鑭系金屬離子的標定

取 2ml Ln³⁺溶液及 8ml pH 5.5 的 buffer(因為鑭系金屬在高 pH 值 容易產生沉澱)混合於小燒杯中，加入兩滴 Xylenol Orange

Tetrasodium Salt 指示劑，將 EDTA 溶液滴定至燒杯中，到達當量點時，

溶液由橙色變亮黃色，以一比一當量去計算 Ln³⁺的濃度。

25

第四章、配位子質子化常數與金屬離子穩定常數之研究 I. 實驗準備

A. 藥品準備

 配位子 ODO2A

 金屬陽離子溶液 (前章節所準備的溶液)

 Tertramethylammonium hydroxide ( (CH₃)₄NOH )，~10% in water，

Fluka

 Tertramethylammonium chloride ( (CH₃)₄NCl )，>98%，Merck

 Potassium hydrogen phthalate (KHP)，100±0.05%，

Merck(volumetric standard) B. 使用儀器

 Metrohm 702 SM Titrino 自動滴定儀

 Metrohm LL Micro glass electrode 6.0234.100

(電極使用 pH 4、7、10 之緩衝液(Riedel-de Haën)進行三點校正)

 Metrohm TiNet 2.4 自動滴定儀操作軟體

 Firstek Scientific B204 恆溫循環水槽 C. 溶液配製

1. 配製一級標準酸 KHP 溶液：取適量的 KHP_(s) (M=204.23 g/mol)，

放置在烘箱 120℃ 8 小時，之後秤取 2.0423g，用 50ml 定量瓶配 製成 0.2M 的 KHP 溶液。

2. 配製 Tertramethylammonium hydroxide (TMAOH)鹼液：取 22.73ml 的 TMAOH 母液，以 50ml 定量瓶稀釋配製成約 0.5M 的滴定用 TMAOH 溶液。裝在 100ml SCHOTT 血清瓶中，換上 Metrohm 的 蓋子，接上鹼石灰(Sodalime，Merck)瓶吸收 CO₂，再接上輸送管 連接至 702 滴定儀。

26

3. 配製 Tertramethylammonium chloride (TMACl)溶液：取適量的 TMACl_(s) (M=109.6 g/mol)，放置在烘箱乾燥數小時，之後秤取 4.38g，用 20ml 定量瓶配製成 2M 的 TMACl 溶液。

4. 配製 ODO2A 配位子溶液：依照元素分析的結果去推測所得到的 配位子分子式應為 ODO2A‧(2.7~3)HCl，在這裡先以 3 HCl 為準 計算分子量為 M=416.724 g/mol，去配製實驗會用到的 40mM 以 及 10mM 溶液，40mM 一次可配 20ml、10mM 的可配 50ml 為適 量。配製好的溶液盡量避光儲存，以免有未知的光化學反應影響 實驗結果。

II. 配位子溶液濃度標定

為了要精確的標定配位子的濃度，我們使用電位滴定法，直接滴 定配位子可決定濃度以及質子化常數；再與金屬離子一起滴定以確定 配位子濃度及金屬的錯合穩定常數。實驗環境保持在 0.10M 的離子強 度下(使用 TMACl 調整)，而配位子的濃度為 1-2mM，金屬離子則輕微 過量 2%~5%。在這實驗環境下配位子會與金屬離子產生 1:1 的錯合。

A. TiNet 2.4 軟體設定：

主要設定參數為 V_step(每滴體積)、Signal Drift(訊號變動上限值)、

equilibrium time(每滴最大平衡時間)、V_stop(滴定終止體積)。

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B. TMAOH 溶液的標定：

實驗容器為帶有回流外層的滴定杯，以 25℃的水回流恆溫，上 面以具有 O 環的專用多孔蓋子蓋上，插入專用電極以及專用滴管將 內部隔絕，底部則有小型電動攪拌子進行攪拌。

滴定杯加入 0.5ml 的 KHP(0.2M)溶液以及 4.5ml 的二次水。

TiNet 設定為

V_step = 0.004ml V_stop = 0.3ml

signal Drift = 5 mv/min equilibrium time = 100 s

重複 3-5 次滴定，由軟體所定出的反曲點平均，求得 TMAOH 的精確 濃度。

C. 配位子 ODO2A 溶液的標定

滴定環境為 2mM、μ=0.1M、5ml。取 1ml 的 ODO2A(~10mM) 溶液，用 0.25ml TMACl (2M)補足離子強度，再加 3.75ml 二次水將溶 液配成 5ml。使用 0.5M 的 TMAOH。TiNet 設定為

V_step = 0.001ml

V_stop = 0.14ml(先估算超過配位子六倍的當量) signal Drift = 1 mv/min

equilibrium time = 200 s

會在約第三個及第四個當量處出現反曲點。(圖 4-1) D. 配位子 ODO2A 與 Ca²⁺錯合滴定

滴定環境為 2mM、μ=0.1M、5ml。取 1ml 的 ODO2A(~10mM) 溶液，以及過量 5%的 105.9μl 的 Ca²⁺溶液(0.09915M)，TMACl(2M)為 225μl，補水至 5ml。使用 0.5M 的 TMAOH

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在這裡離子強度計算方式為 μ=1/2 { [A]a² + [B]b² + [C]c² + … }

[A]、[B]、[C] …代表該 A、B、C…離子的莫耳濃度；

a、b、c…則代表 A、B、C…離子的電荷 若反應式為

ODO2A‧3HCl + CaCl₂ → CaODO2A + 3Cl^- + 2Cl^- + 5H⁺ μ = [ 3(-1)² + 2(-1)² + 5(+1)² ] / 2 = 5

如配 5.0ml，配位子濃度 2.0mM，μ=0.10M 之滴定溶液 需補 2M TMACl _(aq)：[(0.10 – 5 × 0.002) × 5.0] / 2=0.225 (ml)

TiNet 設定為 V_step = 0.001ml

V_stop = 0.14ml(約為配位子的七當量) signal Drift = 0.5 mv/min

equilibrium time = 600 s (因為與金屬錯合需要較長之反應時間) 會在大約第五個當量處出現反曲點。(圖 4-1)

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圖 4-1、ODO2A 與 CaODO2A 的滴定圖

將滴定 CaODO2A 的第二個反曲點減去滴定 ODO2A 的第二個反 曲點，也就是五當量減去四當量，再乘以鹼液的濃度，及為較正確 的 ODO2A 濃度。將此濃度乘以五減去滴定 CaODO2A 的第二個反曲 點處所需的鹼毫莫耳數，即為不足的鹽酸毫莫耳數。因為再結晶時 不一定會有剛好三當量的鹽酸一起結進去，透過這裡計算出來的實 際鹽酸當量常為 2.7~3.0 左右，也與元素分析的結果有一致性。

mol of TMAOH / mol of ODO2A

0 1 2 3 4 5 6 7 8

pH

2 4 6 8 10 12

CaODO2A ODO2A

30

 1

為每一步的質子化常數(stepwise protonation constant)，而

K

^HHn^L'為總質子化常數(overall protonation constant)，其 關係式為：



totalligand concentration



species

31

  ^OH

^ ：氫離子濃度的校正因子(the correction term for hydrogen ion concentration formed by the dissociation of water)

在滴定的過程中，持續將強鹼加入溶液中，所以氫離子的總濃度會

n

：配位子質子化總數(number of protonation sites on the ligand)

  L

t：配位子總濃度(total ligand concentration)

  H

t：溶液中氫離子總濃度(total hydrogen ion concentration in the solution)

V

：體積校正因子(a volume concentration factor for dilution)

b

：滴定過程中所加鹼的量

32

1 ，且與實驗值所得到的 htheoretical

存在一個標準偏差值，利用電腦反覆取點運算後可找出最小偏差，

33

是由於內部的氮原子互相影響造成質子化順序並不單純，也因此我 們以軟體計算出來的質子化常數，與其 NMR 滴定所推測的有差別。

而 LogK₂比 DO2A 低主要是因為另一個二級氮被氧所取代，所 以 LogK₂是在其中一個三級氮上，並且伴隨著部分二級氮的氫解離。

而整體的鹼度比 DO2A 低，反應到金屬錯合穩定常數應該也會稍微 降低。另外 LogK₄及 LogK₅的數值為 1.86 及 1.24，基本上不可信，因 為滴定的 pH 值並沒有涵蓋到如此低的數值。

IV. 配位子與金屬離子穩定常數之研究

A. 穩定常數計算原理³²

當一金屬離子 M 與一配位子 L 鍵結，其穩定常數的平衡式為：

ML L

M  

 

   ^{M ML L}

K

^ML

^

⁽¹⁰⁾

MHL H

ML  

 

   ^{ML MHL H}

K

^MHLH

^

⁽¹¹⁾

K

^ML：金屬離子錯合物的穩定常數(stability constant)

K

^MHLH ：金屬離子錯合物的質子化常數

H

LogK

MHL可利用取 a 值為 0.5，0.15…附近幾點加以運算，若求出其間的 標準差小於 0.05 便可作為正確的

LogK

MHL^H 。

LogK

_MHL^H 由上述的方法求得 後，

K

_ML便可利用電荷平衡(charge balance)與質量平衡(mass balance) 求得：

  ^L

_t：配位子總濃度(total ligand concentration)、

K

_n：配位子質 子化常數(protonation constant)

34

  ^M

_t：金屬離子總濃度(total metal ion concentration)

     M

_t

 ML  MHL       M  ML X

₁

   M

(13)

  H

t：溶液中氫離子總濃度(total hydrogen ion concentration in the solution)

n

：配位子質子化總數(number of protonation sites on the ligand)

V

：體積校正因子(a volume concentration factor for dilution)

b

：滴定過程中所加鹼的量

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B. 穩定常數的計算

使用的軟體為 1988 年 A. E. Martell 發表的 BEST 程式³²。將 ODO2A 與金屬陽離子滴定的結果輸出(圖 4-2)，以 MS Excel 處理成 BEST 所需 要的格式去運算。ODO2A 與金屬的滴定過程到了反曲點時為配位子與 金屬完全錯合，質子全數釋放出來。所以運算所取的資料為滴定開始 到反曲點為止。配合鹼液、配位子溶液及金屬離子溶液的濃度，以及 鹽酸量的修正去計算，得到配位子與金屬離子的穩定常數 (LogK_ML)。

反曲點的部分應為五個當量，而我們將 5.5 當量的 pH 值視為該鑭系金 屬錯合物的水解常數(pK_h)。

圖 4-2、一些鑭系金屬大環錯合物的滴定圖

mol of TMAOH / mol of ODO2A

0 1 2 3 4 5 6 7

pH

2 4 6 8 10 12

YbODO2A ErODO2A EuODO2A NdODO2A CeODO2A LaODO2A ODO2A CaODO2A

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C. ODO2A 與鑭系金屬的錯合穩定常數

LogK

_ML

ODO2A DO2A

³³

NO2A

²⁵

Ionic radii,

³⁴

Å La

³⁺ 10.76 ± 0.02 10.94 ± 0.14 8.95 ± 0.08 1.160

Ce

³⁺ 11.21 ± 0.07 11.31 ± 0.03 9.63 ± 0.08 1.143

Pr

³⁺ 11.66 ± 0.11 12.00 ± 0.10 10.18 ± 0.05 1.126

Nd

³⁺ 11.77 ± 0.07 12.56 ± 0.10 10.39 ± 0.02 1.109

Sm

³⁺ 12.20 ± 0.01 12.93 ± 0.01 10.87 ± 0.07 1.079

Eu

³⁺ 12.25 ± 0.03 12.99 ± 0.12 10.84 ± 0.04 1.066

Gd

³⁺ 11.81 ± 0.03 13.06 ± 0.04 10.74 ± 0.14 1.053

Tb

³⁺ 12.13 ± 0.04 12.93 ± 0.01 10.82 ± 0.03 1.040

Dy

³⁺ 12.01 ± 0.01 13.13 ± 0.05 10.84 ± 0.03 1.027

Ho

³⁺ 11.98 ± 0.05 13.00 ± 0.01 10.89 ± 0.02 1.015

Er

³⁺ 12.25 ± 0.01 13.31 ± 0.02 11.01 ± 0.02 1.004

Tm

³⁺ 12.42 ± 0.03 13.19 ± 0.11 11.24 ± 0.04 0.994

Yb

³⁺ 12.60 ± 0.08 13.26 ± 0.15 11.41 ± 0.09 0.985

Lu

³⁺ 12.46 ± 0.02 13.16 ± 0.18 11.56 ± 0.01 0.977

表 4-2、鑭系金屬與各種配位子的錯合穩定常數

穩定常數遵循著鑭系收縮的特性，當金屬離子隨著原子序的增 加，離子半徑減小，而與配位子的穩定常數就隨之增加(圖 4-3)，與 其他大環配位子的結果相似。而整體來說 DO2A 還是有最高的穩定 常數，再來才是 ODO2A，當初預測替換了一個氧原子可能會有比較 高的穩定常數，但是實驗並未顯示此。也許是因為在計算質子化常 數時得到較低的數據，總鹼度較低所造成的。但是其中可以確定的 是 LnODO2A⁺仍然具有相當於 LnDO2A⁺的穩定，要比較小環穴的九元 環 LnNO2A⁺還高。在這情況下 LnODO2A⁺可能會比 LnDO2A⁺多了一個 配位水，對於切割效力的增加是可以期待的。

37

38

而在 pK_h部分，看起來並沒有明顯的趨勢，而鑭系金屬離子本 身大致上是隨原子序增加而降低(圖 4-4)。不過在動力學的實驗我們 可以用水解速率常數來推測 pK_h，再做進一步的討論。

圖 4-4、LnODO2A⁺與 Ln³⁺之水解常數與離子半徑關係

(Trivalent form)

La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

pKh

6 7 8 9 10 11

LnODO2A⁺ LnDO2A⁺

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第五章、金屬離子錯合物之動力學研究 I. 實驗準備

A. 使用藥品

 配位子 ODO2A

 鑭系金屬 Ln series，>99.5%，Aldrich、Fluka

 Tertramethylammonium hydroxide ( (CH₃)₄NOH )，~10% in water，

Fluka

 Tertramethylammonium chloride ( (CH₃)₄NCl )，>98%，Merck

 Bis(p-nitrophenyl) phosphate sodium salt (BNPP)，<0.05% free p-nitrophenol，Sigma

 MES、MPS、TAPS、CHES、CAPS、CABS，>98%，Sigma

B. 使用儀器

 Agilent HP 8453 UV-Visible spectrophotometer

 Agilent HP UV-Visible ChemStation Software C. 溶液配製

1. 配位子 ODO2A、TMAOH、TMACl 以及 Ln³⁺溶液皆在上一段敘述過，

配製到需要的濃度。

2. 配製 Bis(4-nitrophenyl) phosphate (BNPP)溶液

直接秤重配製成 20mM 的溶液，BNPP 反應性比較高，配製 後分裝至小瓶分次取用，並還需存放在冰箱避光處理。

3. 配製 LnODO2A⁺溶液

使用標定過的 Ln³⁺以及 ODO2A 溶液，以等當量的比例混合，

但是 ODO2A 需輕微過量 2%~3%，這樣是確保具有活性的 Ln³⁺皆 與 ODO2A 所錯合，而單獨的 ODO2A 是沒有水解活性的。依照實

40

驗需求計算最終的濃度為 16mM 或 4mM 來取用溶液，混合後攪 拌並持續測量 pH 值，開始加入約 0.5M~1.1M 的 TMAOH。所需 的鹼量為 LnODO2A⁺的五倍當量左右，也就是剛好能將解離出來 的質子完全中和，加入過程需少量多次緩緩加入，像是滴定步驟 一樣，等到 pH 值平衡後再滴入下一滴。從之前滴定的研究可以 得知反曲點附近的 pH 值變化狀況，以此為參考，當 pH 到達當量 點附近時，更須以極少量分次加入，必要時可以把鹼液加以稀釋，

以免加入速度太快，使部分金屬錯合物(LaODO2A⁺、CeODO2A⁺) 產生沉澱物。過程直到滴定到當量點 pH 為止，再依照實驗需求 小心吸至定量瓶稀釋至 5ml 或 10ml，大約需要 1~2 天的時間。

4. 緩衝溶液的配製

MPS (3-Morpholinopropane sulfonic acid，pK_a=7.2)

TAPS (3-[Tris(hydroxymethyl)methylamino]-1-propanesulfonic acid，

pK_a=8.4)

CHES (2-[N-Cyclohexylamino]-ethanesulfonic acid，pK_a=9.3) CAPS (3-[Cyclohexylamino]-1-propanesulfonic acid，pK_a=10.4) CABS (4-[Cyclohexylamino]-1-butanesulfonic acid，pK_a=10.7)。

根據 Henderson-Hasselbalch equation，配製成 200 mM，用 TMAOH 調整 pH 值為 7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0、10.5、

11.0 的緩衝液 20 ml。

41

II. 動力學研究

A. 實驗設計

1. CeODO2A⁺在 UV 光區有吸收值，藉此觀察不同 pH 值對於 CeODO2A⁺溶液中物種的變化。

2. LnODO2A⁺ (Ln = Eu、Yb)在不同 pH 值下水解 BNPP，監測 400nm 吸光值。

3. 選擇其中反應性好的 pH 值，讓不同濃度的 LnODO2A⁺水解 BNPP，

監測 400nm 吸光值。

B. 實驗環境

LnODO2A⁺ 1~8mM、BNPP 0.1~0.3mM、μ=0.1M、

Buffer=75~100mM，總共 1 ~2ml。離子強度的計算需考慮金屬錯合物 以及緩衝液所佔的比例，金屬錯合物的計算在滴定章節已經敘述過，

這裡在加上緩衝液的離子強度為：�

依照 Henderson-Hasselbalch 方程式 pH = p𝐾_a+ log _HA ^A− 若是 pH9.0 的 CHES 緩衝液，則為

9.0 = 9.3 + log ^A _HA ⁻ → _HA ^A− = 0.501 則緩衝液產生的離子強度為

Buffer × A⁻

HA + A⁻ = 0.075M × 0.501

1.501= 0.00668M 所以要補足的離子強度為

μ = 0.1 − 0.00668 − 0.005 1mM ML 的離子強度 = 0.0881M 換算成體積則為

0.0881M × 1ml(總體積)

2M(TMACl) = 0.04405ml

42

43

在上述的反應式內[LnODO2A⁺]就可以與 k 合起來視為 K_obs，就是對 BNPP 的假一次反應(pseudo-first-order reaction)

III. 結果與討論

[CeODO2A⁺]=1.0 mM，[buffer]=20 mM (TAPS pH 8.0；CHES pH 9.0；CAPS pH 10.0、pH 10.5；

CABS pH 11.0），μ=0.1 M；[Ce³⁺]=1.0mM pH8.0；[ODO2A]=1.0 mM

Wavelength(nm)

200 250 300 350 400

AU

44

[CeODO2A⁺]=1.0 mM，[buffer]=20 mM

（TAPS pH 8.0；CHES pH 9.0；CAPS pH 10.0、pH 10.5；CABS pH 11.0），μ=0.1 M

ODO2A 在這裡的結果與之前實驗室研究的 DO2A 的結果十分 接近，在 294nm (DO2A 是在 291nm)的吸收值上升的跡象穩定。

而 NO2A、ONO2A 則是很快就產生吸收值降低的現象，尤其在高 pH 值的部分，吸光值上升的速度快，但是也很快就產生沉澱並且 連帶吸光值一起下降。而 ODO2A 在經過 20000 秒的反應並無明顯 沉澱產生。在這裡我們簡單的推測，在高 pH 值 ODO2A 與 DO2A 有相當的穩定程度，也比九元環系列的 NO2A、ONO2A 的穩定度 要高。而依照其他配位子的推測，ODO2A 應該也是產生了多核物

而 NO2A、ONO2A 則是很快就產生吸收值降低的現象，尤其在高 pH 值的部分，吸光值上升的速度快，但是也很快就產生沉澱並且 連帶吸光值一起下降。而 ODO2A 在經過 20000 秒的反應並無明顯 沉澱產生。在這裡我們簡單的推測，在高 pH 值 ODO2A 與 DO2A 有相當的穩定程度，也比九元環系列的 NO2A、ONO2A 的穩定度 要高。而依照其他配位子的推測，ODO2A 應該也是產生了多核物

在文檔中 大環配位子ODO2A之穩定常數研究與其鑭系金屬錯合物之水解磷酸酯鍵效力 (頁 30-0)