第三章化学动力学.ppt

1、,第三章 化学动力学,第一节化学反应速率 第二节具有简单级数的反应 第三节温度对反应速率的影响 第四节典型的复杂反应 第五节光化反应 第六节溶液中进行的反应 第七节催化反应 第八节化学动力学在药学领域中的应用 实训项目三 维生素C注射液稳定性试验,学习目的 通过对化学反应速率和浓度、温度、光线、溶剂与催化剂等因素对反应速率影响的学习，将化学动力学的基本理论和技能应用于药学的实践中，为药物制剂、化学制药、生物工程等专业课的学习打下基础。 知识要求 掌握瞬时反应速率、反应级数、速率常数的概念，零级反应和一级反应的动力学特征，温度对反应速率的影响，酶催化反应的动力学特点。 熟悉光化反应的特点，溶液中

2、反应速率的影响因素； 了解典型复杂反应、二级反应、催化反应的特征，化学动力学在药物学领域中的应用。 能力要求 学会简单级数反应以及阿仑尼乌斯公式的动力学计算，能够由实验数据确定简单反应的级数；学会化学动力学方程的数据处理，能用化学动力学的基本理论和技能进行药物的稳定性试验。,第三章 化学动力学,化学动力学是研究化学反应的速率和机制的科学，与化学热力学既有联系又有区别。一个化学反应必须通过热力学判定，在给定条件、可以发生反应的前提下再来进行化学动力学的研究。化学动力学是从动态的角度（绝对运动）去研究化学反应的全过程，主要解决反应的现实性问题。 化学动力学的两大基本任务： 研究各种化学反应的速率和

3、各种因素（浓度、压力、温度、催化剂、辐射、介质等）对反应速率的影响，可提出合适的反应条件，使反应按人们所希望的速率进行； 研究各种反应的机制（也称反应历程），从反应物到产物所经历的途径，揭示反应物的结构与反应能力的关系，了解物质进行化学变化的内在依据，使人们能更自觉地去控制和调节化学反应的速率。,第三章 化学动力学,第一节 化学反应速率,（一）化学反应速率的表示,第三章 化学动力学,通常以单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示反应速率。时间单位可用秒（s）、分（min）、小时（h）、天（d）、年（y）等表示。 在等容反应体系中，由于反应从开始到平衡前，反应物逐渐减少，产物逐渐增加，

4、反应速率一般规定为正值。,一、反应速率的表示及其测定,反应物、产物的浓度c随时间t的关系,对一般反应而言，aA+bB gG+hH 若参与反应物质A的浓度为cA（也可以用A表示） 平均速率 A= = 负号“”表示反应物质A浓度减少 瞬时速率 用 中任何一种均可表示反应速率。在等容条件下，浓度之比就等于物质的量之比： (dnA) (dnB) dnG dnH = a b g h， 即(dcA):(dcB):dcG :dcH=(dnA)(dnB)dnGdnH = abg h ,一、反应速率的表示及其测定,第一节 化学反应速率,目前，国内外仍习惯采用物质浓度随时间的变化率来表示反应速率。除特别注明外，用

5、浓度变化表示反应速率，一定要与相应反应中的物质一同使用，要注意反应速率及其符号的表示方式。 国际理论与应用化学协会规定用反应进度（）对时间的变化率来表示反应速率（，即 ）。因为任意时刻参加反应的各种物质所起反应的摩尔数，与它们各自的计量系数之比是一个常数，这一常数只随反应时间而变化与物质种类无关。 对于气相反应，压力比浓度容易测定。可用参加反应中物种的分压来代替浓度，即压力随时间的变化率来表示反应速率，这时反应速率的常用单位为Pas-1。,一、反应速率的表示及其测定,第一节 化学反应速率,实例解析 实例3-1：对合成氨反应N2 + 3H2 2NH3，若起始时N2、H2和NH3的摩尔数分别为3、

6、9、0，反应时间为t时，N2、H2和NH3的摩尔数分别为2、6、2（与起始条件及计量参数有关），试写出反应进度和各反应物反应速率之间的关系。 解析：反应进度： 根据反应的计量关系，各反应物反应速率之间的关系：,一、反应速率的表示及其测定,第一节 化学反应速率,（二）反应速率的测定 化学法利用化学分析法测定某时刻反应中物质的浓度，必须使取出的样品立即停止反应的进行。使反应停止的办法有骤冷、冲稀、加入阻化剂或除去催化剂等。化学法的优点是能直接得出不同时刻浓度的绝对值。 物理法利用一些物理性质与浓度成单值函数的关系，测定反应体系物理量随时间的变化，折算成不同时刻反应物的浓度值，然后来确定反应物或产物

7、浓度，例如测定旋光度、折光率、电导、电动势、介电常数、吸收光谱、压力等的改变。较化学法迅速、方便，不终止反应，可在反应器内连续监测，便于自动记录。此法不是直接测量浓度，要找出浓度与被测物理量之间的关系曲线（工作曲线）。,一、反应速率的表示及其测定,第一节 化学反应速率,课堂互动 乙酸乙酯皂化反应为CH3COOC2H5 + NaOH C2H5OH + CH3COONa，试讨论电导法测量乙酸乙酯皂化反应速率的原理。 答：乙酸乙酯皂化反应为CH3COOC2H5 + NaOH C2H5OH + CH3COONa，随着反应的进行，由于离子电导很高的OH转化为离子电导较低的CH3COO，因此整个反应体系的

8、电导将降低，可以利用电导仪测量出反应体系的初始电导、不同时刻的电导以及反应终了时的电导，体系电导的变化与反应程度成正比，据此，可通过测量乙酸乙酯皂化反应中电导的变化反映反应速率。,一、反应速率的表示及其测定,第一节 化学反应速率,二、反应速率方程和速率常数,在恒定温度下，反应速率往往是参加反应的物质浓度的某种函数： = f (c) ，这种函数关系式称为速率方程。 实验证明，一般反应 aA+bB gG+hH =kcAcB 式中，k称为反应速率常数，为反应物A的级数，为反应物B的级数，+为反应的（总）级数。 反应级数是反应物浓度对反应速率影响的方次数，由实验确定的速率方程决定，其数值可以随反应条件

9、改变，可以是简单的0、1、2、3，也可以是分数或负数。反应级数表示各物质浓度对反应速率的影响程度，零级反应说明浓度的改变对反应速率无影响。对于不能写成浓度幂乘积形式的速率方程，则无级数意义。,第一节 化学反应速率,（一）反应速率方程和反应级数,课堂互动 下列三个反应的速率方程实验测定结果如下，试讨论它们的反应级数。 H2 + Cl2 2HCl （1） H2 + Br2 2HBr （2） H2+I2 2HI （3） 答：式（1）为简单级数反应，式（2）的反应速率方程不具有 的形式，无级数可言，式（3）为二级反应。所以，速率方程的各个指数可以是与方程中反应物前的计量数一致，也可不一致的，要根据实验

10、确定。三个反应的计量系数相同，但速率方程不同，说明它们的反应机制不同。,二、反应速率方程和速率常数,第一节 化学反应速率,（二）速率常数 在具有=kcAcB形式的速率方程中，其中的比例系数k称速率常数，其物理意义是：各反应物的浓度均为单位浓度时（1 moldm3）的反应速率的数值，可以表示反应的快慢。对于一定反应，k的大小在一定条件下是常数，与反应物的浓度无关，但与反应的本性、温度、溶剂、催化剂等有关。 速率常数k的单位为：浓度1-n时间1 。通过k的单位可以判断反应级数，若k的单位为时间1，则该反应为一级反应；若k的单位为浓度时间1，该反应为零级反应。若用不同的反应物或产物的浓度变化表示同一

11、反应的速率，此时速率常数k的值不一定相同。,二、反应速率方程和速率常数,第一节 化学反应速率,实例解析 实例3-2：N2O5的分解反应2 N2O5 = 4 NO2 + O2，各反应物质的速率方程分别如下： 试写出它们反应速率常数之间的关系。 解析：,二、反应速率方程和速率常数,第一节 化学反应速率,由于,所以,三、基元反应和反应分子数,（一）基元反应 大多数化学反应是经过一系列的步骤而完成的。能代表反应机制的由反应物微粒(分子、原子、离子、自由基等)直接碰撞而一步实现的反应称为基元反应（elementary reaction）或基元步骤。 简单反应仅由一个基元反应构成，而二个以上的基元反应则组

12、成复杂反应。,第一节 化学反应速率,例如 环丁烷 乙烯 是由一个基元反应组成的简单反应 乙酸乙酯的皂化反应 CH3COOCH2CH3 + OH- CH3COO-+ CH3CH2OH 为一简单反应 H2 +I22HI的反应为I22I ，H2+2I 2HI二步， 为复杂反应 这些基元反应代表了反应所经过的途径，动力学上称为反应历程或反应机制（reaction mechanism），即同时或连续发生在总反应中的一切基元反应。,第一节 化学反应速率,三、基元反应和反应分子数,（二）反应分子数 是指在基元反应过程中参加反应的粒子（分子、原子、离子、自由基等）的数目。根据反应分子数，可以将化学反应分为单分

13、子反应、双分子反应和三分子反应 。例如 单分子反应 2II2 双分子反应 CH3COOC2H5 +OH- CH3COO- +C2H5OH H2 +I HI+H 三分子反应 HOBr+H+Br- H2O+ Br2 反应分子数只是对基元反应和简单反应而言。不能把H2+ Cl2 2HCl反应叫做双分子反应，因为它不是一步直接完成的简单反应，而是分步进行的复杂反应。,三、基元反应和反应分子数,第一节 化学反应速率,反应分子数和反应级数没有必然的联系，反应级数不一定等于反应分子数。例如， 乙酸乙酯的皂化反应 CH3COOC2H5+OHCH3COO +C2H5OH， 实验证明是一步完成的简单反应，该反应就

14、是一个基元反应，为双分子反应，同时也为二级反应。 蔗糖的水解反应 C12H22O11+H2OC6H12O6+C6H12O6， 该反应为简单反应，反应分子数为2，但如果水量大，则表现为一级反应，称准一级反应，所以级数可依实验条件而改变。,三、基元反应和反应分子数,第一节 化学反应速率,第二节 具有简单级数的反应,一、零级反应 凡反应速率与反应物浓度的零次方成正比关系（即与反应物的浓度无关）的反应称为零级反应。 任何一个零级反应：A 产物， 动力学速率方程 动力学方程 cA= k0t+ cA,0 其中， cA是反应物t时刻浓度，cA,0是反应物初始浓度 反应物消耗了一半所需的时间称为反应的半衰期(

15、half-life，t1/2)，,第三章 化学动力学,零级反应的特征： cA与t呈线性关系，以cA对t作图得一直线，其斜率为k0； k0 的单位为浓度 时间1，如moldm-3s1； 零级反应半衰期与反应物的初始物浓度成正比。,第二节 具有简单级数的反应,一、零级反应,零级反应的浓度-时间曲线,实例解析 实例3-3：-氨基苄青霉素35时的溶解度为1.1g100ml，而悬浮液的浓度为2.5g100ml悬浮液中药物的零级降解速率常数为2.2107（g100ml）s1。求该悬浮液中药物降解10%需多长时间。 解析：药物降解10%，即cA=0.9 cA,0 由零级反应动力方程式，得0.9 cA,0cA

16、,0k0t0.9 t0.90.1 cA,0/ k00.12.5/(2.210-7)1.1106（s）13（天） 归纳：零级反应的反应速率与反应物的浓度无关，利用反应物的浓度与时间的直线方程，可以推导出反应物降解10%需时间的计算公式，可见其与反应物的初始物浓度成正比。,一、零级反应,第二节 具有简单级数的反应,二、一级反应,凡反应速率只与反应物浓度一次方成正比的反应称为一级反应 。 对一级反应 A 产物， 速率方程 定积分 半衰期 t1 / 2 = ln2 / k1 = 0.693 /k1 一级反应进行时，反应物的浓度、反应速率随时间按指数规律下降 。当t，cA0，即一级反应需用无限长时间才能

17、反应完全。,第二节 具有简单级数的反应,一级反应的特点： 以反应物浓度的对数对时间t作图，呈一直线。斜率为k1（自然对数表达式）或k1/2.303（常用对数表达式）； 速率常数k1的单位是：时间 1； 反应的半衰期与反应物的初始浓度无关，t1 / 2= 0.693 /k1； 一级反应动力学公式中，c/c0=exp(k1t)，所以同一反应不管初始浓度为多少，只要达到相同的转化率，所需时间都是一样的，任何与浓度成比例的物理量都可代替浓度代入动力学公式。,二、一级反应,第二节 具有简单级数的反应,一级反应的浓度-时间曲线,实例解析 实例3-4：已知过氧化氢分解成水和氧气的反应是一级反应：2H2O2(

18、l) 2H2O(l) + O2(g)，反应速率常数为0.0410min1，求：(1) 若H2O2初始浓度为 0.500moldm3，10.0 min后， H2O2的浓度是多少？(2) H2O2分解一半所需时间是多少？ 解析：(1) ln cH2O2，10 min =ln c0 k1t=ln0.5 0.041010 cH2O2，10 min =0.332 (moldm3) (2) t1 / 2 = ln2 / k1 = 0.693 / 0.0410 = 16.9 (min) 归纳：一级反应的反应物浓度的对数与时间为直线方程，利用该方程可以计算不同时间的反应物浓度，半衰期t1/2与反应物的初始浓度

19、无关。,二、一级反应,第二节 具有简单级数的反应,课堂互动 某一级反应进行10 min后，反应物减少30%。问反应物减少50%需多少时间？ 答：根据一级反应动力学方程ln =k1t 反应物百分率的对数与时间正比 t2=19.4(min),二、一级反应,第二节 具有简单级数的反应,三、二级反应,凡是反应速率与反应物浓度的平方或两种物质浓度的乘积成正比的反应，称为二级反应。二级反应有单纯二级反应（）和混合二级反应（）二种形式： A 产物（），A + B 产物（） 单纯二级反应（）的速率方程 定积分式 或 半衰期,第二节 具有简单级数的反应,二级反应特征： 半衰期与起始物浓度成反比，即反应物起始浓度

20、越大，t1/ 2越小。对于相同的转化率，如果初始浓度减半，时间加倍， 以反应物浓度的倒数1/cA对时间t作图，呈一条直线，其斜率为k2 k2的单位通常为浓度1时间1，如（moldm-3）1s1,三、二级反应,第二节 具有简单级数的反应,斜率=k2,单纯二级反应的浓度-时间曲线,对于许多反应，可以选择反应物浓度，使反应速率对某些反应物的级数为零，将反应级数简化，称为“准（假、伪、表观）级数反应”。例如： 蔗糖的水解反应实际上为二级反应，由于在溶液中水量很多，水的浓度可看作为一常数，反应表现为一级反应，故称准一级反应； 许多难溶的固体药物，如-氨基苄青霉素、阿司匹林等的水解为一级反应，但其制成混悬

21、剂后，由于制剂中药物的浓度远大于该药物在水中的溶解度，所以混悬剂的降解呈恒浓度（溶解度）的降解，表现为零级反应； 在均相催化反应中，催化剂的浓度维持恒定，所以反应对催化剂为准零级反应。,第二节 具有简单级数的反应,四、准级数反应,实例解析 实例3-5：A产物的反应，恒温下经1小时后有50的A发生了反应。若反应是(1)一级；(2)二级；(3)零级反应，求2小时后A还剩多少？ 解析：经1小时后有50的A发生了反应，即t1/21h，反应时间t2h (1)一级反应ln k1tt ln2/t1/2 ln4 ， =25% (2)二级反应 =33.3% (3)零级反应k0cA,0/(2t1/2)cA,0/2

22、， cA= k0t+ cA,0cA,0+ cA,00， =0,四、准级数反应,第二节 具有简单级数的反应,五、反应级数的确定,1.积分法 根据不同时刻的反应物浓度实验数据，尝试作图：零级反应，作c-t图；一级反应，作lnc-t图；二级反应，作1/c-t图。如果得到一直线的图，则为对应的反应级数。积分法适用于反应级数为整数的情况，偏离整数的情况不适用。 2.微分法 所谓微分法就是用速率公式的微分形式来确定反应级数的方法。,第二节 具有简单级数的反应,设一反应AP， 其速率方程为 以某一起始浓度的反应物进行实验，根据实验数据，作反应物浓度对时间的曲线（cA-t），曲线上任一点的切线，就是该浓度下的

23、瞬时速率。,五、反应级数的确定,第二节 具有简单级数的反应,反应物浓度对时间的关系,从不同的起始浓度开始，测量开始一段时间的浓度变化，在不同的起始浓度测量不同的起始速率，相当于图中各曲线在t=0时的斜率。 因为A,0= kcA,0n， 所以lg A,0 =lgk +nlgcA,0 以lgA,0对lgcA,0作图，得一直线，由斜率可求出n。这种方法称为起始速率法，求得的级数较为可靠，因为起始速率不受产物和其他因素的影响，相当于无干扰因素的级数。,五、反应级数的确定,第二节 具有简单级数的反应,起始速率法确定反应级数,3. 半衰期法 半衰期与反应级数有关。如对A产物，反应的速率方程为： t1/2=

24、常数/cA,0n-1或lg t1/2=(1 n)lgcA,0 +lg常数 可多取几组数据，作lg t1/2-lgcA,0图，直线的斜率为1n。也可取反应进行到1/4，3/4等时间来计算，这个方法称为分数寿期法，即反应物消耗某一分数所需时间。,第二节 具有简单级数的反应,五、反应级数的确定,第三节温度对反应速率的影响,反应速率与温度的5种类型： 反应速率随温度的升高而逐渐加快，呈指数关系。 开始时温度影响不大，到达一定极限时，反应以爆炸形式极快进行。 在温度不太高时，速率随温度升高而加快，到达一定温度，速率反而下降。如酶催化反应。 速率在随温度升到某一高度时下降，再升高温度，速率又迅速增加。如碳

25、氧化反应。 温度升高，速率反而下降。如一氧化氮氧化成二氧化氮。,第三章 化学动力学,反应速率与温度的各种关系,范特荷甫（Vant Hoff，亦称范特霍夫）根据许多实验总结出一条近似的经验规则，温度每升高10K，反应速率大约增加24倍。根据此规则，可大致估计温度对反应速率的影响。范特荷甫规则一般写作 kT +10 / kT = 24。,第三节温度对反应速率的影响,一、范特荷甫规则,二、阿仑尼乌斯定律,(一)定律内容 指数式 对数式 或 或 微分式 式中，k为速率常数，A为指前因子或频率因子，Ea为反应的实验活化能或阿仑尼乌斯活化能，R是理想气体常数（8.314JK-1mol-1），T是热力学温度

26、，e为自然对数的底（e=2.718 ）,第三节温度对反应速率的影响,A、Ea 是反应本性决定的常数，与反应温度、浓度无关。阿仑尼乌期定律表明温度对反应速率影响的大小主要决定于Ea的值，Ea的值越大反应速率随温度的变化越显著。因此，活化能Ea是表征反应系统动力学特征的重要参数。 作lnk对1/T图（或lgk-1/T图），可得直线关系，斜率为Ea/R，截距为lnA，由直线的斜率可求得活化能。,第三节温度对反应速率的影响,二、阿仑尼乌斯定律,反应速率与温度的关系，lnk -1/T图,(二)适用范围 阿仑尼乌斯定律是对基元反应速率受温度影响行为的定量描述，其常数Ea、A的解释都只适用于基元反应。复杂反

27、应动力学中使用该定律，只是借用其形式描述反应速率与温度的关系。 由于阿仑尼乌斯定律用速率常数代替反应速率，所以要求在定律适用的温度范围内，反应速率方程的形式不能改变（即质量作用定律有效）。 理论上和精密的实验都表明指前系数A是与温度有关，但在一般实验精度范围内，认为A是与温度无关的常数，不引起大的偏差。因此，对数式只适用于lnk -1/T图的直线区域，而定律的微分式所定义的阿仑尼乌斯活化能Ea则不受此限制。,二、阿仑尼乌斯定律,第三节温度对反应速率的影响,实例解析 实例3-6：CO(CH2COOH)2水解，在273K，k1=2.46105s1，在303K，k2=1.63103s1，计算：(1)

28、Ea；(2)333K时的k3；(3)333K时起始浓度为1mol/L，水解至0.25 mol/L时所需时间。 解析：(1) (2) k3=5.07102（s1） (3)由量纲可知该反应为一级反应，ln(cA/cA,0)= k3 t ln(0.25/1)= 0.0507 t t=27.3（s） 归纳：阿仑尼乌斯定律反映了反应速率与温度的经验关系，可用以测定活化能，计算不同温度下的反应速率常数，计算时注意定律不同表达形式的选择。,二、阿仑尼乌斯定律,第三节温度对反应速率的影响,课堂互动 25C时，酸催化蔗糖转化反应 C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6 蔗糖 葡萄糖

29、果糖 的动力学数据如下（蔗糖的初始浓度c0为1.0023 moldm3,时刻t的浓度为c） t(min) 0 30 60 90 130 180 c0-c(moldm-3) 0 0.1001 0.1946 0.2770 0.3726 0.4676 使用作图法证明此反应为一级反应，求算速率常数及半衰期。问蔗糖转化95%需时若干？,第三节温度对反应速率的影响,二、阿仑尼乌斯定律,答：数据标为t(min) 0 30 60 90 130 180c0-c(moldm-3) 1.0023 0.9022 0.8077 0.7253 0.6297 0.5347ln(c/c0) 0 0.1052 0.2159 0

30、.3235 0.4648 0.6283,作ln(c/c0) -t图，得一直线，为一级反应，直线拟合得 ln(c/c0 ) =3.353103t k1=3.53103(min-1) t1/2=ln2/k1=196.4(min) 蔗糖转化95%需时 t=ln(10.95)/k1=848.7(min),二、阿仑尼乌斯定律,第三节温度对反应速率的影响,第四节典型的复杂反应,正向和逆向同时进行的反应，称为对峙反应，也叫可逆反应或对行反应。最简单的正逆反应都是一级的对峙反应， 称为1-1对峙反应。,第三章 化学动力学,对峙反应特征： k1和k-1互不影响，称反应独立共存原理。 反应平衡后，反应物和产物的浓

31、度都分别趋近于它们的平衡浓度cA,eq和cB,eq，不再随时间而改变。,一、对峙反应,对峙反应速度时间曲线,对峙反应浓度时间曲线,相同反应条件下，反应物能同时进行几种不同的反应而得到不同的产物，称为平行反应。一般将反应较快或生成产物较多的反应称为主反应，其他反应称为副反应。 平行反应特征 ： 产物浓度之比保持恒定， 如选择合适的催化剂 和调节温度改变其比值， 以得到更多的所需产物。,第四节典型的复杂反应,二、平行反应,平行反应浓度时间曲线,凡反应所产生的物质能再起反应而产生其他物质，如此连续进行的反应系列，称为连串反应，又称连续反应。 例如 C6H6 + CH2=CH2 C6H5-C2H5 C

32、6H5-C2H5 + CH2=CH2 C6H4(C2H5)2,连串反应特征 ： A浓度逐渐降低，C浓度总是增大，B浓度有极大值，最慢步骤控制总反应速率。如果B是主产品，C是副产品，可通过改变温度、催化剂，调节k2和k1大小，并控制反应时间，使B尽可能多，而C尽可能少。,第四节典型的复杂反应,三、连串反应,连串反应浓度时间曲线,第五节 光化反应,由光照射而引起的化学反应称为光化学反应，简称光化反应。此处所说的光包括紫外线、可见光和近红外线，波长在1001000nm之间。由波长更短的电磁辐射或其他高能离子辐射所引起的化学反应，称为辐射化学反应，广义的辐射化学反应也包括光化反应。 在光化反应中，反应

33、物分子吸收光子，电子跃迁至高能态产生激发态分子，成为活化分子，就可能发生离解、异构化或与其他分子发生反应。,第三章 化学动力学,温度的影响光化反应的活化能来源于所吸收光子的能量，反应速率主要取决于光的照度。一般来说，光化反应的速率受温度的影响明显较小。光化反应一旦进行，即使光照停止，反应仍可继续下去。温度对光化反应速率的影响，可发生在继活化过程之后进行的热反应中。 反应的方向在恒温恒压和不做非体积功的条件下，热化学反应总是自发向使系统自由能降低的方向进行。而在光化反应中，环境以光的形式对体系做非体积功，光化反应进行的方向与体系的吉布斯能增减没有必然的联系。例如，植物的光合作用就是一个吉布斯能升

34、高的反应，而光化链反应H2+C22HCl，则是一个吉布斯能降低的反应。 反应的选择性因为特定的物质只吸收特定频率（或波长）的光量子，不同频率的光可以有选择地引发不同的化学反应。激光化学反应（尤其是红外激光化学反应）具有高度的选择性。,第五节 光化反应,一、光化反应的特点,有的药物对热稳定，而对光却很不稳定，易被光降解的物质称光敏感物质。某些药物的氧化还原、聚合、水解、环重排或环改变等反应，在特殊波长的光线作用下都可能发生或加速，其速率和药物的化学结构有关。例如，亚硝酸戊酯的水解，吗啡、奎宁的氧化、挥发油的聚合等等。光敏感药物可以采用强光照射试验，在较高的照度下考察它的稳定性。在光源一定时，药物

35、在光照射下的含量下降程度与累积光量(cumulative illuminance，CI，入射光的照度与时间的乘积)有关。,第五节 光化反应,二、药物的光稳定性,实例解析 实例3-7：己酸孕酮注射液对光很不稳定，其贮存期主要取决于光照量。在晴天室外遮荫处较强的自然光照射下，进行光照试验，定时抽样，用分光光度法和脉冲计数法分别测得己酸孕酮的相对标示含量c/c0 (%)和试验样品放置处的累积光量（CI ，klxh ）如下： t(h) 0 14.5 24.4 36.6 49.2 55.3 66.2 82.3 94.1 105.1 116.2 CI 0 150 300 463 609 756 910 1

36、053 1210 1354 1507 c/c0 100 96.6 92.6 88.5 84.0 78.7 74.9 71.4 69.1 65.6 60.8 已知当地室内年平均累积光量(CI year)为3.5102klxh，求该药物在室内自然光照射下降解10%所需的时间（t0.9）。 解析：以c/c0对CI进行线性拟合，得线性方程： c/c0= 0.0262CI + 99.99，R2 =0.9956，表明为零级反应 从线性方程，求对应于c/c090时的累积光量 CI0.9=(90 99.99)/0.02623.8102（klxh） t0.9CI0.9 CI year3.8105(3.5 105

37、)（h）1.1（年）,第五节 光化反应,二、药物的光稳定性,第六节溶液中进行的反应,溶剂对反应速率影响的主要因素： 1.溶剂化作用和溶剂极性 反应物分子与溶剂分子形成的化合物较稳定，会降低反应速率；若溶剂能使活化络合物的能量降低，从而降低活化能，能使反应加快；溶剂极性的影响则是：如果生成物的极性比反应物大，极性溶剂能加快反应速率，反之亦然。 2.离子强度 影响有离子参加的反应速率，会使速率变大或变小，这就是原盐效应。在稀溶液中，离子强度对速率系数影响的关系式： 式中，k r 为在一定的溶液中速率系数；k0为在无限稀释溶液中反应速率系数，离子强度为0；zA、zB分别为离子A、B所带的电荷；I为离

38、子强度；A为与溶剂和温度有关的常数，在25时稀水溶液中的离子反应，A0.509。,第三章 化学动力学,A、B离子带同号电荷则随离子强度的增加，反应速率系数增大； A、B离子带异号电荷则随离子强度的增加，反应速率系数减小； 反应物A、B中有一个是中性分子，则反应速率系数应与离子强度无关。 药液中离子强度的影响主要来源于调节pH、调节等渗、防止氧化等的附加剂。例如，对于带负电荷的药物离子，若是受OH催化，盐的加入会增大离子强度，从而使分解反应的速率加快；若是受H+催化，则分解反应的速率随着离子强度的增大而减慢。,第三章 化学动力学,第六节溶液中进行的反应,离子电荷、离子强度与反应速率系数的关系,实

39、例解析 实例3-8：试判断离子强度对下述反应的速率常数的影响： CH2ICOOH+SCN产物 (1) CH2BrCOO+S2O32产物 (2) Co(NH3)5Br2+OH产物 (3) 解析：反应(1)，zA=0，zAzB=0，离子强度对速率常数没有影响。 反应(2)，zA= 1，zB= 2，zAzB =20，离子强度增大，速率常数增大。 反应(3)，zA=2，zB= 1，zAzB = 20，离子强度增大，速率常数减小。,第三章 化学动力学,第六节溶液中进行的反应,3.溶剂介电常数 不同溶剂介电常数()影响离子或极性分子之间的引力或斥力，从而影响反应速率。 若离子A、B带同号电荷，则溶剂介电常

40、数增加时反应速率加快。 A、B带异号电荷则溶剂介电常数增加时速率反而减少。 当A、B之中有一个是中性分子时，离子与中性分子之间的反应速率随溶剂介电常数的增加而稍有降低。 介电常数大的溶剂会降低离子间的引力，不利于离子间的反应。例如：OH催化巴比妥类药物的水解是同种离子之间的反应，加入介电常数比水小的溶剂如甘油、乙醇等，可减小药物的水解。,第三章 化学动力学,第六节溶液中进行的反应,第七节催化反应,一、催化剂 催化剂(catalyst)是指能参与化学反应中间历程又能选择性地改变化学反应速率，而其本身的数量和化学性质在反应前后基本不发生变化的物质。催化作用的基本特性： 选择性 对不同类型的反应需要

41、选用不同的催化剂。 热力学特性 催化剂不改变反应的初态和终态，不改变反应发生的方向，可缩短反应到达平衡的时间，不影响最后的总包反应计量方程式。 动力学特性 催化剂参与化学反应，表观现象是总包反应的活化能、指前系数发生改变，反应级次、反应速率方程的形式可能发生变化。以叔丁醇脱水反应为例，在非催化情况下，700K左右脱水速率很小，E表观= 271.9 kJ/mol，k(700K) =2.5106 s1。加入少量HBr，在500K迅速分解，E表观=126.4kJ/mol，kc(500K)=0.577s1。 许多催化剂对杂质敏感，毒物就是使催化剂的作用减弱的少量外加物，使催化剂作用加强的少量外加物称助

42、催化剂。,第三章 化学动力学,H+（或H3O+）和OH的催化称之为特殊酸、特殊碱催化，广义酸(HA)与共轭碱A（或广义碱B与共轭酸HB+）的催化作用称为广义酸碱催化。 对特殊酸、特殊碱催化反应 S P，作一般经验的动力学处理，速率方程写成 S = kappcSn 其中 kapp = k0 + kH+cH+ + kOH-cOH- 在水溶液中，Kw=cH+cOH-=1014， 上式变为 kapp = k0 + kH+ cH+ + kOH-Kw/cH+ 式中，kapp 表示表观反应速率常数，k0表示在溶剂参与下反应自身的速率常数，kH+、kOH-分别为酸、碱催化的速率常数，代表催化能力。,第七节催化

43、反应,二、液相酸碱催化,对非催化反应、特殊酸与特殊碱催化反应，可近似认为上式右边的三项依次作为最大项起主要作用，而略去其余两项： 非催化反应 lg kapp= lgk0 特殊酸催化反应 lg kapp= lg(kH+ cH+)= lgkH+ pH 特殊碱催化反应 lg kapp= lg(kOH-Kw/cH+)= lg(kOH-Kw )+ pH 通过实验确定kH+、kOH-的常规方法是：在一系列不同浓度特殊酸（或特殊碱）的环境下测定kapp，以lgkapp对pH作直线关系图，从直线的截距可以求出kH+或kOH-的值，直线斜率为0、1、1分别表示非催化、特殊酸、特殊碱催化。,二、液相酸碱催化,第七

44、节催化反应,如图所示。当溶液pH较小时，反应以酸催化为主，kapp= kH+cH+，形成图中曲线左段；当溶液pH较大时，反应以碱催化为主，kapp= kOH-cOH-，形成曲线右段；pH居中时，酸碱催化的作用都不大，kapp= k0，形成曲线中段。使反应最慢的pH称为最稳pH，记为（pH）m。 （pH）m（lgkH+ lgkOH- lgKw）,第七节催化反应,二、液相酸碱催化,pH与反应速率常数的关系,解析：在酸性条件下，CO32在溶液中将变为CO2或HCO3，而在碱性条件下，CO32能在溶液中稳定存在。在偏酸和偏碱的情况下，维主素C水溶液的变色均加快，所以CO32、HCO3对维生素C的降解有

45、催化作用。 归纳：酸碱催化反应的类型很多，有非酸碱催化、特殊酸碱催化和广义酸碱催化。常用pH与反应速率常数对数的关系图，来判断酸碱催化反应的类型。使反应最慢的pH，即为溶液最稳定的pH。,实例解析 实例3-9：在维生素C注射液的制备中，常用碳酸钠调节pH。图为碳酸钠调节pH对25维主素C水溶液变色速率的影响，试分析碳酸盐对维主素C水溶液变色是否有催化作用。,二、液相酸碱催化,第七节催化反应,碳酸钠调节pH对25维主素C水溶液变色速率的影响,（一）酶催化的特点 催化活性很高 对同一反应来说，酶的催化活性要比其他催化剂高几个数量级。如脲酶催化尿素水解的能力大约是H+离子的1014倍。 催化专一 一

46、种酶只能催化一种特定的反应。例如脲酶它只能将尿素迅速转化成氨和二氧化碳，而对其他反应没有任何活性；乳酸脱氢酶只能催化l-乳酸脱氢为丙酮，而对d-乳酸却无作用；也有一些酶的选择性较低，可以催化某一类型反应。如胃蛋白酶能催化各种水溶性蛋白质中肽键的水解。 催化条件温和 一般在常温常压下就能进行，但反应历程复杂，酶是一种蛋白质，受pH、温度、离子强度等的影响较大。,第七节催化反应,三、酶催化反应,（二）酶催化反应动力学 被酶作用的分子称为底物。MichaelisMenten等人先后提出酶催化单底物反应的历程，其要点是：底物（S）与酶（E）上的特定活性中心结合，形成酶-底物络合物（ES），后者进一步转

47、变为产物（P），并释放出酶（E），所以酶催化表现出特定的选择性： 通常，酶的浓度比底物小得多，即使大部分酶都以中间产物（ES）的形式存在，ES的浓度仍然很低。,第七节催化反应,三、酶催化反应,k-1,k2,k1,酶催化反应的动力学常用米氏公式表示： 式中， ，称为米氏常数 在底物浓度很高的极限情况下，这时所有的酶实际上都以酶-底物络合物的形式存在，反应速率达到不依赖于底物浓度的最大值。即当cS， k2 cE,0，即为最大反应速率（m）。这时，反应速率与酶的初始浓度成正比而与底物的浓度无关，为底物的零级反应。 米氏公式也可以表示成 若cS很小，KMcS时， ，为底物的一级反应。,第七节催化反应,

48、三、酶催化反应,在实际酶催化实验中，酶浓度不能精确测定。为使 cE,0 cS 的条件始终得到满足，同时避免逆反应P + E ES这样一类副反应的干扰，在酶催化动力学实验中通常采用初速率法，这时反应速率方程可写成 当0=1/2m时，对应的底物 浓度正好等于米氏系数KM,第七节催化反应,三、酶催化反应,0-cS,0图,将米氏公式整理得 在保持酶浓度不变的的情况下，测定不同反应的初速率，以1/0对1/cS,0作图可得一直线，其斜率为KM / m，直线在纵轴上的截距为1/m ，在横轴上的截距为1/KM 。这样可以方便地确定表征酶催化反应动力学特征的参数KM 和m，不同的酶KM值不同，同一种酶催化不同的

49、反应时KM值也不同。,三、酶催化反应,第七节催化反应,1/m,1/ 01/ cS,0图,实例解析 实例3-10：为研究酶催化反应中嘌呤霉素(浓度单位mmolL-1)对反应速率(单位mmol L-1s-1)的影响，设计了两组实验：酶经过嘌呤霉素处理和酶未经嘌呤霉素处理。实验数据如下： 底物浓度cS,0 0.02 0.06 0.11 0.22 0.56 1.10 反应速率 处理01 61.5 102.0 131.0 155.5 196.0 203.5 未处理02 59.0 85.0 106.5 127.5 151.0 160.0 试分析嘌呤霉素对酶催化反应的影响。,三、酶催化反应,第七节催化反应,

50、解析：作0-cS,0图，观察曲线的变化，可见处理后的反应速率加快。 数据标化为： 1/cS,0 50.00 16.67 9.091 4.545 1.786 0.909 1/01 0.0163 0.0098 0.0076 0.0064 0.0051 0.0049 1/02 0.0169 0.0118 0.0094 0.0078 0.0066 0.0063,三、酶催化反应,第七节催化反应,以1/0对1/cS,0进行线性拟合，得： 1/010.0052+ 2.27410-4/ cS,0，R20.9844； 1/020.0069+ 2.12110-4/ cS,0，R20.9568 m11/0.0052

51、=192.31（mmolL-1s-1）， KM1192.312.27410-40.044（mmolL-1） m21/0.0069=144.93（mmolL-1s-1）， KM2144.932.12110-40.031（mmolL-1） 可见，嘌呤霉素处理后，酶催化最大反应速率和米氏常数均增大，对催化活性有一定的提高。 归纳：在酶催化动力学中，利用米氏公式，作反应初速率的倒数与反应底物浓度的倒数图，所得直线的斜率为KM / m，纵轴截距为1 / m ，横轴截距为1/KM，这样可以测定酶催化动力学的参数KM 和m。,三、酶催化反应,第七节催化反应,第八节 化学动力学在药学领域中的应用,应用化学动力

52、学方法，可以测定药物分解的速率，了解影响反应的因素，建立药品的有效期，为药品的生产、包装、贮存和运输提供科学依据。经典恒温法的依据是化学动力学原理，因为大部分药物及其制剂的降解反应，可以按零级反应、(准)一级反应处理。 试验方法：将试样分别在不同温度下加热，定时取样测定其含量或浓度，确定各温度下含量变化与时间的关系和反应级数，求出相应的反应速率常数，再用阿仑尼乌斯定律求出活化能Ea和药品贮存温度的速率常数，进而按相应级数的反应计算药物降解10%的时间，即有效期（t0.9）。,第三章 化学动力学,一、药物稳定性试验的应用,实例解析 实例3-11：某药物溶液的分解为一级反应。在50、60、70和8

53、0测得其反应速率常数分别为7.0810-4h1、1.07103h1、3.55103h1和0.00641 h1。计算此反应的活化能和此药物在25下的有效期（t0.9）。 解析：以lnk-1/T进行线性拟合得：lnk= 8.89103/T +20.12，R20.9632 Ea8.3148.89103 73.9（kJ/mol） 当T =298K时，由线性方程得 k298 = 6.1510-5（h1） 一级反应 c=c0ekt =0.9c0 t0.9= ln0.9 /k298 = 1712（h）= 71（天）,第三章 化学动力学,第八节 化学动力学在药学领域中的应用,二、药物溶出释放试验的应用,进行药

54、物溶出释放速率试验，系测定一系列时间的累积溶出释放百分率（F(t)），并用相关模型描述，这对药品溶出度、释放度的质量控制和缓释、控释制剂的设计具有重要意义。,第八节 化学动力学在药学领域中的应用,药物累积溶出释放百分率对时间曲线,常用的试验模型： 零级释药模型 F(t)= k0t 式中， k0为零级速率常数。 一级释药模型 F(t)=1 ek1 t 式中，k1为一级速率常数。 希古氏（Higuchi）模型 F(t)=kHt1/2 式中，kH称为Higuchi系数。 威布尔（Weibull）模型 式中，t为时间；为形状参数，表示曲线形状特征，=1时，Weibull函数是普通的指数函数；为尺度参数

55、，表示时间的尺度；t0为位置参数，表示时间延滞，简称时滞。 在溶出释放试验中，对累积溶出释放百分率按试验模型进行曲线方程的拟合，求出T0.50（药物溶出释放50%的时间)和Td（药物溶出释放63.2%的时间）等溶出释放参数，用来评价药物的溶出释放特性。,二、药物溶出释放试验的应用,第八节 化学动力学在药学领域中的应用,实例解析 实例3-12：某片剂溶出试验的累积溶出百分率F(t)结果如下： t(h) 1 2 3 4 6 8 12 18 24 36 48 F(t) (%) 0.72 2.64 5.40 8.74 16.46 24.70 40.48 59.64 73.10 88.22 100 计算

56、：(1)试按一级释药模型拟合，并计算T0.50和Td参数；(2)如用Weibull模型拟合，结果为： ，试计算T0.50和Td参数。 解析：(1)一级释药模型方程：F(t)=1 ek1 t 进行ln1 F(t)-t线性拟合： ln1 F(t)0.0547t，R2= 0.9695k10.0547 (h1) T0.50ln(1 0.5)/ k1=12.67 (h) Tdln(1 0.632)/ k1=18.28 (h) (2)由Weibull模型拟合方程，1.41，9.36 h ，t00.43 h 由Weibull公式变换为：t = explnln(1/(1-F(t)+ln/+ t0 当F(t)0

57、.50时，T0.5015.35 (h)；当F(t)0.632时，Td =19.78 (h),二、药物溶出释放试验的应用,第八节 化学动力学在药学领域中的应用,药物动力学系用化学动力学原理，定量地描述药物体内的量时变化规律的一门科学。以静脉推注给药(剂量X0)为例，假如药物的体内转运过程为一级速率，药物注射后立即布及有关部位，完成分布的过程可忽略不计，称为一室模型，表示为： 血药浓度的速率方程式 = KC 血药浓度方程式 C=C0eKt 式中，K为消除速率常数,第八节 化学动力学在药学领域中的应用,三、药物动力学的应用,如药物静脉注射后立即布及心、肝、肾等血流丰富的组织（浓度为C1），而较难进入

58、脂肪、骨骼等血流匮乏的组织（浓度为C2）。因为肝、肾是药物代谢和排泄的主要器官，所以药物主要由肝、肾消除，这时将药物的体内过程表示为二室模型： 血药浓度速率方程式 式中，kel为消除速率常数，k12、k21为室间转运速率常数。 血药浓度方程为 其中，,三、药物动力学的应用,第八节 化学动力学在药学领域中的应用,由于药物的代谢、肾小管排泄和胆汁分泌均涉及酶和载体系统，这些系统对有些药物的消除有特异性，并且有容量限制。故这类药物在体内的转运需用米氏方程来描述： 式中， 指血药浓度下降速率，m为过程最大速率（药动学中常用Vm表示），单位为浓度时间1；KM为米氏常数。 在血药浓度较低（KMC）时，药物消除速率与浓度成正比（ ），表现为一级过程；当血药浓度进一步增大，达到一定浓度（CKM）后，消除速率接近于m而恒定，与浓度无关，为零级过程。,三、药物动力学的应用,第八节 化学动力学在药学领域中的应用,实例解析 实例3-13：某男性患者静脉推注氨苄青霉素600mg，在1、2、3、5、8h测得血药浓度分别为：37、21.5、12.5、4.5