鲁米诺的合成

来源：美国马萨诸塞大学阿默斯特分校 Lara Al Hariri 和 Ahmed Basabrain

1. 3-硝基邻苯二甲酰肼的合成展开

   在本实验中，你将通过两步反应合成3-氨基邻苯二甲酰肼，该化合物也称为鲁米诺。第一步是3-硝基邻苯二甲酸与肼之间的缩合反应。

   在此步骤中，羧酸基团被NH基团取代，生成3-硝基邻苯二甲酰肼和两分子水。整个实验过程中必须在通风橱内操作，因为反应会产生有毒蒸气和气体。

   • 开始前，请穿上实验服，戴上防溅护目镜和腈类手套。注意： 肼具有高毒性且易燃，避免直接接触，并在不同通风橱之间转移含肼物质时始终保持容器密闭或覆盖。
   • 量取10 mL去离子水，倒入一个25 mL锥形瓶中。将锥形瓶用夹子固定在加热板上，并插入一支温度计。
   • 开始加热水。你需要将水温升至80 °C，因此将加热板设定为略高于此温度的档位。
   • 加热的同时，在实验台支架上固定一个夹子，并在其下方设置本生灯。
   • 取一支25 mL试管，调整夹子位置，使其能将试管固定在火焰上方约5 – 7 cm处。然后取下试管并放入一个400 mL烧杯中。
   • 当水温达到80 °C时，调节加热功率以维持温度稳定。
   • 称取0.6 g 3-硝基邻苯二甲酸于已去皮的称量舟中。将3-硝基邻苯二甲酸倒入试管中，然后携带试管和试管塞前往溶剂通风橱。
   • 使用提供的刻度移液管小心量取0.9 mL 10% v/v肼溶液，并转移至试管中。返回通风橱前，请记得盖紧肼溶液瓶盖并塞好试管。
   • 将试管夹在本生灯上方，并取下塞子。然后用量筒量取约2 mL三甘醇，并将其放置在通风橱内备用。
   • 向试管中加入2至3粒沸石。插入一支耐高温温度计并点燃本生灯。用中等火焰加热混合物，直至3-硝基邻苯二甲酸完全溶解。
   • 然后加入三甘醇，并加大火焰强度。注意： 肼溶液中的水沸腾蒸发后，温度将继续上升。
   • 当反应混合物温度达到210 °C时，调低加热功率，使混合物温度维持在210 °C至220 °C之间，持续3 – 4分钟。
   • 熄灭火焰，等待混合物冷却至100 °C。
   • 关闭加热板，取出温度计并松开夹子。用坩埚钳夹住锥形瓶，用量筒量取8 mL热水，倒入试管中，并取出温度计。
   • 取一块塑料封口膜覆盖试管口，然后用坩埚钳将试管转移至盛放用的烧杯中。
   • 在实验水槽处，将试管置于流动的自来水下冷却，注意防止水进入试管内部。
   • 随后擦干试管外壁，将其带回通风橱。将试管垂直夹好，取下封口膜。让黄色的3-硝基邻苯二甲酰肼沉淀在试管中静置15分钟。
   • 等待期间，向一个25 mL锥形瓶中加入约10 mL去离子水。在250 mL烧杯中准备冰浴，并开始冷却其中的水。
   • 设置减压过滤装置，包括一个250 mL抽滤瓶、布氏漏斗和一张圆形滤纸。
   • 待产物沉淀至少15分钟后，取一支巴斯德移液管，用几滴冷水润湿滤纸。
   • 开启真空泵，将试管内容物倒入布氏漏斗中。用1 – 2 mL冷水冲洗残留固体进入漏斗。
   • 用镊子取出沸石，并用几滴冷水冲洗，以完全回收产物。
   • 当漏斗不再有液体滴入抽滤瓶时，关闭真空泵。
2. 3-氨基邻苯二甲酰肼的合成展开

   在鲁米诺合成的第二步中，你将在NaOH碱性溶液中使用连二亚硫酸钠还原3-硝基邻苯二甲酰肼的硝基，生成3-氨基邻苯二甲酰肼二价阴离子。

   还原完成后，加入乙酸使二价阴离子质子化，形成鲁米诺。由于连二亚硫酸钠具有高反应活性且易快速降解，因此需使用稍过量的试剂。还原后，通过质子化降低鲁米诺二价阴离子在水中的溶解度。最后，将鲁米诺以黄色固体形式沉淀并收集。

   • 将一支洁净的25 mL试管放入烧杯中，用洁净的药匙将3-硝基邻苯二甲酰肼转移至试管中。
   • 将布氏漏斗放置一旁，将试管夹在本生灯上方。抽滤瓶保留原位以备后续使用。
   • 使用10 mL量筒量取约3 mL 3 M NaOH溶液，倒入试管中，并用玻璃棒搅拌，直至3-硝基邻苯二甲酰肼完全溶解。
   • 称取2 g连二亚硫酸钠于已去皮的称量舟中，加入试管。量取3 mL去离子水，倒入试管中。
   • 充分搅拌混合物，尽可能使固体溶解。然后向试管中加入几粒洁净的沸石，并点燃本生灯。
   • 用中等火焰将混合物加热至沸腾，保持沸腾5分钟。
   • 等待期间，量取1.5 mL冰乙酸并带至通风橱。
   • 反应混合物沸腾5分钟后，关闭本生灯，向试管中加入乙酸。让混合物冷却至室温（通常需10 – 15分钟）。同时，在600 mL烧杯中准备冰浴。
   • 混合物冷却后，将其放入冰浴中，静置15分钟，使鲁米诺充分沉淀。
   • 重新组装减压过滤装置，使用洁净的布氏漏斗和新的滤纸，并开始在冰浴中冷却另外10 mL去离子水。
   • 当鲁米诺在冰浴中至少放置15分钟后，用冷水润湿滤纸，然后通过减压过滤收集固体鲁米诺。
   • 取出沸石，并用更多冷水冲洗鲁米诺。当漏斗中不再有液体滴落时，关闭真空泵，将鲁米诺转移至一个50 mL烧杯中。
   • 现在准备合并滤液进行处理。首先，标记一个250 mL烧杯为“肼和连二亚硫酸盐废液”。将滤液转移至该烧杯，并用去离子水冲洗抽滤瓶，以去除残留的肼和连二亚硫酸盐。
   • 接着，向滤液中加入10 mL去离子水稀释。然后量取10 mL 1 M碳酸钠溶液，加入合并的滤液中。
   • 将一个50 mL量筒带至废液通风橱。量取40 mL 10%次氯酸钠溶液，倒入滤液混合物中。将烧杯放在加热板上，加入搅拌子，并固定一支温度计于烧杯中。
   • 边搅拌边将混合物加热至50 °C。为彻底氧化残留的肼和连二亚硫酸盐，混合物需在50 °C下保持1小时。因此，在开始实验最后部分前，请确保温度稳定，并设置1小时计时器。
3. 化学发光与荧光展开

   在实验的最后部分，你将把部分自制的鲁米诺与二甲基亚砜混合，并加入固体氢氧化钾。氢氧根离子使两个氨基去质子化。随后，环境中的氧气将鲁米诺二价阴离子氧化为处于激发态的3-氨基邻苯甲酸（3-APA）。该不稳定复合物迅速弛豫至基态，释放出可见光。由于激发态的3-APA是化学反应的产物，因此所发射的光称为化学发光。

   观察到氧化反应产生的化学发光后，向混合物中加入荧光素（一种荧光分子）。部分激发态的3-APA会将能量直接转移给荧光素而非发光，从而得到含有两种不同发光化合物的溶液。

   • 称取约0.2 g自制的鲁米诺，放入一个15 mL锥形瓶中。即使固体仍潮湿也无妨。
   • 取5 – 7粒氢氧化钾颗粒，倒入锥形瓶中。然后携带锥形瓶、瓶塞和一个10 mL量筒前往溶剂通风橱。
   • 量取2 mL DMSO，加入锥形瓶并塞紧。将量筒放回通风橱，将锥形瓶带至暗室。
   • 剧烈摇动塞住的锥形瓶，直至观察到化学发光，然后将锥形瓶放下。由于氧化和弛豫过程均非常迅速，发光会很快消失。
   • 重复摇动锥形瓶并让光逐渐消失6 – 10次，期间不要打开瓶塞。随着锥形瓶内氧气被消耗，发光将逐渐变弱。注意： 若需增强亮度，可将锥形瓶在通风橱中敞口放置一分钟，以补充氧气。
   • 重新塞紧锥形瓶，返回暗室，再次摇动以观察效果。
   • 现在称取0.2 g荧光素染料，加入锥形瓶中。塞紧瓶塞，返回暗室。剧烈摇动锥形瓶，直至混合物发出明亮的光，然后静置观察其与单独鲁米诺发光的颜色差异。
   • 实验结束后，检查滤液。当其在50 °C下已保持至少1小时后，关闭加热板，等待烧杯冷却至室温。
   • 然后向滤液中加入约10 mL自来水，并排入下水道。
   • 将剩余的化学品和玻璃废弃物分别放入适当的废液容器中，清洗玻璃器皿和工具，并收拾实验设备。
4. 结果展开

   在你的氧化反应条件下，激发态3-APA在弛豫时于500 nm附近宽范围内发射蓝绿色光；而荧光素可吸收480 – 490 nm和515 – 525 nm波长的光而被激发。

   当将荧光素加入鲁米诺氧化反应混合物中时，激发态3-APA可通过一种称为非辐射能量转移的特殊相互作用，将荧光素可吸收的光能直接转移给邻近的荧光素分子。由此产生的激发态荧光素在弛豫时发射黄绿色光。

   激发态3-APA极不稳定，若无足够接近的荧光素进行非辐射能量转移，则会像通常一样通过发光方式弛豫。因此，最终发光混合物的光谱将同时包含蓝绿色和黄绿色光的贡献。