅能夠作為飼料添加劑使用，甘氨酸鋅標準中分子式為［Zn(C2H5NO2)2·4H2O］ SO4·ZnSO4·6H2O，鋅含量大于21%。甘氨酸鋅的吸收機制與普通的無機鹽存在很大區別，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]。本試驗中通過調節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構庫，為不同晶型之間的轉變提供了可能性。

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）、電熱恒溫鼓風干燥箱（上海精宏實驗設備有限公司）、PHS-3BpH計（上海精科實業有限公司）、SHB-Ⅲ循環水式多用真空泵（鄭州長城科工貿易有限公司）、Elementar Corporation Vario EL Ⅲ元素分析儀（德國elementar 公司）、磁力攪拌油?。ㄋ。嚢杵鳎ê想p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生反應時可以形成不同的產物[13]，本文中使用氧化鋅為鋅源，其化學反應方程式為：ZnO+2C2H5NO2=Zn(C2H4NO2)2·H2O。

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

1.2.2 反應條件篩選

本研究選擇pH值、原料物質的量的比、溫度進行單因素試驗，觀察反應體系溶液狀態，記錄產物的重量，檢測產物鋅及甘氨酸含量，計算產物中鋅及甘氨酸的物質的量的比，篩選最優反應條件。

1.2.2.1 甘氨酸∶鋅對產率的影響

根據配體的配位點及金屬中心，并保證能夠發生反應，遵循節省物料的原則，在反應過程中選擇甘氨酸∶鋅物質的量的比為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，調節pH值至9～10，加熱至90 ℃，加入11.1 g（甘氨酸∶鋅物質的量的比為1.0∶1）、5.6 g（甘氨酸：鋅物質的量的比為2.0∶1）、4.5 g（甘氨酸∶鋅物質的量的比為2.5∶1）、3.7 g（甘氨酸∶鋅物質的量的比為3.0∶1）氧化鋅進行反應，攪拌3 h，過濾未反應的粉末，得到母液，加入44%乙醇進行結晶，得到甘氨酸鋅粉末。

1.2.2.2 不同溫度對產率的影響

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

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

1.2.2.3 pH值對產率的影響

反應的pH值一般需要精準調節，酸性氨基酸一般在脫氫后，易與金屬鹽發生反應。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，本試驗調節pH值7～11。

具體步驟：將10 g C2H5NO2用水溶解，調節pH值至7～11，加熱至90 ℃，加入4.5 g（甘氨酸∶鋅物質的量的比為2.5∶1）氧化鋅進行反應，攪拌3 h，過濾未反應的粉末，得到母液，加入44%乙醇進行結晶操作，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。用氨水溶液調節至溶液呈淺紅色，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準滴定液滴定至溶液呈亮黃色即為終點。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構及化學鍵，利用溴化鉀壓片法對配體與螯合物的紅外光譜圖進行對比分析，利用譜圖進行鑒定官能團，找出差異在，分析結構區別。紅外光譜圖是定性鑒定的依據之一。

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，避免顆粒不均勻產生散射，造成基線不平。將處理好的樣本置于壓片機上壓片后，置于紅外光譜儀上測試，掃描4 000～400 cm-1紅外光譜。

1.2.6 晶體結構

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°范圍內共收集了675個獨立衍射點，其中可觀測點657個。晶體結構采用直接法給出，對所有非氫原子坐標及各向異性參數進行全矩陣最小二乘法修正。

1.2.7 元素分析

根據使用儀器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行高溫燃燒，生產二氧化碳、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 結果與分析

2.1 反應條件篩選結果

2.1.1 甘氨酸∶鋅對甘氨酸鋅產率的影響（見表1）

由表1可知，當甘氨酸∶鋅的物質的量的比為1.0∶1時，氧化鋅出現了剩余，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 時基本反應完全，2.5∶1 及3.0∶1完全反應；當甘氨酸∶鋅的物質的量的比為2.5∶1 反映的收率最高，達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；產物中甘氨酸∶鋅的物質的量的比為1.97∶1，接近理論值2∶1。

因此，選擇甘氨酸∶鋅物質的量的比為2.5∶1 較合適。

2.1.2 不同溫度對甘氨酸鋅產率的影響（見表2）

表2 不同溫度對甘氨酸鋅產率的影響

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

2.1.3 不同pH值對甘氨酸鋅產率的影響（見表3）

表3 不同pH值對甘氨酸鋅產率的影響

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

2.2 定性分析結果

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紫色，符合α-氨基酸與茚三酮的典型顯色反應，表明含有α-氨基酸的結構。

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，使用氨水調節試驗溶液pH 值為4～5，加兩滴硫酸鈉溶液，加數滴雙硫腙四氯化碳溶液和1 mL 三氯甲烷，振搖，有機層顯紫紅色，表明含有鋅離子。

2.3 紅外分析結果

光譜分析是一種根據物質的光譜鑒別物質并確定其化學組成、結構或相對含量的方法。本研究采用KBr 壓片法測定甘氨酸及甘氨酸鋅在波數為4 000～400 cm-1紅外光譜，結果見圖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）相比發生了明顯的藍移，在530 cm-1處出現了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。因此，甘氨酸在形成甘氨酸鋅晶體后紅外譜圖發生了明顯變化。

2.4 元素分析結果

本試驗進一步使用元素分析儀對該螯合物中的元素進行測定，發現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，可該螯合物的化學式為Zn(NH2CH2COO)2·H2O。

2.5 單晶結構分析

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見表4。

表4 甘氨酸鋅螯合物晶體參數

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Z＝4，晶胞體積V＝770.205 ?3，晶體密度計算值Dc＝1.997 g/cm3，非權重一致性因子R1＝0.070 8（433），權重一致性因子wR2＝0.168 6（657）。

甘氨酸鋅的化學結構、晶胞堆積見圖3、圖4。

圖3 甘氨酸鋅的化學結構

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，跟已報道的絡合物中的鋅原子采取五配位方式，形成畸變的三角雙錐構型，是完全不同的結構；這里的鋅與甘氨酸分子中的氮及氧形成2 個五元雜環，2 個五元雜環位于同一平面；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、單晶結構、紅外光譜分析表明，改變液相反應的pH值，采用擴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，晶體結構為三斜晶系，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。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。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構存在很大的區別，這可能是由于本試驗在合成過程中調節了反應體系的pH值，抑制了甘氨酸與氧化鋅的反應速度，改變了甘氨酸鋅的結晶過程，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，為今后合成不同結構的螯合物提供了思路。

4 結論

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的量的比為2.5∶1，反應溫度為90 ℃，pH值為9～10；經過元素分析和X-射線單晶衍射儀分析確定了化學式為Zn(NH2CH2COO)2·H2O。