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高效液相色谱研究丝素亲核基团与一氯均三嗪型活性染料反应动力学
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【西医学免费毕业论文】作者：邵敏 邵建中 刘今强 李萍【摘要】 以异丙胺、对甲酚和甲醇分别模拟蚕丝丝素的氨基、酚羟基和醇羟基，应用高效液相色谱分析一氯均三嗪型活性染料与蚕丝丝素的不同亲核基团的反应速率。结果表明：在pH=8～10、70～95 ℃的条件下，染料的酚解总反应速率远大于染料的氨解总反应速率和醇解总反应速率。其中C.I.活性红24 和C.I.活性橙2在pH=9，95 ℃条件下的酚解总速率分别约为其氨解总反应速率的8.5倍和12.5倍，为其醇解总反应速率的23倍和50倍；该两染料的酚解效率分别为47.4和96.3，氨解效率分别为4.6和6.9，醇解效率仅为1左右。通过异丙胺对甲酚甲醇混合溶液（1∶10∶100，V/V）模拟蚕丝与染料的反应，研究一氯均三嗪型活性染料与丝素上亲核基团的反应选择性，推断出一氯均三嗪型活性染料染蚕丝的最适宜条件为pH=8～9，温度85 ℃左右。在此条件下，酚羟基在蚕丝的一氯均三嗪型活性染料染色中起主要作用，氨基起次要作用，而醇羟基的作用甚微。
【关键词】 反应动力学, 一氯均三嗪型活性染料, 蚕丝, 亲核基团， 高效液相色谱
1 引 言
活性染料能与纤维共价结合使其具有高色牢度等优良特性而被广泛应用于纤维素纤维及蛋白质纤维。活性染料问世以来，不少学者应用薄层色谱、高效液相色谱并结合质谱、核磁共振等分析手段对活性染料的水解性能及其与纤维素纤维反应性能进行了较深入的研究[1～4]。相比于纤维素纤维，蚕丝纤维结构复杂，其大分子链上具有多种亲核基团，其中主要有丝氨酸剩基上的醇羟基、酪氨酸剩基上的酚羟基、主链末端及侧链赖氨酸等剩基上的氨基等，这些亲核基团的反应活性、分布状况及含量决定了它们在活性染料染色中的作用[5,6]。由于蚕丝蛋白结构的复杂性，活性染料对蚕丝的染色机理的研究显得较为困难[7]，因而使活性染料在蚕丝上的应用受到一定的局限。本研究采用模拟反应法，选用异丙胺、对甲酚和甲醇分别模拟蚕丝丝素的氨基、酚羟基和醇羟基与染料反应，应用反相离子对高效液相色谱(HPLC)分离活性染料反应样品中各组分并对其定量分析,比较各亲核基团与活性染料的反应速率、最佳反应条件和稳定反应的条件区间[8]，从而研究蚕丝上不同亲核基团在活性染料染色中的重要性、反应特点及其共价键的稳定性，为调控丝素上亲核基团的反应性能、实现蚕丝活性染料的稳定可控染色、开发高固着率高重演性蚕丝活性染料染色技术奠定理论基础。
2 实验部分
2.1 仪器与试剂
1100型高效液相色谱仪(美国Ａgilent公司)。甲醇、对甲酚、异丙胺、冰醋酸、乙酸胺、四丁基溴化胺、无水乙酸钠、Na2CO3和NaHCO3均为分析纯；乙腈为HPLC级；C.I. 活性橙2、C.I.活性红24和C.I.活性黄2为一氯均三嗪型商品活性染料; 二次蒸馏水。
2.2 HPLC色谱条件
Agilent ZORBAX Extend C18色谱柱（150 mm×4.6 mm, 5 μm）; 流动相：A为100%乙腈，B为离子对去离子水缓冲液, 含2 mmol/L四丁基溴化胺和0.05 mol/L醋酸胺；梯度洗脱；流速：0.9 mL/min；进样量１０ μL柱温：30 ℃；检测波长：C.I.活性红24：535 nm；C.I.活性橙2：480 nm，C.I.活性黄2：423 nm。
2.3 实验原理及过程
甲醇、对甲酚和异丙胺与染料溶液反应时存在着染料的醇解、酚解或氨解与水解的竞争，该竞争反应体系可由图解1简单表述，反应式A表示染料的醇解、酚解或氨解, 反应式B表示染料的水解，同时，醇解、酚解或氨解产物与水解产物因亲核基团的竞争反应而可能发生相互转化，见反应式C。
在图解1所示的反应体系中，染料的总反应速率vT等于染料的醇解/酚解/氨解速率vY与水解速率vH之和，见式（1）。vT的大小及其醇解/酚解/氨解效率EY（EY=vY/vH）的高低反映了醇羟基、酚羟基和氨基与一氯均三嗪型染料的反应性。 分 析 化 学第37卷第7期邵 敏等：高效液相色谱研究丝素亲核基团与一氯均三嗪型活性染料反应动力学 vＴ＝－d[D]dt=d[DY]dt+d[DＯＨ]dt=kY·［Ｄ］·［Ｙ］＋kH·［D］·[OH－]＝vY+vH(1)式（1）中,[D]、[OH－]和[Y]分别代表t时刻反应体系中的有效染料、OH－和亲核基团Y的浓度，[DOH]和[DY]则代表t min后生成的水解染料和醇解/酚解/氨解产物的浓度，kY 和kH代表亲核试剂反应速率常数和水解速率常数。
取甲醇、对甲酚、异丙胺及三者的混合物（100∶10∶1, V/V）,分别用不同pH缓冲液配制成100 mL溶液，加热至设定温度后加入准确称量的活性染料，恒温震荡，每隔数分钟取样5 mL加至已装有冷的缓冲液(pH 4)的容量瓶中，定容至25 mL，过滤，HPLC分析。
HPLC可有效地分离染料与亲核试剂反应中不同形式的染料组分（如未反应的有效染料D、水解染料DOH、醇解染料DOR、酚解染料DOAr和氨解染料DNHR等）并检测其含量，本实验用色谱峰面积对样品中各组分的浓度进行定量分析[1,2,8]。
3 结果与讨论
3.1 不同亲核基团与一氯均三嗪型活性染料的反应性比较及pH的影响
取一定浓度的甲醇、异丙胺和对甲酚，在不同的pH和温度下分别与活性染料反应，典型色谱图见图１。图２则反映了在pH=9和85 ℃条件下C.I.活性橙2分别与1 mol/L甲醇、0.003 mol/L异丙胺和0.03 mol/L对甲酚反应体系中不同组分含量随时间的变化。由图２可见，对甲酚与染料反应时有效染料D减少最快，酚解产物DOAr增加最多，而水解染料DOH最少，即其总反应速率最快且酚解效率最高；甲醇与染料的反应总速率最慢，其醇解产物DOR最少而水解染料最多，即醇解效率最低；异丙胺与染料的总反应速率及氨解效率介于两者之间。
表1比较了不同pH值下1 mol/L甲醇、0.003 mol/L异丙胺和0.03 mol/L对甲酚分别与0.1 g C.I. 活性红24反应60 min时，反应产物与水解染料峰面积含量。由表1可见， pH增加,相对醇解率（DOR与DOH浓度比）先增后减，相对氨解率（DNHR与DOH浓度比）和相对酚解率（DOA与DOH浓度比）则逐渐下降；在pH=8～10时，酚解染料量均超过90%，但随pH增加呈下降趋势，当pH=11时，染料水解严重。表1 C.I.活性红24与不同亲核试剂反应60 min时反应产物及水解染料浓度比较（略）
3.2 不同亲核基团与一氯均三嗪型活性染料反应动力学研究
在本实验中，亲核试剂浓度远过量于染料，且反应在缓冲溶液中进行，故反应体系中亲核基团Y与OH－的浓度可视为常数，则染料总反应为假一级反应，其速率常数kT由式（2）决定[1,2]，其中A0、 At分别为反应时间为0和t时刻（min）的有效染料的峰面积：表2 C.I.活性红24和C.I.活性橙2的假一级总反应速率常数kT及线性相关系数（略）
以ln(A0/At)对反应时间t作图得到直线，直线的斜率即为假一级总反应速率常数kT。表2列出了两种活性染料在pH 9、95 ℃条件下与1 mol/L甲醇、0.03 mol/L对甲酚、0.003 mol/L异丙胺反应的假一级总反应速率常数kT及线性相关系数r。
由表2可见，在相同的温度和pH下，甲醇、对甲酚、异丙胺与一氯均三嗪型活性染料的总反应速率常数相对大小：对甲酚＞异丙胺＞甲醇＞染料水解。其中C.I.活性红24 和C.I.活性橙2的酚解总速率分别约为氨解总反应速率的8.5倍和12.5倍，为醇解总反应速率的23倍和50倍。忽略其它影响因素，假定在本实验醇解/酚解/氨解反应中染料水解速率常数不变，则一氯均三嗪型活性染料醇解、酚解和氨解效率可根据EY=(kT－kH)/kH粗略估算，即pH 9，95 ℃时，C.I.活性红24和C.I.活性橙2的酚解效率分别为47.4和96.3，氨解效率分别为4.6和6.9，醇解效率均为1左右。通常，理论上认为酚羟基的亲核性小于氨基和醇羟基，而本实验结果却显示酚羟基与一氯均三嗪型活性染料酚解速率常数最大，这一方面是由于假一级反应速率常数与亲核基团的浓度相关，本实验中对甲酚用量比异丙胺大，则亲核基团酚羟基浓度相对较高。甲醇虽然浓度最高，但由于其电离常数很小导致醇羟基浓度很低；另一方面可能是由于酚羟基的苯环与一氯均三嗪染料的杂芳环产生共轭且两环之间的共平面性使其反应产物比较稳定有利于反应进行。
3.3 不同亲核基团在亲核试剂混合物中与一氯均三嗪型活性染料的反应性能比较
取0.03 mol甲醇、0.003 mol对甲酚和0.0003 mol异丙胺混合，与0.2 g染料在不同条件下反应，HPLC分析。图３列举了混合试剂与C.I.活性红24在85 ℃、pH 9的条件下反应不同时间的色谱图。由图3可见，酚解产物DOAr的峰面积增长最快，氨解产物DNHR峰面积增长较慢，而水解染料DOH峰及醇解产物DOR峰面积非常小，说明在3种亲核基团共存的反应体系中，对甲酚与一氯均三嗪型活性染料的反应速度最快，在与其它几种亲核基团的竞争反应中占绝对优势。
表3列出了不同pH和温度下亲核试剂混合物与C.I.活性红24反应60 min的各反应产物峰面积含量。由表3得知，在pH=8～10时，酚解产物均占90%左右，氨解产物少于10%，醇解产物和水解染料量则更少，说明在这个竞争反应体系中，对甲酚的反应能力最强，异丙胺次之，甲醇最弱。同时，pH值增加对不同亲核基团的反应性能的影响不同，酚解产物量随着pH的增加略有减少，甲醇相反，氨解产物则先增后减，pH 9时最多；另一方面，温度升高，水解染料、甲醇产物和氨解产物增加，而酚解产物则在85 ℃时最多，说明随温度的增加，HO－、RO－、RNH2的反应速率增加比ArO－快，故对甲酚与其它亲核基团的相对竞争反应能力下降。表3 温度与pH对活性染料与亲核试剂混合物反应性能的影响（略）
3.4 一氯均三嗪活性染料与蚕丝纤维反应性能探讨
染料与纤维的反应与不同的亲核基团的亲核性能有关，也与亲核基团的量以及在纤维上所在的位置有关。蚕丝丝素上醇羟基的含量约1.35 mol/kg，但大多位于染料难以进入的结晶区；酪氨酸含量丰富,约0.6 mol/kg，且主要分布在无定型区[9,10]；氨基的量相对较少，末端氨基和赖氨酸的侧链氨基约为0.07 mol/kg，其中部分位于蚕丝的结晶区。本实验中，甲醇、对甲酚和异丙胺以100∶10∶1(V/V)混合可以较为客观地模拟分析蚕丝上亲核基团与染料的反应选择性。综上得出结论：一氯均三嗪型活性染料染蚕丝较为适宜的条件为pH=8～9，温度85 ℃左右；在此条件下，酚羟基与一氯均三嗪型活性染料反应速度快且染料水解少，表现出较好的反应活性；氨基反应速度大于甲醇，但远小于对甲酚；在弱碱性下醇羟基反应能力弱，与酚、氨共存时其竞争反应性更差。由此推断一氯均三嗪型活性染料在蚕丝上染色固着时染料主要与酚羟基反应，氨基参与了部分反应起次要作用，而醇羟基的作用几乎可以忽略。
由于温度和pH变化对蚕丝上不同亲核基团与染料的反应性能有不同的影响，因此在实际染色中应该严格控制温度和染浴的pH值，以保证活性染料对蚕丝染色的稳定性和重演性。
【参考文献】
１ Zotou A, Eleftheriadis I, Heli M, Pegiasou S. Dyes and Pigments, 2002, 53: 267～275
２ Klannik M. Dyes and Pigments, 2000, 46(1): 9～15
３ Klannik M, Gorenek M. Dyes and Pigments, 1997, 33(4): 337～350
４ Zhu Z H, Zhu W P. Dyes and Pigments, 1994, 24(4): 281～294
５ Gulrajani M L. Review of Progress in Coloration and Related Topics, 1993, 23: 51～56
６ Agarwal D, Sen K, Gulrajani M L. Journal of the Society of Dyers and Colourists, 1997, 113 (56): 174～181
７ Nalankilli G， Padampat S. American Dyestuff Reporter, 1994, 9： 28～34
８ Shao Min (邵 敏), Shao JianZhong（邵建中）, Liu JinQiang (刘今强), Zheng JinHuan(郑今欢). Chinese J. Anal. Chem.（分析化学）, 2007, 35(5): 672～676
９ Shao J, Cart C M, Rowlands C P, Walton J. J. Text Inst. Part 1, 1999, 90(4): 459～468
１０ Zheng JinHuan(郑今欢), Shao JianZhong(邵建中), LIU JinQiang (刘今强). Acta Polymerica Sinica(高分子学报), 2002, 6: 818～823
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