（无机化学专业论文）基于水杨酸甲酯钇配合物的no识别.pdf

、 摘要 摘要 一氧化氮( n o ) 在许多生理过程中起着关键作用。因此，对n o 生物化学性 质及其检测方法的研究是当前世界范围内十分关注的前沿课题。目前，有关n o 的实验和理论化学研究以及检测方法已经有大量的文献报道。但由于n o 的易逸 性和易被氧化性，人们总是希望找到一种能够捕获和测定n o 的简便方法。本研 究基于稀土水杨酸酯配合物与n o 的选择性显色反应，提出和建立了一套能够快 速检测n o 含量的简便方法，并对相关的化学反应机制进行了讨论。 我们发现：n o 与稀土配位的水杨酸酯在一定温度下的乙酸乙酯溶液中反应 能够形成稳定的蓝绿色产物。而水杨酸酯本身及其与其他过渡金属离子的配合 物不发生类似反应。说明该反应是以水杨酸酯为媒介的发生在稀土和n o 之间的 特征选择性反应。采用等摩尔系列法确定了显色反应中稀土、水杨酸酯和n o 之 间的反应比为2 ：2 ：1 。我们认为上述显色反应是稀土配位的水杨酸酯通过配位 和酚环与n o 之间的相互作用而形成加合物，由于n o 与酚环之间的电荷转移而 显色，也可能涉及到所形成加合物的亚硝基化反应。 基于这一反应及其吸光度与n o 浓度之间的线性关系，我们提出并建立了以 高氯酸钇水杨酸甲酯配合物为显色试剂的n o 选择性识别方法，确定了显色反应 的最佳条件和具体步骤为：选择乙酸乙酯溶液吸收n o ，高氯酸钇和水杨酸酯摩 尔比为1 ：l 的乙酸乙酯溶液作为显色试剂。吸收n o 后1 0 分种内取样，置于比 色管中，加入过量的显色试剂，在9 0 下反应2 0 3 0 分钟，冷后稀释至刻度， 在6 4 0 n m 处，以试剂空白为参比测定吸光度，根据标准曲线计算n o 的含量。 结果证明方法的重复性好，灵敏度高，最低检出限可达4 1 0 一t o o l 。 关键词：稀土配合物；水杨酸酯；n o ；识别；亚硝基化 a b s t r a c t a b s t r a c t 1 1 1 ec h e m i s t r yo fn i t r i co x i d e ( n o ) p l a y sac r i t i c a lr o l ei nm a n yp h y s i o l o g i c a l p r o c e s s e s s o ，s t u d i e so nt h eb i o c h e m i c a lp r o p e r t i e sa n d t h ed e t e c t i o nm e t h o d so fn o a r et h ef r o n t i e rt o p i c si nt h ew o r l dp r e s e n t am a s so fe x p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a l s t u d i e so nn oc h e m i s t r ya sw e l la st h em e t h o d so fn os e n s i n gh a v eb e e nr e p o r t e di n l i t e r a t u r e h o w e v e r ，m o r ea t t e n t i o ns h o u l db ep a i do nf i n d i n go u tm o r es i m p l ya n d e f f e c t i v e l yw a yt ot r a p p i n ga n ds e n s i n gn ob e c a u s eo fi t se x s i l i e n ta n do x i d a t i o n p r o p e r t i e s i nt h i ss t u d y ，w ep r o p o s e da n de s t a b l i s h e das i m p l yw a yf o rn os e n s i n g b a s e do nt h es e l e c t i v ec o l o rr e a c t i o no fn ow i t hm e t h y ls a l i c y l a t ec o m p l e x e so fr a r e e a r t h s a n dt h e nw ed i s c u s s e dt h er e l a t i n gm e c h a n i s mo nt h i sc h e m i c a lr e a c t i o n w ef o u n dt h a tb u b b l i n gn oi n t oe t h y la c e t a t es o l u t i o nc o n t a i n i n gm e t h y l s a l i c y l a t ec o m p l e x e sa n d r a r ee a r t hp e r c h l o r a t e sa tag i v e nt e m p e r a t u r er e s u l t e di nt h e f o r m a t i o no fs t a b l ec y a np r o d u c t h o w e v e r t h i sr e a c t i o nd o e s n o to c c l l l ef o r s a l i c y l a t ee s t e ra n dt h e i rc o m p l e x e sw i t ht r a n s i t i o nm e t a l ss u c ha si r o n t h e s ef a c t s i n d i c a t et h a tt h i sc h a r a c t e r i s t i cr e a c t i o no n l yo c c u r sb e t w e e nn oa n dt h ec o m p l e x e s o fs a l i e y l a t ee s t e rw i t hr a r ee a r t h s t l l eo p t i m u mr e a c t i o nr a t i oo fr a r ee a r t h ，m e t h y l s a l i c y l a t ea n dn oo ft h ec o l o rr e a c t i o nw a sf o u n dt ob e2 ：2 ：1b ym e a n so fe q u i m o l a r s e r i e sm e t h o d w es u g g e s tt h a tt h ec o l o rc o m p o u n d sa r et h ea d d u c t so fn oa n d p h e n o lr i n go fs a l i c y l a t e sc o o r d i n a t e d t or a r ee a r t h s n l em a x i m u mp e a ka t6 4 0 n mi n u v s p e c t r u mi sa t t r i b u t e dt ot h ec h a r g et r a n s f e rb e t w e e n n oa n dp h e n o lr i n g f u r t h e r , i ti sa l s op r o b a b l e l yi n v o l v e st h ef o r m a t i o no fn i t r o s a t i o na d d u c t s b a s e do nt h i ss e l e c t i v er e a c t i o na n dt h e 1 i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e a b s o r b a n c eo fr e a c t i o ns o l u t i o na n dt h ec o n c e n t r a t i o no fn o ，w ep r o p o s e da n d e s t a b l i s h e da ns i m p l yw a yf o rn os e n s i n g a n dt h eo p t i m u mc o l o r a t i o nc o n d i t i o n s a n dc o n c r e t e s t e p s w e r ed e t e r m i n e dt h e r e a f t e r ：e t h y la c e t a t ei ss e l e c t e df o r a b s o r b i n gn o ，a n de t h y la c e t a t es o l u t i o no fy t t r i u mp e r c h l o r a t ea n dm e t h y ls a l i c y l a t e w i t hm o l er a t i oo f1 ：1i se m p l o y e da sc h r o m o g e n i cr e a g e n t a f t e ra b s o r b i n gn o ，a c e r t a i nv o l u m eo fs a m p l es o l u t i o ns h o u l db et a k e ni n t oac o l o r i m e t r i ct u b ew i t h i n1 0 m ha n dt h e ne x c e s sc h r o m o g e n i cr e a g e n ti sa d d e d t h em i x t u r es o l u t i o ni sp l a c e di n i i i a b s t r a c t at h e r m o s t a t i cw a t e rb a t hf o rr e a c t i n g2 0 - 3 0 m i n sa t9 0 c ；t h er e s u l t i n gs o l u t i o ni s c o o l l e dt or o o mt e m p e r a t u r ea n dt h e nd i l u t e dt os c a l e t h ea b s o r b a n c ei sd e t e r m i n e d a t6 4 0 n mu s i n gr e a g e n ta sb l a n k ，a n dt h e nc o n t e n to fn oc a nb ec a l c u l a t e da c c o r d i n g t ot h es t a n d a r dc u r v e t h i sm e t h o dw a sd e m o n s t r a t e dt ob eo fg o o dr e p r o d u c i b i l i t y a n d h i g hs e n s i t i v i t y t h ed e t e c t i o nl i m i ti sa c h i e v e dt ob e4 x 10 罐m 0 1 k e yw o r d s ：n i t r o g e no x i d e ，s e n s i n g ，r a r ee a r t hc o m p l e x ，n i t r o s a t i o n , s a l i c y l a t e i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2n o 的发现、合成及特性2 1 2 1 一氧化氮的结构4 1 2 2 一氧化氮的化学法制备7 1 2 3 一氧化氮的反应性7 1 2 4n o 的生物化学作用1 0 1 2 5n o 的生理作用11 1 2 6n o 的生理病理作用一1 2 1 3n o 的检测方法_ 1 4 1 3 1 电化学方法1 4 1 3 2n 0 2 。n 0 3 法一1 6 1 3 3 差分吸收光谱法”1 7 1 3 4 高效毛细管电泳( h p c e ) 法、电子顺磁共振( e p r ) 法以及电子自旋共 振( e s r ) 法17 1 3 5 荧光分光光度法、化学荧光方法以及n o 荧光分子探针18 1 3 6 环鸟苷酸( c g mp ) 测定法、生物检定法1 9 1 3 7 高铁( 甲基) 血红蛋白法2 0 1 3 8 化学发光方法2 0 1 3 9 光解一光化学发光法( p h o t o l y s i s c h e m i l u m i - n e s c e n c e ) 21 1 4 水杨酸酯及其稀土配合物2 2 第二章稀土水杨酸酯配合物对n o 的选择性识别2 5 2 1 实验部分2 5 2 1 1 仪器与试剂”2 5 2 1 2 实验方法2 6 2 2 结果与讨论2 9 v 目录 2 2 1 高氯酸钇和水杨酸甲酯与n o 的选择性显色反应2 9 2 2 2 亚硝基化反应的证明3 0 2 2 3 高氯酸钇和水杨酸甲酯与n o 显色的浓度依赖关系3 3 2 2 4 高氯酸钇和水杨酸甲酯吸收n o 后储存时间对显色的影响3 5 2 2 5n o 吸收方式对显色的影响3 6 2 2 6 乙酸乙酯吸收n o 的储存稳定性”3 7 2 2 7 酸碱对显色反应的影响3 8 2 2 8 外加水对显色反应的影响3 8 2 2 9 高氯酸钇、水杨酸甲酯以及n o 的最佳反应配比3 9 2 2 1 0 乙酸乙酯吸收n o 高氯酸钇和水杨酸甲酯作显色剂的n o 识别4 2 2 2 1 1 显色反应时间的影响4 4 2 2 1 2 显色反应温度的影响4 5 2 2 1 3 温度对反应速率的影响及反应活化能的测定4 6 2 2 1 4 提高显色反应温度以缩短显色时间4 8 2 2 1 5n o 的识别条件及方法4 9 2 2 1 6n o 的乙酸乙酯吸收液的红外光谱5 0 2 2 1 7 n o 的高氯酸钇及水杨酸甲酯的乙酸乙酯吸收液的红外光谱5 1 2 3 结论51 第三章总结与展望5 3 致谢5 4 参考文献5 5 攻读学位期间的研究成果6 3 v l 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 稀土是我国的优势资源，尤其是中国南方七省区( 江西、广东、广西、湖 南、云南、福建、浙江) 拥有的离子型稀土资源( 或称风化壳淋积型稀土资源) 。 虽然其品位不算高，但稀土元素配分齐全，尤其是中重稀土含量高，是世界上 任何国家无法比拟的，因而得到国内外的广泛重视【l 】。 从该类矿床的发现和开采至今已经有4 0 来年的历史。鉴于该类矿床的特殊 性和很高的应用价值，国内的研究单位和高等院校，以及众多的企业都对该类 资源的开采和应用技术研究投入了大量的财力和物力，取得了一系列的科技成 果。形成了具有自有知识产权的独特的稀土采选和分离工艺，为我国稀土产业 的发展做出了突出贡献。最近，中国工业和信息化部制定了( ( 2 0 0 9 2 0 1 5 年稀土 工业发展规划和稀土工业产业发展政策。其主要政策一是要大幅度收紧稀 土元素出口，二是对稀土生产企业提出了更高的环保标准。新的规划和政策的 出台，在国内外均引起了震动。而事实上，中国不会完全限制稀土的出口，中 国实施削减出口配额政策的目的是要进一步提升中国稀土产业的技术和装置水 平，大大减小由于稀土开采的无序而产生的资源浪费和环境污染问题。 离子型稀土矿( 风化壳淋积型稀土矿) 中稀土是以离子态形式存在，它们 被粘土类矿物吸附，可以被一系列的电解质溶液通过离子交换的途径而浸取出 来。这是该类矿床开采的化学基础。从目前的情况来看，稀土提取技术的进步 在解决生产过程的环境污染上起到了很好的作用。然而，采矿技术的局限性和 管理上的缺陷，导致了植被破坏和水土流失等环境问题。另一方面，矿中残留 的浸矿剂在随淋滤水迁移时会将矿中残留稀土或下游矿体中的稀土带入河沟溪 水而流失，也会使环境水中的稀土及电解质含量增加，影响生态环境。 稀土环境化学已经引起了国内外的广泛关注。这种关注不只是由于上面所 说的稀土离子进入水体可能给环境带来的不良影响，而且还有长期以来在中国 所开展的稀土微肥的研究与推广应用。当稀土可能存在于粮食和蔬菜中时，人 们不得不考虑其安全性问题。除了稀土环境化学之外，与之相关的另一个领域 是稀土生物无机化学和药物化学。目前批准使用的药物有两个，在医疗诊断方 第一章绪论 面所使用的稀土化合物则更多，例如：磁共振造影剂钆胺羧络合物。 稀土有机酸配合物作为药物和微肥的研究已经有很多工作。但在分子水平 上的与促进生物生长和药用功能的基础研究仍然显得不够。本研究将稀土的药 用功能和应用潜力与目前全球广为关注的一氧化氮( n i t r i co x i d e ，n o ) 生物化 学和药物化学相结合，研究一些具有潜在药用功能的稀土化合物与n o 之间的相 互作用以及可能存在的化学反应。并以此为基础，探讨和开发其可能的新用途。 氮氧化物是许多生理过程的一种内生介质，在许多生理过程中起着关键作 用1 2 西j 。在近十年的时间里，人们对氮氧化物的形成与消除机制的研究非常重视 p 引，c h e m r e v 曾对这一领域的研究进行了述评。证明适量的氮氧化物对人体 生理功能是有利的，如动脉血管调控、神经传递、荷尔蒙分泌、消炎，免疫力 的形成等等；但过量氮氧化物的产生会与细胞组分发生作用而导致各种疾病， 如发炎、神经衰弱，癌症等。在氮氧化物的新陈代谢过程中，亚硝基化反应是 一种重要途径。水杨酸及其衍生物具有杀菌、消炎、镇痛解热等多种药理作用， 长期以来一直作为临床药物被广泛使用。由于氮氧化物在人体内所表现出来的 双重功能，因此，研究有药物分子介入的、与人体内可能存在的氮氧化物形成 和消除相关的反应机制和途径具有十分重要的意义。 据报道【9 , 1 0 】有药理和生理功能的稀土与有机物形成配合物后，能显著增强抗 茵消炎效果。芳香族羧酸及其衍生物的稀土配合物的报道已有很多【l 卜1 3 j ，但稀土 与水杨酸甲酯( m e t h y ls a l i c y l a t e ，m s ) 的配合物目前还没有报道。本研究选择 两类具有药用和生物化学功能的稀土和水杨酸酯作为研究对象，重点研究它们 在无氧条件下与一氧化氮的相互作用，发现它们之间可以发生一类特征性的显 色反应，并确定了它们的显色反应条件和影响因素，探讨了显色反应机制，提 出了一氧化氮的高选择性识别方法。 1 2n o 的发现、合成及特性 一氧化氮烈o ) 系无色有毒气体，自最先制取至今已有3 0 0 多年【l4 1 。这期间 人们对其特性作过大量研究，但真正引起各国科学家高度重视并争相研究却在 近2 0 年。也即在1 9 8 7 年“内皮衍生性舒张因子( e n d o t h e l i u md e r i v e dr e l a x i n g f a c t o r ，e d r f ) ”被证实为和n o 同质以后，人们对n o 的认识才有了根本性的转 变，对n o 的研究也因此成为医学界的一个热点【1 5 1 。 2 第一章绪论 1 9 2 8 年有学者发现动物体内有亚硝酸盐和硝酸盐生成，此后发现( n 0 1 也 能在体内生成i l6 。1 9 8 0 年f u r c h g o a 等发现血管内皮细胞可产生并释放一种舒 血管活性物质内皮细胞衍化松弛因子( e d r f ) 。1 9 8 7 年p a l m e r 定量证明 e d r f 就是n o ，同时还发现血管内皮细胞含一氧化氮合成酶附os y n t h e t a s e n o s ) 。n os 以l 精氨酸和分子氧为底物催化l 精氨酸和二个等价胍基氮之一，经 与电子氧化反应生成n o 和l 瓜氨酸，消耗1 5 m o l 还原尼克酰胺腺苷二核苷酸 磷酸( n a d p h ) 和2 t 0 0 1 分子氧。但反应不用a t p ，故有人称它为一氧化氮合酶 ( n os y n t h a s e ，n os ) 7 埔j 。1 9 8 9 年c a s i n o 等用放射标记法进行光谱分析证实 n o 的氮原子来于l 精氨酸，氧原子来源于氧气。n o 极不稳定，在有氧和水的 环境中仅能存在6 - 1 0 s ，以后很快与亚铁血红素和s h 键结合而失活。其最终 代谢产物为亚硝酸盐和硝酸盐【l9 1 。1 9 9 1 年n o 合酶( n o s ) 克隆成功，1 9 9 2 年世 界最具权威性的科学杂志遴选n o 为当年的“明星分子”【2 0 1 。从此，n o 的研 究从分子水平进入了一个全新的研究高度。 移 近年来发现诱生一氧化氮合成酶的调节作用，在不同种属间差异甚大【1 8 】。 一氧化氮合成酶( n os ) 分二大类：一类称原生n os ，是从内皮细胞及脑神经原 中发现的，另一类称诱生n os ，主要存在血管平滑肌细胞、巨噬细胞。随着近 代分子生物技术的应用，根据n os 基因的不同定位，发现原生n os 又可分为 神经原性n os 和内皮细胞性n os t 2 1 1 。内源性n o 的调节因素很多，它受基因 水平、底物、辅助因子等的调节，也受产物反馈，转汞水平的控制。 n o 不但具有独特和重要的生理功能，参与多种疾病的病理生理过程，而且 具有重要的药理和临床作用。内源性的n o 具双向功能，在pm o l l 或fm o l l 浓度时起信使作用，而在pm o l l 浓度时可有细胞毒性作用，甚至损伤d n a 导 致基因突变或癌变【2 引。n o 生物合成除受n os 调节外，还受底物、辅助因子等 调节。n o 可来自细胞自身，也可来自n o 循环池。近代研究发现n o 产生异常， 可能与某些疾病发生，发展有关【2 3 】。 最早表明植物中存在类似于哺乳动物的n os 的是在1 9 9 8 ，n i n n em a n n 和 m a i e r 在豆科植物m u c u n ah a s 匈o o 中检测到n o s 的活性。随后，d e l l e d o n n e 等 和d u r n e r 等分别在烟草和大豆中也检测到n os 的活性，他们还进一步证明了 n o 作为信号参与了植物的抗病反应。除了n os 外，植物还可以通过多种途径 产生n o ，硝酸还原酶( n r ) 介导的n o 产生是最重要的途径之一。研究表明硝酸 还原酶具备充当植物信号传递成分的条件，对植物具有复杂的调节机制【2 4 1 。 3 第章绪论 近十年来，研究者发现一氧化氮是一种新的细胞信使分子和效应分子，其 结构简单，具有易扩散、反应性强、性质活泼而很不稳定，生物半衰期很短等 特性。广泛存在于生物体内各组织器官，由血管内皮细胞产生并释放，参与机 体内多种生理及病理过程。 1 2 1 一氧化氮的结构 化学工作者的一种思维逻辑是【2 5 1 试着从具有生物活性的化学物质的化学性 质入手，研究它的各种基本的化学行为，与其他各种物质的作用机理，以达到 理解它的生物本质的目的。与其他化学物质一样，一氧化氮所具有的重要生物 学作用与它的化学本质密不可分。 根据共振理论，一氧化氮具有以下几种共振形式( 图1 1 ) ： +一 | + n - - - o l _ + n 兰兰o _ 卜斗n o _ 卜啼n 兰三o 图1 1一氧化氮的共振形式 n o 是一种无色气体，熔点为1 6 3 6 ，沸点为1 5 1 8 ，在2 5 和1 0 1 k p a 条件下的水中的溶解度为1 8 x 1 0 一t o o l d m 一。n o 有一个处于2 p 冗反键轨道的单 电子，是一个自由基。得到一个电子，生成一氧化氮阴离子n o 。；失去一个电子 生成了一氧化氮正离子n o + 。它们的氧化数、键长和红外光谱中的n o 伸缩振 动频率数据列于表1 1 中【2 6 1 ： 表1 1 一氧化氮的物理化学性质 1 2 1 1n o 的键合成键情况 在n o 中，由于n 和o 在周期表中为相邻元素，它们形成的n o 分子，由 于两原子的电负性差较小，o 的能级与n 的能级较接近，所以由这两个元素的 原子轨道可以组成分子轨道，已经知道k e 2 。( n ，o ) = 6 8e v , k e 2 p ( n ，o ) = 3e v ， 其中由于氧的有效核电荷比n 大，所以o 的原子轨道的能量低于n 。组成分子 轨道的方式，是先杂化，然后再组合成键，得到n o 的分子轨道能级图。 4 第一章绪论 n烈o n 、o 两元素的价电子总数为5 + 6 = 1 1 ，依次填入分子轨道。显然，最后 一个电子填在反键上，不成对。因此，在n o 的分子中有一条g 键，一条2 电 子7 c 键，一条3 电子7 c 键。其结构为：n o k k ( 0 2 。) 2 ( 0 2 。母) 2 ( f f 2 p ) 2 ( 呦p ) 2 ( 勉p ) 2 ( 呦p 木) 1 】， 键级= ( 6 1 ) 1 2 - - 2 5 。 由于有成单电子，n o 分子具有顺磁性，可以自聚合成为n 2 0 2 双聚分子。 而且也可预料，n o 易失去一个电子成为n o + ，n o + 离子有二条2 电子7 【键，一 条a 键，键级为3 ，成键能力显然比n o 高。 在n o 分子中，n 原子以s p 杂化轨道成键，为直线型极性分子。分子中有 一个正常键和一个2 3 键。因为分子轨道中有单个电子，气态时显示顺磁性， 低温下液态和固态显示逆磁性。红外光谱证明n o 发生了聚合作用，生成了 ( n o ) 2 。 中心n ： 圜圈圈 2 酽 成键类型： 孤对电子 仃键l l 键j 1 键 孤对电子 懈矿氟缁p 矿一n n n 一k n 塑。钉71 8 1 “”卸o 吵 图1 2n o 成键类型和与分子结构【2 7 】 从价键结构式来看，趋向于n 、0 之间有三重键，键长为1 1 5 p m 。( n o ) 2 在 5 i蠢ei西 量 第一章绪论 气态和晶体中，m 的距离很长，分别为2 2 3 7 p r o 和2 1 8 p r o ，迄今对它们的 成键情况还没有满意的解释 2 6 1 。根据价键理论，( n o ) 2 在气态和晶体中，n o 分 子中的n 键n 2 3 打开，n 、n 原子上的单电子配对成键；气态时，原子振动能量 较高，距离较远。而晶体中，原子振动能量相对较低，空间位阻小，距离稍近， 二电子n 键变成离域n 键n 4 4 。通过计算离域键n 4 4 对n n 成键几乎没有 贡献，n 、n 之间是很弱的单键，所以n _ n 的键长很长。 痧惑： 图1 4n 2 0 3 分子结构及成键类型 6 o n 弋 僦 丽 他 。 | 謇。弋n 谤憋“谤瓷 一 第一章绪论 从分子轨道理论角度来看，n o 分子反键( 脚p 幸) 1 上电子与n 0 2 分子的杂化轨 道( s p 2 ) 1 成键降低了体系的能量，形成g 键，n - - n 键长较长。n o 分子的键级变为 3 ，键长缩短为1 1 4 p r o 。 1 2 2 一氧化氮的化学法制备 n o 的工业化生产是在铂催化剂存在下于7 5 0o ct o9 0 0o c ( 一般在8 5 0o c ) 氨氧化来实现的： 4n h 3 + 50 2 4n o + 6 h 2 0 在实验室，n o 可以方便地用铜还原硝酸来制备： 8h n 0 3 + 3c u 3c u ( n 0 3 ) 2 + 4h 2 0 + 2n o 或者是亚硝酸( 由亚硝酸钠或钾与酸作用产生) 的还原： 2n a n 0 2 + 2n a i + 2h 2 s 0 4 _ 1 2 + 4n a h s 0 4 + 2n o 2n a n 0 2 + 2f e s 0 4 + 3h 2 s 0 4 _ f e 2 ( s 0 4 ) 3 + 2n a h s 0 4 + 2h 2 0 + 2n o 3k n 0 2 ( 1 ) + k n 0 3 ( 1 ) + c r 2 0 3 ( s ) + 2k 2 c r 0 4 ( s ) + 4n o ( g ) 其中硫酸亚铁路线更为简单和使用，已经在大学生实验中采用。n o 气体可 由亚硝酸钠n a n 0 2 以及稀h 2 s 0 4 在f e s 0 4 的保护下制备而得。 1 2 3 一氧化氮的反应性 氧化反应：当n o 暴露在空气中，会与空气中的氧气发生反应转化成二氧 化氮( n 0 2 ) 。 2n o + 0 2 _ 2 n 0 2 人们推测这个变化的过程中会经过o n o o n o 这个中间态口引。在水中，n o 能与氧气、水反应生成亚硝酸( h n 0 2 ) ，该反应是按下面的计量关系进行的： 4n o + 0 2 + 2h 2 0 一4h n 0 2 卤化反应：n o 可以和氟、氯、溴反应形成亚硝酰卤化物： 2n o + c 1 2 _ 2n o c l 与丙酮以及醇盐反应：形成二醇二氮烯翁或是亚硝基羟胺和乙酸甲酯2 明： 7 第一章绪论 叉去匆睁l 嘲e 氐 0 989 o9 。 国一n 罐v 氐啪参+ 这个反应早在1 8 9 8 年就提出了，但是至今人们对亚硝酰基作为药物前驱体 的研究还是很感兴趣的，n o 也可以和甲醇钠盐直接反应，形成甲酸钠盐和一氧 化二氮【3 0 j 。 亚硝化反应：亚硝基化反应是指有机化合物分子中的氢被亚硝基( - n o ) 取代 的反应，是氮氧化物在新陈代谢过程中的一种重要途径。亚硝化作用是蛋白质 变性最重要的类型之一，核酸碱的亚硝化和脱氨基作用是众所周知的基因变异 机制，致癌的硝化胺也是亚硝化产物。 大多数亚硝化反应的实现都需要使用亚硝酸、n o + 、氮氧化物( n x o v ) 以 及其它的亚硝化试剂，虫n n o b f 4 ，x n o ( x = c 1 ，b r ) 。其中，亚硝酸是常用的亚硝化 试剂。一些被强共轭给电子基团活化的苯环，例如酚、某些酚醚、萘酚、三级 芳胺等，可与亚硝酸发生亲电取代的亚硝化反应。由于亚硝酸很不稳定，所以 亚硝化一般是在酸性条件下采用亚硝酸盐作为亚硝化剂。在反应中，先将反应 物溶于酸( 如盐酸、稀硫酸、醋酸) 中，再将亚硝酸钠的水溶液逐滴加入到反应物 中，使生成的亚硝酸立即与反应物作用p 。 有机亚硝基化合物( x - n - - - o ) 的化学性质在很多方面和n o 相关，除了能与金 属化合物反应形成金属亚硝酰衍生物外，“n o ”基或其自由基也能和一些有机芳 香烃碎片发生反应形成x n = o 3 1 , 3 2 】。很多有机金属化合物中的配体r 都能被亚硝 基化。类似地，格林尼亚试剂和烃基锂试剂的亚硝化反应已经有了报道【3 3 , 3 4 j 。 亚硝基离子n o + 是一种常用的原子团，由简单配比不饱和的双原子构成，因 此容易发生反应，在水溶液中通常不稳定【”】。n o + 和c o 是等电子体，也是一种 良好的配体【3 6 , 3 刀，而且n o 十被用作活性的亲电子试剂，在电子转移过程中是一种 有效的氧化剂，因为n o + 具有相当高的电子亲合力( e a = 9 2 6 e v ) 3 8 j ，可逆还原 电位为e r e d o = 1 2 8 v 3 9 】。亚硝离子也是唯一知道具有双原子结构的强氧化性离子， 其单电子的氧化还原对为： 、 n o + + e 寻宣n o 生成具有顺磁性的n o 在溶液中很活泼，这是因为限制了n o 向其二聚体方向 8 第一章绪论 的转变趋势。 配位反应：n o 和过渡金属反应形成的配合物叫做亚硝酰基配合物。n o 最 常见的键合模式是末端的直线型( m - n o ) ，m _ n o 基团的夹角范围为1 6 0 0 1 8 0 0 ， 但是仍然被认为是直线型的。因此，以中性的共价键方式计算时，n o 作为3 一 电子给予体，而以离子键计算时，是作为2 一电子给予体的【删。当m - n o 呈现 弯曲构像，以中性的共价键方式计算时，n o 就被认为是1 一电子给予体，而以 离子键计算时，是作为2 一电子给予体的【4 。n o 。可以被看作是从c o 的等电子 体n o + 衍生而来的。n o 可以看作为一个电子的类卤化物，在这样的配合物当中， m - n o 的键角范围为1 2 0 0 1 4 0 0 。n o 。还可以通过氮原子在几何学中的多变性 在金属中心之间进行链接。 n o 与生物活性分子和金属酶及类似配合物的相互作用研究对于理解其在 生物体内的作用途径和机制起着至关重要的作用【4 2 4 8 】。目前，在关于n o 的基础 化学问题的实验与理论计算研究报道中，以n o 与金属离子的生物活性分子及药 一 物分子配合物的相互作用问题研究最为广泛【4 8 ，4 9 - 5 4 1 。但在已有的研究报道中， 涉及的金属离子主要是f e 、c u 、z n 、n i 、c r 、r h 、i r 等过渡金属元素【4 9 - 5 。而 n o 与稀土配合物的相互作用几乎没有涉及。事实上，这一研究对于说明稀土的 生物化学作用非常重要，可以为稀土生物化学研究提供新的视点。 d a j i i 合反应t 亚硝基化反应一般认为经历了d a 加合物的形成过程。据报道 【5 5 1 ，包含有n o + 的杯芳烃加合物是一种深色的溶液，其电子吸收光谱图如图1 5 。 由图我们可以发现，除了紫外光区的强吸收外，该深色溶液在6 4 0 n m 和5 0 0 r i m 左 右的可见光区也有较强的吸收峰。这些吸收峰被认为是n o 与酚环之间的电荷转 移所产生的。 纛和嘲 图1 5 含有n o + 的杯芳烃加合物的电子吸收光谱图 9 善 3 z ， 鏊 第一章绪论 e r a n d aw a n i g a s e k a r a 等人【5 6 】研究杯【4 单对苯二酚作为一种制备n o 气体的 超分子体系。在一个电子的还原方案涉及n o + 杯【4 】单对苯二酚的配合物，n o 是 在没有任何外在的还原剂的存在下释放出来的。杯【4 】单对苯二酚的自由基，就 这样获得，n a b h 4 还原后变成杯【4 】单对苯二酚就能作为一种新的n o 释放循环 重新利用。 三0 蟛w 墼 图1 6 杯 4 】单对苯二酚释放n o 的示意图 z y 巧a n o r 及合作者【5 刀发现如下规律：杯状芳烃和n 0 2 反应形成稳定的亚硝基 络合物，这些杯状芳烃的n o + 络合物是深色的，加水之后能分解变白，该络合物 用于n o + 的转化过程以及亚硝化反应。 n 2 0 4 和n o + 在乙酸乙酯中也是以加合物的形式存在： a c o n 二 l 吣。 e t o a c 0ac 4 n - 一 f oa c 1 2 4n o 的生物化学作用 一氧化氮是一种不稳定的自由基气体分子，化学性质十分活泼，能与分子 氧、超氧阴离子及一些金属元素，如铜、铁、镁等发生反应。一氧化氮有高度 脂溶性，极易通过扩散快速透过细胞膜，在细胞之间发挥生物学作用。它在生 物体内的半衰期非常短暂，仅几秒至几十秒。在氧气及超氧阴离子存在的情况 下，迅速转变成无机亚硝酸盐或硝酸盐而失活。当存在超氧化物歧化酶或在酸 性条件下均可提高其化学稳定性。一氧化氮作为新型神经递质，是一种非常小 1 0 - o l n 日 0 o 第一章绪论 的分子，有着非常异乎寻常的突触生理作用，它不能被包进突触小泡中，也没 有突触受体，从它产生的地方向四周扩散，能自由穿过细胞间隙影响到1 0 0 p m 以 外的神经元1 5 引。 n o 可激活可溶性乌苷酸环化酶，升高细胞内环乌苷酸水平从而调节各系统 功能( 如松弛血管平滑肌、抑制血小板聚集和参与神经传递等) 。因此它成为主要 的细胞信使分子。n o 还能激活环氧化酶，蛋白激酶c ，但随浓度的不同也可使 其失活【1 7 , 2 1 】。 n o f l 皂与血红蛋白、肌红蛋白、脂加氧酶、环加氧酶、细胞色素氧化酶等反 应，产生亚硝基血红素。它也能与非血红素贮铁蛋白转铁蛋白反应，引起d n a 损伤和突变。n o 的亚硝基化反应，使血红素铁脱离卟啉环，这种构象的改变激 活可溶性乌苷酸环化酶的催化部分，使环乌苷37 单磷酸的产量增加，而导致血 管舒张f 2 1 ，5 9 1 。 1 2 5n o 的生理作用 n o 在神经系统参与信息传递，因此有人认为它是一种神经递质，但与以往 的递质不同，它不能贮存于突触小泡内，也不以“胞裂外排”的方式释放，它 可从局部扩散到邻近细胞。 n o 与许多疾病的发生有密切关系，如自身免疫性疾病、胃肠疾病、感染性 休克、肾脏病等，并且已有医学专家将其作为药物在临床上应用。目前在研究 其各种生物学作用的同时，也注意到其毒性与毒理。但其机制尚不十分清楚f 2 1 1 。 1 2 5 1n o 在动物生理中的作用 在免疫系统中的作用：一氧化氮参与巨噬细胞介导的细胞毒反应，当巨噬 细胞被t 淋巴细胞或内毒素激活后能合成一氧化氮，并通过抑制靶细胞( 细菌及肿 瘤细胞等) 线粒体中的三羧循环、电子传递和d n a 合成等机制，起到杀伤靶细 胞的效应。因此，内源性一氧化氮是巨噬细胞杀伤靶细胞效应的信使分子【5 8 】。 在循环系统中的作用：一氧化氮是能够引起血管舒张的一种生理性介质， 在生理状态下对大血管流量、流速以及血管阻力起调控作用，它对于肺循环和脑 循环也都有明显影响，是一个有效的肺血管扩张剂，能降低肺动脉压。一氧化 氮可产生于脑血管内皮细胞，一氧化氮合成酶对脑血管运动的神经支配具有调 节效应，内毒素以及某些促细胞分裂物质可诱导星形胶质细胞产生一氧化氮合 成酶，从而分泌大量一氧化氮，对脑血管病变具有病理生理意义【5 8 】。 第一章绪论 在神经系统中的作用：一氧化氮在神经系统中有着非常重要的作用，它作为 神经信使在外周和中枢发挥特有的生理效应。n o 作为外周神经递质主要在支配 消化、生殖、呼吸、循环等系统的植物神经中起作用，当神经受刺激时即可产 生n o 2 7 】。它不但参与突触的可塑性，在突触前膜调节多种神经递质的释放， 包括乙酰胆碱、兴奋性或抑制性氨基酸的释放等，还与记忆、神经元的发育、 老化以及神经毒性作用有关。它既可以参与机体正常生理功能的调节，又可以 参与多种疾病，如亨廷顿舞蹈病、中风、老年性痴呆等的病理过程，进一步的 研究正在深入中【5 8 1 。 1 2 5 2 在植物方面 n o 与种子萌发：有些植物种子使用n o 供体硝谱钠和n 亚硝基乙酰青霉胺能 在黑暗条件下萌发。 n o 与植物生长发育：n o 对植物生长发育的影响较为广泛，它会影响植物叶片 的生长以及根的生长【1 4 】。 n o 与植物衰老：最近的报道表明，高速离心等处理诱导植物细胞衰老是通 过n o 作用的。在细胞发生死亡之前可以检测到n o 爆发高峰。但这是发生在非正 常情况下，正常的植物器官、组织和细胞的衰老是否与n o 有关还有待进一步研 究d 4 , 2 4 】。 1 2 6n o 的生理病理作用 由于一氧化氮具有双向作用，在pm o l l 浓度具细胞毒作用，因此人们关心 其诱变性。n o 诱变机制，科学家们作了不少研究，发现n o 主要的生理病理作 用有【删：( 1 ) 产生鸟昔环一磷酸( c g m p ) 促发某些级联反应。( 2 ) 启动c a 2 + 依赖k + 通 道，直接产生生物学效应。( 3 ) 参与灭活某些酶活性，导致细胞毒性。( 4 ) 产生 o n o o 和n 0 2 。等物质，引起膜脂质氧化和蛋白巯基及非蛋白巯基的氧化，抑 制细胞呼吸作用，分解形成多种毒性代谢产物可继发导致组织细胞损伤。( 5 ) 直 接损伤d n a 。n o 一方面有杀菌作用，抑制病毒和肿瘤细胞的增殖【6 。另一方面 也可损伤正常