1。介绍
多酚广泛存在于植物和存在于所有植物的系统(
1 ,
2 ]。Hydroxy-cinnamates,尤其是咖啡酸(见图
1 )及其衍生物,广泛分布在果汁和他们的存在是由于他们容易可萃取性。含有多酚类物质的食物进行酶和非酶的布朗宁由于自氧化反应(
4 ,
5 ]。
图1
咖啡酸。
初始氧化的化合物如咖啡酸导致的形成醌形式(
6 ,
7 ),被强亲电,经过亲核攻击(
9 ,
10 ]。其余的醌参与的反应是一样的,无论醌已经产生酶或化学。
上述反应在酸性条件下发生和存在的是催化金属(
12 ,
13 ]。食品加工,包括治疗在碱性条件下会导致降低营养价值由于苯酚氧化反应与氨基酸和蛋白质通过氮(
15 ]。
在碱性条件下,咖啡酸与氧气反应迅速(
16 ]。在酸性条件下,非酶的反应是缓慢的
17 ]。
研究人员(
18 ]发现,咖啡酸的氧化是极其快速的pH值≥8和pH值的依赖以及相对较低的pH值和恒定的阿伦尼乌斯活化能表明酚盐的离子也参与了反应。
反应速率的增加增加pH值(4.56
×
10−7 年代−1 在pH值为4.0和1.67
×
10−5 年代−1 在pH值为8.0,35岁° C)和温度(2.12
×
10−6 年代−1 在5° C和1.67
×
10−5 年代−1 35岁° C,在pH值8.0;1.39
×
10−7 年代−1 在5° C和2.29
×
10−6 年代−1 35岁° C,在pH值5.0)(
18 ]。阿伦尼乌斯活化能被发现
49.0
±
6.4
kJ摩尔−1 在pH值8.0和酚盐离子浓度的控制因素,提出了自动氧化的速率(
18 ]。
我们的目标是研究的动力学和机理的咖啡酸络合铬(III)在弱酸性溶液条件下,排除自然氧化的配体。
咖啡酸,胡敏酸的降解产物,可以发现在土壤和植物生长的营养解决方案。研究咖啡酸的络合金属离子,在我们的例子中,铬(III),可以提供信息的方式,金属离子可用于植物。
2。实验结果
2.1。试剂和材料
所用试剂均为分析纯。咖啡酸(阿尔法蛇丘),用作接收,是溶解在稀溶液(0.1米)的KOH浓度从0.0025到0.01米。股票的解决方案(0.2米)的铬(III)从Cr(没有准备3 )3
⋅
9小时2 使用KNO o .离子强度的调整3 。后他们准备使用的解决方案,以避免转换和分解反应。添加铬(III)的解决方案使pH值低于4由于其酸性水解。所有动力学实验进行pH值低于4在空气的存在。在21岁° C的起始pH值为2.3的解决方案。
2.2。动力学实验
替换的水分子的动力学领域的协调
Cr
(
H
2
O
)
6
3
+
在537 nm,咖啡酸之后,最大的最终产品和初吸光度区别
(
t
=
0
)
的混合物
Cr
(
H
2
O
)
6
3
+
/咖啡酸的存在。吸光度是记录在日立模型100 - 60分光光度计和电子光谱被记录在瓦里安卡里3 e分光光度计。
一阶速率常数与非线性最小二乘估计。
Pseudofirst-order条件(过量的铬(III),即,一个cidic solution) were employed for all of the kinetic experiments, whereas experiments in excess of ligand (caffeic acid) were not possible to be performed due to its oxidation in the alkaline solution of the reaction mixture. Experiments at temperatures higher than 45° C也避免由于加速度的配体的分解/自动氧化。
的情节
ln
(
一个
∞
−
一个
t
)
,在那里
一个
∞
和
一个
t
完成后吸光度反应和时间
t
与时间,被发现是非线性(见图
2 );他们弯曲的短的反应时间和斜率常数反应时间。
图2
一个典型的非线性的情节
ln
(
一个
∞
−
一个
t
)
与时间。条件(咖啡酸):0 (铬(III)) = 0.01米,0 = 0.08 M, 1厘米细胞,
T
= 303 K,
我
= 0.5 M。
速率常数的计算假定连续两个一阶步骤根据方法在文献[
19 ,
20. ]。
反应序列一阶(或pseudofirst-order)两个步骤组成
(1)
一个
→
k
2
B
→
k
3
C
承认两个数学解决方案;速率常数的集,快和慢交换动力学步骤(
19 ,
21 ,
22 ]。
线性(长期)第二部分的斜率
−
k
3
因此
k
3
(
奥林匹克广播服务公司
)
值了。的速率常数
k
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
对于一个
→ B步骤进行评估的方法Weyh和哈姆
20. 连续使用速率方程
(2)
一个
∞
−
一个
t
=
一个
2
e
−
k
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
t
+
一个
3
e
−
k
3
(
奥林匹克广播服务公司
)
t
,
在哪里
一个
2
和
一个
3
依赖速率常数和消光系数。的值
一个
2
e
−
k
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
t
被获得
Δ
=
一个
∞
−
一个
t
−
一个
3
e
−
k
3
(
奥林匹克广播服务公司
)
t
在不同时期
t
(见图
2 )。所以,
ln
Δ
=
常数
−
k
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
t
和
k
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
的斜率值来自lnΔ与的情节
t
对于小的值
t
。一个典型的图如图
3 。
图3
一个典型的情节lnΔ和时间。条件(咖啡酸):0 (铬(III)) = 0.01米,0 = 0.08 M, 1厘米细胞,
T
= 303 K,
我
= 0.5 M。
实验数据显示的曲率
ln
(
一个
∞
−
一个
t
)
与
t
情节在所有温度下各种(过剩)铬(III)浓度。假设存在两个连续步骤的研究反应的计算
k
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
和
k
3
(
奥林匹克广播服务公司
)
值与实验数据。数据的分析给出了一个很小的值
Δ
H
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
≠
和一个非常大的绝对值
Δ
年代
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
≠
这表明复合反应发生;这可能是一个快速平衡紧随其后
k
2 慢一步(
19 ]。贡献非复杂铬(III)物种的吸光度值,主要是由于过量的铬(III),不会引起问题的图(见图
2 和
3 ),因为它是包含在两个
一个
∞
和
一个
t
消除由于减法
一个
t
从
一个
∞
。
表
1 给出了
k
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
和
k
3
(
奥林匹克广播服务公司
)
值反应在不同温度(298 K, 303 K, 308 K, 310 K)。
表1
的值
k
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
和
k
3
(
奥林匹克广播服务公司
)
在不同的温度。
k
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
×
104 (年代−1 )
k
3
(
奥林匹克广播服务公司
)
×105 (年代−1 )
T
(K)
2。0
2。8
298年
2。6
4.8
303年
3所示。0
6.3
308年
3所示。4
8.4
310年
激活参数
Δ
H
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
≠
,
Δ
年代
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
≠
和
Δ
H
3
(
奥林匹克广播服务公司
)
≠
,
Δ
年代
3
(
奥林匹克广播服务公司
)
≠
相应的,
k
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
和
k
3
(
奥林匹克广播服务公司
)
分别从线性计算艾林阴谋(见图
4 )和表
2 。
表2
激活参数的步骤
一个
→
k
2
B
和
B
→
k
3
C
。
Δ
H
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
≠
(kJ摩尔−1 )
Δ
年代
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
≠
(J K−1 摩尔−1 )
Δ
H
3
(
奥林匹克广播服务公司
)
≠
(kJ摩尔−1 )
Δ
年代
3
(
奥林匹克广播服务公司
)
≠
(J K−1 摩尔−1 )
28.6
±
2。9
−220±10
62.9
±
6.7
−121±22
图4
艾林地块进行
k
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
和
k
3
(
奥林匹克广播服务公司
)
在温度进行了研究。
有时超过4 - 5 B的半衰期
→ C步骤中,配体的反应包括氧化,导致异常进一步吸光度的变化。的记录值
一个
∞
用于数据
2 ,
3 ,和所有其他的图非常接近真实值,因为它们也通过策划
一个
=
f
(
t
)
;这才有可能确认完成反应。
3所示。讨论
Cr pKa的价值3 + / Cr(哦)2 + 约[
23 ,
24 ]。pH < 4、铬(III)复杂主要存在于其hexa-aqua单体的形式吸收最大值在575和410海里。然而,在pH值范围3 - 4有一些
Cr
(
H
2
O
)
5
哦
2
+
和反应
Cr
(
H
2
O
)
5
哦
2
+
而不是
Cr
(
H
2
O
)
6
3
+
应该被视为发生,因为它很大程度上更高的反应性。所有的实验工作进行pH值低于4。在这些条件下的配体的存在主要是中性分子和monoanion [
25 ,
26 ]。
反应物混合后,最初紫色(
Cr
aq
3
+
)和布朗(咖啡酸)的解决方案,一个棕绿色复杂,就形成了。棕绿色复杂被制定为一个氧气连接的铬(III)化合物
一个 (计划
1 )基于UV / Vis光谱的形成和随后的转换(替换)动力学。在所有的动力学实验,首先我们假设一开始已经关联的棕绿色复杂
一个 。这表明,以下两个慢步骤(
k
2
,
k
3
)没有贡献在温度研究的第一步。
方案1
的
ln
(
一个
∞
−
一个
t
)
与时间的情节,非线性,表明一个复杂的反应,而不是一个单步过程。上面描述的两个一阶连续步骤(分析)是独立于铬(III)浓度(见表
3 ),这表明(第一个)一步导致之间的形成的一个复杂的反应活性形式的反应物(Cr (H2 O)5 哦2 + 、中性形式的咖啡酸)。因此至少三个步骤(
k
1 ,
k
2 ,
k
3 )发生(计划
1 ):第一,快速,没有研究,最后两个,从我们的数据的分析结果。
表3
的依赖关系
k
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
和
k
3
(
奥林匹克广播服务公司
)
铬(III)浓度在不同温度下的反应
一个
→
k
2
B
→
k
3
C
。条件(咖啡酸):0 = 0.005米,
我
= 1.0 M。
k
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
×
104 (年代−1 )
k
3
(
奥林匹克广播服务公司
)
×
105 (年代−1 )
(铬(III))0 (M)
T
(K)
2。0
2。8
0.018
298年
2。2
4.8
0.08
303年
2。4
5.1
0.09
303年
2。8
4.7
0.10
303年
2。9
4.5
0.11
303年
2。8
6.0
0.07
308年
3所示。2
6.6
0.09
308年
3所示。3
9.1
0.08
310年
3所示。7
8.5
0.08
310年
3所示。3
7.6
0.14
310年
一个快速的第一步与铬(III)发生反应的物种替代速率常数并不符合hexa-aqua形式的铬(III);因此,机械的途径(计划
1 )建议最可能通过羟基的物种。
由于质子化作用的配体,羟基和羧基组封锁,和铬(III)的袭击发生在他们通过释放质子,影响测量溶液的pH值降低(见图
5 )。多余的配体实验并不像前面解释的那样执行(实验部分
2 由于溶解度问题)和氧化碱配体的解决方案。
图5
pH值和时间块典型的混合咖啡酸/铬(III)。条件(咖啡酸):0 (铬(III)) = 0.01米,0 = 0.09米,
T
= 308 K。
拟议的机制形成的各种物种所示方案
1 。Cr的攻击(H2 O)5 哦2 + 咖啡酸的羧基,
1 ,导致复杂的
2 ;这导致平衡转变
(3)
Cr
(
H
2
O
)
6
3
+
⇌
K
一个
Cr
(
H
2
O
)
5
哦
2
+
+
H
+
pH值
<
4
向右。
一个非常快速的质子化作用平衡它遵循步骤1有利于aqua物种(复杂
一个 )。在共轭碱共轭碱机制,虽然现在只有一小部分,然后reprotonates因为它自然会作出反应。活性物种必须Cr (H2 O)5 哦2 + 而不是
Cr
aq
3
+
。
复杂的
一个 反应在两个连续的步骤(
k
2 ,
k
3 )给
B 和
C 。
在图
6 在298 K,反应混合物的光谱被记录在不同时期混合后从棕绿色复杂
一个 。光谱对应的混合物
一个 ,
B, 和
C 。
图6
光谱的一个典型的咖啡酸/铬(III)混合物混合后在不同时期;(咖啡酸)0 (铬(III)) = 0.015米,0 = 0.025米,
T
= 298 K, 1厘米细胞。(一)0秒,(b) 1800秒,(c) 3600秒,(d) 7200秒,(e) 14400秒。
的最大吸光度光谱之间的区别
一个 和
C 被发现在537 nm(实验段
2 )。由于络合,最大吸光度是流离失所的低波长(强配位场,更高的D问 )。
的
k
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
和
k
3
(
奥林匹克广播服务公司
)
依赖铬(III)浓度(见表
3 )研究了在不同温度下为了(a)发现如果第二或第三铬(III)离子与已经形成的复杂反应
一个 和(b)能够计算激活参数(
Δ
H
≠
,
Δ
年代
≠
)。通过隔离Cr3 + /咖啡酸最终复杂(复杂
C 固体形态的铬(III) /咖啡酸混合各种化学计量学,我们发现只有一个配体分子进入协调球体的金属。1:1的化学计量学的反应与咖啡酸铬(III)提出了符合元素分析和连续一阶异构化和螯合反应的铬(III)中心。元素分析:28.11% C和5.05% H对应公式[Cr (H2 O)4 (咖啡酸−3 h )K+ 哦−
⋅
2 h2 O]的计算C和H的百分比为27.49%和4.62%,分别。
两个连续步骤的假设提出的变换
一个 来
B 和
B 来
C 可以通过上面的检查研究。的独立性
k
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
和
k
3
(
奥林匹克广播服务公司
)
铬(III)浓度证实了上述假设。
计算激活参数(
Δ
H
≠
,
Δ
年代
≠
)获得的艾林阴谋(依赖于温度实验,图
4 )建议结构相应的活性复合物形成的过程(步骤2和3)以及发生的机制。
不可能获得激活参数
Δ
H
1
(
奥林匹克广播服务公司
)
≠
和
Δ
年代
1
(
奥林匹克广播服务公司
)
≠
自从广泛变化所需的温度以上目的不能实现我们的实验。解离机制
我
d
然而,预期为步骤1,因为共轭碱Cr (H2 O)5 哦2 + 解离机制
我
d
支持(
27 因为协调的强烈不稳定效果哦− 在
反式 H2 O导致102 -10年3 折叠速率增强hydroxy-over hexa-aqua离子。
步骤2激活参数的值(
Δ
H
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
≠
,
Δ
年代
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
≠
)这意味着复合反应发生。这包括快速平衡(
K
0
其次是缓慢的步骤2(计划
1 )。这些复合活化参数
Δ
H
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
≠
=
Δ
H
0
+
Δ
H
2
≠
和
Δ
年代
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
≠
=
Δ
年代
0
+
Δ
年代
2
≠
,在那里
Δ
H
0
和
Δ
年代
0
对应的平衡(
K
0
),
Δ
H
2
≠
和
Δ
年代
2
≠
第二步(
k
2 )。
的值
Δ
H
3
(
奥林匹克广播服务公司
)
≠
和
Δ
年代
3
(
奥林匹克广播服务公司
)
≠
对应于一个单一的步骤
k
3 。
的负
Δ
年代
≠
(
Δ
年代
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
≠
和
Δ
年代
3
(
奥林匹克广播服务公司
)
≠
)的独立性
k
2
(
奥林匹克广播服务公司
)
和
k
3
(
奥林匹克广播服务公司
)
铬(III)浓度,位移
λ
马克斯
,pH值降低(见图
5 )导致机制提出了方案
1 ,替换的水分子在协调领域的铬(III)咖啡酸分子的联想激活。第一步(
k
1 )是一个
我
d 更换咖啡酸的水分子。第二步是一个异构化,第三步是螯合。所有三个步骤发生伴随质子释放。1:1的化学计量学的反应与咖啡酸铬(III)提出了符合元素分析和连续一阶异构化和螯合反应的铬(III)中心。
pH值降低(见图
5 )是由于释放质子反应(方案的过程
1 )。
活性复合物的结构
一个
≠
和
B
≠
给出了方案
2 。
方案2
激活复合物
一个
≠
和
B
≠
。
建议螯合形成过渡状态的方案
2 最好是由一个关联可能发生机制(
Δ
年代
≠
<
0
),已发现的铬(III)的反应
28 - - - - - -
30. ]。另外,原来的复杂
一个 可能是一个螯合物本身,这可以解释产品的形成包含Cr-O债券。激活的负熵,
Δ
年代
≠
然而,建议多组织转型国家的少的形成有组织的反应物。因此,复杂的
一个 不在螯合形式和机制所示方案
1 者优先。在该机制中酚组作为内部攻击组chromium-bound H2 O分子,从而提供一个质子在同一复杂(计划
2 )和发布的H3 O+ 。
最终产品的另一个结构
C 通过氧螯合的羧基。然而,如果在羧基发生螯合,一个四元环的结果,这是不可取的。支持的五元环根据建议的形成机制(计划
1 )是更有可能的。因此我们放弃这个选择。
第一个复杂的两步isomerisation-chelation形成,
一个 、生产PhO-bound铬(III)的物种,特点是UV / Vis光谱和动力学行为是典型的其他已知的复合物含有Cr-O债券(
28 ,
29日 ]。
上述数据表明,绑定是通过两个酚组发生的配体分子,咖啡酸,
1 。这种模式绑定(catecholic类型)一直在还建议dihydrocaffeic酸的反应与铬(III)在弱酸性的水溶液(
31日 ]。上面的反应也发生在至少三个阶段(络合、异构化、螯合)。