甲基橙溫度效應的紅外光譜研究

于宏偉，解立斌，顧丹丹，陳 寧，吳玉靜，劉亞明

(石家莊學院化工學院，石家莊 050035)

甲基橙是一種重要的偶氮類染料，除用作酸堿滴定指示劑外，還常作為模板化合物廣泛應用于分析化學［1－2］及環境化學領域［3－4］。研究甲基橙結構最常見的方法是紅外光譜法，傳統的紅外光譜法(一維紅外光譜法)分辨率不高，而二階導數紅外光譜和四階導數紅外光譜的分辨率則大大提高。筆者在20～120℃溫度范圍內分別測定了甲基橙的一維紅外光譜、二階導數紅外光譜及四階導數紅外光譜，并進一步采用變溫紅外技術考察了溫度對甲基橙分子結構的影響，該項研究未見相關文獻報道。

1 實驗部分

1.1 原料與儀器

甲基橙，分析純，北京化工廠。

Spectrum 100紅外光譜儀，美國 PE公司;SYD TC－01變溫控件，控溫精度為±0.1℃，英國Eurotherm公司。

1.2 實驗方法

每次實驗對信號進行16次掃描累加，測定范圍4 000～400 cm－1;測溫范圍20～120℃，變溫步長20℃。

一維紅外光譜數據的獲得采用PE公司Spectrum v 6.3.5操作軟件;二階導數和四階導數紅外光譜數據的獲得采用PE公司Spectrum v 6.3.5操作軟件，平滑點數為13。圖形處理采用Origin 8.0。

2 結果與分析

在4 000～400 cm－1頻率范圍內甲基橙的紅外光譜如圖1所示。

圖1 甲基橙的紅外光譜(4 000～400 cm－1)

將4 000～400 cm－1的頻率范圍分為3個區間，分別測定甲基橙的一維紅外光譜、二階導數紅外光譜及四階導數紅外光譜［5－7］。

2.1 3 100～2 800 cm－1區間甲基橙的紅外光譜

3 100～2 800 cm－1區間甲基橙的紅外光譜如圖2所示。一維紅外光譜的分辨率較低，不能得到有效信息。由二階導數紅外光譜和四階導數紅外光譜可知，高頻位置 3 098，3 080，3 054，3 029 cm－1附近弱的紅外吸收峰分別歸屬于苯環氫原子的伸縮振動模式νCH(benzene);2 880 cm－1和2 820 cm－1附近2個弱的紅外吸收峰則分別歸屬于與N原子相連甲基的不對稱伸縮振動模式νas(CH3)和對稱伸縮振動模式νs(CH3)。

圖2 甲基橙的紅外光譜(3100～2800 cm－1)

2.2 17 00～1 000 cm－1區間甲基橙的紅外光譜

在17 00～1 000 cm－1范圍內甲基橙官能團的紅外吸收頻率最豐富，其紅外光譜如圖3所示。一維紅外光譜中 1 609，1 521，1 445 cm－1附近較強的紅外吸收峰歸屬于芳環碳碳伸縮振動模式νC＝C;1 314 cm－1和 1 126 cm－1附近為甲基橙的砜基團的不對稱伸縮振動模式νas(SO2)和對稱伸縮振動模式νs(SO2)。由二階導數紅外光譜和四階導數紅外光譜可見，1 371 cm－1和1 230 cm－1處的紅外吸收峰分別歸屬于芳環和脂肪鏈C—N伸縮振動模式 νC—N。

圖3 甲基橙的紅外光譜(1 700～1 000 cm－1)

2.3 1 000～400 cm－1區間甲基橙的紅外光譜

在1 000～400 cm－1范圍內，甲基橙的官能團的紅外吸收頻率較少，其紅外光譜如圖4所示。817 cm－1和749 cm－1附近的紅外吸收峰主要歸屬于苯環碳氫面外彎曲振動模式γCH(benzene)。

圖4 甲基橙的紅外光譜(1 000～400 cm－1)

2.4 甲基橙變溫紅外光譜研究

通過變溫紅外技術考察了溫度對甲基橙主要官能團的強度及頻率的影響，結果如表1所示。隨著測定溫度的升高，甲基橙的主要官能團的頻率均發生明顯紅移，且強度降低。這主要是因為室溫下甲基橙大多處于順式異構體，隨著測定溫度的升高，逐漸變為反式異構體，而順式異構體的紅外吸收強度及吸收頻率均高于反式異構體，其熱變機理如圖5所示。

表1 甲基橙變溫紅外光譜數據

圖5 甲基橙熱變機理

3 結語

在20～120℃及4 000～400 cm－1頻率范圍內分別采用一維紅外光譜、二階導數紅外光譜和四階導數紅外光譜研究了甲基橙的結構，并進一步研究了甲基橙的熱變機理。研究結果表明，隨著測定溫度的升高，甲基橙由順式異構體轉變為反式異構體。

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