羟基自由基的产生与测定

提高过氧化氢的脱木素反应能力 , 是近年来化 学浆过氧化氢漂白生产高白度纸浆的研究热点 。在 常规的过氧化氢漂白条件下一般不发生或只发生低 程度的脱木素反应 , 漂白原理主要是利用过氧化氢 在碱 性 条 件 下 产 生 的 亲 核 试 剂 氢 过 氧 负 离 子 ( HOO - ) 破坏木素中的羰基及共轭双键等发色基 团 。要强化过氧化氢在漂白中的脱木素作用 , 需利 用和控制过氧化氢分解的中间产物含氧类自由基 , )、 )和 如羟基自由基 ( HO ・ 过氧阴离子自由基 ( O2- ・ ) 。在纸浆漂白体系中 , 催化 氢过氧自由基 ( HOO ・ 产生这些含氧类自由基的原因主要有两种 , 一种是 由于漂白体系中存在微量的过渡金属离子而引起 , 如 Mn2 + 、 Cu2 + 、 Fe2 + 等 ,其产生的反应可表示为 [ 1 : ,2 ]
《造纸科学与技术》 2003 年 第 22 卷 第 6 期
COOH OH + HO・
COO H OH + HO OH
COO H OH +
COO H OH
( 水杨酸) (2 ,3 - 二羟基苯甲酸 ,49 %) (2 ,5 - 二羟基苯甲酸 ,40 %) (11 %) 产物中的 2 ,3 - 二羟基苯甲酸和 2 ,5 - 二羟基苯甲酸 的铈离子 ( Ce3 + ) 在稀硫酸介质中能产生特征荧光 , 可用 HPL C 进行分离与测定 。李立平等利用这一原 理测定 Fenton 反应产生的 HO・ ,结果表明 HPL C 谱 图中由 2 ,3 - 二羟基苯甲酸和 2 ,5 - 二羟基苯甲酸出 现的两个峰面积与 Fe2 + 和 H2 O2 浓度之间存在线性 其最 大 激 发 波 长 和 发 射 波 长 分 别 为 280nm 和
电子 自 旋 共 振 法 ( ESR , Elect ron Spin Reso2 nance) 也称为电子顺磁共振 ( EPR , Elect ron Param2 agnetic Resonance) ,是一种能直接检测和辨认自由 基的方法 ,其测定过程需与被测自由基的产生同步 进行 ,故对样品的制备及检测操作有很大的限制 。 自旋捕捉技术 ( Spin Trapping) 利用适当的自旋捕捉 剂与活泼的短寿命自由基结合 , 生成相对稳定的自 旋加合物 ,根据自旋加合物的 ESR 谱图波谱参数 , 可推断原来活泼自由基的结构等 。自旋加合物存在 的寿命可延长至几分钟或几十分钟 , 使测定过程可 以用先反应% 捕捉 ,再立即检测的方式进行 ,从而使 ESR 技术得到更多的应用 。丛建波等采用低温方 法保存由捕捉剂 DM PO ( 5 ,5 - 二甲基 - 1 - 吡咯啉 - 1 - 氧化物 , 5 , 5 - dimet hyl - 1 - pyrroline - 1 oxide) 与 自 由 基 HO ・ 、 O2- ・ 等产生的自旋加合 物 [ 5 ] ,通过对 77° K 液氨保存不同时间后自由基自 旋加合物 ESR 信号强度的对比 ,发现保存时间延长 至 3 天时其 ESR 波谱的峰高和积分值都没有明显 衰减 ,这给实验室没有 ESR 测定条件的研究者提供 了用 ESR 测定短寿命自由基的途径 ,即选择合适的 捕捉剂捕捉待测的自由基后立即置于液氨中保存 , 测定时取出解冻后马上进行 。 已报道用作自旋捕捉剂的各类化合物很多 , 针 对被测自由基和反应体系的特点 , 选择合适的自旋 捕捉剂是应用自旋捕捉 —ESR 技术的关键 , 必要时 需自行设计合成自旋捕捉剂 。
2 高效液相色谱法
Ar — — — 代表芳基或取代芳基 , X— — — 代表酸根 。
在上述产物中 , 甲基亚磺酸是一种稳定的非自 由基化合物 ,而且通常在被测体系中原先不存在 ,因 此体系中甲基亚磺酸的生成量与反应物 HO ・ 的浓 度之间存在着定量关系 。Fukui 等用重氮盐坚牢黄 GC 盐 ( Fast Yellow GC Salt ) 与经二甲基亚砜捕捉 HO・ 后生成的甲基亚磺酸反应 , 将生成的邻 - 氯苯 重氮甲基砜用乙酸乙酯萃取 ,然后用 HPL C 定量地 ] 测定了 Fenton 反应体系中产生的 HO・[ 6 。其 HPL C 的测试条件为 : 固定相 : Capcell - Park N H2 ; 不锈钢 柱 :150mm × 4. 6mm I. D. ;柱温 : 室温 ; 流动相 : 密度 为 0. 8000 的乙醇与正己烷混合液 ( 3 : 100 ,v/ v) ; 流 速 : 1mL/ min ; 检测器 : Shimadzu SPD - 10AV 紫外 - 可见分光光度计 , C - R6A 积分议 ; 检测波长 : μ 285nm ;进样 : 每次 20 L。 Fukui 等人还比较了其它几种重氮盐与甲基亚 磺酸反应产物的 HPL C 测定结果 。表 1 中列出了 重氮盐的名称和产物最大吸收波长的位置 , 并比较 ] 了相同反应物浓度和萃取条件下的峰高 [ 6 。
羟基自由基的产生与测定
王仕良 张 曾 黄干强
Ξ
( 制浆造纸工程国家重点实验室 ( 华南理工大学) ,广州 , 510640)
) 有强的与木素和碳水化合物反应能力 ,在纸浆的过氧化氢漂白过程中 ,由于存在过渡金 摘 要 : 羟基自由基 ( HO・
属离子或升高温度的影响 ,使体系中产生羟基自由基 , 对漂白结果产生重要影响 。有关羟基自由基测定方法的研 究在医学 、 生物化学 、 环境化学等领域受到重视 ,已出现了多种检测方法 。本文根据国内外有关文献介绍几种测定 羟基自由基的方法 ,包括将 HO・ 自旋加合物样品在低温下 ( 77° K ,液氨) 保存 2 ～ 3 天再用 ESR 法测定 ; 用二甲基亚 砜和水杨酸捕集 HO・ 然后用高效液相色谱和分光光度法测定 ; 以及电化学法 。 关键词 : 羟基自由基 ; 测定 ; 过氧化氢漂白 ; 高效液相色谱
H2 O2 + M n + H2 O2 + M HOO
-
H2 O2 → 2 HO・
( 当漂白温度达 130 ℃ 时迅速发生) 近年来已得到研究和应用的压力高温过氧化氢 漂白就是在适当的高温条件下 ( 当温度接近和超过
100 ℃ 时 , 需 在 压 力 条 件 下 避 免 漂 液 沸 腾) 利 用 HOO - 与 HO・ 等自由基的协同作用 , 大幅度提高漂
360nm ,当 Ce3 + 被 HO ・ 氧化成无荧光的 Ce4 + 后 , 其
特征荧光消失 ,使 360nm 处的荧光峰发生改变 ,因此 通过测定 Ce3 + 的荧光强度变化可间接测定羟基自由 关系 [ 7 ] 。 基产生量 。其测定原理可表示为 : 在 HPL C 法中用来捕集 HO ・ 的化合物还有苯丙 Ce3 + + HO・ + H + Ce4 + + H2 O 氨酸 、 酯类物质等 。 根据实验结果 ,认为这种方法操作简便 ,测定快速 ,有 ] 较好的重现性 [ 10 。 3 分光光度法 袁倬斌等利用脱氧核糖与在 Fenton 反应中产生 在难以采用 ESR 、 HPL C 等测试手段的情况下 , 的羟基自由基作用 ,在酸性条件下经过降解生成丙二 用分光光度法测定 HO ・ 被认为是简便实用的方法 。 醛 ,丙二醛再与甲醛 、 氨相互作用 ,生成具有电化学活 由于 HO ・ 本身不能由分光光度法检测 , 因此需先选 性的产物 3 ,5 - 二甲酰 - 1 ,4 - 二氢吡啶 , 其反应原 择合适的化合物与 HO ・ 反应 , 生成在紫外 — 可见光 理为 : 区内能产生特征吸收的产物 。上述 HPL C 法中用以 脱氧核糖 + HO ・ → 碎片 → 酸化 、 加热 → 丙二 捕集 HO ・ 的二甲基亚砜和水杨酸 , 同样可以用于分 醛 光光度法测定 。徐向荣等用 DMSO 捕集 Fenton 反 丙二醛 + CH2 O + N H3 → 3 ,5 - 二甲酰 - 1 ,4 应体系中的 HO ・ , 产生的甲基亚磺酸与坚牢蓝 BB 二氢吡啶 盐反应 ,生成的重氮化合物经甲苯 : 正丁醇 ( 3 :1) 混合 通过用电化学分析法检测产物 3 ,5 - 二甲酰 物萃取后 ,用分光光度法在 420nm 处进行比色测定 , 1 ,4 - 二氢吡啶的形成和变化 , 可得到丙二醛的产生 ] 认为这种方法用来研究羟基自由基的产生与清除准 量和变化 ,进而推断出羟基自由基的量及变化 [ 11 。 ] 确可靠 ,有较好的重现性 [ 8 。贾之慎等用水杨酸捕集 上述的方法值得我们在制浆化学的研究领域中 Fenton 反应体系中的 HO ・ , 生成的 2 ,3 - 二羟基苯 参考和借鉴 ,特别是在高温过氧化氢漂白等与羟基自 甲酸用乙醚萃取 ,用钨酸钠和亚硝酸钠显色 , 然后用 分光光度计测定其 510 nm 处的吸光度 ,结果显示吸 光度随水杨酸浓度 、 Fe2 + 浓度及 H2 O2 的浓度增加而 上升 ,认为这体现了 HO・ 生成的变化规律 ,这种方法 ] 是一般实验室可采用的简便实用的方法 [ 9 。 由基反应有关的机理研究之中 。需要注意的是 , 除 ESR 法可直接测定自由基外 , 其余的均只能间接测 定 。由于 HO・ 的寿命短 , 即使是与自旋捕捉剂反应 的产物寿命也很有限 ; 同时在有些捕集反应的过程中 反应步骤较多 ,产物较复杂 , 因此无论是直接测定方
后的纸浆白度并缩短漂白时间 。 在上述含氧类自由基中 , 羟基自由基是水溶液 中最强的氧化剂之一 [ 3 ] , 其氧化能力仅次于 F2 , 在 中性介质中的标准氧化电势为 2. 32eV ,在过氧化氢 漂白以及氧脱木素和臭氧漂白等过程中 , HO ・ 均为 很强的脱木素剂 , HO ・ 与 O2- ・ 及 HOO ・ 的协同作用
→ HO・ + HOO・ + HO
-
Ξ 国家自然科学基金资助项目 20276023
Pap e r Scie nce & Tec h nol o gy 2003 V ol . 22 N o . 6
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几种有关羟基自由基的测定方法 , 可供制浆造纸研 究领域作为参考 ,并可结合本专业的特点加以借鉴 、 利用 、 完善和发展 。
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坚牢红 TR 盐 Fast Red TR Salt 坚牢蓝 BB 盐 Fast Blue BB Salt 坚牢红 AL 盐 Fast Red AL Salt
在这四种重氮盐中 , 坚牢黄 GC 盐与甲基亚磺 酸反应产物的信号不但出现尖锐的单峰 , 而且峰高 不受 Fe2 + 等离子的影响 。 2. 2 采用水杨酸捕集羟基自由基的 HPLC 测定方法 用水杨酸 ( 邻羟基苯甲酸 ) 捕捉 HO ・ 的原理如 下[ 7 ] :
表1 几种重氮盐与甲基亚磺酸反应产物的 HPL C 测定结 果
重氮盐 坚牢黄 GC 盐
Fast Yellow GC Salt
λ max (nm)
285 310 430 330
峰高 (cm)
8. 97 10. 51 5. 00 3. 34
高 效 液 相 色 谱 法 ( HPL C , High Performance Liquid Chromatograp hy ) 可用于间接测定自 由 基 。 测定过程中必须先选择合适的化合物捕集被测体系 中的自由基 ,使之生成具有一定稳定性 ,且能被液相 色谱分离与检测的产物 ,然后用 HPL C 进行测定 。 2. 1 采用二甲基亚砜捕集羟基自由基的 HPL C 测 定方法 二甲基亚砜 ( DMSO ) 是一种常见的溶剂 , 近年 来国内外均有报道利用 DMSO 捕集羟基自由基 ,定 量测定 HO・ 的产率 。其测定原理是通过 DMSO 与 HO・ 反应生成甲基亚磺酸 ( CH3 SO2 H) 和甲基自由
H2 O2 + HOO - →HO・ + O2- ・ + H2 O H2 O2 + HOO
-
但在制浆化学领域 , 目前有关羟基自由基的研 究还很少 ,特别在国内还未见报道 。由于自由基非 常活泼 ,存在的寿命非常短 ,一经产生就会马上与邻 近的化学结构发生反应 , 因而给有关的测定与研究 造成一定的难度 。根据查阅的有关文献 , 以下介绍
ce根据实验结果认为这种方法操作简便测定快速有较好的重现性袁倬斌等利用脱氧核糖与在fenton反应中产生的羟基自由基作用在酸性条件下经过降解生成丙二醛丙二醛再与甲醛氨相互作用生成具有电化学活性的产物3ho碎片酸化加热二氢吡啶通过用电化学分析法检测产物二氢吡啶的形成和变化可得到丙二醛的产生量和变化进而推断出羟基自由基的量及变化上述的方法值得我们在制浆化学的研究领域中参考和借鉴特别是在高温过氧化氢漂白等与羟基自由基反应有关的机理研究之中
HO・ + HO - + Fe3 + 。
(n + 1) + (n + 1) +
M n + + HOO・ + H+
n+
+M M + ・ +H ( 式中的 M 表示过渡金属离子)
O2-
+
这类反应的活化能低 , 即使在常温下其反应速 度也非常快 ,导致过氧化氢迅速分解 ,其过程难以控 制 ,造成过氧化氢漂白剂被浪费 ,纸浆漂后白度低和 粘度损失大等不良后果 。催化含氧类自由基生成的 另一种原因是提高过氧化氢漂白的温度 。过氧化氢 的分解速度和反应速率随着温度的提高而增快 , 含 氧类自由基的生成也因温度的提高而增加 [ 1 ,2 ,3 ] : H2 O2 + HO - [ HOO - + O2 O
] 可使木素发生一系列降解反应 [ 4 。采用适当的条件
M
(n + 1) +
+ HO・ + HO -
产生 、 控制和利用 HO ・ 等含氧类自由基 , 有利于提 高漂白过程中的脱木素速率和脱木素选择性 , 体现 高白度 、 短流程的漂白效果 。 对羟基自由基的研究近年来在医学 、 生物学 、 生 物化学和环境化学等领域受到了高度的重视 , 国内 外的有关学者对羟基自由基的作用和影响 、 自由基 的产生与反应机理以及自由基的测定方法等进行了 多方面的研究 。在有关研究中常利用 Fenton 反应 来引发产生羟基自由基 , 其原理为 : H2 O2 + Fe2 + →
1 自旋捕Leabharlann —ESR 法基 ,然后用重氮盐与甲基亚磺酸反应 ,生成的重氮化 合物利用 HPL C 测定 ,其测定原理如下 [ 6 ] : ( CH3 ) 2 SO + HO・ → CH3 SO2 H + ・ CH3 ( DMSO) ( 甲基亚磺酸)
O CH3 SO2 H — Ar — N — x→ Ar — N=N N ( 重氮盐) S O CH3