环境因素对乙二醛与氨液相化学反应产物的影响,有机化学论文

环境因素对乙二醛与氨液相化学反应产物的影响,有机化学论文摘要：大气中乙二醛是二次有机气溶胶的构成推进剂，氨是雾霾生成的促进剂.本论文采用高效液相色谱-质谱联用仪器、紫外可见分光光度计和傅立叶红外光谱仪探究乙二醛与氨的液相化学反响，研究乙二醛浓度、氨水的浓度和溶液pH值等环境因素对反响产物的影响.结果发现，乙二醛与氨液相反响主要生成的是2,2-联咪唑，利用紫外可见分光光度计在287nm附近测得有较强的吸收峰.乙二醛与氨混合能快速反响生成2,2-联咪唑，反响后溶液的吸光度随着乙二醛浓度增大呈现先增大后缓慢减小的趋势.随氨水浓度的增大，反响产物溶液吸光度先增大后不变.除此之外，强酸性的条件不利于2,2-联咪唑的生成.本文关键词语：乙二醛;氨水;2,2-联咪唑;二次有机气溶胶;Abstract：Intheatmosphere,glyoxalisthepropellantofsecondaryorganicaerosol(SOA),andammoniaistheacceleratorfortheformationofhaze.Inthispaper,theliquidphasereactionofglyoxalandammoniawasinvestigatedbyhighperformanceliquidchromatography-massspectrometry,theUV-VisiblespectrophotometerandFourierinfraredspectroscopy.Theinfluencesofenvironmentalfactorssuchastheconcentrationofglyoxal,theconcentrationofammoniaandthepHvalueofthesolutiononthereactionproductswerestudied.Itwasfoundthat2,2-bisglyoxalinemainlygeneratedfromthereactionofglyoxalandammonia,andastrongabsorptionpeaksnear287nmwasdetectedbyUV-Visspectrophotometer.Themixtureofglyoxalandammoniacanproduce2,2-benzimidazolequickly.Theabsorbanceofthesolutionafterthereactionincreasedfirstandthendecreasedslowlywiththeincreaseoftheconcentrationofglyoxal.Withtheincreaseofammoniaconcentration,theabsorbanceoftheproductsolutionincreasedfirstandthenremainedunchanged.Inaddition,itisadversetotheformationof2,2-bisglyoxalineinthepresenceofstrongacidintheliquidphase.Keyword：glyoxal;ammonia;2,2-bisglyoxaline;SOA;乙二醛含有两个醛基，是最简单的脂肪族二元醛，具有一些特殊的化学性质[1,2]，它在医药、建材等行业都得到了广泛运用[3,4].大气中的乙二醛主要来源于生物质燃烧的直接排放、生物源〔森林〕和人为源〔汽车尾气、化石燃料〕排放的挥发性有机物〔VOCs〕的氧化作用产生的[5].大气中乙二醛的排放量约为45Tg/年，华而不实55%由异戊二烯等生物源光氧化产生，20%来自生物质燃烧[6].乙二醛具有一定的毒性，除了会刺激人体皮肤、眼睛外，还具有致癌性、致突变等遗传毒性[7,8].排放到大气中乙二醛能与OH自由基等氧化剂发生光化学反响构成二次有机气溶胶〔SOA〕粒子.除此之外，乙二醛能溶于云层、水雾并发生液相反响产生半挥发性和难挥发性产物，待水分蒸发后，这些产物保存在颗粒相中构成SOA粒子[9,10].SOA是大气细颗粒物〔PM2.5〕的主要成分，它们能够吸收、散射太阳光，降低大气的可见度，其对空气质量、气候变化和人体健康有着显着的影响[11,12].因而，乙二醛的液相化学反响得到了人们的广泛关注.畜牧养殖业和农业活动等，会直接或者间接释放出大量氨气[13,14].氨气是一种有强烈的刺激性气味的无色气体，极易溶于水.在空气中，它会刺激人和动物的呼吸系统.人体吸入氨气后，氨气刺激、腐蚀眼结膜、皮肤粘膜，导致组织发炎，减弱人体对各种疾病的抵抗能力[15,16].在大气中的氨气会溶于水，与硫酸和硝酸反响生成颗粒状的硫酸铵和硝酸铵.生成的这两种铵盐是雾霾颗粒物的主要成分.所以大气中的氨气对雾霾颗粒物的生成有重要作用[17].李京海等[18]利用乙二醛和氨水合成联咪唑.但是，关于环境因素对乙二醛和氨的液相化学反响产物影响的研究却鲜见报道.本文主要研究乙二醛与氨的液相反响产物，探究环境因素对乙二醛与氨液相化学反响产物的影响.此次实验研究主要利用高效液相色谱-质谱联用仪器、紫外-可见分光光度计和傅立叶红外光谱仪定性定量的测量乙二醛与氨的液相反响的反响产物，用紫外可见分光光度计测量在不同的乙二醛浓度、不同的氨浓度、不同的溶液pH值以及不同的金属离子环境中反响产物的吸光度，分析其规律.这些规律可帮助我们进一步了解醛类物质与氨污染的大气液相反响，为雾霾治理提供实验根据.1、实验部分1.1、仪器与试剂紫外可见分光光度计〔UV-6100s型，上海Mapada公司〕，液相色谱-质谱联用仪器〔AgilentXCT，安捷伦科技有限公司〕，红外光谱仪〔ThermoNICOLETiS10,ThermoFisherScientific,America),pH计〔上海雷磁PHS-3C).本实验所用的分析纯级试剂包括浓氨水〔NH3,AR,25%～28%〕、乙二醛〔C2H2O2,AR,40%〕、盐酸〔HCl,AR,36.0%～38.0%〕、氢氧化钠〔NaOH,AR，96.0%〕，甲醇〔GR,99.7%〕和正己烷〔GR,98%〕，均购于西陇化工股份有限公司.1.2、实验内容由于乙二醛具有较高的Henry常数，水溶性强，易溶于雨水、雾滴等水相中，大气雨水、雾滴中乙二醛的浓度为0.01～0.2mmol/L[19].为了更好的模拟大气水相中乙二醛和氨液相反响，将乙二醛的浓度配制配制为0.05mmol/L，氨的浓度配制配制为0.10mmol/L，使乙二醛和氨的浓度配比为1︰2，让乙二醛反响完全.在250mL容量瓶中配制0.05mmol/L乙二醛和0.1mmol/L氨混合溶液250mL，用盐酸调节pH为7后转移到500mL试剂瓶中.尽管氨和乙二醛具有一定的挥发性，但是实验配制的浓度低，又是保存在试剂瓶中，因此能够忽略其挥发损失.为了更好模拟大气液相反响经过，混合溶液未搅拌，而是静置让其缓慢反响.每隔1天取少量溶液稀释10倍后用紫外可见分光光度计测量吸收光谱.静置10天后，将反响溶液稀释10倍，采用高效液相色谱-质谱联用仪器、紫外可见分光光度计和傅立叶红外光谱仪测量液相反响产物.乙二醛浓度实验中，在9个250mL容量瓶中保持氨水的浓度〔0.1mmol/L〕不变，依次在容量瓶中配制0、0.01、0.05、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0mmol/L乙二醛，用盐酸将得到0.1mmol/L氨和不同浓度乙二醛的混合溶液pH调节为7后转移到500mL试剂瓶.氨浓度因素实验中，在9个250mL容量瓶中保持乙二醛的浓度〔0.05mmol/L〕不变，依次在容量瓶中配制0、0.01、0.05、0.1、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0mmol/L氨，用盐酸将得到0.05mmol/L乙二醛和不同浓度氨的混合溶液pH调节为7后转移到500mL试剂瓶.pH因素实验中，在9个250mL容量瓶中保持0.05和0.1mmol/L乙二醛和氨不变，分别用0.1mol/LHCl和NaOH溶液依次调节溶液，采用pH计测量溶液的pH值，使其pH为1、3、5、9、11、13后转移到500mL试剂瓶中.上述各因素实验，混合溶液静置10天，待反响完全后将溶液稀释10倍，用紫外可见分光光度计测量吸收光谱.2、实验结果与讨论2.1、乙二醛与氨液相反响产物的测量以去离子水作为参比，采用UV-6100s型紫外-可见分光光度计〔上海Mapada公司〕测量乙二醛与氨液相反响产物在200～500nm范围内的吸收情况.图1是10天后，乙二醛、氨水以及两者混合反响溶液的紫外-可见吸收光谱图.由图1可知，波长在200～400nm之间，乙二醛、氨水溶液没有吸收峰存在；而乙二醛和氨水混合10天后的反响溶液在214nm、287nm附近有吸收峰出现，这讲明有新物质生成.Kampf等[20]利用紫外可见光谱测量乙二醛和硫酸铵的液相反响产物时也观察到214nm和287nm的吸收峰.他们以为乙二醛与铵离子反响构成的2,2-联咪唑分子中C=C双键*的电子吸收跃迁产生了214nm的吸收峰，而C=N双键n*的电子吸收跃迁则产生了287nm的特征吸收峰.根据Liu等[21]的实验结果，铵离子失去氢离子后，NH3分子N原子孤对电子更容易亲核进攻乙二醛羰基上的氧原子，因此氨比铵离子具有较强的反响活性，乙二醛与氨的液相反响生成了2,2-联咪唑.图110天后乙二醛、氨水及两者混合反响溶液的紫外-可见吸收光谱图Fig.1Ultraviolet-visibleabsorptionspectraofglyoxal,ammoniaandthemixedreactionsolutionafter10days反响产物溶液在287nm的吸光度随静置天数的变化情况如此图2所示.随着静置天数的增加，反响时间的延长，产物溶液在287nm的吸光度随之增大，静置10天时，吸光度到达最大值1.832.而10天后吸光度基本保持不变，这表示清楚静置10天，乙二醛与氨反响完全.为了验证生成的主要产物是联咪唑，利用红外光谱仪对反响10天后的溶液进行测量，得到红外光谱图如此图3所示.参照Liu等[21]的指认方式方法，图3所示的红外谱图中，在3137cm-1、2985、2896cm-1有吸收峰，讲明有咪唑环的存在；1685cm-1处有吸收峰，表示清楚液相反响产物存在N-H键；在1514cm-1、1388cm-1处有吸收峰，表示清楚液相反响产物存在C=C键；在1360～1000cm-1有较强的吸收，讲明液相反响产物中存在C-N键.在874cm-1有吸收峰，表示清楚液相反响产物存在C=N键；根据红外吸收谱图，符合2,2-联咪唑的特征.图3乙二醛与氨液相反响产物的红外光谱图Fig.3Infraredspectraofthereactionproductsofglyoxalandammoniainliquidphase图2乙二醛与氨液相反响产物溶液在287nm处的吸光度随反响时间关系图Fig.2Therelationshipbetweentheabsorbanceofthereactionproductofglyoxalandammoniaat287nmandthereactiontime利用安捷伦科技有限公司生产的AgilentXCT高效液相色谱质谱仪乙二醛与氨的液相反响产物.该质谱仪采用电喷雾〔ESI〕电离，以甲醇和正己烷的混合溶液作为流动相，其体积比为2︰3，流速为0.20mL/min.测得的正离子质谱图如此图4所示.正离子质谱图存在最大的离子峰，其质荷比m/z134，也存在质荷比m/z28,41,67等碎片离子峰.根据前期的文献实验结果和NIST数据库的对照，能够验证乙二醛与氨的液相产物为2,2-联咪唑〔C6H6N4).m/z134对应为2,2-联咪唑的分子离子峰〔C6H6N4+),m/z28,41和67依次对应为分子离子峰断裂产生的CH2N+,C2H3N+和C3H3N2+特征碎片离子[22,23].综上，能够确认乙二醛与氨的液相反响产物为2,2-联咪唑.值得注意的是，实验未检测到高分子量的缩聚产物，这可能是由于实验中使用的氨的浓度〔0.01～1mmol/L〕远小于Nozire等[24]的使用硫酸铵的浓度〔0.5～4mmol/L〕，不会发生铵根离子引起的缩聚反响.图4乙二醛与氨液相反响产物的正离子质谱图Fig.4Positiveionmassspectrometryofthereactionproductofglyoxalandammoniainliquidphase2.2、乙二醛浓度对反响产物的影响随着乙二醛浓度的变化，乙二醛与氨液相反响产物溶液的紫外可见吸收光谱图如此图5所示.不同乙二醛浓度条件下，产物溶液在287nm处吸收峰的位置基本不变.乙二醛浓度从0mmol/L递增至0.05mmol/L时，反响产物在287nm处的吸光度逐步增大；当乙二醛浓度大于0.05mmol/L时，反响产物在287nm处的吸光度随乙二醛浓度的增大而缓慢减小.根据Kampf等[20]提出的液相反响机理，乙二醛与氨按如下反响构成联咪唑产物，乙二醛与氨以3︰4的物质的量反响构成联咪唑.实验中保持氨的浓度〔0.1mmol/L〕不变，当乙二醛的浓度小于0.05mmol/L时，乙二醛和氨物质的量比小于3︰4，乙二醛全部转化为联咪唑，产物溶液在287nm处的吸光度随乙二醛浓度的增大而逐步增大.当乙二醛的浓度为0.05mmol/L时〔乙二醛和氨物质的量比为1︰2〕，产物溶液在287nm处的吸光度到达最大值.而当乙二醛的浓度大于0.05mmol/L，乙二醛与氨的物质的量之比大于3︰4，氨被消耗完毕，而溶液中还有乙二醛.根据Kampf等人[20]的实验结果，当乙二醛过量，乙二醛与氨物质的量比大于1︰1时，生成的少量联咪唑继续与乙二醛水化物反响产生联咪唑缩聚物，导致其浓度缓慢下降，对应于287nm处吸光度缓慢减小.图5不同乙二醛浓度下反响产物溶液的紫外-可见吸收光谱图Fig.5Ultraviolet-visibleabsorptionspectraofreactionproductssolutionwithdifferentconcentrationofglyoxal2.3、氨浓度对反响产物的影响不同浓度的氨与乙二醛混合溶液的液相反响产物在287nm处吸光度随氨浓度变化情况如此图6所示当氨浓度从0mmol/L递增至0.1mmol/L，反响产物2,2-联咪唑的吸光度逐步增大.当氨的浓度大于0.1mmol/L时，反响产物的吸光度变化不明显.实验中保持乙二醛的浓度〔0.05mmol/L〕不变，当氨的浓度比拟低时〔0.01mmol/L〕，生成的2,2-联咪唑的浓度较低，因而产物的吸光度较小.随着氨浓度不断，产物溶液在287nm处的吸光度随之增大，并在氨的浓度为0.1mmol/L时〔乙二醛和氨物质的量比为1︰2〕，产物溶液在287nm处的吸光度到达最大.而当氨的浓度大于0.1mmol/L时，乙二醛和氨物质的量比大于3︰4，乙二醛被消耗完毕，溶液中没有乙二醛与之反响产生2,2-联咪唑，所以吸光度几乎不变.图6乙二醛与氨液相反响产物在287nm的吸光度与氨水浓度的关系图Fig.6Therelationshipbetweentheabsorbanceofthereactionproductofglyoxalandammoniaat287nmandammoniaconcentration2.4、溶液pH值对反响产物的影响图7为在287nm处乙二醛与氨液相反响产物的吸光度与溶液pH的关系图.由图7可知，在强酸性的条件下〔pH=1),287nm处的吸光度最小.2,2-联咪唑在pH=7时，287nm处吸光度最大；当pH7时，287nm处的吸光度随着pH增大而逐步减小，但是减小幅度很小.这表示清楚强酸性溶液不利于2,2-联咪唑的产物的构成.这主要是由于NH3分子N原子孤对电子亲核进攻乙二醛羰基上的氧原子构成二亚胺中间产物，二亚胺再经过一系列反响构成2,2-联咪唑产物[21].而在强酸性条件下，氨与H+离子结合构成铵根离子，N原子孤对电子与氢离子构成共价键，亲核进攻能力显着降低，因此不利于2,2-联咪唑的产物的构成.图7乙二醛与氨液相反响产物在287nm的吸光度与溶液pH的关系图Fig.7Therelationshipbetweentheabsorbanceofthereactionproductofglyoxalandammoniaat287nmandthepHofthesolution3、结论本论文主要采用高效液相色谱-质谱联用仪器、紫外可见分光光度计和傅立叶红外光谱仪探究乙二醛与氨的液相反响，测得主要产物是2,2-联咪唑，其在287nm附近有较强的吸收峰.反响产物溶液的吸光度随着乙二醛浓度增大呈现先增大后缓慢减小的趋势.随氨水浓度的增大，反响产物溶液吸光度先增大后不变.溶液的pH值固然能够改变NH3的形态，但是强酸性条件抑制2,2-联咪唑的产生.以下为参考文献[1]LUXW,LIANGLX,PIZZIA,etal.Bioresourcedpinetannin/furanicfoamswithglyoxalandglutaraldehyde[J].BiochimicaetBiophysicaActa,2021,1862(9):1938-1947.[2]沈仕亮,王珊珊,周斌.基于差分光学吸收光谱法的大气甲醛和乙二醛研究[J].光谱学与光谱分析,2021,36(8):2384-2390.[3]LACOSTEC,BASSOMC,LIUJW,etal.Developmentandcharacterizationnovelbio-adhesiveforwoodusingkenafcore(Hibiscuscannabinus)ligninandglyoxal[J].InternationalJournalofBiologicalMacromolecules,2022,122(1):713-722.[4]朱凯棋,李美真.盐酸水解淀粉/乙二醛对棉织物抗皱整理的研究[J].国际纺织导报,2021,45(7):32,34-36.[5]ZARZANAKJ,MINKE,WASHENFELDERRA,etal.Emissionsofglyoxalandothercarbonylcompoundsfromagriculturalbiomassburningplumessampledbyaircraft[J].EnvironmentalScienceTechnology,2021,51(20):11761-11770.[6]MITSUISHIK,IWASAKIM,TAKEUCHIM,etal.Diurnalvariationsinpartitioningofatmosphericglyoxalandmethylglyoxalbetweengasandparticlesatthegroundlevelandinthefreetroposphere[J].ACSEarthandSpaceChemistry,2021,2(9):915-924.[7]ARCANJONMO,LUNAC,MADRUGAMS,etal.Antioxidantandpro-oxidantactionsofresveratrolonhumanserumalbumininthepresenceoftoxicdiabetesmetabolites:glyoxalandmethyl-glyoxal[J].BiochimicaetBiophysicaActa,2021,1862(9):1938-1947.[8]CHENHC,LIUCT,LIYJ.Correlationbetweenglyoxal-inducedDNAcross-linksandhemoglobinmodificationsinhumanbloodmeasuredbymassspectrometry[J].ChemicalResearchinToxicology,2022,31(1):179-189.[9]GOMEZME,LINY,GUOS,etal.Heterogeneouschemistryofglyoxalonacidicsolutions.Anoligomerizationpathwayforsecondaryorganicaerosolformation[J].JournalofPhysicalChemistryA,2021,119(19):4457-4463.[10]BERKEAE,BHATTA,MYERSH,etal.Effectofshort-chainalcoholsonthebulk-phasereactionbetweenglyoxalandammoniumsulfate[J].AtmosphericEnvironment,2022,198:407-416.[11]BALTENSPERGERU.Aerosolsinclearerfocus[J].Science,2018,329:1468-1470.[12]CHEND,ZHAOY,LYURT,etal.SeasonalandspatialvariationsofopticalpropertiesoflightabsorbingcarbonanditsinfluencingfactorsinatypicalpollutedcityinYangtzeRiverDelta,China[J].AtmosphericEnvironment,2022,199:45-54.[13]CHANGYH,ZOUZ,ZHANGYL,etal.AssessingcontributionsofagriculturalandnonagriculturalemissionstoatmosphericammoniainaChinesemegacity[J].EnvironmentalScienceTechnology,2022,53(4):1822-1833.[14]LISY,LANGJL,ZHOUY,etal.Trendsinammoniaemissionsfromlight-dutygasolinevehiclesinChina,1999-2021[J].ScienceofTheTotalEnvironment,2020,700(134359):1-9.[15]HOSEINISM,YOUSEFIMY,HOSEINIFARSH,etal.Antioxidant,enzymaticandhematologicalresponsesofcommoncarp(Cyprinuscarpio)fedwithmyrcene-ormenthol-supplementeddietsandexposedtoambientammonia[J].Aquaculture,2022,506:246-255.[16]XINGHJ,PENGMQ,LIZ,etal.Ammoniainhalation-mediatedmir-202-5pleadstocardiacautophagythroughPTEN/AKT/mTORpathway[J].Chemosphere,2022,506:858-866.[17]PANYP,TIANSL,ZHAOYH,etal.IdentifyingammoniahotspotsinChinausinganationalobservationnetwork[J].EnvironmentalScienceTechnology,2021,52(7):3926-3934.[18]李京海,王建龙,王中洋,等.联咪唑合成及工艺优化[J].河北化工,2020,35(12):21-22,35.[19]TANY,PERRIMJ,SEITZINGERSP,etal.Effectsofprecursorconcentrationandacidicsu