溴代吡啶偶氮類特效指示劑5-Br-PADAP 及3,5-diBr-PADAP 的合成及應用

徐博剛，李景旺

（天津市化學試劑研究所有限公司,天津 300251）

溴代吡啶偶氮類特效指示劑主要是指具有一溴或者二溴吡啶為主體結構的偶氮鏈接不同取代基團的各類特效指示劑。今年來，吡啶偶氮類有機特效試劑發展較快，人們合成了品種繁多的衍生物，經過在分析化學中應用的篩選，找到了幾個較為理想的化合物作為光度分析顯色劑或者絡合滴定指示劑，其中尤其以在吡啶環上引入鹵素的衍生物較為優越，由于二溴代衍生物在吡啶環上存在較強的負電性取代基，可使得吡啶環堿性降低，使得試劑的吸收光譜移動向長波區域，在較低的pH 條件下和某些金屬離子反應，從而有利于提高分析的選擇性，同時溴代衍生物作為顯色劑，具有較高的靈敏度。

為了應對不同檢測條件、不同金屬離子等諸多因素。通過對具有一溴或者二溴吡啶為主體結構的偶氮鏈接不同取代基團，進而達到不同功能效果的目的。本文主要討論2-(5-溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基苯酚，簡稱5-Br-PADAP，和2-(3,5-二溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基苯酚，簡稱3,5-diBr-PADAP,兩種在該領域內最為重要的兩種具有代表性意義的物質，在國民經濟及工農業生產中的應用和二者的合成方法中的一些關鍵性因素。

1 應用

1.1 綜述

2-（5-溴-2 吡啶偶氮）-5-二乙胺基酚，簡稱5-Br-PADAP，系溴代吡啶偶氮化合物中典型的特效指示劑。其具有高靈敏度、高選擇性和特定顯色域等優良特性。自1970 年代末，我國分析工作者就開始研制了在光度分析中的應用。有關該試劑的性能及其應用現狀已經早有專題綜述。正是這個時期，我國進入了偉大的改革開放時代，隨著國民經濟迅猛發展，科技水平大幅提高。同時伴隨著表面活性劑的廣泛應用，以及各種消除干擾途徑的開拓，使這類特性試劑在光度分析中不斷的拓展和提升應用范圍與應用深度[1]。

2-(3,5-二溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基苯酚，簡稱3,5-diBr-PADAP,與2-（5-溴-2 吡啶偶氮）-5-二乙胺基酚是同一系列物質，具有相類似的化學結構式。唯一的不同是其擁有兩個溴的取代基，而前者擁有一個。這個顯著的結構區別，帶來了一系列性質與應用上的區別。但總體上，兩者具有高度相同的性質。其共有的優點與特點也是高度重合。對金屬離子的選擇性與高度的靈敏度以及特定的顯色域都是共通的特性[2～4]。因此本文將其二者作為一個整體加以敘述。

以2-（5-溴-2 吡啶偶氮）-5-二乙胺基酚(5-Br-PADAP) 和2-(3,5-二溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基苯酚(3,5-diBr-PADAP)，作為溴代吡啶偶氮化合物中典型的特效指示劑。之所以具有對金屬離子的選擇性與高度的靈敏度以及特定的顯色域等共通的特殊優點,是因為其具有特殊的分子結構。具體來說，這類試劑在分子結構中含有四個孤電子對應的氮原子。因為具有這樣的結構，可以使其在酸性介質中質子化，并伴隨著體系中溶液的pH 值升高，使得已經質子化的羥基上的氫離子逐漸離解。其離解常數會隨著體系的pH 值發生變化。這就是具有顯色域的結構基礎。由于其分子中羥基上的氧、吡啶環上的氮和靠近羥基的偶氮鍵合，可以形成具有五元環的配合物，分子內張力最小。也因此產生了具有極其穩定的螯合物形態的配位化合物。這就是其靈敏度高的原因。而且這些高靈敏度的螯合物形態配位化合物具有很好的顯色性，同時在酸性體系內結構穩定，便于檢測，對分析結果有很強的支撐作用[5]。

1.2 鈾元素檢測

隨著國民經濟與科技實力的全面發展，伴隨而來的環境污染就成了發展過程中的障礙與整治重點。尤其是習總書記發出“青山綠水就是金山銀山”這一偉大的號召，以及《環境保護法》的貫徹實施，尋找清潔能源就是面前的一項非常關鍵的議題。而核工業作為一種清潔能源也越來越成為關注的焦點。但同時也要看到，作為核工業的基礎，金屬鈾的發掘與冶煉就是一項重中之重。自然界的鈾元素本身就很少，且絕大多數的鈾元素還是以無放射性的鈾238 為主要構成。因此說鈾礦探測與開采的重要性不言自明。在這個過程中，具有對鈾元素高度靈敏性和分辨率的特效指示劑就凸顯出其重要的地位[6]。而以2-（5-溴-2 吡啶偶氮）-5-二乙胺基酚(5-Br-PADAP)和2-(3,5-二溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基苯酚(3,5-diBr-PADAP)作為溴代吡啶偶氮化合物中典型的特效指示劑，就是一種對鈾元素具有高度靈敏度的檢出試劑，對國家的核工業發展有很強的作用，同時還是核工業部推出的檢測鈾元素的部級標準中的指定檢測試劑[7]。

另一方面，雖然鈾的生物半衰期只有一天，但鈾污染仍然是一個值得注意的問題，因此在環境監測中，鈾元素檢測也是一個必須測定的項目，同樣對環境保護有重要作用。而上述特效指示劑就是檢測水體中微量鈾元素的最佳選擇[8]。

1.3 分光光度法

眾所周知，分光光度法具有檢測儀器設備簡單、實用操作方便，人員培訓簡單以及實用準確等特點，使得該方法擁有廣泛的應用。在抗壞血酸、檸檬酸鹽及EDTA 存在下，可以和多種金屬離子發生顯色反應，并通過分光光度法進行測定。尤其是在表面活性劑膠束增容、增敏光度分析中得到更加廣泛和積極的應用，我國逐步建立起來具有特色的高靈敏度體系，較萃取光度法有了極大的進步。這主要體現在更高的靈敏度和更方便的操作以及更簡練的檢測步驟。二十一世紀以來在計算方法，尤其是計算機的廣泛應用，使得分光光度法進入了新的實用高度，開創了新的應用紀元。

一般而言，5-Br-PADAP 是分光光度法測定微量金屬離子的靈敏顯色劑、萃取劑和指示劑，但應用于測定陰離子的卻很少。最近有研究表示，它可以與SCN 形成三元離子絡合物，也可用于測定陰離子的檢測[9]。

1.4 其它應用

色譜法檢測因為其分離效果中的效率很高、干擾極少、準確度高又方便操作，因此很早就成為分析檢測中的重要方法。隨著對5-Br-PADAP 以及3,5-diBr-PADAP 這類特效指示劑的深入研究和更多的了解，以其作為色譜富集、分離分析過渡金屬的金屬離子，進而有利于增強檢測極限，以推進到納克級別的高度。

同時溴代吡啶偶氮類特效指示劑在分子結構中有多個共軛雙鍵、π 電子云容易在汞電極上進行交迭，有利于更高效的在汞電極上吸附。由于有這些優勢，決定了該類物質在電化學分析中，尤其是極譜分析中，具有較大的擁有前景和使用范圍，同時具有將檢測極限推進到納克級別的能力和潛力。

2 2-（5-溴-2 吡啶偶氮）-5-二乙胺基酚(5-Br-PADAP)合成方法

2.1 第一步合成方法

由原料2-氨基吡啶通過溴代合成出溴代產物5-溴-2-氨基吡啶。

在帶有電動調速攪拌器和溫度計及加熱設備的三口圓底燒瓶中，加入冰醋酸后打開電攪拌，在中速攪拌的情況下加入碾碎的原料2-氨基吡啶，攪拌至全部溶解，溶解過程會放熱，然后繼續攪拌至恢復到室溫。在20℃左右，開始滴加同物質的量的溴素，這里的溴素要溶解到冰醋酸中形成溶液。需要注意的是：一旦開始滴加，反應也同時開始，這時會有副產物溴化氫氣體生產。這就要求反應在一個密閉的通風櫥中進行。同時該反應是一個放熱反應，隨著滴加溴素的進行，溫度也隨之升高。大約滴加溴素總量的1/3 后，溫度會上升為50℃。之后通過調節滴加速度保持溫度不變。滴加結束后繼續攪拌1h。整個過程可以不用加熱，體系自然保溫50℃左右。

將持續攪拌1h 后的溶液傾倒入大量水中，溶液與水很快互溶。這時溶液很熱，呈現極強的酸性，具有腐蝕性和刺激性。這要求操作人員有足夠的防護措施和防護設備。預先配置30%的氫氧化鈉水溶液（前一天配好）。向反應體系中加入30%的氫氧化鈉水溶液。這時體系劇烈放熱，伴隨有刺激性氣體溢出，同樣要求在通風櫥中進行。同時也要注意，氫氧化鈉水溶液加入后體系酸性減小，但很快就不再下降了，這是因為隨著氫氧化鈉的加入，體系逐漸形成醋酸-醋酸鈉是緩沖溶液。因此在將此溶液調節到中性的過程中，會呈現pH 值一直不變，然后突然就強堿性的現象，這是需要避免的。當pH 值調節為中性后，溶液溫度會很高，隨著溫度降低，液體中會逐步有固體析出。這個過程要始終強力攪拌，避免固體物質固化成團。

當溫度降低到室溫，將溶液過濾。然后將固體物質多次用冷水洗滌，自然干燥。全部干燥后，加入石油醚，在攪拌下升溫。到沸騰保持0.5h，傾出過濾。這樣操作是利用石油醚溶解分離的方法除去二溴代體。最后將其再次干燥后的固體，使用純苯進行重結晶，重結晶的次數根據成品質量確定，一般而言兩次就可以了。這樣最終得到5-溴-2-氨基吡啶。5-溴-2-氨基吡啶不溶水，易溶于乙醇。

2.2 第二步合成方法

由第一步合成出的5-溴-2-氨基吡啶通過亞硝酸異戊酯合成出5-溴-2-氨基吡啶重氮鹽

將金屬鈉小心的多次的加入無水乙醇中，攪拌下至全溶解，過程會放熱，這樣最終會得到含有乙醇鈉的乙醇溶液。然后加入5-溴-2-氨基吡啶，加熱至60℃左右會全溶為深褐色液體。停加熱，滴加亞硝酸異戊酯。加到1/4 左右時就有黃色固體析出，亮晶晶的。加完升溫回流2h。

回流結束后，趁熱過濾，每次用乙醚，侵洗兩次。自然晾干，得到有金屬光澤的很輕的固體，為5-溴-2-氨基吡啶重氮鹽。5-溴-2-氨基吡啶重氮鹽不溶乙醇，極易溶水。

2.3 第三步合成方法

是合成2-(3,5-二溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基苯酚

將新鮮的間-二乙氨基苯酚加入無水乙醇中，攪拌至全溶解，然后加入5-溴-2-氨基吡啶重氮鹽。重氮鹽不溶呈懸濁液。通CO2氣保護并攪拌4h，溫度會緩慢上升到35～40℃，然后回落。放置過夜。

轉天將溶液加入大量的水中，攪拌均勻。放置1d 后，將上面的水傾出，將下面渾濁的水溶液過濾，會等到深紅色松散結晶，80℃左右烘干2d，然后自然晾干1d，就得到了成品2-(3,5-二溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基苯酚。

3 2-(3,5-二溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基苯酚(3,5-diBr-PADAP)合成方法

2-(3,5-二溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基苯酚(3,5-diBr-PADAP)就結構而言與2-(3,5-二溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基苯酚相似，只是多了一個溴的取代基。因此兩者的合成也高度相同，只是第一步溴代有些不同，具體說就是前者在溴代過程中，要有兩個溴的取代基加成。

在實踐操作中，筆者對這個方面的研究重復做了大量的比對試驗。結果顯色，通過重復之前的溴素溴代法，基本上操作相同，只是將溴素的物質的量提高一倍就可以了。最終操作下來發現，沒有重結晶的粗品含量很差，要多次重結晶才能達到效果。另一種方法就是使用溴化鈉溴代法，這個操作就是使用溴化鈉替代溴素。這個反應溫和、粗品質量高，可以有效的減少重結晶次數。但缺點是成本較高，設備利用率低。最后，筆者還使用在合成2-（5-溴-2 吡啶偶氮）-5-二乙胺基酚(5-Br-PADAP)第一步，通過石油醚分離出來的二溴代物，再提純進行下一步反應，也取得了很好的效果?？傮w而言，這種聯動的生產方式，既有利于降低成本，也有利于減輕環保壓力。

4 結論

綜上所述，以2-（5-溴-2 吡啶偶氮）-5-二乙胺基酚(5-Br-PADAP)和2-(3,5-二溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基苯酚 (3,5-diBr-PADAP)，作為溴代吡啶偶氮化合物中典型的特效指示劑，已經廣泛應用于分光光度法分析檢測、色譜分析法檢測以及電化學分析法檢測的應用。并具有更廣泛的應用與使用精度的前景。這些物質不僅僅可以用來檢測過渡金屬元素陽離子，而且也可以檢測一些種類的陰離子，具有很高的應用范圍，并隨著研究的深入，必然會有更多的新方法涌現出來。