N-乙基J酸的合成及对芳香族氨基化合物的测定

杨琴淋，施文健，张晓东

(上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093)

所有含氨基的芳香烃类衍生物被统称为芳香族氨基化合物。该类化合物是香料、染料、油漆、树脂、医药等[1-3]行业中常用的有机化工原料，是许多工业生产中不可缺少的中间体之一[4]。部分芳香族氨基化合物有较高的毒性，并被证明是强致癌物质[5-6]。在工业生产过程中，随着废弃物的排放，它们很容易进入到环境水体中[7]，对人体及动植物都有很大危害。欧盟、美国都已经把芳香族氨基化合物列入常规监测与优先监测的污染物黑名单[8]。在我国，对于苯胺类化合物，工业废水标准中允许排放的质量浓度上限为5 mg/L[9]。因此，为了能更加有效地控制芳香族氨基化合物对环境的影响，建立一种灵敏度高、选择性比较好的芳胺类化合物检测分析方法非常重要。

环境水体中芳胺类污染物质含量较低，处于痕量水平，测定时通常以苯胺为代表物，如电化学法[5]、色谱法[1,10-11]、光度法[12]和毛细管电泳法(CE)[13-14]等，胡金婷等[15]制备的单分子膜及徐佳瑶等[16]制备的电纺纤维膜也可以进行苯胺类化合物的检测。当前，用于测定芳香族氨基化合物中苯胺类物质的标准方法仍然是早期的N-(1-萘基)乙二胺偶氮分光光度法，该方法具有高灵敏度、操作简单的优点，但是所用试剂N-(1-萘基)乙二胺二盐酸盐毒性较大，已被认定是一种是强致癌物质。杨晓芬等[17]曾经用1-萘酚、邻甲氧基苯酚和8-羟基喹啉作为偶合试剂，代替国标法里的盐酸萘乙二胺对水体中的苯胺类化合物进行检测，3种偶合试剂在分光光度法的测定下所得到的表观摩尔系数为3.27×104、2.67×104、3.12×104L/(mol·cm)。尹晓航等[18]采用J酸(2-氨基-5-萘酚-7-磺酸)作为偶合试剂并采用分光光度法对苯胺等芳香族氨基化合物进行检测，表观摩尔系数达到3.95×104L/(mol·cm)。但将J酸作为偶合组分时，对测试者的操作技能要求较高，若测试液的酸度控制不当，会发生J酸自偶合反应，对试验结果产生影响。

本文选用溴乙烷对J酸分子结构中的氨基进行烷基化改性，避免J酸作为偶合组分时自偶合副反应的发生，合成出灵敏度比较高的偶合试剂——N-乙基J酸(2-N-乙基-5-萘酚-7-磺酸)，提出采用分光光度法，选择自合成的N-乙基J酸作为偶合试剂，测定环境水体中的芳香族氨基化合物的方法。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

乙腈；溴乙烷(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)；2-N-乙基-5-萘酚-7-磺酸(N-乙基J酸)溶液：0.01 mol/L(试验合成)；2-氨基-5-萘酚-7-磺酸(J酸，东京化成工业株式会社)；溴化钾水溶液：2%；碳酸钠水溶液：0.50 mol/L；稀盐酸水溶液：1.2 mol/L；苯胺、4-氨基苯磺酸、1-萘胺等储备水溶液：2.00×10-2mol/L(使用时用蒸馏水稀释至2.40×10-4mol/L)；亚硝酸钠水溶液：1.00×10-2mol/L。

Nicolet iS10红外分光光度计(上海精密仪器仪表有限公司)；722 N型可见分光光度计(北京普析通用仪器有限公司)；Elementar/MACRO元素分析仪(德国Elementar公司)；PHS-3E型精密酸度计(上海雷磁仪器厂)；PL203型电子天平(梅特勒-托利多仪器有限公司)；SHA-BA型水浴恒温振荡器(上海精密科学仪器有限公司)；AHL-1002-P型超纯水机(重庆颐洋企业发展有限公司)。

1.2 试验过程

1.2.1 N-乙基J酸的合成

用乙腈做溶剂，将J酸、溴乙烷和乙腈按摩尔比1∶3∶63置于锥形瓶中，滴加质量百分比浓度为10%的碳酸钾水溶液，控制反应液pH值至8～10。将锥形瓶放置于45 ℃水浴锅中，上接冷凝管，反应4 h，取出锥形瓶，在反应液中加入9 w%～10 w%无水硫酸钠进行盐析、抽滤、提纯，用少量蒸馏水洗涤滤饼，将固形物置于烘箱内，控制温度在40 ℃烘至恒重，得到粉末状N-乙基J酸。

1.2.2 芳香族氨基化合物的测定

取25 mL容量瓶，先后用移液管把亚硝酸钠水溶液、溴化钾水溶液、芳香族氨基化合物标准水溶液以及稀盐酸水溶液各1.0 mL转移至容量瓶中，快速摇匀，静置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碳酸钠水溶液，快速摇匀，得到偶合试剂。将重氮液转入偶合试剂中(用少量蒸馏水洗涤重氮液容量瓶，洗液同样转入偶合溶液中)，摇匀，用蒸馏水稀释至刻度后静置5 min。用1 cm比色皿，以不加芳香族氨基化合物的试剂溶液作参比，在波长480 nm处测定溶液的吸光度。

2 结果与分析

2.1 偶合组分的选择

偶合组分中J酸具有较高的灵敏度[18]，但J酸具有自偶合倾向，因此，对萘环上的伯氨基进行衍生化，制成多个仲氨基衍生物，考察这些衍生物作为偶合组分时，测定芳香族氨基化合物的灵敏度，试验结果如表1所示(试验次数n=8)。由表1可知，由于仲氨基衍生物中烷基取代基具有斥电子作用，增加氨基对萘环的活化作用(增大环上的电子云密度)，提高了方法的灵敏度，而芳烃取代基则分散(减弱)了氨基对J酸分子上萘环的活化作用，因此，自制的N-乙基J酸偶氮苯具有最大的表观摩尔吸光系数。

表1 偶合组分的筛选(以苯胺为重氮组分)

2.2 合成产物分析

根据1.2.1，合成N-乙基J酸，产率为85%。用KBr压片法测定N-乙基J酸和比对物J酸的红外光谱，结果如图1所示。由曲线(a)可知，在2 930 cm-1和2 850 cm-1处，存在乙基伸缩振动峰；在3 310～3 350 cm-1处，存在仲胺伸缩振动峰；而在3 300～3 500 cm-1处，没有出现伯胺吸收峰，说明J酸氨基上的一个氢原子已被乙基取代。

图1 红外光谱曲线(a)N-乙基J酸；(b)J酸

使用毛细管法对合成的产物进行熔点测定，其结果为253～255 ℃。使用元素分析仪对C12H13NO4S进行分析，理论上各元素含量应为C:53.88%，H:4.86%，N:5.24%，O:23.95%，S:11.97%，分析结果显示各元素含量为C:53.73%，H:4.97%，N:5.18%，O:24.03%，S:11.99%。两者误差在5%内，说明N-乙基J酸制备成功。

2.3 偶合物吸收光谱

使用722 N型可见分光光度计分别扫描由苯胺、4-氨基苯磺酸、1-萘胺与N-乙基J酸形成的3种偶氮化合物水溶液，得到的吸收光谱如图2所示。

图2 吸收光谱中的重氮组分(a)苯胺；(b)4-氨基苯磺酸；(c)1-萘胺

由图2可知，苯胺、4-氨基苯磺酸溶液、1-萘胺分别与N-乙基J酸形成的偶氮化合物最大吸收波长均位于480 nm左右，对应的表观摩尔吸光系数为4.24×104、4.53×104、4.19×104L/(mol·cm)。因此，试验测定波长选择480 nm。

2.4 重氮反应的影响因素

2.4.1 反应液酸度

本次试验探究了重氮反应受溶液酸度的影响。试验结果表明，重氮反应液的酸度控制在pH值=1～2时，吸光度稳定且最大。因此，试验取用摩尔浓度为1.2 mol/L的盐酸水溶液1.0 mL。

2.4.2 反应温度

当温度较高时，重氮盐易分解，而低温下重氮盐比较稳定，但是温度的升高能够加快重氮化反应的速度。按照1.2.2，试验了0～35 ℃下，重氮反应时温度对吸光度的影响。试验结果表明，在5～20 ℃，重氮盐比较稳定，具有稳定的吸光度。因此，在常温下进行重氮化反应即可。

2.4.3 重氮化反应时间

按照1.2.2，重氮化时间为0～30 min对吸光度的影响的试验结果表明，在2～15 min吸光度稳定且最大，说明反应2 min后，重氮化反应已趋于完全，由于重氮盐不稳定易分解，试验选用重氮化时间为3 min。

2.4.4 催化剂的选用

为了使重氮化反应能进行的更迅速、彻底，试验时选择溴化钾作为重氮化反应的催化剂，按照1.2.2，试验了溴化钾加入量对吸光度的影响。试验结果表明，反应时加入1.0%溴化钾溶液1.0 mL即可加速重氮化反应。

2.4.5 亚硝酸钠的用量

进行重氮反应时，水溶液中亚硝酸钠的量应当大于芳胺族化合物的量，但是过量太多，吸光度的稳定性会下降。试验了亚硝酸钠水溶液的加入量对吸光度的影响，试验结果表明，当亚硝酸钠水溶液的摩尔浓度在4.00×10-4～0.1 mol/L时，溶液的吸光度保持稳定。因此，试验取用0.01 mol/L的亚硝酸钠水溶液1.0 mL。

2.5 偶合反应的影响因素

2.5.1 偶合组分用量

试验结果表明，当重氮盐溶液的浓度为0.96×10-5mol/L时，偶合组分选择在5.00×10-5～4.00×10-4mol/L，溶液的吸光度稳定。因此，试验选用的偶合试剂是摩尔浓度为0.01 mol/L的N-乙基J酸水溶液，体积为1.0 mL。

2.5.2 反应液酸度

pH对不同重氮组分的偶合反应影响结果如图3所示。试验结果表明，偶氮溶液的吸光度随着pH的增大先升高后降低，当pH值在8.0～10.0时，吸光度稳定且最大。因此，试验选用0.5 mol/L碳酸钠水溶液，体积为2.0 mL。

图3 pH对偶合反应的影响中的重氮组分(a)苯胺；(b)4-氨基苯磺酸；(c)1-萘胺

2.5.3 偶合试剂的加入方式和偶合反应时溶液酸度的调整

研究表明，过量的亚硝酸钠水溶液在酸性条件下会与J酸水溶液发生重氮化反应。因此，当选用J酸作为偶合试剂时，为了避免发生副反应，应首先把碳酸钠水溶液加入到重氮盐溶液中以调整至合适的酸度。重氮盐在中性及碱性条件下易分解，因此，迅速摇匀后，须快速向溶液中加入偶合试剂进行反应，整个试验过程需要快速完成[18]。而使用尹晓航[19]新合成的N-乙基J酸作为偶合试剂时，可将重氮盐溶液直接转入偶合组分中，既方便快捷，又减少了副反应的发生，提高了反应灵敏度。试验选用重氮反应3 min后，将重氮盐溶液转入偶合组分即N-乙基J 酸和碳酸钠的混合液中。

2.5.4 偶合反应时间

本文研究了偶合反应的时间对偶氮化合物溶液吸光度的影响。试验结果表明，在上述条件下，偶氮反应能够快速完成，5～60 min吸光度稳定且最大。因此，偶合反应时间选用5 min。

2.6 溶液中共存离子的影响

2.7 工作曲线

按试验方法1.2.2绘制工作曲线，如表2所示。

表2 工作曲线

2.8 芳香族氨基化合物的表观摩尔吸光系数

按照1.2.2，测定了一些其他常见的芳香族化合物的摩尔吸光系数，测定结果如表3所示。

表3 芳香族氨基化合物的表观摩尔吸光系数 (试验次数n=8)

2.9 环境水体中芳香族氨基化合物的测定

本次水样取自上海市复兴岛运河，水样静置30 min，取上层清液15 mL，根据1.2.2，以蒸馏水替代水样做对照参比，选择标准加入法进行回收试验(n=8)，并与国标法进行对照试验。测定结果如表4所示。

表4 复兴岛运河水样分析结果 (以苯胺计)

3 结论

(1)成功合成了一种新的显色剂N-乙基J酸，具有挥发性低、易溶于水的特点。其毒性远低于国标法中的盐酸萘乙二胺，但其灵敏度高于J酸。使用红外光谱及元素分析仪对其进行了检测，并进行了熔点测定，表明目标产物合成成功。

(2)采用重氮偶合分光光度法将其应用于环境水体中芳香族氨基化合物的测定，在最大吸收波长480 nm处，所测苯胺、4-氨基苯磺酸和1-萘胺的表观摩尔吸光系数分别为4.24×104、4.53×104、4.19×104L/(mol·cm)。

(3)采用N-乙基J酸分光光法度测定芳香族氨基化合物，具有灵敏度高、测定结果准确、操作简便快速等优点，可以作为检测环境水体中痕量芳香族氨基化合物的首选方法。