甲基橙温度效应的红外光谱研究

于宏伟，解立斌，顾丹丹，陈 宁，吴玉静，刘亚明

(石家庄学院化工学院，石家庄 050035)

甲基橙是一种重要的偶氮类染料，除用作酸碱滴定指示剂外，还常作为模板化合物广泛应用于分析化学［1－2］及环境化学领域［3－4］。研究甲基橙结构最常见的方法是红外光谱法，传统的红外光谱法(一维红外光谱法)分辨率不高，而二阶导数红外光谱和四阶导数红外光谱的分辨率则大大提高。笔者在20～120℃温度范围内分别测定了甲基橙的一维红外光谱、二阶导数红外光谱及四阶导数红外光谱，并进一步采用变温红外技术考察了温度对甲基橙分子结构的影响，该项研究未见相关文献报道。

1 实验部分

1.1 原料与仪器

甲基橙，分析纯，北京化工厂。

Spectrum 100红外光谱仪，美国 PE公司;SYD TC－01变温控件，控温精度为±0.1℃，英国Eurotherm公司。

1.2 实验方法

每次实验对信号进行16次扫描累加，测定范围4 000～400 cm－1;测温范围20～120℃，变温步长20℃。

一维红外光谱数据的获得采用PE公司Spectrum v 6.3.5操作软件;二阶导数和四阶导数红外光谱数据的获得采用PE公司Spectrum v 6.3.5操作软件，平滑点数为13。图形处理采用Origin 8.0。

2 结果与分析

在4 000～400 cm－1频率范围内甲基橙的红外光谱如图1所示。

图1 甲基橙的红外光谱(4 000～400 cm－1)

将4 000～400 cm－1的频率范围分为3个区间，分别测定甲基橙的一维红外光谱、二阶导数红外光谱及四阶导数红外光谱［5－7］。

2.1 3 100～2 800 cm－1区间甲基橙的红外光谱

3 100～2 800 cm－1区间甲基橙的红外光谱如图2所示。一维红外光谱的分辨率较低，不能得到有效信息。由二阶导数红外光谱和四阶导数红外光谱可知，高频位置 3 098，3 080，3 054，3 029 cm－1附近弱的红外吸收峰分别归属于苯环氢原子的伸缩振动模式νCH(benzene);2 880 cm－1和2 820 cm－1附近2个弱的红外吸收峰则分别归属于与N原子相连甲基的不对称伸缩振动模式νas(CH3)和对称伸缩振动模式νs(CH3)。

图2 甲基橙的红外光谱(3100～2800 cm－1)

2.2 17 00～1 000 cm－1区间甲基橙的红外光谱

在17 00～1 000 cm－1范围内甲基橙官能团的红外吸收频率最丰富，其红外光谱如图3所示。一维红外光谱中 1 609，1 521，1 445 cm－1附近较强的红外吸收峰归属于芳环碳碳伸缩振动模式νC＝C;1 314 cm－1和 1 126 cm－1附近为甲基橙的砜基团的不对称伸缩振动模式νas(SO2)和对称伸缩振动模式νs(SO2)。由二阶导数红外光谱和四阶导数红外光谱可见，1 371 cm－1和1 230 cm－1处的红外吸收峰分别归属于芳环和脂肪链C—N伸缩振动模式 νC—N。

图3 甲基橙的红外光谱(1 700～1 000 cm－1)

2.3 1 000～400 cm－1区间甲基橙的红外光谱

在1 000～400 cm－1范围内，甲基橙的官能团的红外吸收频率较少，其红外光谱如图4所示。817 cm－1和749 cm－1附近的红外吸收峰主要归属于苯环碳氢面外弯曲振动模式γCH(benzene)。

图4 甲基橙的红外光谱(1 000～400 cm－1)

2.4 甲基橙变温红外光谱研究

通过变温红外技术考察了温度对甲基橙主要官能团的强度及频率的影响，结果如表1所示。随着测定温度的升高，甲基橙的主要官能团的频率均发生明显红移，且强度降低。这主要是因为室温下甲基橙大多处于顺式异构体，随着测定温度的升高，逐渐变为反式异构体，而顺式异构体的红外吸收强度及吸收频率均高于反式异构体，其热变机理如图5所示。

表1 甲基橙变温红外光谱数据

图5 甲基橙热变机理

3 结语

在20～120℃及4 000～400 cm－1频率范围内分别采用一维红外光谱、二阶导数红外光谱和四阶导数红外光谱研究了甲基橙的结构，并进一步研究了甲基橙的热变机理。研究结果表明，随着测定温度的升高，甲基橙由顺式异构体转变为反式异构体。

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