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，它們很容易進入到環(huán)境水體中[7]，對人體及動植物都有很大危害。歐盟、美國都已經(jīng)把芳香族氨基化合物列入常規(guī)監(jiān)測與優(yōu)先監(jiān)測的污染物黑名單[8]。在我國，對于苯胺類化合物，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，測定時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行苯胺類化合物的檢測。當(dāng)前，用于測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、操作簡單的優(yōu)點，但是所用試劑N-(1-萘基)乙二胺二鹽酸鹽毒性較大，已被認定是一種是強致癌物質(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，代替國標(biāo)法里的鹽酸萘乙二胺對水體中的苯胺類化合物進行檢測，3種偶合試劑在分光光度法的測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苯胺等芳香族氨基化合物進行檢測，表觀摩爾系數(shù)達到3.95×104L/(mol·cm)。但將J酸作為偶合組分時，對測試者的操作技能要求較高，若測試液的酸度控制不當(dāng)，會發(fā)生J酸自偶合反應(yīng)，對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。

本文選用溴乙烷對J酸分子結(jié)構(gòu)中的氨基進行烷基化改性，避免J酸作為偶合組分時自偶合副反應(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，國藥集團化學(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(試驗合成)；2-氨基-5-萘酚-7-磺酸(J酸，東京化成工業(yè)株式會社)；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-萘胺等儲備水溶液：2.00×10-2mol/L(使用時用蒸餾水稀釋至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(上海精密儀器儀表有限公司)；722 N型可見分光光度計(北京普析通用儀器有限公司)；Elementar/MACRO元素分析儀(德國Elementar公司)；PHS-3E型精密酸度計(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(重慶頤洋企業(yè)發(fā)展有限公司)。

1.2 試驗過程

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480 nm處測定溶液的吸光度。

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，對萘環(huán)上的伯氨基進行衍生化，制成多個仲氨基衍生物，考察這些衍生物作為偶合組分時，測定芳香族氨基化合物的靈敏度，試驗結(jié)果如表1所示(試驗次數(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壓片法測定N-乙基J酸和比對物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，存在乙基伸縮振動峰；在3 310～3 350 cm-1處，存在仲胺伸縮振動峰；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

使用毛細管法對合成的產(chǎn)物進行熔點測定，其結(jié)果為253～255 ℃。使用元素分析儀對C12H13NO4S進行分析，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均位于480 nm左右，對應(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，試驗測定波長選擇480 nm。

2.4 重氮反應(yīng)的影響因素

2.4.1 反應(yīng)液酸度

本次試驗探究了重氮反應(yīng)受溶液酸度的影響。試驗結(jié)果表明，重氮反應(yīng)液的酸度控制在pH值=1～2時，吸光度穩(wěn)定且最大。因此，試驗取用摩爾濃度為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，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，試驗了0～35 ℃下，重氮反應(yīng)時溫度對吸光度的影響。試驗結(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，在常溫下進行重氮化反應(yīng)即可。

2.4.3 重氮化反應(yīng)時間

按照1.2.2，重氮化時間為0～30 min對吸光度的影響的試驗結(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，試驗選用重氮化時間為3 min。

2.4.4 催化劑的選用

為了使重氮化反應(yīng)能進行的更迅速、徹底，試驗時選擇溴化鉀作為重氮化反應(yīng)的催化劑，按照1.2.2，試驗了溴化鉀加入量對吸光度的影響。試驗結(jié)果表明，反應(yīng)時加入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

進行重氮反應(yīng)時，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)定性會下降。試驗了亞硝酸鈉水溶液的加入量對吸光度的影響，試驗結(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，溶液的吸光度保持穩(wěn)定。因此，試驗取用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

試驗結(jié)果表明，當(dāng)重氮鹽溶液的濃度為0.96×10-5mol/L時，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對不同重氮組分的偶合反應(yīng)影響結(jié)果如圖3所示。試驗結(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，吸光度穩(wěn)定且最大。因此，試驗選用0.5 mol/L碳酸鈉水溶液，體積為2.0 mL。

圖3 pH對偶合反應(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，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行反應(yīng)，整個試驗過程需要快速完成[18]。而使用尹曉航[19]新合成的N-乙基J酸作為偶合試劑時，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)時間

本文研究了偶合反應(yīng)的時間對偶氮化合物溶液吸光度的影響。試驗結(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，測定了一些其他常見的芳香族化合物的摩爾吸光系數(shù)，測定結(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) (試驗次數(shù)n=8)

2.9 環(huán)境水體中芳香族氨基化合物的測定

本次水樣取自上海市復(fù)興島運河，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照參比，選擇標(biāo)準(zhǔn)加入法進行回收試驗(n=8)，并與國標(biāo)法進行對照試驗。測定結(jié)果如表4所示。

表4 復(fù)興島運河水樣分析結(jié)果 (以苯胺計)

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。其毒性遠低于國標(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其進行了檢測，并進行了熔點測定，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定，在最大吸收波長480 nm處，所測苯胺、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酸分光光法度測定芳香族氨基化合物，具有靈敏度高、測定結(jié)果準(zhǔn)確、操作簡便快速等優(yōu)點，可以作為檢測環(huán)境水體中痕量芳香族氨基化合物的首選方法。