N-乙基J酸的合成及對(duì)芳香族氨基化合物的測(cè)定

楊琴淋，施文健，張曉東

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093)

所有含氨基的芳香烴類衍生物被統(tǒng)稱為芳香族氨基化合物。該類化合物是香料、染料、油漆、樹脂、醫(yī)藥等[1-3]行業(yè)中常用的有機(jī)化工原料，是許多工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的中間體之一[4]。部分芳香族氨基化合物有較高的毒性，并被證明是強(qiáng)致癌物質(zhì)[5-6]。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，隨著廢棄物的排放，它們很容易進(jìn)入到環(huán)境水體中[7]，對(duì)人體及動(dòng)植物都有很大危害。歐盟、美國(guó)都已經(jīng)把芳香族氨基化合物列入常規(guī)監(jiān)測(cè)與優(yōu)先監(jiān)測(cè)的污染物黑名單[8]。在我國(guó)，對(duì)于苯胺類化合物，工業(yè)廢水標(biāo)準(zhǔn)中允許排放的質(zhì)量濃度上限為5 mg/L[9]。因此，為了能更加有效地控制芳香族氨基化合物對(duì)環(huán)境的影響，建立一種靈敏度高、選擇性比較好的芳胺類化合物檢測(cè)分析方法非常重要。

環(huán)境水體中芳胺類污染物質(zhì)含量較低，處于痕量水平，測(cè)定時(shí)通常以苯胺為代表物，如電化學(xué)法[5]、色譜法[1,10-11]、光度法[12]和毛細(xì)管電泳法(CE)[13-14]等，胡金婷等[15]制備的單分子膜及徐佳瑤等[16]制備的電紡纖維膜也可以進(jìn)行苯胺類化合物的檢測(cè)。當(dāng)前，用于測(cè)定芳香族氨基化合物中苯胺類物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)方法仍然是早期的N-(1-萘基)乙二胺偶氮分光光度法，該方法具有高靈敏度、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是所用試劑N-(1-萘基)乙二胺二鹽酸鹽毒性較大，已被認(rèn)定是一種是強(qiáng)致癌物質(zhì)。楊曉芬等[17]曾經(jīng)用1-萘酚、鄰甲氧基苯酚和8-羥基喹啉作為偶合試劑，代替國(guó)標(biāo)法里的鹽酸萘乙二胺對(duì)水體中的苯胺類化合物進(jìn)行檢測(cè)，3種偶合試劑在分光光度法的測(cè)定下所得到的表觀摩爾系數(shù)為3.27×104、2.67×104、3.12×104L/(mol·cm)。尹曉航等[18]采用J酸(2-氨基-5-萘酚-7-磺酸)作為偶合試劑并采用分光光度法對(duì)苯胺等芳香族氨基化合物進(jìn)行檢測(cè)，表觀摩爾系數(shù)達(dá)到3.95×104L/(mol·cm)。但將J酸作為偶合組分時(shí)，對(duì)測(cè)試者的操作技能要求較高，若測(cè)試液的酸度控制不當(dāng)，會(huì)發(fā)生J酸自偶合反應(yīng)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

本文選用溴乙烷對(duì)J酸分子結(jié)構(gòu)中的氨基進(jìn)行烷基化改性，避免J酸作為偶合組分時(shí)自偶合副反應(yīng)的發(fā)生，合成出靈敏度比較高的偶合試劑——N-乙基J酸(2-N-乙基-5-萘酚-7-磺酸)，提出采用分光光度法，選擇自合成的N-乙基J酸作為偶合試劑，測(cè)定環(huán)境水體中的芳香族氨基化合物的方法。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

乙腈；溴乙烷(分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)；2-N-乙基-5-萘酚-7-磺酸(N-乙基J酸)溶液：0.01 mol/L(試驗(yàn)合成)；2-氨基-5-萘酚-7-磺酸(J酸，東京化成工業(yè)株式會(huì)社)；溴化鉀水溶液：2%；碳酸鈉水溶液：0.50 mol/L；稀鹽酸水溶液：1.2 mol/L；苯胺、4-氨基苯磺酸、1-萘胺等儲(chǔ)備水溶液：2.00×10-2mol/L(使用時(shí)用蒸餾水稀釋至2.40×10-4mol/L)；亞硝酸鈉水溶液：1.00×10-2mol/L。

Nicolet iS10紅外分光光度計(jì)(上海精密儀器儀表有限公司)；722 N型可見分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限公司)；Elementar/MACRO元素分析儀(德國(guó)Elementar公司)；PHS-3E型精密酸度計(jì)(上海雷磁儀器廠)；PL203型電子天平(梅特勒-托利多儀器有限公司)；SHA-BA型水浴恒溫振蕩器(上海精密科學(xué)儀器有限公司)；AHL-1002-P型超純水機(jī)(重慶頤洋企業(yè)發(fā)展有限公司)。

1.2 試驗(yàn)過程

1.2.1 N-乙基J酸的合成

用乙腈做溶劑，將J酸、溴乙烷和乙腈按摩爾比1∶3∶63置于錐形瓶中，滴加質(zhì)量百分比濃度為10%的碳酸鉀水溶液，控制反應(yīng)液pH值至8～10。將錐形瓶放置于45 ℃水浴鍋中，上接冷凝管，反應(yīng)4 h，取出錐形瓶，在反應(yīng)液中加入9 w%～10 w%無水硫酸鈉進(jìn)行鹽析、抽濾、提純，用少量蒸餾水洗滌濾餅，將固形物置于烘箱內(nèi)，控制溫度在40 ℃烘至恒重，得到粉末狀N-乙基J酸。

1.2.2 芳香族氨基化合物的測(cè)定

取25 mL容量瓶，先后用移液管把亞硝酸鈉水溶液、溴化鉀水溶液、芳香族氨基化合物標(biāo)準(zhǔn)水溶液以及稀鹽酸水溶液各1.0 mL轉(zhuǎn)移至容量瓶中，快速搖勻，靜置3 min得到重氮液。另取25 mL容量瓶，使用移液管加入1.0 mL N-乙基 J酸溶液和2.0 mL碳酸鈉水溶液，快速搖勻，得到偶合試劑。將重氮液轉(zhuǎn)入偶合試劑中(用少量蒸餾水洗滌重氮液容量瓶，洗液同樣轉(zhuǎn)入偶合溶液中)，搖勻，用蒸餾水稀釋至刻度后靜置5 min。用1 cm比色皿，以不加芳香族氨基化合物的試劑溶液作參比，在波長(zhǎng)480 nm處測(cè)定溶液的吸光度。

2 結(jié)果與分析

2.1 偶合組分的選擇

偶合組分中J酸具有較高的靈敏度[18]，但J酸具有自偶合傾向，因此，對(duì)萘環(huán)上的伯氨基進(jìn)行衍生化，制成多個(gè)仲氨基衍生物，考察這些衍生物作為偶合組分時(shí)，測(cè)定芳香族氨基化合物的靈敏度，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示(試驗(yàn)次數(shù)n=8)。由表1可知，由于仲氨基衍生物中烷基取代基具有斥電子作用，增加氨基對(duì)萘環(huán)的活化作用(增大環(huán)上的電子云密度)，提高了方法的靈敏度，而芳烴取代基則分散(減弱)了氨基對(duì)J酸分子上萘環(huán)的活化作用，因此，自制的N-乙基J酸偶氮苯具有最大的表觀摩爾吸光系數(shù)。

表1 偶合組分的篩選(以苯胺為重氮組分)

2.2 合成產(chǎn)物分析

根據(jù)1.2.1，合成N-乙基J酸，產(chǎn)率為85%。用KBr壓片法測(cè)定N-乙基J酸和比對(duì)物J酸的紅外光譜，結(jié)果如圖1所示。由曲線(a)可知，在2 930 cm-1和2 850 cm-1處，存在乙基伸縮振動(dòng)峰；在3 310～3 350 cm-1處，存在仲胺伸縮振動(dòng)峰；而在3 300～3 500 cm-1處，沒有出現(xiàn)伯胺吸收峰，說明J酸氨基上的一個(gè)氫原子已被乙基取代。

圖1 紅外光譜曲線(a)N-乙基J酸；(b)J酸

使用毛細(xì)管法對(duì)合成的產(chǎn)物進(jìn)行熔點(diǎn)測(cè)定，其結(jié)果為253～255 ℃。使用元素分析儀對(duì)C12H13NO4S進(jìn)行分析，理論上各元素含量應(yīng)為C:53.88%，H:4.86%，N:5.24%，O:23.95%，S:11.97%，分析結(jié)果顯示各元素含量為C:53.73%，H:4.97%，N:5.18%，O:24.03%，S:11.99%。兩者誤差在5%內(nèi)，說明N-乙基J酸制備成功。

2.3 偶合物吸收光譜

使用722 N型可見分光光度計(jì)分別掃描由苯胺、4-氨基苯磺酸、1-萘胺與N-乙基J酸形成的3種偶氮化合物水溶液，得到的吸收光譜如圖2所示。

圖2 吸收光譜中的重氮組分(a)苯胺；(b)4-氨基苯磺酸；(c)1-萘胺

由圖2可知，苯胺、4-氨基苯磺酸溶液、1-萘胺分別與N-乙基J酸形成的偶氮化合物最大吸收波長(zhǎng)均位于480 nm左右，對(duì)應(yīng)的表觀摩爾吸光系數(shù)為4.24×104、4.53×104、4.19×104L/(mol·cm)。因此，試驗(yàn)測(cè)定波長(zhǎng)選擇480 nm。

2.4 重氮反應(yīng)的影響因素

2.4.1 反應(yīng)液酸度

本次試驗(yàn)探究了重氮反應(yīng)受溶液酸度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，重氮反應(yīng)液的酸度控制在pH值=1～2時(shí)，吸光度穩(wěn)定且最大。因此，試驗(yàn)取用摩爾濃度為1.2 mol/L的鹽酸水溶液1.0 mL。

2.4.2 反應(yīng)溫度

當(dāng)溫度較高時(shí)，重氮鹽易分解，而低溫下重氮鹽比較穩(wěn)定，但是溫度的升高能夠加快重氮化反應(yīng)的速度。按照1.2.2，試驗(yàn)了0～35 ℃下，重氮反應(yīng)時(shí)溫度對(duì)吸光度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在5～20 ℃，重氮鹽比較穩(wěn)定，具有穩(wěn)定的吸光度。因此，在常溫下進(jìn)行重氮化反應(yīng)即可。

2.4.3 重氮化反應(yīng)時(shí)間

按照1.2.2，重氮化時(shí)間為0～30 min對(duì)吸光度的影響的試驗(yàn)結(jié)果表明，在2～15 min吸光度穩(wěn)定且最大，說明反應(yīng)2 min后，重氮化反應(yīng)已趨于完全，由于重氮鹽不穩(wěn)定易分解，試驗(yàn)選用重氮化時(shí)間為3 min。

2.4.4 催化劑的選用

為了使重氮化反應(yīng)能進(jìn)行的更迅速、徹底，試驗(yàn)時(shí)選擇溴化鉀作為重氮化反應(yīng)的催化劑，按照1.2.2，試驗(yàn)了溴化鉀加入量對(duì)吸光度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，反應(yīng)時(shí)加入1.0%溴化鉀溶液1.0 mL即可加速重氮化反應(yīng)。

2.4.5 亞硝酸鈉的用量

進(jìn)行重氮反應(yīng)時(shí)，水溶液中亞硝酸鈉的量應(yīng)當(dāng)大于芳胺族化合物的量，但是過量太多，吸光度的穩(wěn)定性會(huì)下降。試驗(yàn)了亞硝酸鈉水溶液的加入量對(duì)吸光度的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)亞硝酸鈉水溶液的摩爾濃度在4.00×10-4～0.1 mol/L時(shí)，溶液的吸光度保持穩(wěn)定。因此，試驗(yàn)取用0.01 mol/L的亞硝酸鈉水溶液1.0 mL。

2.5 偶合反應(yīng)的影響因素

2.5.1 偶合組分用量

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)重氮鹽溶液的濃度為0.96×10-5mol/L時(shí)，偶合組分選擇在5.00×10-5～4.00×10-4mol/L，溶液的吸光度穩(wěn)定。因此，試驗(yàn)選用的偶合試劑是摩爾濃度為0.01 mol/L的N-乙基J酸水溶液，體積為1.0 mL。

2.5.2 反應(yīng)液酸度

pH對(duì)不同重氮組分的偶合反應(yīng)影響結(jié)果如圖3所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，偶氮溶液的吸光度隨著pH的增大先升高后降低，當(dāng)pH值在8.0～10.0時(shí)，吸光度穩(wěn)定且最大。因此，試驗(yàn)選用0.5 mol/L碳酸鈉水溶液，體積為2.0 mL。

圖3 pH對(duì)偶合反應(yīng)的影響中的重氮組分(a)苯胺；(b)4-氨基苯磺酸；(c)1-萘胺

2.5.3 偶合試劑的加入方式和偶合反應(yīng)時(shí)溶液酸度的調(diào)整

研究表明，過量的亞硝酸鈉水溶液在酸性條件下會(huì)與J酸水溶液發(fā)生重氮化反應(yīng)。因此，當(dāng)選用J酸作為偶合試劑時(shí)，為了避免發(fā)生副反應(yīng)，應(yīng)首先把碳酸鈉水溶液加入到重氮鹽溶液中以調(diào)整至合適的酸度。重氮鹽在中性及堿性條件下易分解，因此，迅速搖勻后，須快速向溶液中加入偶合試劑進(jìn)行反應(yīng)，整個(gè)試驗(yàn)過程需要快速完成[18]。而使用尹曉航[19]新合成的N-乙基J酸作為偶合試劑時(shí)，可將重氮鹽溶液直接轉(zhuǎn)入偶合組分中，既方便快捷，又減少了副反應(yīng)的發(fā)生，提高了反應(yīng)靈敏度。試驗(yàn)選用重氮反應(yīng)3 min后，將重氮鹽溶液轉(zhuǎn)入偶合組分即N-乙基J 酸和碳酸鈉的混合液中。

2.5.4 偶合反應(yīng)時(shí)間

本文研究了偶合反應(yīng)的時(shí)間對(duì)偶氮化合物溶液吸光度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在上述條件下，偶氮反應(yīng)能夠快速完成，5～60 min吸光度穩(wěn)定且最大。因此，偶合反應(yīng)時(shí)間選用5 min。

2.6 溶液中共存離子的影響

2.7 工作曲線

按試驗(yàn)方法1.2.2繪制工作曲線，如表2所示。

表2 工作曲線

2.8 芳香族氨基化合物的表觀摩爾吸光系數(shù)

按照1.2.2，測(cè)定了一些其他常見的芳香族化合物的摩爾吸光系數(shù)，測(cè)定結(jié)果如表3所示。

表3 芳香族氨基化合物的表觀摩爾吸光系數(shù) (試驗(yàn)次數(shù)n=8)

2.9 環(huán)境水體中芳香族氨基化合物的測(cè)定

本次水樣取自上海市復(fù)興島運(yùn)河，水樣靜置30 min，取上層清液15 mL，根據(jù)1.2.2，以蒸餾水替代水樣做對(duì)照參比，選擇標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行回收試驗(yàn)(n=8)，并與國(guó)標(biāo)法進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)。測(cè)定結(jié)果如表4所示。

表4 復(fù)興島運(yùn)河水樣分析結(jié)果 (以苯胺計(jì))

3 結(jié)論

(1)成功合成了一種新的顯色劑N-乙基J酸，具有揮發(fā)性低、易溶于水的特點(diǎn)。其毒性遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)法中的鹽酸萘乙二胺，但其靈敏度高于J酸。使用紅外光譜及元素分析儀對(duì)其進(jìn)行了檢測(cè)，并進(jìn)行了熔點(diǎn)測(cè)定，表明目標(biāo)產(chǎn)物合成成功。

(2)采用重氮偶合分光光度法將其應(yīng)用于環(huán)境水體中芳香族氨基化合物的測(cè)定，在最大吸收波長(zhǎng)480 nm處，所測(cè)苯胺、4-氨基苯磺酸和1-萘胺的表觀摩爾吸光系數(shù)分別為4.24×104、4.53×104、4.19×104L/(mol·cm)。

(3)采用N-乙基J酸分光光法度測(cè)定芳香族氨基化合物，具有靈敏度高、測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)便快速等優(yōu)點(diǎn)，可以作為檢測(cè)環(huán)境水體中痕量芳香族氨基化合物的首選方法。