（分析化学专业论文）酚醌类有机小分子电化学和红外光谱电化学研究.pdf

安徽大学硕l j 学位论义中文摘要 酚醌类有机小分子电化学和红外光谱 电化学研究 中文摘要 本文首先综述了酚醌一类有机小分子电化学的研究进展。酚醌类化合物结构 式中含有酚羟基和羰基官能团，是氧化还原反应的活性中心，其大多具有良好的 电化学反应活性，是电子传递的优良载体。研究酚醌类化合物的电化学反应机理 情况，有助于加深了解它们在生物体内所参与的代谢过程。本文重点研究了结构 和电化学性质具有代表性的几种酚醌类化合物：中药成份丹皮酚和丹参酮1 7 a 、 1 ，4 对苯醌( b q ) 、邻萘醌等。主要工作概括如下： 1 、研究了碱性磷酸盐缓冲溶液体系中的丹皮酚在固体电极上的电化学吸附 氧化行为。与苯酚的电化学性质比较表明，碱性溶液中丹皮酚在电极表面上发生 类似的不可逆的氧化。氧化产物发生随后化学反应，在电极表面生成致密的不导 电聚合物膜。利用超微电极技术研究了丹皮酚电化学氧化的动力学，时间分辨快 速扫描红外光谱电化学的实验结果表明电极表面的聚合物膜是芳醚类聚合物。利 用交流阻抗技术研究了所产生的聚合物膜。 2 、运用红外差谱、时阿分辨红外快速扫描等光谱电化学技术研究了b q 在 乙腈溶剂中的电化学氧化还原过程。实时的跟踪研究反应物、生成物及中间体随 电位、时间的变化。首次清楚观察到半醌自由基中间体在还原或是氧化过程中的 生成和消去，采用二维相关谱技术，对时间分辨红外光谱中各谱峰之间的相关信 息进行深入的分析，从一个新的角度验证了b q 反应机理。同时利用低温时间分 辨红外快速扫描手段考察了半醌自由基中间体的存在寿命与温度的关系，反应速 率常数与中间体寿命的倒数成正比，根据阿累尼乌斯公式k = a e 。酞t ，由斜率可 获得反应活化能。 3 、研究t 3 一( 1 ，2 ) 萘醌、丹参酮y i a 这两种邻醌类化合物的电化学性质。在 固体电极( 裸铂电极) 采用循环伏安法、差分脉冲法、双电位阶跃方法、计时电 量法等多种电化学手段，并借助现场红外光谱电化学技术，从分子水平上探讨其 电化学反应过程中分子结构的变化。与b q 比较发现邻醌类化合物不是简单的两 步单电子过程，推测中间可能存在复杂的后行化学反应，诸如半醌自由基发生二 聚，半醌自由基与有机体系乙腈中的微量水发生质子化偶合现象等。 关键词：醌，鼢，中间体自由基，时间分辨快速扫描 i i 安徽大学硕士学位论文英文摘要 e l e c t r o c h e m i s t r ya n di n - s i t uf t i rs p e c t r o c h e m i s t r y s t u d i e so np a e o n o la n das e r i e so fq u i n o n e s a b s t r a c t a c h i e v e m e n t so fe l e c t r o c h e m i c a ls t u d i e so fq u i n o n ec o m p o u n d sa n dp h e n o l i c c o m p o u n d sw e r er e v i e w e df i r s t l yi n t h i sp a p e r t h e s et w ot y p ec o m p o u n d sw e r e r e l e v a n tt h r o u g hr e d o xc y c l i n g t h e r ea r ec a r b o n y lg r o u p s ( c = o ) a n dh y d r o x y l g r o u p s ( - o r 0 , w h i c ha l ea c t i v e c e n t e ri nr e d o xc y c l i n g m o s t o ft h e ma r e e l e c t r o a c t i v em o l e c u l e sw h i c hp l a ya l li m p o r t a n tr o l ei nr e d o xe l e c t r o n - t r a n s p o r t c h a i n so fl i v i n gs y s t e m sa n d 锄b eu s e di i lm o l e c u l a re l e c t r o n i c s p a c o n 0 1 a n da s e r i e so fq u i n o n e s ( 1 ，4 - b e n z o q u i n o n e ，b 一1 ，2 一n a p h t h o q u i n o n e ，t a n s h i n o n eu a ) ，w i t h r e p r e s e n t a t i v ee l e c t r o c h e m i c a lc h a r a c t e r sw e r ec h o s e na so u rr e s e a r c hs u b j e c t t h i s p a p e rm a i n l yc o v e r e d t h ef o l l o w i n gr e s e a r c hw o r k s ： 1 ，t h ee l e c t r o c h e m i c a lb e 蛔v i o u r so fp a e o n o l 衄d i f f e r e n ts o l i de l e c t r o d e sw e r e s t u d i e db yc y c l i cv o l t a m m e t r yi na l k a l i n ep b ss o l u t i o n c o m p a r a t i v es t u d i e sw e r e c a r r i e do u tb yu s i n gp h e n o lu n d e rs i m i l a re x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s t h ep a c o n o l e l e c t r o c h e m i s t r yo x i d a t i o ni si r r e v e r s i b l e , w h i c hp r o d u c e sac o m p a c ti n s u l a t e d p o l y m e r i cf i l mo nt h ee l e c t r o d es u r f a c e ，a n dt h ee l e c t r o c h e m i s t r yo x i d a t i o nd y n a m i c p r o c e s sw a ss t u d i e do uu l t r a m i e r o e l e c t r o d e t h ei n s u l a t e dp o l y m e r i cf i l mw a sp r o v e d p o l y m e ra r y l e t h e rb yr e a l t i m e i n - s i t ur a p i ds c a ni rs p e c t r o s c o p y t h ei n s u l a t e d p o l y m e r i cf i l m m o d i f i e d p l a t i n u m e l e c t r o d ew a ss t u d i e d b y e l e c t r o c h e m i c a l i m p e d a n c et e c h n i q u e s 2 i n - s i t or a p i ds c a nf 玎ra n di n - s i t ud i f f e r e n c ef t i rs p e c t r o e l e c t r o c h e m i s t r y t e c h n i q u e sw e r eu s e dt ot r a c kt h ew h o l e e l e c t r o c h e m i c a lr c d o xp r o c e s so ft h eb qa s v a r i a b l et i m ea n dp o t e n t i a l t h ei n t e r m e d i a t es e m i q u i n o n ea n i o nr a d i c a la p p e a r a n c e a n dd i s a p p e a r a n c ew e r ed e a r l yo b s e r v e d t w o d k n e n s i o n ( 2 d ) s p e c t r a lc o r r e l a t i o n a n a l y s i sw a se m p l o y e dt od e t e r m i n et h es e q u e n c eo fs p e c t r a le m e r g e n c es h o w ni n r a p i ds c a nf i rs p e c t r a t h er e s u l ts h o w e du san e wi n s i g h ti n t ob oe l e c t r o c h e m i c a l r e d u c t i o nr e a c t i o nm e c h a n i s m t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n t e r m e d i a t ee x i s t e n tl i f e a n dt h et e m p e r a t u r ew a ss t u d i e d b a s e do nt h er e s u l t s ，ak i n e t i c ss i m u l a t i o nw a s p e r f o r m e da c c o r d i n g t ot h ee l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o n m e c h a n i s m , a n dk i n e t i c p a r a m e t e ri sc o n c i d e n tw i t ht h ea r r h e n u i se q u a t i o na r r h e n i n se q u a t i o n ( k = a c 聃、 m 3 ，e l e c t r o c h e m i c a lc h a r a c t e r so ft w ot y p e so fo r t h o q u i n o n e sw e r es t u d i e db y c y c l i cv o l t a m m e t r y ，d i f f e r e n t i a lp u l s ev o l t a m m e t r y , c h r o n o c e u l o m e t r y ，d o u b l e p o t e n t i a ls t e pc h r o n a m p e r o m e r ya n ds oo n i n - s i t uf t i rw a sa l s oe m p l o y e da sa p o w e r f u lt o o li no b t a i n i n gi n f o r m a t i o no ns t r u c t u r a la n dm o c l e c u l a rp r o p e r t i e sd u r i n g t h ep r o c e s so fe l e c t r o c h e m i c a lr e a c t i o n c o m p a r e d 、i t l ib q t h ee l e c t r o c h e m i c a l p r o c e s so fo r t h o - q u i n o n e si sn o tas i m p l et w o s t e po n e - e l e c t r o nc a t h o d i cr e d u c t i o n a c t u a l l yt h e r ea r es o m eo t h e rc o m p l i c a t e dc h e m i c a lp r o c e s s e s ，s u c ha s ：s e m i q u i n o n e r a d i c a ld i m e r i z a t i o n , s e m i q u i n o n er a d i c a lp r o t o n a t i o n , a n ds oo n , f o l l o w e db y e l e c t r o c h e m i c a lr e d u c t i o n k e y w o r d s ：q u i n o n e ，p h e n o l ，i n t e r m e d i a t er a d i c a l ，r e a l - t i m er a p i ds c a n l v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包台其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：王哗 签字日期2 叼年年月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解委l 智数大学有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借间。本人授权安徽蜘以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以呆厢影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者鲐王衅钠始旅 签字吼弦。卜年月2 7 日签字魄刎年厂月舌日 学位论文作者毕业去向： 工作单位 通讯地址 电话 邮编 安徽人学颂仁学位论文第一章酚醌娄有机小分子电化学研究概述 第一章酚醌类有机小分子电化学研究概述 1 引言 醌类化合物在自然界中分布很广，存在于在多种动物、植物和藻类中的色素、 天然染料、维生素k 、辅酶q 中。天然药物如大黄、虎杖、何首乌、决明子、 丹参、番泻叶、芦荟、紫草等等中的有效成分均是醌类化合物【”。醌类化合物主 要作用有：( 1 ) 具有广泛的生物活性，如抗细菌、抗真菌、抗炎抗肿瘤等，可 作为抗氧化剂和自由基清除剂。( 2 ) 生物体内的醌化合物，如质体醌等可作为 电子载体，直接参与动物和植物体内的能量传递，如参与动物呼吸链电子传递和 植物叶绿体中光合作用的电子传递。( 3 ) 某些醌类化合物可作为光敏剂、有机 半导体及激光盘信息储存材料等。 醌类与酚类的化合物之间通过氧化还原相互关联，酚类化合物在氧化作用下 可以氧化成醌类化合物，醌类物质在还原剂作用下可以还原成酚类化合物。各种 天然酚类化合物广泛存在于各类中草药的有效成份中，如丹皮中的丹皮酚，厚朴 提取物和厚朴酚，芦荟外层成分的液汁中主要成分都是酚类物质。这些天然的酚 类大多有抗氧化的功能，可以清除人和动物体内的自由基，还具有抗炎抗过敏抗 肿瘤等药理作用1 2 j 。 酚醌类化合物结构式中含有酚羟基和羰基官能团，是氧化还原反应的活性中 心，其大多具有良好的电化学反应活性，是电子传递的优良载体。研究酚醌类化 合物的电化学反应机理情况，有助于加深了解它们在生物体内参与的代谢过程。 1 2醌类化合物电化学研究进展 醌类化合物在非水有机溶剂中电化学阴极还原过程普遍被认为是一个两步 单电子过程。推断首先被还原成半醌自由基一价负离子，接着在更负的电位下被 还原成二价负离子。然而醌类化合物电化学还原模式并不总是符合这样的一个简 单的两步一电子过程，通常主要偏离理想的循环伏安曲线之处是第二个还原峰电 流比第一个还原峰要小一些，而且在两还原峰之间似乎存在额外的法拉第电流流 酚醌奚有机小分子电化学和红外光谱电化学研究 过。对于某些邻醌类化合物，如3 ，5 - 二叔丁基一l ，2 苯醌，它的第二个还原峰 电流只有第一个还原峰电流的四分之一【3 】，至今为止，仍缺乏令人满意的理论解 释。 表l 部分醌类化合物的伏安特性【4 】 t a b lc vc h a r a c t e r so fs o m eq u i n o n e s 醌类化合物 产物条件 e v 2 ( v ) 电极 技术可逆性 1 ，4 苯醌 q a n ，0 1 m 。l lt e a p o 5 4 e 口7 0 m v q 2 一1 3 3 p t c v a e p l 2 0 m v h 2 q + 0 0 l m o l l h c l 0 4 一o 5 4 a f _ 口5 9 0 m v l ，4 萘醌q d m f ，0 5 m 0 1 lt b a p 1 5 0 p t c v 可逆 9 , 1 0 蒽醌q d m f , 0 5 m 0 1 lt b a p o 9 6 p tc v 可逆 矿 1 6 7 1 2 1 醌类化合物主要的电还原模式 醌类化合物的还原过程包含一系列的电子转移和质子加成反应，有中间体半 醌自由基产生【5 - 9 。一般情况下，醌氢醌电对半反应式如下： q + 2 丑r + 2c i = = = = 宝= -e 2 qq + i v + c = ；= = 毒 i - i q 在质子体系中，醌或者氢醌可能会发生离解反应，影响到其电化学行为特征“o j 。 当氢醌发生解离时，有下列反应存在： h 2 q ；= = h q + h + h q 。- , i t - - - - - - - - - - - - - - - q 2 。+ h + 式电位e f 与溶液p h 值的关系式为： k 1 k 2 安徽大学颁f ：学位论文 第一章酚醌类有机小分子电化学研究概述 e f = e o + r t 2 fi n ( 【 l + 】2 + k l 【旷】+ k i k 2 ) 由上式可知，当溶液的p h 值小于p k t 时，式电位e f 的变化为6 0 m v p h ；当溶 液的p h 值介于p k l 和p k 2 之间时，e f 的变化为3 0 m v p h ；当溶液的p h 值大于 p k 2 对，e r 与溶液的p h 值无关。 如果考虑到溶液中各种质子化形态的醌、半醌以及氢醌，则会有多达九种相 关的物质形态存在，它们组成了如下的化学反应和电化学模式，这就是人们熟悉 的醌类化合物的方格图，是其共性的表现【1 1 1 2 1 。 q q h + 竺q 一 _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 】i h + 占q 一1 - 1 。= ；= 兰v q h 2 2 + e q h 2 e e +e _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ j l 一 1 2 2 无水质子惰性溶剂中醌类化合物的还原行为 q 2 - q h l 炉 q h 2 在a n 1 3 旧、d m f 16 1 、d m s o i l 7 1 、c h 2 c 1 2 1 8 1 等溶剂中，醌类化合物的还原为 连续的两步单电子转移过程，即： q = ；q = ；= = q 2 。 在循环伏安图上可以观察到两个还原波。第一步还原过程生成中间体半醌阴离子 自由基( q ) ，随后的第二步还原生成不稳定产物氢醌阴离子( q 2 ) 。极谱图 酚醌类有机小分子电化学和红外光谱电化学研究 中的第一个还原波一般呈现可逆特征，第二个还原波为准可逆或不可逆波。当醌 环上连有供电子的取代基团，如烷基等，醌环上的电子云密度较大，较难发生电 化学还原反应，且所含有的供电子基团越多，其还原电位变得很负；当醌环上连 有吸电子的取代基团，如卤素等，醌环上的电子云密度较小，较易发生电化学还 原反应，且吸电予基团越多，还原电位变得越正。 表2 含不同取代基的醌类化合物半波电位比较 tab2e l f 2o f d i f f e r e n ts u b s t i t u t eg r o u pq u i n i n e s 醌类化合物溶剂 e 1 ，2 1 ( v ) e i r 2 ( 2 ) ( v ) 注；所得电位均以s c e 做参比，b e n z o n i t r i l e - - 苯乙腈t c b q ( 2 ，3 ，5 ，6 四氯一l ，4 - 苯醌) d c b q ( 2 ，5 - _ 二氯一l ，4 一苯嘏) b q ( i ，4 苯醌) d m b q ( 2 ，5 - 二甲基一1 4 一苯配) d p b q ( 2 ，5 _ 二苯摹一1 ，4 一苯醌) d m o b q ( 2 ，5 一二甲氧基一l ，4 一苯醌) t m b q ( 2 356 - 四甲基一i ，4 - - 苯醌) 1 2 3 惰性溶剂中质子供体存在时醌类化合物的还原行为 在含水溶液【1 9 剀以及含质子供体的有机溶剂中口5 。2 8 】，醌类化合物的还原为连 续的电子转移和质子参与反应，过程中伴随着质子化半醌中间体自由基( q ) 的 生成，最终还原产物为氢醌( q h 9 ，在循环伏安图上出现一个还原波。一般说， 阴离子自由基q 比q 的碱性要强，q 。碱性比q 碱性要强，更易受到h 3 0 + 的影 响，更容易质子化，这主要表现在h 3 0 + 对第二步还原过程的影响上。当体系中 有水( 质子供体) 存在时，醌类化合物的第一步极谱还原受到的影响较小，但由 于还原中间体自由基以及二价阴离子产物的质子化，使得第二个还原波峰电位发 生j 下移【聊。当体系中水的浓度很大时，醌类化合物的两个还原波合并在一起，形 成一个两电子波 3 0 , 3 “，其反应历程( e c e ) 如下： 安徽大学硕j ：学位论文 第一章酚醌类有机小分于电化学研究概述 e r e q ：= ；q 一；兰姐；= 兰o l ，4 一萘醌的反应机理文献已有报道，化合物2 ( 如下所示) 表现为比化合物 1 ( 如下所示) 更负的还原电势，所以醌表现为两个还原峰。当在弱酸或非酸的电 解液中加入质子给体时，醌的电化学机理会有所改变【3 2 】。如果化合物2 和一个质 子给体反应时，会形成化合物3 。h o i j t i n k 工作小组已指出，化合物3 就会立刻 与1 在同样的电势被还原生成产物4 ，结果就形成一个两电子的还原单峰。所以 在相对酸性的水溶液中，例如水，乙酸或甲酸中，1 ，4 一萘醌的还原机理表现为 一个一步两电子转移过程。但事实上，它是一个分步的还原机理( e c e ) 机理， 机理描述如下图所示。第一步是决速步。 o + 带：= o 4 0 o h ， e g g i n s 等对l ，4 一苯醌进行了研究。结果表明，在苯甲酸介质中，1 ，4 酚醌类有g l , d , 分予电化学和红外光谱电化学研究 一苯醌的循环伏安图上第二个还原波为准可逆波，并检测到了q h 和q h 2 的氧化 峰。但当硫酸、高氯酸等强质子供体存在时，循环伏安图上观察到了在比q q 。 电对还原电位正几百毫伏处出现一新还原波，其峰电流随着硫酸、高氯酸的浓度 增加面增加，直至呈现出两史子波的行为特征，这是由于q 发生了前行于电极 反应的质子化反应。2 一甲基一1 ，4 一萘醌也具有类似的电化学行为。总的来说， 有质子参与的醌类化合物的还原历程可表示如下： q 。 凹圭i 毒弘卜舻 簖= q h 2 1 2 4 强弱不同质子供体对醌类无水有机溶剂电化学性质的影响 氢键作用与质子化作用是使得醌类化合物电还原机理发生变化的两个重要 因素【3 4 3 9 】。加入一些氢键能力不同，酸性强度不同的羟基化合物可以与还原产物 ( q 2 。) 形成氢键，或是使原反应物质子化，可得到三种典型的电化学循环伏安 图：( 1 ) 当醌与添加的羟基化合物相互作用较弱时，两个还原波较原来醌的还 原波( 分别对应着醌还原的价负离子和二价负离子) 稍微有些正移，但氧化还原 的可逆性没有改变。随着添加的羟基化合物量增多，第二个还原峰有较大正移， 最终与第一个还原峰重叠。( 2 ) 当醌与添加的羟基化合物相互作用中等时，第 一个还原峰正移并变宽，同时电流在增加，第二个还原峰也正移，但可逆性变差。 ( 3 ) 当醌与添加的羟基化合物相互作用较强时，两个还原波均有较大幅度的正 移，并出现新的前还原波，且伴随有新的氧化波的出现。 一般说来，氢键作用不会改变原来循环伏安图的氧化还原可逆性，不会改变 已有的峰形，而质子化作用则改变了氧化还原的可逆性，电化学图的峰形也有所 改变，从而可以将氢键作用与质子化作用清楚的区别开。( 1 ) 类型属于与一价 负离子或是二价负离子产物形成稳定的氢键作用。每个醌离子所能成键的数目以 及氢键的平衡常数都可以从随所加入羟基化合物量不同引起的峰电位具体的移 动变化值估算得到。( 2 ) 类型涉及到由于氢键或是二价负离子( q 厶) 的质子化 作用导致醌的一价负离子( q ) 发生歧化反应。( 3 ) 类型是由于初始的反应物 安徽丈学硕1 ：学位论文 第一章酚醌类有机小分子电化学研究概述 醌的质子化或是氢键作用。 b u 面iu n o 等人 4 0 i 运用电化学手段研究了几种结构不同的对醌与甲醇的氢键 作用。对醌的二价负离子( p q 2 ) 与甲醇之间的氢键作用可通过测量甲醇加入量 与第二个还原波的半波电位的关系加以研究。在加入低浓度甲醇时，碍到的p q 2 - 与甲醇形成的氢键配比是1 ：2 ，而在加入高浓度甲醇时，得到的p q 2 。与甲酵形 成的氢键配比是1 ：4 。( 如下图) ，这表明醌羰基的胥二价负离子具有很强的氢 键接受能力。 艇) 。 u * o - x , 。j h a s i c k i m 等人【4 l 】讨论了不同的质子给体对l ，4 对苯醌在各种质子惰性溶 剂中( 如：a n ，d m s o ，m c ) 电化学还原的影响。三种有代表性的酸：铵离子、 羰基酸、酚类衍生物都可作为质子供体，涵概了大范围的p 磁值。当加入了质子 供体时出现一个新的还原峰，循环伏安图上电位移动的幅度( e p ) 与所加酸的 p k a 值呈线性关系。这可能与上述的醌类的( e c e ) 反应机理有关，其线性关系 可以测定某些有机酸的解离常数，该法方便快速，重现性很好。 ： 伽 酚醌类有机小分子电化学和红外光谱电化学研究 表3 加入各种不同有机酸l ，4 对苯醌的循环伏安图的电位变化情况 t a b 3 p k aa n dv o l t a m m e t r i cp a r a m e t e r so f b qi nt h ep r e s e n c eo f b r o n s t e da c i d s 酸水dmso a nm c pk。pka4a e p m v 6 p k a 8a e d m v 6 a e o m v “ 磺胺酸 3 2 33 53 4 8co 氢氯化苯铵4 13 73 3 21 0 5 65 8 8c 熊酸吡啶 5 23 53 4 81 2 35 2 8c 高氯酸铵 1 0 6 1 1 1 9 81 8 2 63 2 44 1 8 盐酸哌啶1 1 1 2 1 0 61 0 8 1 8 9 22 8 43 0 8 三氯乙酸 o 6 62 53 8 01 2 45 8 45 5 5 2 一硝基苯甲酸 2 1 88 1 8 1 8 4 1 8 2 43 0 82 8 0 水杨酸2 9 7 6 82 3 21 6 73 9 83 6 6 安息香酸4 2 1 1 18 92 0 71 9 61 7 3 醋酸48 1 2 3o2 2 3 l1 0 41 6 3 有机酸后b q 新的还原峰出现的峰电位。由于较低的溶解度不能被测定 1 2 5 中药材中醌类化合物的分析方法 天然的醌类成分有苯醌、萘醌、菲醌、蒽醌以及少量的芘醌。其中以蒽醌类 化合物最常见，包括蒽醌及其不同还原程度的产物和二聚物。苯醌类主要分布于 风眼草、白花酸藤果和软紫草中。萘醌类主要分布于紫草科和柿树科等。菲醌类 在裸子植物中有少量分布，如落羽松酮等。唇形科鼠尾草科植物中大多含有醌类 化合物，如丹参中的丹参酮1 1 a 、隐丹参酮等。葸醌类化合物主要分布于被子植 物中，有蓼科、豆科、茜草科等。常见的代表药材有大黄、虎杖、决明子、何首 乌等。芘醌存在于菌寄生属真菌菌丝体中，如竹红菌素、竹黄菌素等。 由于各种光谱、色谱技术的飞速发展，对中药及其制剂中含有的醌类成分的 分离测定取得了很大进展。下面就各种光谱、色谱及其联用技术在醌类成分的定 性定量分析中的应用进行简单的概述。 1 、紫外可见分光光度法广泛适用于各种醌类成分的定性、定量分析，既 可进行总量分析，也可进行单组分分析。常用的紫外可见分光光度法有直接测定 法【4 3 】、比色法以及薄层色谱紫外法。直接测定法用于康乐霜中紫草萘醌总色素 的测定，其最大吸收波长在5 2 0 n r a 左右处。六味安消胶囊中蒽醌类成分的测定 安徽人学硕i ：学位论文第一章酚醌类有机小分子电化学研究概述 可用比色法 4 4 a 5 1 。在硅胶h 板，以正己烷乙酸乙脂一甲醇水( 3 ：1 ：2 ：0 0 5 ：4 ) 上层液为展开剂，在紫外灯下定位，无水乙醇振荡提取，于4 3 5 n m 处测定大黄 浸膏中大黄素含量【4 6 】。 ， 2 、萤光法用胶束增敏荧光法可以测定丹参中丹参酮i a 的含量【朔。薄层荧 光法也用于丹参酮l q _ a 含量的测定 4 s l ：硅胶g 板，展开剂为苯醋酸乙脂( 9 ：1 ) ， 激发波长为3 3 5 n m ，发射波长为4 0 0 n m 。 3 、薄层色谱法( t l c ) 是鉴别含蒽醌类成分的中药及其制剂的最主要的定 性方法。t l c 法还可与其他方法联用，用于蒽醌类成分的定量分析。如薄层紫 外分光光度法，薄层荧光法。采用硅胶h 板，苯一醋酸乙脂甲醇水( 3 0 ：1 0 ： 0 5 ：5 ) 为展开剂，以大黄素为对照品，在4 3 5 n m 处测定当归龙荟丸中大黄素的 含量。 4 、薄层扫描法测定含大黄的中药制剂应用较多见。以硅胶0 7 c m c n a 板，以环己烷丙酮甲酸乙脂乙醇水( 3 ：1 5 ：1 6 ：l ：1 5 ) 上层为展开剂， s x = 3 ，x = 4 4 0 n m ，反射法锯齿扫描测定大黄素，在 , = 4 3 5 n m 测定大黄素甲醚 4 9 1 。 5 、高效液相色谱法( h p l c ) 用h p l c 法测定凝胶中大黄素的含量：c 1 5 柱( 5 1 a m ，4 ，6 m m x 2 5 0 m m ) ，甲醇0 1 磷酸液( 9 0 ：1 0 ) ，检测波长为2 8 8 n m 。 流速为o 8 m l m i n 5 0 1 。 6 、超临界流体萃取气相色谱法( s f e c g c 法) 用s f e c g c 法测定丹参中 丹参酮h a 的含量f5 1 i 。用溶解度参数理论预测丹参酮h a 的溶解压力，再用正交 设计法考察温度、改性剂量和动态萃取体积三因素对s f e 萃取效率的影响。 7 、超临界流体萃取胶束电动毛细管色谱法( s f e m e c c 法) 1 5 2 s f e m e c c 法测定大黄中葸醌类成分：萃取条件压力为4 1 4 m p a ，温度为5 0 度，改侄莉量 为o 4 m l ，1 0 m i n 内全部分离。 8 、t l c 极谱法【5 3 1 脉冲极谱法测定何首乌中蒽醌类化合物：硅胶g 板，展开 剂：己烷乙醚二氯甲烷一甲酸乙脂一甲酸( 8 ：1 5 ：o 8 ：l ：o 1 ) ，灵敏度为o 1 m a ， 扫描速率为5 m l s ，脉冲高度为4 0 m v ，延迟时间为2 s ，大黄素在o 1 m o l l 氯化 锂1 ；氨水( 1 0 0 ：1 ) 底液中于- 0 。7 5 v 产生一还原峰，当浓度在0 , , - 1 0 p , g n a l 范围 内，峰高与浓度呈线性关系。 含醌类成分的中药材及其制剂的质量控制方法采用薄层色谱法、比色法和 h p l c 法。此外还有超临界流体萃取技术与色谱、光谱技术的联用方法。薄层色 酚醌类有机小分子电化学和红外光谱电化学研究 谱法具有分离分析功能，可以将中药制剂中的醌类化合物分成单一组分后分别与 其他方法联用如t l c u v 法【5 4 1 ，t c l s 法等，主要用于分离测定单体醌类化合 物，具有适用范围广，成本低的优点，但操作繁琐、费时、分离单一成分的分离 度欠佳。比色法适用于有酚羟基的蒽醌类化合物，它们与碱或镁离子形成络合物 在5 0 0 5 5 0 r i m 处有最大的吸收，适用于蒽醌总色素测定，但不适用于单一成分的 测定。h p l c 法克服了其它定量方法的繁琐、费时、分离度欠佳以及g c 法的拖 尾现象或制备相应的衍生物操作繁琐等缺点，分离效率高且不必制备成衍生物， 在该类制剂中应用中日趋增多。由于超临界流体萃取技术有分离快速、提取完全、 分离度高的优点，与其它分析方法联用在该类制剂中的分析应用增多。荧光法具 有灵敏度高、选择性好、试样量少等特点，不足之处是干扰因素多，且实验条件 苛刻，故在应用中受到限制。总之，含醌类成分的中药材及其制剂的质控方法较 多，且已成熟，在实践中可根据不同制剂类型以及不同的分析要求制定相应的质 量控制方法。 1 3酚类化合物电化学研究进展 酚类化合物在食品、环境、工业加工等领域都有重要的应用，酚类化合物的 定性、定量测定得到人们的广泛关注，以电化学方法研究含酚体系是近几十年来 研究的热点。酚在不同的电极材料上，不同的溶液中以及不同的电位范围内会产 生不同的产物惭1 。尽管运用电化学方法已经广泛的研究酚类化合物，但在不同的 实验条件下其具体的反应机理并不清楚。一般来说，酚类化合物的电化学氧化首 先产生苯氧自由基，进一步被氧化成醌，也可能是苯氧自由基之间或是与溶液中 酚类单体形成聚合物膜附着在电极表面啪1 。这会使工作电极表面发生钝化，失去 电化学响应。现在研究主要集中在：( 1 ) 采用各种生物、化学技术尽量减少对 电极的毒化现象，应用电化学方法对水中酚类污染物进行治理。( 2 ) 在电极表 面生成聚合物膜，然后采用各种技术去研究聚合物膜的结构，行成的原因、影响 因素等等。 1 3 1 酚类化合物主要的几种氧化途径 苯酚是结构式最简单的酚类化合物，但其电化学氧化性质很有代表性。它的 安徽人学顾l 学位论文第一蕈酚醌类有机小分子也化学研究概述 几种可能的氧化途径表述如下时删： 岔拾。一 伶妒 王保成等人利用循环伏安法研究了苯酚在硫酸水溶液体系的电化学行为。提 出苯酚的阳极氧化过程首先是苯酚在裸铂电极上与原子氧竞争并优先吸附，随着 电极电位的升高，吸附在铂电极上的苯酚先行电化学活化，形成带正电中心的活 性中间体，该过程为控制步。活性中间体很快地在阳极上生成苯氧自由基，发生 化学反应生成产物( 邻苯醌或对苯醌) 。关于吸附膜的结构和氧化产物的多样性 还有待光谱法等测试技术继续研究。而酚类化合物的碱水溶液体系在裸金或裸铂 电极上的电化学反应机理则有明显的差别。电极表面先自身吸附0 i f 形成金属氧 化物，在水中产生大量的羟基自由基： 2 h 2 0 2 e 。一2 h o + 2 1 r 0 r e 。一h 0 h 0 可进一步产生强氧化剂1 4 0 ：( 过氧羟自由基) h 0 和h o z 都是强的亲电试剂，易攻击酚类化合物苯环上电子云密度高的部位，发 生亲电子反应，也可与之发生脱氢反应、电子转移反应，氧化酚类化合物形成活 化的有机自由基产生连锁的自由基反应呻6 “。酚类化合物在碱溶液体系中发生的 。拶。审。 洲 专 6佣审洲 。6，。6 0。6 酚醌类有机小分子电化学和红外光谱电化学研究 氧化反应，氧化成醌的可能性很小，主要产物是苯氧自由基互相发生聚合反应生 成不导电的芳醚聚合物膜附着在电极表面。 1 3 2 酚类化合物对电极表面的钝化作用 酚类化合物对电极表面有毒化作用，使电极活性降低，产生钝化现象。酚类 的电化学氧化机理复杂，存在多种可能的情况，这与电极表面的预处理情况和实 验条件有关。反应机理涉及到电化学氧化、聚合以及酚类的电化学燃烧等。铂电 极首先经过预氧化处理形成铂氧化物膜，可以在一定程度上抑制电极表面上生成 有钝化作用的聚合物膜。s i l v a n aa n d r e e s c u 等”的研究表明，铂虽然是惰性金 属，但铂电极仍可以在电化学反应的条件下形成铂的氧化物或是氢氧化物膜。 p t + h ，o p t o h + h + + e p t o h + p t o + h + + e 当电极表面完全被铂的氢氧化物膜覆盖时，可认为上述第一步反应是可逆的，所 生成的p t 0 h 可能发生换位变成了h o p t ，该种氧化物膜被认为是促进惰性金属的 催化性能。i o t o v 和k a l t c h e v a 猜测可能是铂氧化物膜有利于去除酚类化合 物钝化电极表面的作用。 z e z e r s k i s 和z j t j s y s ”1 利用循环伏安法考察了各种不同取代的氯酚在碱 性溶液中铂电极上的电化学氧化的反应情况。结果表明对位取代的氯酚如：4 一 氯苯酚，3 ，4 - - - 氯苯酚，2 ，4 - 二氯苯酚和2 ，4 ，5 一三氯苯酚在循环伏安法第 一圈扫描后电极表面完全被钝化，无电化学响应；而对于一些邻位取代的氯酚， 如2 一氯苯酚，2 ，3 一二氯苯酚等等，电极表面的钝化失活现象减弱了，另外对于 一些阎位取代的氯酚，如：3 ，5 - 二氯苯酚，2 ，3 ，6 一三氯苯酚，电极表面只存 在很弱的钝化吸附现象。钝化现象的程度取决于氧化后形成的聚合物膜的结构， 所生成的各种不同的聚合物膜对电解质溶液的通透性也不同。不同的单体氯酚形 成不同结构的膜。结构归整的致密的聚合物膜会迅速使电极表面完全钝化，而分 子结构不归整，苯环取代基分支多、不致密的聚合物膜往往钝化电极表面较慢， 或是电极表面覆盖不完全，还存在电化学响应砸嘲。 1 3 3 酚类电化学氧化产物的分析 酚类化合物的电化学氧化途径不同决定了氧化产物的多样性，因而应采用的 不同分析方法去认识和研究它们。酚类电化学氧化会生成聚合物膜附着在电极表 安徽人学坝上学位论文第一章酚酸类有机小分子电化学研究概述 面发生钝化作用，了解聚合物膜的性质有利于理解产生钝化现象的原因。 j o s e p hw a n g 等”运用电化学石英晶体微天平( e q c m ) 研究了酚类电化学氧 化在电极表面形成钝化膜的现象。e q c m 技术可以现场的测量由于电化学反应导 致的电极表面频率( 质量) 随时间的变化，对研究酚类钝化的动力学过程提供了 新的视角。e q c m 质量的变化大小反映了电极钝化的程度，而这又与酚化合物特 定的种类、浓度大小以及循环伏安法扫速等因素均有关系。e o c m 的质量变化满 足s a u e r b r e y 方程，如下： ， a m ( n gc m 4 ) = 一1 7 6 7 a f ( h z )( 以5 m h ze q c m 为例) 通过测量频率的变化可以准确计算电极质量变化。综合循环伏安数据和e q c m 的 数据可以估算n 。( 电沉积1 摩尔酚单体所要的摩尔电子数) ，从而得到酚类电 化学聚合的效率。“。沉积在电极表面的聚合物质量与电量的关系如下： am 。= qm r l 。f ( m 代表在聚合物链里的一个单体单元) t a t ，4 表4 苯酚单体浓度对电化学聚合的影响 e f f e c to fc o n c e n t r a t i o no ne l e c t r o c h e m i c a lp o l y m e r i z a t i o n 浓度( 1 l l m )电量( “c )频率变化h z质量变化ug 表观电子数 0 55 l o 35 2 10 3 7 21 3 4 1 0 6 5 8 47 4 2 0 5 3 0 1 2 1 2 07 5 4 38 8 40 6 3 01 1 6 5 07 9 8 41 0 1 30 7 2 31 0 7 1 0 08 1 0 51 0 5 20 7 5 11 0 3 从表中发现当浓度低于l m m 时，n 。偏离理论值1 较大，推测由于在单体浓度很 低时，电化学产生的二聚体或低聚体会从电极表面扩散离开，并不参与成膜。这 样成膜和形成可溶解的低聚体之间出现竞争，导致运用法拉第定律有偏差嘲。 h o r a c i oj s a l a v a g i o n e 等人m 1 运用光谱电化学技术考察了不同位置取代 氨基酚异构体( 邻位、间位、对位) 的酸性溶液，在铂电极上的电化学反应产物 情况。将电化学技术和红外光谱技术结合起来可以得到更多产物信息。对氨基酚 在循环伏安图上表现为准可逆氧化还原反应，并没有形成聚合物膜钝化电极表 面。红外光谱数据表明对氨基酚氧化产物发生后行化学反应，水解生成对苯醌， 酚酲类有机小分子电化学和红外光谱也化学研究 溶液中检测到铵根离子，对苯醌氢醌是电化学可逆