維生素K_3電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的紅外光譜電化學(xué)研究

1、第15卷第3期分析科學(xué)學(xué)報(bào).15No.3JOURNALOFANALYTICALSCIENCEVol1999年6月Jun.1999維生素K3電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的紅外光譜電化學(xué)研究鄭建明馬永鈞朱世民(南京大學(xué)化學(xué)系,南京,210093)摘要用循環(huán)伏安法及現(xiàn)場(chǎng)紅外光譜電化學(xué)法研究了維生素K3在鉑電極上,水溶液介質(zhì)中的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理K31電子準(zhǔn)可逆電極過(guò)程,VK3由萘VK3現(xiàn)場(chǎng)紅外光譜電化學(xué)維生素K(VK)是一類萘醌衍生物,其主要生理作用是促進(jìn)血漿凝血因子的合成并參與人體的鈣代謝。在凝血酶原的合成過(guò)程中VK經(jīng)歷了酶促醌氫醌式氧化還原過(guò)程1。因此,研究它們的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理對(duì)了解它們的生理作用機(jī)理有重要意義。

2、VK類化合物中VK3(化學(xué)名:12甲基21,42萘醌磺酸鈉)是一種人工合成的化合物,它也是生物活性最強(qiáng)的2VK類藥物。VK3在pH>6的水溶液中會(huì)解離生成22甲基21,42萘醌,對(duì)它的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的研究已有一些報(bào)道25,但都未能從VK3分子的結(jié)構(gòu)變化上提出明確證據(jù)。本文利用現(xiàn)場(chǎng)紅外光譜電化學(xué)對(duì)VK3的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了研究,得到了有關(guān)VK3分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的確切證據(jù)。結(jié)合常規(guī)循環(huán)伏安法及薄層電解池循環(huán)伏安法實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了VK3在鉑電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理。實(shí)驗(yàn)部分1試劑及儀器VK3為生化試劑(上海試劑二廠),其它試劑均為A.R.級(jí)。VK3溶液是將一定量的VK3溶于含0.2mol L

3、KCl和0.002mol LNa2B4O7的溶液中配制的,對(duì)循環(huán)伏安實(shí)驗(yàn)的KCl和Na2B4O7混合溶液用亞沸蒸餾水配制,而對(duì)紅外光譜電化學(xué)實(shí)驗(yàn)則用氘代水(D2O)配制(氘代水為G.R.級(jí),北京化工廠)。BAS2100B型電化學(xué)分析系統(tǒng)(美國(guó),BAS公司)被用于循環(huán)伏安(CV)實(shí)驗(yàn),IFS66V型真空傅利葉變換紅外光譜儀(德國(guó),Bruker公司)被用于記錄現(xiàn)場(chǎng)光譜電化學(xué)(InSituSEC)實(shí)驗(yàn)的紅外光譜,MF21A型多功能伏安儀(江蘇電分析儀器廠)被用于SEC實(shí)驗(yàn)中控制工作電極的電位。薄層SEC池被用于薄層循環(huán)伏安(TLCV)和SEC實(shí)驗(yàn),該池結(jié)構(gòu)見圖1,它是由紅外光譜池夾件、窗片(直徑30

4、mm,對(duì)TLCV實(shí)驗(yàn)用玻璃窗片,對(duì)IR2SEC收稿日期:1998204214通訊聯(lián)系人:朱世民204實(shí)驗(yàn)用單晶硅窗片,硅窗片透光率為65%)、硅橡膠墊圈、鉑網(wǎng)工作電極(透光率為42%)、鉑絲對(duì)電極和聚四氟乙烯隔膜等組裝而成(池厚:0.2mm,池有效體Ag AgCl參比電極、積:0.014mL),池腔內(nèi)設(shè)有邊緣效應(yīng)限制框。用鐵氰化鉀水溶液(A體系)和二茂鐵乙腈溶液(B體系)對(duì)薄層池的性能進(jìn)行表征。在電位掃描速度v=1mV s時(shí),A體系CV圖上還原峰電位和氧化峰電位之差Ep為11mV;B體系為15mV。CV圖的峰形對(duì)稱,電流過(guò)了峰值后可回復(fù)到基線位置。在低掃速下(v<10mV 這s),lgi

5、p2lgv關(guān)系線的斜率為1。些結(jié)果表明該池的阻抗效應(yīng)及邊緣效應(yīng)都很小,并具有優(yōu)良的伏安響應(yīng)性能6。用該池做了A、B兩種體系的紅外和紫外光譜電化學(xué)實(shí)驗(yàn),結(jié)果均獲得高質(zhì)量的紅外和紫外吸收光譜,說(shuō)明這種薄層池有相當(dāng)好的光譜通用性,。(A)frontview(B)SideviewFig.1SchematicillustrationofthethinlayerspectroelectrochemicalcellWE:Ptminigrid;CE:Ptfoil;RE:Ag AgClorAgfoil2實(shí)驗(yàn)方法2.1常規(guī)CV實(shí)驗(yàn)三電極系統(tǒng)電解池采用鉑圓盤工作電極(直徑1mm)、鉑絲對(duì)電極和飽和甘汞電極。每次實(shí)驗(yàn)

6、前鉑電極先在滴有Al2O3懸濁液(粒度10m)的微絨布上拋光表面,然后用稀硝酸(3mol L)和二次蒸餾水依次淋洗干凈并吸干水分。將三電極插入新配制的VK3溶液,通氮除氧5min,使液面維持氮?dú)夥?在選定的電位區(qū)間和掃描速度下記錄CV圖。2.2薄層CV實(shí)驗(yàn)三電極系統(tǒng)的工作電極改為鉑網(wǎng),參比電極改為Ag 實(shí)AgCl電極。驗(yàn)前將鉑網(wǎng)先用小火灼燒,然后用稀硝酸和二次蒸餾水依次淋洗干凈并吸去水分,組裝入薄層SEC池,將待測(cè)的VK3溶液通氮除氧5min后,用注射器注入薄層SEC池(池腔只有一注入口,基本與外界空氣隔絕)。在選定的電位區(qū)間和掃描速度下記錄CV圖。2.3紅外SEC實(shí)驗(yàn)薄層SEC池采用單晶硅窗

7、片,電極處理和溶液準(zhǔn)備同TLCV實(shí)驗(yàn)。將組裝好的注有VK3溶液的薄層SEC池放入IFS66V型紅外光譜儀的吸收池位置,用MF21A型多功能伏安儀控制工作電極的電位。實(shí)驗(yàn)時(shí)可用電位步進(jìn)和電位階躍兩種方式。前者是在每一選定電位下,保持電位1min,待電位達(dá)到平衡后,記錄該電位下溶液的紅外光譜;后者是將電位階躍到某一定值,同時(shí)記錄隨時(shí)間變化的紅外光譜圖,兩種方法獲得的譜圖都與未加電位時(shí)溶液的紅外光譜作差譜,差減因子11。205結(jié)果與討論1VK3的循環(huán)伏安行為1.1VK3在常規(guī)電化學(xué)池中的CV行為在0.2mol 0.002mol LKCl、LNa2B4O7的水溶液中,VK3在鉑圓盤電極上的CV響應(yīng)表明

8、:其CV曲線有一對(duì)氧化還原峰。在電位掃描速率為20mV 表明VK3在普通電s時(shí),這一對(duì)峰峰電位差Ep=46mV,ipc ipa<1?；瘜W(xué)池鉑圓盤電極上的反應(yīng)表觀上是2電子準(zhǔn)可逆電極過(guò)程。改變電位掃描速度,將lgipc和lgipa對(duì)lgv作圖(掃速?gòu)?0mV s到200mV s),得到關(guān)系線的斜率分別為0.46及0.37,表明電化學(xué)反應(yīng)并非純粹由擴(kuò)散控制的電極過(guò)程71.2VK3在薄層SEC池中的CV8,1的薄層CV峰,.6mV;反應(yīng),則Ep1 .3,i,本文得出,2為45ipa均為()107mV,峰電s3Ep1 21,E這些結(jié)果表明:VK32=-0.371V。i0=(Epa+Epc)1電子

9、準(zhǔn)可逆電極過(guò)程。VK3在常規(guī)電化學(xué)池與薄層SEC池中呈現(xiàn)不同的CV行為,說(shuō)明VK3在鉑電極上的電化學(xué)反應(yīng)不是簡(jiǎn)單的一步2電子或一步1電子過(guò)程,而是連續(xù)的二步1電子過(guò)程,且第二步電極反應(yīng)與第一步電極反應(yīng)所需能量相當(dāng)或更低。因此,在薄層池和常規(guī)池CV曲線上都只有一對(duì)氧化還原峰。薄層池上呈現(xiàn)的是1電子轉(zhuǎn)移特征,而常規(guī)池上呈現(xiàn)的是2電子轉(zhuǎn)移特征8,9。2VK3現(xiàn)場(chǎng)紅外光譜電化學(xué)VK3的控制電位現(xiàn)場(chǎng)紅外光譜電化學(xué)響應(yīng)如圖2。電位步進(jìn)圖譜顯示,隨著電位的逐Fig.2InsituIR-SECspectraofVK3Solution:0.025mol LVK3,0.2mol LKCland0.002mol L

10、Na2B4O7inD2O;Electrode:thesameasFigure2;Controlledpotential:1:-0.20V,2:-0.30V,3:-0.35V,4:-0.38V,5:-0.401640cm-1;(b)3700V,6:-0.45V,7:-0.50V,8:-0.55V;Regionofspectra:(a)17202900cm-1;(c)14201330cm-1206步負(fù)移,1687cm-1處相應(yīng)生成倒峰,并直至恒定(圖2a,因?yàn)榕c未加電壓時(shí)VK3溶液的紅外光譜作差譜,故呈倒峰);與此同時(shí)在3402cm-1處的吸收峰逐步增大(圖2b);1390-1-1電位逐步回復(fù)初始

11、值時(shí),譜圖回復(fù)到與初cm與1370cm處有兩新吸收峰生成(圖2c)。始譜圖一致。電位階躍法結(jié)果與步進(jìn)法相似,未發(fā)現(xiàn)其它吸收峰的變化。根據(jù)紅外光譜與分子基團(tuán)振動(dòng)頻率的關(guān)系,1687cm-1吸收峰歸屬于羰基伸縮振動(dòng),3402cm-1吸收峰歸屬于羥基的伸縮振動(dòng),而1390cm-1和1370cm-1吸收峰則歸屬于萘環(huán)骨架C=C鍵的伸縮振動(dòng)10。根據(jù)VK3的分子結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)IR2SEC實(shí)驗(yàn)吸收峰的變化,可以確定,VK3的電解還原產(chǎn)物是22甲基21,42萘酚。由CV實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知VK3,不同于反應(yīng)物或產(chǎn)物的基團(tuán)結(jié)構(gòu)。根據(jù),V基,由于VK3,負(fù)離子,很容易再得到一個(gè)電子和一個(gè)質(zhì)子生成結(jié)論根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,VK3

12、在弱堿性水溶液介質(zhì)中的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理為:33+HSO-3OSOO3-3H3+-e-H+-e-H+3OOHOH參考文獻(xiàn)1(美)HarperHA,RodwellVW,MayesPA著,王明運(yùn)譯.生物化學(xué)評(píng)論,北京:科學(xué)出版社,1965:1862VireJC,PatrlarcheGJ,ChristianGD.Anal.Chem.,1979,51(6):7523AkmanSA,KusuF,TakamuraK,ChlebowskiR,etal,Anal.Biochem.,1984,141:4884鄒洪,袁倬斌.分析試驗(yàn)室,1997,16(1):55朱世民,魏萬(wàn)里,張蔚玲.分析化學(xué),1994,22(9):

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14、nWileyandSonsInc.,1980:89StudyontheElectrochemicalReactionMechanismofVitaminK3byFTIR-SpectroelectrochemistryZhengJianming,MaYongjun,ZhuShimin3(DepartmentofChemistry,NanjingUniversity,Nanjing,AbstractTheelectrochemicalreactiin3inweakalkalinevoltammetryandinsituFTI2.mentalresultsofcyclicvoltammetryshowedthatthereactionofVitaminK3wasaquasi2reversibleprocesswithtwostepsoneelectrontransfer.TheexperimentalresultsofinsituFTIR2Spectroelectro2chemistryindicatedthattheelectrochemicalreductionandoxidationofVitaminK3undergoanalternationproc