魯米諾的合成與振蕩化學(xué)發(fā)光

張一平，鄧?yán)ピ拢w博軒，張雨豪，陳洲慧，阮永紅，周金梅，張慧君，林敏，鄧順柳，曹曉宇，任艷平

廈門(mén)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(廈門(mén)大學(xué))，福建 廈門(mén) 361005

1 引言

魯米諾(Luminol)的化學(xué)名稱(chēng)為3-氨基鄰苯二甲酰肼，具有化學(xué)發(fā)光的特性。在犯罪現(xiàn)場(chǎng)，血跡的勘察非常重要，而魯米諾試劑就在其中扮演著關(guān)鍵角色，它能夠與痕量血跡作用發(fā)出明顯的藍(lán)色熒光。超高的靈敏度使其被廣泛用于刑事偵查、化學(xué)示蹤、免疫分析等重要領(lǐng)域。

魯米諾的合成及其化學(xué)發(fā)光是極具展示度的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)，但目前國(guó)內(nèi)開(kāi)設(shè)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的高校還比較少[1–3]，著重點(diǎn)也多為合成，對(duì)化學(xué)發(fā)光性質(zhì)的探索還僅限于現(xiàn)象的觀察。為進(jìn)一步豐富該實(shí)驗(yàn)的理論內(nèi)涵并提高可推廣性，我們對(duì)其進(jìn)行了合成方法改進(jìn)，并基于其化學(xué)發(fā)光性質(zhì)，設(shè)計(jì)了振蕩化學(xué)發(fā)光實(shí)驗(yàn)。

為了提高魯米諾的產(chǎn)率和純度，以滿足后續(xù)振蕩化學(xué)發(fā)光的要求，我們對(duì)現(xiàn)有教材中的魯米諾合成方法進(jìn)行了改進(jìn)。首先，采用機(jī)械攪拌解決縮合反應(yīng)體系粘度大的問(wèn)題，使反應(yīng)更加充分。其次，原還原步驟所選用的還原劑為連二亞硫酸鈉，存在反應(yīng)劇烈和產(chǎn)品純度欠佳等缺點(diǎn)，將其替換為穩(wěn)定、無(wú)毒的單質(zhì)硫[4]不僅使還原反應(yīng)更加安全、高效，而且顯著提高了產(chǎn)品純度。最后，經(jīng)過(guò)多次嘗試，我們發(fā)現(xiàn)可將反應(yīng)溶劑由甲醇替換為水，并且使用微波輻射可將反應(yīng)時(shí)間從1 h縮短至9 min。以上改進(jìn)使該實(shí)驗(yàn)具備綠色、經(jīng)濟(jì)、高效等優(yōu)點(diǎn)，更適合高?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

魯米諾化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象明顯，但轉(zhuǎn)瞬即逝。我們?cè)O(shè)計(jì)了振蕩化學(xué)發(fā)光實(shí)驗(yàn)，即魯米諾/H2O2/SCN-/Cu2+/OH-振蕩體系化學(xué)發(fā)光動(dòng)力學(xué)探究實(shí)驗(yàn)，能夠觀察到周期性的化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象，如同天上閃爍的星辰。目前基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中涉及的振蕩反應(yīng)一般為碘鐘反應(yīng)和B-Z振蕩反應(yīng)[5,6]，現(xiàn)象更為明顯的振蕩化學(xué)發(fā)光實(shí)驗(yàn)還未見(jiàn)開(kāi)設(shè)。

為進(jìn)一步豐富該實(shí)驗(yàn)的科學(xué)內(nèi)涵，我們?cè)O(shè)計(jì)并搭建了可在熒光光譜儀中使用的簡(jiǎn)易微型磁力攪拌加熱裝置，配合熒光光譜儀，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同條件下溶液體系的發(fā)光情況，得到魯米諾振蕩化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度與振蕩周期等信息。學(xué)生可自行設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，探究反應(yīng)物濃度、溫度、pH等條件對(duì)振蕩反應(yīng)過(guò)程的影響，并利用這些數(shù)據(jù)討論振蕩反應(yīng)機(jī)理。還可根據(jù)阿倫尼烏斯(Arrhenius)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算振蕩反應(yīng)的表觀活化能。

我們已在基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中進(jìn)行過(guò)一輪嘗試。合成部分為學(xué)生單人實(shí)驗(yàn)，振蕩化學(xué)發(fā)光部分為3–4人的小組實(shí)驗(yàn)。如同星辰閃爍般的神奇實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象充分激發(fā)了學(xué)生的求知欲。該實(shí)驗(yàn)涉及縮合反應(yīng)、還原反應(yīng)、動(dòng)力學(xué)、非平衡態(tài)熱力學(xué)、化學(xué)發(fā)光等多個(gè)重要概念，使學(xué)生熟練掌握機(jī)械攪拌、溫度控制、微波合成、分離純化等基本有機(jī)合成操作，并學(xué)習(xí)熒光光譜儀的原理和使用方法。此外，還培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)及分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的能力。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

2.1.1 魯米諾的合成

魯米諾又名發(fā)光氨，在常溫下為淡黃色晶體或米黃色粉末，化學(xué)式為C8H7N3O2。魯米諾的合成涉及兩個(gè)重要有機(jī)反應(yīng)(圖1)：a) 3-硝基鄰苯二甲酸與肼的縮合反應(yīng)；b) 硝基的還原反應(yīng)。

圖1 魯米諾的合成

2.1.2 魯米諾的化學(xué)發(fā)光

化學(xué)發(fā)光是指物質(zhì)在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)伴隨產(chǎn)生的一種發(fā)光現(xiàn)象。比如，在強(qiáng)堿性質(zhì)子溶劑中，魯米諾可與強(qiáng)氧化劑反應(yīng)，被氧化為激發(fā)態(tài)的3-氨基鄰苯二甲酸陰離子，其回到基態(tài)時(shí)以發(fā)射光子的形式釋放能量[7](圖2)。

圖2 魯米諾化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的機(jī)理

2.1.3 H2O2/SCN-/Cu2+/OH-振蕩體系

化學(xué)振蕩反應(yīng)，也稱(chēng)搖擺反應(yīng)，其是指在一些自催化反應(yīng)中，反應(yīng)體系中某些物質(zhì)的濃度隨時(shí)間或空間發(fā)生周期性的變化。該實(shí)驗(yàn)中，我們使用的振蕩反應(yīng)體系為H2O2/SCN-/Cu2+/OH-。一般認(rèn)為該體系涉及的催化循環(huán)如圖3所示[8,9]。

圖3 H2O2/SCN-/Cu2+/OH-振蕩體系的催化循環(huán)過(guò)程

在Cu(I)與Cu(II)相互轉(zhuǎn)換的循環(huán)周期中，生成含氧自由基(HO·和HOO·)，當(dāng)含氧自由基達(dá)到一定濃度后，氧化魯米諾發(fā)出藍(lán)色熒光。這個(gè)過(guò)程周而復(fù)始，從而展現(xiàn)出振蕩的化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象。

2.1.4 魯米諾的振蕩化學(xué)發(fā)光原理

在H2O2/SCN-/Cu2+/OH-振蕩體系中，含氧自由基經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的積累，濃度達(dá)到一定值，從而氧化魯米諾發(fā)出藍(lán)色熒光，而后自由基濃度下降開(kāi)始新的振蕩循環(huán)?？蓪晒鈴?qiáng)度的極大值與基線的差值定義為振蕩振幅(圖4)。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振蕩體系的發(fā)光強(qiáng)度，既能得到振蕩振幅，也能測(cè)定各振幅之間的時(shí)間間隔，即振蕩周期t。

圖4 振蕩振幅與周期

2.2 試劑

3-硝基鄰苯二甲酸(AR)、35%肼水溶液、二縮三乙二醇(AR)、升華硫(AR)、氫氧化鈉(AR)、鹽酸(AR)、30%過(guò)氧化氫(AR)、硫氰酸鉀(AR)、五水合硫酸銅(AR)。

2.3 儀器

2.3.1 主要儀器

機(jī)械攪拌裝置、電熱套、抽濾裝置、移液槍、MCR-3E常壓微波合成萃取儀、MR Hei-Teo磁力攪拌器、SHB-III循環(huán)水式多用真空泵、分析天平、核磁共振儀、F-7000熒光光譜儀。

2.3.2 自主設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易微型磁力攪拌加熱裝置

為了控制溫度和使反應(yīng)體系均勻，以實(shí)現(xiàn)在熒光光譜儀中對(duì)振蕩化學(xué)發(fā)光過(guò)程的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，我們?cè)O(shè)計(jì)并搭建了簡(jiǎn)易微型磁力攪拌加熱裝置(圖5)。該裝置主要由控制系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)與加熱系統(tǒng)構(gòu)成。該裝置的所有零部件均可在網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)，且價(jià)格便宜(約為100元)，方便推廣。

圖5 簡(jiǎn)易微型磁力攪拌加熱裝置

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

2.4.1 魯米諾的合成

投料：用夾子將100 mL三頸瓶固定在豎直方向上，在中間瓶口連接機(jī)械攪拌裝置，在左側(cè)瓶口插入溫度計(jì)，搭建如圖6所示的裝置。攪拌下依次加入2.50 g 3-硝基鄰苯二甲酸，5.0 mL 8%的肼水溶液和7.5 mL二縮三乙二醇。

圖6 縮合反應(yīng)裝置

縮合：開(kāi)啟機(jī)械攪拌，在電加熱套上加熱，直到固體溶解，溶液變?yōu)辄S色。繼續(xù)升溫至沸騰，以除去過(guò)量的水。水蒸發(fā)完全后，溫度升至220 °C左右，溶液變?yōu)樽丶t色，3-硝基鄰苯二甲酸與N2H4的縮合完成。移去熱源，溫度降至100 °C左右時(shí)，緩慢加入40 mL沸水，出現(xiàn)大量沉淀。降至室溫后，冰浴冷卻，抽濾析出黃棕色的3-硝基鄰苯二甲酰肼固體。

還原：將上步反應(yīng)得到的3-硝基鄰苯二甲酰肼加入三頸瓶中，加入1.50 g硫粉和38.0 mL 10%NaOH溶液，攪拌，反應(yīng)液加熱回流1 h或在400 W微波輻射下反應(yīng)9 min，用薄層色譜監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)程。

后處理與分離：如圖7所示，連接恒壓滴液漏斗和氣體吸收裝置(用5% NaOH溶液吸收酸化過(guò)程中產(chǎn)生的酸性氣體)。攪拌下滴加3 mol·L-1鹽酸至體系pH為6 (用精密pH試紙5.5–9.0檢測(cè))，析出大量淡黃色固體，抽濾，收集粗產(chǎn)品。

圖7 后處理反應(yīng)裝置

將粗產(chǎn)品倒入150 mL燒杯中，攪拌下加入30 mL 10% NaOH溶液溶解魯米諾。抽濾，除去不溶的單質(zhì)硫。將所得濾液用3 mol·L-1鹽酸酸化至pH為6，析出大量米黃色固體，抽濾，冰水洗滌，90oC烘干，收集魯米諾產(chǎn)品，兩步總產(chǎn)率約70%。

2.4.2 魯米諾振蕩化學(xué)發(fā)光

溶液配制：溶液A (2.0 mol·L-1H2O2)；溶液B (0.2 mol·L-1KSCN)；溶液C (3.0 × 10-3mol·L-1CuSO4)；溶液D (0.2 mol·L-1NaOH和8.0 × 10-3mol·L-1魯米諾)。

振蕩化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象觀察：分別量取120.0 mL純水，20.0 mL溶液B，20.0 mL溶液C和20.0 mL溶液D于250 mL燒杯中。用磁力攪拌器攪拌并加熱至45 °C (該溫度時(shí)現(xiàn)象較明顯，有利于肉眼觀察)，然后加入20.0 mL溶液A。此時(shí)可以觀察到明顯的魯米諾振蕩化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象(圖8)，記錄振蕩發(fā)光的時(shí)間間隔，即振蕩周期t。

圖8 振蕩化學(xué)發(fā)光現(xiàn)象觀察

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)振蕩發(fā)光過(guò)程：將微型磁力攪拌加熱裝置的攪拌模塊放置于熒光池正下方，在攪拌器和熒光池的中間放置加熱片。加熱溫度設(shè)置為35 °C。打開(kāi)熒光光譜儀電源，設(shè)置好儀器參數(shù)。

向熒光池中加入純水，校準(zhǔn)基線。立即移取已提前預(yù)熱的3.0 mL混合液于熒光池中，開(kāi)啟測(cè)量，得到光強(qiáng)隨時(shí)間變化的曲線。測(cè)量完畢后，保存數(shù)據(jù)，用Origin軟件處理數(shù)據(jù)。

在此基礎(chǔ)上，學(xué)生可以繼續(xù)自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究反應(yīng)物濃度、溫度、pH等對(duì)該振蕩體系的振蕩振幅與周期的影響，總結(jié)振蕩反應(yīng)規(guī)律和討論機(jī)理。還可引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)探究不同溫度下振蕩周期的變化，結(jié)合阿倫尼烏斯經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算振蕩反應(yīng)的表觀活化能。

3 結(jié)果與討論

3.1 3-硝基鄰苯二甲酰肼還原條件探索

通過(guò)探索3-硝基鄰苯二甲酰肼的還原條件(表1)，我們發(fā)現(xiàn)經(jīng)典方法(Na2S2O4還原)雖然反應(yīng)時(shí)間短[3]，但存在反應(yīng)劇烈和產(chǎn)品純度欠佳等問(wèn)題(序號(hào)1)，選用升華硫[4]作為還原試劑可以安全、高效制備高純度魯米諾(序號(hào)2–6)。尤其是，該反應(yīng)可在水相(序號(hào)5)進(jìn)行，更適合于高?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。同時(shí)，使用微波輻射代替常規(guī)加熱能夠?qū)⒎磻?yīng)時(shí)間從1 h縮短至9 min (序號(hào)6)。

表1 3-硝基鄰苯二甲酰肼還原條件探索

3.2 魯米諾的結(jié)構(gòu)和純度表征

通過(guò)紅外光譜和核磁共振氫譜可對(duì)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)和純度進(jìn)行表征。在紅外光譜(圖9)中可觀察到魯米諾分子結(jié)構(gòu)中酰胺C＝O鍵的伸縮振動(dòng)特征峰位于~1658 cm-1，酰胺的N―H鍵伸縮振動(dòng)特征峰位于~3017 cm-1，芳胺的N―H鍵伸縮振動(dòng)特征峰位于~3422 cm-1，與商品試劑紅外光譜的特征峰一致。

圖9 魯米諾產(chǎn)物與商品試劑紅外光譜對(duì)比

圖10為魯米諾的核磁共振氫譜，數(shù)據(jù)如下：1H NMR (400 MHz, DMSO-d6)δ11.17 (s, 2H)，7.45(t,J= 7.9 Hz, 1H)，7.29 (s, 2H)，6.95 (d,J= 7.5 Hz, 1H)，6.89 (d,J= 8.2 Hz, 1H)。

圖10 (a) 魯米諾產(chǎn)品核磁共振氫譜圖；(b) 魯米諾產(chǎn)物與商品試劑譜圖對(duì)比

3.3 探究影響魯米諾振蕩化學(xué)發(fā)光反應(yīng)的因素

3.3.1 魯米諾濃度的影響

我們監(jiān)測(cè)了35 °C攪拌條件下魯米諾振蕩化學(xué)發(fā)光光強(qiáng)隨時(shí)間的變化。根據(jù)振蕩體系中不同反應(yīng)物濃度對(duì)光強(qiáng)及振蕩周期的影響，總結(jié)振蕩反應(yīng)規(guī)律，供學(xué)生參考。

如圖11所示，隨著體系中魯米諾濃度的增加，振幅稍增大，但振蕩周期的變化不大，因?yàn)闆Q定振蕩周期的是Cu2+催化H2O2分解的過(guò)程，魯米諾作為發(fā)光指示劑，對(duì)振蕩周期影響不大。

圖11 不同魯米諾濃度下魯米諾/H2O2/SCN-/Cu2+/OH-振蕩體系化學(xué)發(fā)光動(dòng)力學(xué)曲線

3.3.2 KSCN濃度的影響

如圖12所示，隨著體系中KSCN濃度的增加，振幅增大，振蕩周期變長(zhǎng)。因?yàn)镵SCN濃度增加，促進(jìn)SCN-與Cu2+的配位形成[CuII(SCN)n]2-n，使得體系中Cu2+濃度下降，因而振蕩周期變長(zhǎng)。同時(shí)，一個(gè)振蕩周期內(nèi)累積的含氧自由基濃度增加，振幅增大。

圖12 不同KSCN濃度下魯米諾/H2O2/SCN-/Cu2+/OH-振蕩體系化學(xué)發(fā)光動(dòng)力學(xué)曲線

3.3.3 CuSO4濃度的影響

如圖13所示，隨著CuSO4濃度的增加，Cu2+作為催化劑，加快振蕩反應(yīng)速率，從而使得周期變短。同時(shí)由于單位周期內(nèi)累積的含氧自由基濃度減小，振幅減小。

圖13 不同CuSO4濃度下魯米諾/H2O2/SCN-/Cu2+/OH-振蕩體系化學(xué)發(fā)光動(dòng)力學(xué)曲線

3.3.4 H2O2濃度的影響

如圖14所示，隨著體系中H2O2濃度的增大，振蕩周期變短，振幅增大。因?yàn)镠2O2作為反應(yīng)物，其濃度增加，使得Cu2+催化H2O2分解的速率變快，振蕩周期縮短。同時(shí)，H2O2濃度增加使分解產(chǎn)生的含氧自由基的濃度增加，因此振幅增大。

圖14 不同H2O2濃度下魯米諾/H2O2/SCN-/Cu2+/OH-振蕩體系化學(xué)發(fā)光動(dòng)力學(xué)曲線

3.3.5 溫度的影響：計(jì)算表觀活化能

與上述方法類(lèi)似，我們用F-7000熒光光譜儀測(cè)定了不同溫度下振蕩周期隨時(shí)間的變化，結(jié)果如表2所示。其中各組分濃度為：溶液A (2.0 mol·L-1H2O2)；溶液B (0.2 mol·L-1KSCN)；溶液C (3.0 ×10-3mol·L-1CuSO4)；溶液D (0.2 mol·L-1NaOH和8.0 × 10-3mol·L-1魯米諾)。

表2 不同溫度下的振蕩周期變化

根據(jù)阿倫尼烏斯方程，振蕩周期t與溫度T的關(guān)系可表示為：lnt= -lnA+Ea/RT。其中，Ea是表觀活化能，R是理想氣體常數(shù)(8.31 J·mol-1·K-1)，T是Kelvin溫度，A是經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。以lnt對(duì)1/T× 103作圖(圖15)，從直線斜率可求振蕩反應(yīng)的表觀活化能Ea(52.3 kJ·mol-1)。

圖15 魯米諾振蕩化學(xué)發(fā)光反應(yīng)lnt-1/T×103關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)標(biāo)國(guó)家建設(shè)一流課程的“兩性一度”(高階性、創(chuàng)新性和一定的挑戰(zhàn)度)要求，我們對(duì)“魯米諾的合成與化學(xué)發(fā)光實(shí)驗(yàn)”進(jìn)行了改進(jìn)和拓展，希望能更有效推廣這個(gè)科學(xué)內(nèi)涵豐富且極具展示度的基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)。

將現(xiàn)有教材中魯米諾合成過(guò)程用到的磁力攪拌、保險(xiǎn)粉還原和常規(guī)加熱改進(jìn)為機(jī)械攪拌、硫粉還原和微波合成，實(shí)現(xiàn)了安全、快速、高效制備高純度魯米諾的目的。

基于魯米諾的化學(xué)發(fā)光性質(zhì)，設(shè)計(jì)了振蕩化學(xué)發(fā)光實(shí)驗(yàn)，周期性的發(fā)光現(xiàn)象就如同天上一閃一閃的小星星；通過(guò)自行設(shè)計(jì)并搭建簡(jiǎn)易微型磁力攪拌加熱裝置，與熒光光譜儀配套使用，精確測(cè)定振蕩化學(xué)發(fā)光的振幅與周期，并根據(jù)阿倫尼烏斯經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算振蕩反應(yīng)的表觀活化能。

該實(shí)驗(yàn)涉及多學(xué)科的重要知識(shí)點(diǎn)，儀器簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，易于推廣。本校已開(kāi)展過(guò)一輪教學(xué)實(shí)踐，合成部分學(xué)生獨(dú)自開(kāi)展，振蕩化學(xué)發(fā)光部分以小組合作方式進(jìn)行，整個(gè)實(shí)驗(yàn)可在8 h內(nèi)完成，學(xué)生有充足的時(shí)間自行設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而總結(jié)反應(yīng)規(guī)律并探討振蕩反應(yīng)機(jī)理。開(kāi)放性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)極大提高了學(xué)生提出問(wèn)題和解決問(wèn)題的積極性。

5 創(chuàng)新性

1) 引入機(jī)械攪拌、硫粉還原和微波合成，確保安全、快速、高效地制備高純度魯米諾。

2) 將與非平衡態(tài)熱力學(xué)有關(guān)的振蕩化學(xué)發(fā)光反應(yīng)引入基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3) 借助自主設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易微型磁力攪拌加熱裝置，利用熒光光譜儀實(shí)時(shí)定量監(jiān)測(cè)振蕩化學(xué)發(fā)光過(guò)程。

致謝：感謝廈門(mén)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院陳曦教授、王翊如副教授、周劍章副教授、陳毅輝副教授等老師和廈門(mén)大學(xué)化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心技術(shù)人員的幫助和指導(dǎo)。