化学发光剂鲁米诺的合成

化学发光剂─鲁米诺的合成
一、实验目的
学习芳烃硝化反应的基本理论和硝化方法，加深对芳烃亲电取代反应的理解，进一步掌握重结晶操作技术；
了解鲁米诺化学发光原理。

二、实验原理
3-硝基-邻苯二甲酸（3-Nitrophthalic Acid）是制备化学发光
剂鲁米诺的原料，经脱水后得到的3-硝基-邻苯二甲酸酐可用于有机合成
和醇类测定。

邻苯二甲酸酐经直接硝化，既可获得3-硝基-邻苯二甲酸，
同时也会得到4-硝基-邻苯二甲酸。

在3-硝基-邻苯二甲酸分子中，硝基
对邻位羧基影响很大，它和羧酸会形成分子内氢键，加上相邻二羧基之间
存在的分子内氢键，对整个羧酸分子的离解产生显著的抑制作用，从而导
致其水溶性下降。

在4-硝基-邻苯二甲酸中，硝基与羧酸之间难形成分子
内氢键，因而，它在水中的离解度相对要大一些，水溶性也好一些。

邻苯
二甲酸酐硝化后产生的异构体的分离正是利用它们在水溶性上的差异加
以解决的。

反应式：
许多化学反应都是以热的形式释放能量，也有一些化学反应主要是以光的形式释放能量，鲁米诺（Luminol）在碱性条件下与氧分子的作用就是一个典型的化学发光例子。

一般认为，鲁米诺在碱性溶液中转变为二价负离子，后者与氧分子反应生成一种过氧化物，过氧化物不稳定而发生分解，导致形成一种具有发光性能的电子激发态中间体。

其过程如下：
现已证实，发光体是3-氨基-邻苯二甲酸盐二价负离子的激发单线态。

当激发单线态返回至基态，就会产生荧光。

激发态中间体也可将能量传递至激发态能量较低的受体分子，受激发的受体分子再通过发出荧光释放能量恢复到基态。

不同受体分子的激发态能量的差异使其发出的荧光各不相同，这些现象在本实验中可观察得到。

三、药品
邻苯二甲酸酐、二缩三乙二醇、10％水合肼、二水合连二亚硫酸钠、二甲亚砜、浓硫酸、发烟硝酸、冰醋酸、10％氢氧化钠、氢氧化钾
四、实验操作
1、3-硝基-邻苯二甲酸的合成
在100mL三口烧瓶上，配置磁力搅拌器、温度计、冷凝管和滴液漏斗，分别加入12ml浓硫酸和12g邻苯二甲酸酐。

加热并开动搅拌器，当反应混合物温度升至80℃停止加热。

将10mL发烟硝酸自滴液漏斗慢慢滴入烧瓶中，滴加速度以维持反应混合物温度在100～110℃[1]。

加完硝酸后，继续加热并搅拌1h，温度控制在100℃。

然后，让反应液冷却。

在通
风橱中将反应液慢慢倒入盛有40ml冷水的烧杯中[2]。

当有固体析出时，倾去酸液，再向烧杯中加入10ml水，用玻璃棒充分搅拌，使副产物4-硝基-邻苯二甲酸溶于水。

过滤，收集固体即得到3-硝基-邻苯二甲酸粗产物[3]。

3-硝基-邻苯二甲酸粗产物可用水重结晶，在重结晶时，每克粗产物约需2.3mL的水。

产物m.p 215～218℃。

2、鲁米诺的合成
将1.3g 3-硝基-邻苯二甲酸和2ml10％水合肼置入100ml二颈烧瓶，加热溶解[4]。

然后加入4ml二缩三乙二醇，将二颈烧瓶固定在铁架台上，加入沸石，插入温度计，用一导管将烧瓶通过安全瓶与水泵相连。

打开水泵，加热烧瓶，瓶内反应物剧烈沸腾，蒸出的水蒸气由导管抽走。

大约5min后，温度快速升至200℃以上。

继续加热，使反应温度维持在210～220℃，约2min，打开安全瓶上活塞，使反应体系与大气相通，停止加热和抽气[5]。

让反应物冷却至100℃，加入20ml热水（加热后在冷却，所获粗产物容易过滤），进一步冷却至室温，过滤，收集浅黄色晶体，即得到5-硝基-邻苯二甲酰肼中间体，中间体不需要干燥即可用于下一步的反应。

将5-硝基-邻苯二甲酰肼中间体转入到烧杯中，加入6.5ml 10％氢氧化钠溶液，用玻璃棒搅拌使固体溶解。

加入4g二水合连二亚硫酸钠，然后加热至沸并不断搅拌，保持沸腾5min。

稍冷却，加入2.6ml冰醋酸，继而在冷水浴中冷却至室温，有大量浅黄色结晶析出。

抽滤，水洗3次，再抽干，收集终产物5-硝基-邻苯二甲酰肼（鲁米诺）。

取少许样品经干燥测定熔点（m.p 319～320℃）。

3、发光反应
在250ml锥形瓶中，依次加入15g氢氧化钾、25ml二甲亚砜和0.2g未经干燥的鲁米诺，盖上瓶塞，然后剧烈摇荡，使溶液与空气充分接触。

此时，在暗处就能观察到从锥形瓶中发出的微弱蓝色荧光。

继续摇荡并不时地打开瓶塞，让新鲜空气进入瓶内，瓶中的荧光会变得越来越亮。

若将不同荧光染料（1～5mg）分别溶于2～3ml水中，并加入到鲁米诺二甲亚砜溶液中，盖上瓶塞，用力摇动，在暗室里可以观察到不同颜色的荧光。

部分结果如下：
无染料：蓝白色；曙红：橙红色；罗丹明B：绿色；荧光素：黄绿色
五、注释
[1]、发烟硝酸是强腐蚀性试剂，应在通风橱中小心量取。

若不慎溅到手上，可用水冲洗。

[2]、反应物在倒入水中的过程，有毒的一氧化氮气体会逸出，操作时应在通风橱中进行，不要吸入有毒气体。

[3]、洗涤液和母液合并后，经蒸发浓缩，可获得4-硝基-邻苯二甲酸。

不过浓缩要当
心，当溶液变浓时，固体物质溶液发生碳化。

或者用乙醚对经过初步浓缩后的合并液进行萃取，然后蒸去乙醚即可得到4-硝基-邻苯二甲酸，m.p 165℃。

[4]、水合肼极毒并具有强腐蚀性，应避免与皮肤接触。

[5]、停止加热前，一定要先打开安全瓶上的活塞，使反应体系与大气相通，否则容易发生倒吸。

六、思考题
1、与氯苯硝化相比，邻苯二甲酸酐的硝化条件有什么不同，为什么？
2、为什么4-硝基-邻苯二甲酸在水中的溶解性要比3-硝基-邻苯二甲酸强？
3、鲁米诺化学发光的原理是什么？
4、本实验在做鲁米诺发光演示时，为什么要不时打开瓶盖并剧烈摇荡？
1．鲁米诺的合成
在20cm3试管中，加入0.3g环状二酰胺，用5cm3 10%NaOH溶解，加入2g连二亚硫酸钠粉末，用玻璃棒充分搅匀，在通风柜内，将试管放入油浴中，加热至沸点，保温15min （或用酒精灯的微火小心加热至沸腾，试管距火焰高些，保温加热，并不断摇晃，千万不可喷出！沸腾15min），加入冰醋酸2cm3。

将试管自然冷却至室温，再在冷水浴中冷却10min，逐渐析出棕黄色鲁米诺固体，离心分离，用滴管取出上层清液，得产物鲁米诺约0.3g。

名称：鲁米诺; 3-氨基苯二甲酰肼; 发光氨
英文名：3-Aminophthalhydrazide
别名：Luminol ；5-Amino-2,3-dihydro-1,4-phthalazinedione
分子式：C8H7N3O2
分子量：177.16
CAS #:521-31-3
形状：浅黄粉末
含量：≥98% (HPLC)
熔点：>300℃
用途：化学发光试剂，常用于化学发光免疫分析，例如，金属阳离子和血液分析。