次氮基三丙酸與鈹離子螯合作用的研究

馬繼飛 姚 劍 諸 穎 李玉蘭

(中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所 熔鹽化學(xué)與工程技術(shù)部，上海 201800)

0 前言

鈹是一種外表呈灰色的稀有輕金屬，主要來源于綠柱石礦，被廣泛用于航空航天、核能工業(yè)、石油儀器、制冷機(jī)械、通訊等高科技工業(yè)領(lǐng)域。由于鈹及其化合物的廣泛應(yīng)用，早在20世紀(jì)30～40年代，人們就認(rèn)識(shí)到鈹具有較強(qiáng)的毒性，至今，對(duì)鈹?shù)亩拘匝芯恳延薪话倌闧1-2]。研究人員認(rèn)為螯合劑扮演著清除“沙子”的功能，可以清除體內(nèi)的鈹金屬[3-5]。螯合療法主要是使用螯合劑螯合住體內(nèi)有害的金屬，使之成為安全的螯合物，以靜脈注射的方式來治療疾病，經(jīng)由腎臟變成無害的尿液排出體外[5-6]。

次氮基三乙酸是一種常見的有機(jī)配體，由于其生物學(xué)意義和螯合性能已被廣泛地研究[7-8]。本研究采用的次氮基三丙酸(NTP)具有次氮基三乙酸相似結(jié)構(gòu)的配體，與次氮基三乙酸相比，在每條酸鏈上含一個(gè)額外的—CH2—結(jié)構(gòu)，因此具備更好的金屬螯合性能[9]。

在本研究中，采用分光光度法測(cè)定NTP與Be2+的相互作用之間的關(guān)系，測(cè)得NTP與Be2+的配比關(guān)系和條件穩(wěn)定常數(shù)，為尋找對(duì)鈹中毒有效的螯合劑提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

U3010型紫外/可見光光度計(jì)(日立公司)，ORION/310P pH計(jì)(美國奧立龍)， Elix Advantage純水儀(美國Millipore公司)。

3,3',3''-次氮基三丙酸(Sigma試劑)、硫酸鈹四水合物(阿拉丁試劑)、高氯酸(國藥試劑)、氫氧化鈉(國藥試劑)均為分析純及以上級(jí)別試劑，水由Millipore公司的Milli-Q系統(tǒng)純化的二次去離子水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1螯合動(dòng)力學(xué)

在室溫25 ℃，pH=6.0條件下，考察不同時(shí)間下，NTP對(duì)Be2+的螯合動(dòng)力學(xué)。

1.2.2螯合物配比和條件穩(wěn)定常數(shù)的測(cè)定

所有實(shí)驗(yàn)在室溫25 ℃，pH=6.0條件下進(jìn)行，以水作為參比，在242 nm處測(cè)定溶液的吸光度值。

采用摩爾率法[10-11]測(cè)定螯合物配比。配制一系列含不同濃度比的NTP和Be2+離子溶液，其中NTP終濃度恒定為2.5 mmol/L，Be2+離子的終濃度范圍從0.25～10 mmol/L，測(cè)定溶液的吸光度值。

采用Job法[11]測(cè)定螯合物的配比和條件穩(wěn)定常數(shù)。固定NTP和Be2+的總物質(zhì)的量為5 mmol/L，改變兩種組分的比例，測(cè)定溶液的吸光度值。

1.2.3不同pH值下NTP對(duì)Be2+的螯合影響

用高氯酸與NaOH調(diào)節(jié)pH值，在室溫25 ℃與不同pH值條件下，考察2.5 mmol/L NTP對(duì)2.5 mmol/L Be2+的螯合量，測(cè)定溶液在242 nm處的吸光度值。

2 結(jié)果與討論

2.1 NTP溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線測(cè)定

配置5 mmol/L的母液，然后分別配置0.625，1.25，2.5，4，5 mmol/L的NTP溶液，用高氯酸與NaOH調(diào)節(jié)pH值。測(cè)定其在206 nm處的吸光度值，制作標(biāo)準(zhǔn)曲線。曲線的線性回歸方程為Y=0.170X+0.005，相關(guān)系數(shù)R2=0.999。

2.2 NTP與Be2+螯合物的測(cè)定

2.2.1NTP與Be2+螯合動(dòng)力學(xué)

在室溫25 ℃，pH=6.0，測(cè)定濃度為2.5 mmol/L的NTP對(duì)2.5 mmol/L的Be2+溶液的螯合動(dòng)力學(xué)。NTP對(duì)Be2+的螯合在較短的時(shí)間內(nèi)完成，2 h左右達(dá)到最大，隨著時(shí)間延長(zhǎng)螯合量趨于平衡。NTP對(duì)Be2+的作用機(jī)理如圖1所示，Be2+與NTP結(jié)構(gòu)中的3個(gè)羧基氧原子和1個(gè)氮原子形成螯合四齒配體結(jié)構(gòu)，NTP與Be2+作用時(shí)較快且穩(wěn)定[12]。

圖1 NTP與Be2+的作用機(jī)理圖Figure 1 Reaction mechanism of NTP-Be2+ complex.

2.2.2NTP與不同Be2+螯合的光譜分析

在室溫25 ℃，pH=6.0，螯合時(shí)間為2 h，測(cè)定NTP與Be2+的螯合物的吸收光譜。偏酸性是為了避免Be2+的水解，過高的pH值會(huì)生成Be(OH)2沉淀，而過低pH值會(huì)影響NTP鏈上的H+解離[13]。從200 nm到400 nm，分析NTP與Be2+螯合物的吸收光譜，如圖2所示，螯合物在242 nm處有吸收峰。

圖2 NTP與不同Be2+螯合的吸收光譜圖Figure 2 Absorption spectra of Be2+(a), NTP(b), and NTP-Be2+ complex(c～g).

2.2.3NTP與Be2+螯合物配比的測(cè)定

采用摩爾比法(molar ratio method)測(cè)定螯合物配比，在242 nm處測(cè)量溶液的吸光度值。配制一系列含NTP和Be2+不同濃度比溶液，其中NTP終濃度恒定為：2.5 mmol/L，Be2+的終濃度范圍為：0.25，0.5，1，1.5，2.5，5，7.5，10 mmol/L。通過摩爾比法得到的圖3表明，Be2+與NTP螯合物的摩爾比為1∶1。可以看到，在Be2+與NTP摩爾比大于2∶1時(shí)，獲得吸收飽和。

此外，采用Job法測(cè)定螯合物的配比。固定NTP和Be2+的總物質(zhì)的量不變，改變兩種組分的比例，在恒定條件下(室溫，pH=6.0)，螯合時(shí)間為2 h，在242 nm處測(cè)量溶液的吸光度值。圖4顯示NTP與Be2+體系的Job曲線，該曲線在摩爾分?jǐn)?shù)0.5處出現(xiàn)最大值，說明NTP與Be2+形成1∶1的螯合物。通過Job曲線擬合得到NTP與Be2+體系的條件穩(wěn)定常數(shù)lgK為4.35。

圖4 NTP與Be2+螯合的Job曲線Figure 4 Job’s curve of NTP-Be2+ complex.

2.2.4不同pH值下NTP與Be2+的螯合影響

在不同pH條件下，考察了2.5 mmol/L的NTP對(duì)2.5 mmol/L的Be2+溶液螯合3 h的螯合量。結(jié)果見圖5，在pH=6.0的條件下，NTP對(duì)Be2+的螯合量最大；在pH=4.5～6.0的范圍內(nèi)，NTP對(duì)Be2+的螯合較為穩(wěn)定；隨著pH的降低(2.5～4.5)，螯合量逐漸減少；隨著酸性的增強(qiáng)，NTP對(duì)Be2+基本沒有作用。這是因?yàn)樗嵝?yīng)的影響，NTP鏈上的H+解離不多，NTP與金屬離子配位的位置較少，被螯合的金屬離子也就較少。另外，隨著堿性的增強(qiáng)，NTP與Be2+螯合物也開始部分水解，被螯合的金屬離子進(jìn)入堿性螯合液，與OH-以氫氧化物的形式沉淀析出，會(huì)導(dǎo)致螯合量的下降。

圖5 不同pH值對(duì)NTP螯合Be2+的影響Figure 5 Effect of pH on absorbency of NTP-Be2+ complex (pH=2～6).

3 結(jié)論

次氮基三丙酸能夠與Be2+在較短時(shí)間內(nèi)形成穩(wěn)定的螯合物，這為對(duì)鈹中毒有效的新螯合劑的研制方向提供了理論依據(jù)。NTP對(duì)Be2+螯合物的摩爾比為1∶1，這與作用機(jī)理圖相吻合，條件穩(wěn)定常數(shù)lgK為4.35，說明螯合物比較穩(wěn)定。螯合反應(yīng)時(shí)pH值對(duì)NTP與Be2+螯合量有著重要的影響。當(dāng)螯合反應(yīng)顯弱酸性時(shí)，不僅NTP末端的羧基發(fā)生電離，NTP氨基上的H+也會(huì)被解離而被鈹元素取代，從而形成四齒配體結(jié)構(gòu)，因此隨著螯合時(shí)pH值的上升，鈹離子螯合的量也隨之增大。但隨著堿性的進(jìn)一步增強(qiáng)，螯合Be2+的含量反而會(huì)減少。所以可通過調(diào)節(jié)NTP與Be2+溶液的pH值來控制NTP與Be2+的螯合量。

[1] 卓馨,蔡紅,石影.雙水相萃取光度法測(cè)定鈹[J].稀有金屬,2011,30(4):567-569.

[2] Sharma P, Johri S, Shukla S.Beryllium-induced toxicity and its prevention by treatment with chelating agents[J].Journal of Applied Toxicology,2000,20(4):313-318.

[3] Flora S J S.Chelation therapy[J].Chemistry,Molecular Sciences and Chemical Engineering,2013(3):987-1013.

[4] Britton R S,Leicester K L,Bacon B R. Iron toxicity and chelation therapy[J]. International Journal of Hematology,2002,76(3):219-228.

[5] Schmidt M, Bauer A, Schmidbaur H. Beryllium chelation by dicarboxylic acids in aqueous solution[J].Inorganic Chemistry,1997,36(10):2040-2043.

[6] Maron D J,Hlatky M A.Trial to assess chelation therapy (TACT) and equipoise: When evidence conflicts with beliefs [J].American Heart Journal,2014,168(1):4-5.

[7] Anna H, Milan V, Renate O.Iron(III)-exchange between transferrin and chelates in vitro[J]. Chemico-Biological Interactions，1970,1(3):271-283.

[8] Vladimir E, Lidia A, Ygor A. Metal-chelating chitin derivatives via reaction of chitosan with nitrilotriacetic acid[J].Carbohydrate Research,1996,290(1):33-41.

[9] Mederos A, Domínguez S, Medina AM,et al.Equilibria in aqueous solution between Be(II) and iminodiacetic, N-methyliminodiacetic, N-ethyliminodiacetic and N-propyliminodiacetic acids[J].Polyhedron,1987,6(6):1365-1373.

[10] Syed A T,Feroza H W,Muhammad H S W,et al.Spectrophotometric study of stability constants of cimetidine-Ni(II) complex at different temperatures[J]. Arabian Journal of Chemistry,2012,5(3):309-314.

[11] Jadranka K, Ivana J, Jovan N,et al.Spectrophotometric determination of alendronate in pharmaceutical formulations via complex formation with Fe(III) ions[J].Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis,2002,28(6):1215-1220.

[12] Govender K K, Cukrowski I. Density functional theory in prediction of four stepwise protonation constants for nitrilotripropanoic acid(NTPA)[J]. The Journal of Physical Chemistry A, 2009,113(15):3639-3647.

[13] Erasmo C,Sixto D,Alfredo M,et al.Nitrilotripropionic acid(NTP) and other polyamino carboxylic acids as sequestering agents for beryllium(II). X-ray crystal structure of sodium (nitrilotripropionato)beryllate(II) trihydrate, Na[Be(NTP)].cntdot.3H2O[J].Inorganic Chemistry,1995,34(6):1579-1587.