2，4-二氯苯酚的光敏化转化及其电致化学发光现象的研究胡霞，牛涛，宋启军*，彭祥，牛晓雯江南大学化学与材料工程学院，江苏无锡 (214122)E-mail：qsong@摘要：在荧光素存在下氯代酚类物质经光敏化转化后通过电极反应可产生化学发光现象。
研究了介质的酸度，光敏剂以及电压等因素对电致发光强度的影响，并且在表面活性剂CTAB的存在下，化学发光强度会大大提高。
研究表明，在氯代酚的光敏化转化过程中，单线态氧起到关键的作用，并且通过色谱分离后的化学发光检测实验证明转化产物为过氧化物类物质。
以2，4-二氯苯酚为模型分子用B3LYP方法研究了与单线态氧反应的所有四种可能的反应类型。
在B3LYP/6-31+G (d, p)水平上优化得到了反应路径上的反应物（复合物）、中间体、过渡态和产物的几何构型、零点能和谐振频率, 并在B3LYP/6-311+(2df, p)水平上进行了单点能计算。
结果表明，单线态氧和含有含氢基团的双键进行1，3加成反应，生成一个烯丙基氢过氧化物是最为可能的产物。
关键词：2,4-二氯苯酚，电致化学发光，单线态氧，光敏化中图分类号：06651 引言光敏化法降解包括氯代酚在内的有机污染物研究受到广泛关注[1- 4]，但有关敏化光解过程的中间产物研究尚不多见。
我们发现氯代酚类物质在荧光素存在下经光敏化转化后的产物与氧化剂N-溴丁二酰亚胺（NBS）反应可产生化学发光的现象，并基于此反应建立了一系列高灵敏度检测氯代酚的新方法[5-7]。
在此基础上继续研究发现经过光敏化转化的氯代苯酚还具有电致化学发光的性质，本文以2，4-二氯苯酚为例对此现象和机理进行进一步的研究，并对中间产物可能的化学性质做初步探讨。
2实验部分2.1 仪器与试剂流动注射化学发光分析仪（西安瑞迈电子科技有限公司）; 515型Waters液相色谱仪。
2，4-二氯苯酚（2,4-DCP）、荧光素(FL)、曙红和亚甲基蓝等试剂均为分析纯（上海化学试剂公司）。
储备液：准确称取一定量纯品, 用稀氢氧化钠溶液溶解后转入棕色容量瓶，避光保存在冰箱中（40C），使用时逐级稀释；十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、十水合四硼酸钠（硼砂）、磷酸二氢钠均购于上海化学试剂公司，溶液按常规方法配置。
鲁米诺（97%），血色素（98%）和三氯生购于Lancaster公司。
所用试剂除特别说明外均为分析纯，水为高纯去离子水，甲醇为色谱纯（上海化学试剂公司）。
2.2 流动注射电致发光检测方法取一定量含2,4-DCP的样品，加入荧光素，磷酸二氢钠-磷酸氢二钠缓冲溶液，CTAB，定容制成样品溶液。
实验中光敏化转化过程有离线的批次法和在线的流动法两种模式。
在批次法的操作为：在50ml烧杯中加入一定量的2,4-DCP，光敏剂，表面活性剂和缓冲溶液，置于光源下持续光照，在预定时间取出样品进行化学发光检测。
在在线流动模式中，样品溶液通过缠绕在24瓦荧光灯管上的长1.5m（直径0.8mm）的聚四氟乙烯管进行光照，在预定时间通过一个100µL的进样管路直接将样品溶液注入到载流中，进行流动注射电致化学发光分析。
电致发光在如图1所示的自制发光流通池中进行。
流通池由两块有机玻璃(7.9cm×4.5cm×0.3cm)，中间夹一块PDMS (7.9cm×4.5cm×1.1cm) 组成，在PDMS下截面上塑成一条非常小的凹槽 (0.3mm×3mm×60mm) 作为流动通道。
整个流通池用四个螺钉固定。
其中三电极系统由工作电极，参比电极（Ag/AgCl）和对电极（铂丝）。
图1 ECL装置流程示意图Fig.1 Schematic diagram of the ECL manifold for determination of 2,4-dichlorophenol2.3 敏化光解产物的HPLC-UV-CL联用监测和分析HPLC-UV-CL联用装置如图2所示，其中， HPLC为Waters 515 HPLC，并配有Symmetry C18柱(长250-mm, 半径4.6-mm., 粒径5-µm)和2996光电二极管阵列UV检测器。
流动相为甲醇和水（88:12），流速为1 mL min-1。
实验中鲁米诺溶液（浓度为1.0×10−5 mol L−1，含0.1 mol L−1碳酸钠，pH为11.5）与60 mg L-1血色素在线混合，流速皆为1ml min-1。
然后与HPLC柱后液混合发生反应，同时在UV检测器和CL检测器上得到色谱图。
图2 HPLC-CL联用装置流程示意图Fig.2 Schematic diagram of the HPLC-CL manifold2.4 过氧化物可能结构的理论研究的计算方法在B3LYP/6-31+G (d, p)[8 ]水平上全优化了标题反应所有驻点物种的几何构型，同时在同一水平上计算了各物种的谐振频率和零点能，通过频率分析对各稳定点和过渡态予以确认。
并通过内禀反应坐标( IRC)计算，确认过渡态是连接反应物与产物的最低能量路径。
为得到更精确的能量值，在B3LYP/6-311+ (2df, p)水平上进行单点能计算，此外还进行了自然键轨道(NBO)分析[9]。
所有计算在Gaussian03[10]程序上完成。
3 结果与讨论3.1 敏化光转化-电致化学发光反应现象的初步研究和条件优化2,4-DCP样品在荧光素存在经可见光光照，在加适当电压的情况下可引发化学发光。
无论是在线还是离线方式，光照后的样品溶液，都具有化学发光现象，而空白样品无信号。
表明光敏剂和2,4-DCP同时接受可见光照是产生化学发光的必要条件。
含有光敏剂的溶液接受可见光照可以产生单线态氧和过氧负离子，而过氧负离子和氯代酚的反应可以忽略[1,11],因此，我们认为发光反应是2,4-DCP与单线态氧作用所产生的中间产物参与电极反应的结果。
为了进一步证实单线态氧的作用，在光敏化转化2,4-DCP的样品溶液中加入单线态氧猝灭剂NaN3，发光反应受到显著抑制。
荧光类物质如曙红、亚甲基兰、8-羟基喹林和荧光素等常用来作为能量传输物质[12-14]。
实验比较了这四种光敏化剂的光敏化转化和后续的电致发光效果，结果表明荧光素的效果最好。
而选择荧光素浓度为2.5×10-5 mol L-1时，光敏化转化后的溶液发光强度达到最大。
样品的pH对化学发光反应有多方面的影响，包括对荧光素光敏化效率，中间产物的稳定性以及流动注射体系中电极反应的发光反应速率和荧光素量子效率的影响。
研究表明在整个反应中样品的pH值为7时，发光信号最大，其主要影响荧光素光敏化效率[15]及中间产物的稳定性[16,17]。
另一方面，在流动注射体系中载液的pH值也影响着发光强度，实验中以硼砂作为载液，发现当pH=9.3时发光强度最大，此时有利于提高流动注射体系中电极反应的发光反应速率和荧光素量子效率[18]。
各种表面活性剂被用作提高化学发光的效率和检测的灵敏度[1,5,16]。
试验了十二烷基硫酸钠（SDS）、曲拉通X-100、CTAB三种不同类型的表面活性剂对化学发光强度的影响，结果表明，SDS和曲拉通X-100对化学发光强度影响很小，而加入CTAB使得样品化学发光强度明显增强，其最佳浓度为2.0× 10−2 mol L-3。
以上光敏剂，pH值，表面活性剂对发光强度的影响皆与文献中2,4-DCP光敏化后与NBS反应产生化学发光的现象基本一致[6]。
而在电致化学发光过程中，碱性溶液和负电压更有利于引发发光。
当以0.05 mol L-1的硼砂作为载液时，电压为-1.3V时化学发光强度最大，当电压小于-1.3V时，化学发光的强度趋于平缓。
3.2 电致化学发光的机理研究根据以上实验现象推测2,4-DCP在光敏化后生成一种中间物质，其参与电极反应产生化学发光，为得到有关中间物质的信息，我们测其化学发光光谱发现在520nm处有一发射峰与荧光素的发射峰相同[19]。
根据前文所述的实验现象并结合相关文献，我们推测该反应过程可能为：FL FL*FL*FL+ 1O21O+ 2, 4-DCP Intermediates2Intermediates Production*Production* + FL Production＋FL*FL*FL＋hν光敏化转化过程所产生的中间产物无疑是后续电致发光反应的关键。
通过对紫外光谱的研究发现，随着光照时间的增长，197nm处的吸光度变小，而286nm处的吸收增大。
可见2,4-DCP经过光照反应后苯环有被破坏的迹象。
根据文献中关于氯代酚类物质的光敏化研究[15,16]及我们的实验结果推测，这个电致化学发光过程应该和过氧化物或者内过氧化物有关。
鲁米诺的化学发光反应是经典的测定过氧化物的方法，因此借助CL与HPLC联用，可使分离后的光解后产物与鲁米诺在血色素的催化下反应，可以说明是否有过氧化物。
监测结果如图3所示。
从得到的HPLC-UV图谱中可以很清楚地看到，除了底物2,4-DCP和FL，没有其他明显的紫外吸收。
然而，结合柱后的CL检测，可以发现在3.1min有一个很强的化学发光峰，并且强度随样品光照时间加长而增大。
另外在4.5min和9.5min可以发现两个较小的发光峰，并且它们随光照时间不同而变化的现象较不明显。
说明在光敏化过程中产生了不同种类的过氧化物。
而当我们把H2O2在同等条件下作为样品注入，其化学发光峰也出现在3.1min。
但是如果把H2O2加入含有2,4-DCP，FL的样品溶液中，在流动体系中却无法得到电致发光信号。
由此推断在3.1min的光解产物是一种具有较大极性的过氧化物，但并不是过氧化氢。
-1000100200300400500600700800900Retention time(min)A b s o r p t i o n (m v )-20020406080100120140160Relative CL Intensity图3 样品溶液含2.5×10-5 mol L -1 FL ，1.17×10-3 mol L -1 2,4-DCP 和0.05 mol L -1 硼砂缓冲液(pH7.0)，在测定前用在线方式光照30minFig.3 Sample solution consisting of 2.5×10-5 mol L -1 FL, 1.17×10-3 mol L -1 2,4-DCP and 0.05 mol L -1 phosphatebuffer (pH7.0) was illuminated for 30 min before the injection.3.3 过氧化物可能结构的理论研究通过吉布斯自由能的变化（△G ）来初步评价图4中十二条可能的反应路径的相对可行性，其中反应101, 102 和401从热力学角度比其它反应更具可能性。
![一种苯酚催化氯化制备2,4-二氯苯酚的方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/1d4ec5a86429647d27284b73f242336c1eb93036.png)
