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        馬來酰脲的合成

        2018-11-03 08:16:12郝柿田劉寧寧李效軍
        石油化工 2018年10期
        關(guān)鍵詞:冰乙酸馬來酸酐

        郝柿田,劉寧寧,李效軍

        (河北工業(yè)大學(xué) 化工學(xué)院,天津 300130)

        馬來酰脲是一種具有碳碳雙鍵的酰脲,是合成多種功能型聚合物的單體[1],也用于除草劑的合成[2-3];同時,馬來酰脲是合成乳清酸[4-6]的重要中間體,乳清酸也稱維生素B13,廣泛用于日用化妝品、醫(yī)藥、核酸和生物研究,醫(yī)藥上用作生產(chǎn)治療黃疸和心臟病等藥物的原料[7-12],是重要的維生素品種。因此,研究馬來酰脲的合成有較大的實用價值。

        合成馬來酰脲的方法較多[13-16],但工業(yè)上多以馬來酸酐與尿素為主要原料,冰乙酸為溶劑,于60 ℃反應(yīng)12 h,之后加水稀釋反應(yīng)產(chǎn)物,過濾得馬來酰脲。本課題組以此方法重復(fù)實驗,馬來酰脲的穩(wěn)定收率約為80.0%,純度為99.8%左右;但此方法的缺點是反應(yīng)時間長、產(chǎn)品收率低;后處理要加水稀釋,含水乙酸無法直接循環(huán)套用(循環(huán)利用),給廢水處理或溶劑回收帶來很大困難。

        酸酐是活潑的?;噭?,將其用于?;磻?yīng)一般不需要催化劑,但考慮到尿素的親核能力較弱,本工作嘗試了質(zhì)子酸催化的方法,與原工藝相比,降低了反應(yīng)溫度,縮短了反應(yīng)時間,提高了馬來酰脲的收率;同時,采用加大量的冰乙酸作溶劑,而不用水稀釋,使得溶劑可以直接循環(huán)套用。

        1 實驗部分

        1.1 主要原料與儀器

        硫酸(98.0%(w))、鹽酸(36.0%(w)):分析純,北京化工廠;對甲苯磺酸:99%(w),分析純,天津博迪化工股份有限公司;干氯化氫:自制;尿素、馬來酸酐、冰乙酸:工業(yè)品,蓬萊海洋股份有限公司。

        AVANCE400型核磁共振波譜儀:瑞士Bruker公司;CoMetro6000型高效液相色譜儀:美國CoMetro公司。

        1.2 實驗方法

        以對甲苯磺酸為催化劑的實驗步驟如下。向裝有溫度計、電動攪拌器和回流冷凝器的500 mL四口瓶中依次加入39.9 g(0.4 mol)馬來酸酐、28.8 g(0.5 mol)尿素和36.0 g冰乙酸,攪拌均勻后加入0.1 g對甲苯磺酸,于45 ℃反應(yīng)4 h,降溫至20 ℃抽濾。濾餅經(jīng)水洗、真空干燥得產(chǎn)品。濾液中含少量未反應(yīng)的原料,不經(jīng)處理直接循環(huán)到下批酰胺化反應(yīng)。

        1.3 分析方法

        采用核磁共振波譜儀檢測氫原子的化學(xué)環(huán)境。1H NMR(400 MHz),DMSO-d6,化學(xué)位移δ:12.88(s,1H),10.43(s,1H),7.64(s,1H),7.31(s,1H),6.35(s,2H)。核磁數(shù)據(jù)與馬來酰脲結(jié)構(gòu)特征相符。

        采用高效液相色譜法檢測馬來酰脲的純度。色譜柱為BaseLine C18(250 mm×4.6 mm,5 mm),流動相為5%(w)的甲醇水溶液(用磷酸調(diào)節(jié)pH=2),流量0.6 mL/min,柱溫38 ℃,紫外檢測器波長215 nm,試樣濃度0.04 mol/L,進(jìn)樣量0.1 mL,定量計算采用面積歸一化法。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 反應(yīng)機(jī)理

        馬來酸酐的羰基氧可以質(zhì)子化生成?;颊x子,從而增加了馬來酸酐的親電能力,使得尿素這種弱親核試劑也能獲得較快的反應(yīng)速率。質(zhì)子酸對馬來酸酐與尿素反應(yīng)的催化作用見圖1。

        圖1 質(zhì)子酸對馬來酸酐與尿素反應(yīng)的催化作用Fig.1 Catalytic effect of proton acid on the reaction of maleic anhydride with urea.

        2.2 質(zhì)子酸種類對酰化反應(yīng)的影響

        質(zhì)子酸、濃硫酸、鹽酸、干氯化氫、對甲苯磺酸對馬來酰脲合成的影響見表1。

        表1 酸種類的影響Table 1 Effect of acid type

        由表1可知,除鹽酸外,加入酸后產(chǎn)品的收率均有所提高,表明質(zhì)子酸對該酰胺化反應(yīng)有催化作用,這與機(jī)理推測的結(jié)果吻合。采用鹽酸時收率明顯降低的原因可能是鹽酸中含有較多的水,使馬來酸酐水解,導(dǎo)致產(chǎn)品收率和純度下降;干氯化氫有較好的催化效果,但操作不方便;采用對甲苯磺酸和硫酸時,產(chǎn)品的收率相近,前者是有機(jī)酸,不具有氧化性,酸性略強(qiáng)于硫酸,后者是無機(jī)酸,具有揮發(fā)性和氧化性。因此,從收率、純度、操作方便安全等方面考慮,對甲苯磺酸是合適的質(zhì)子酸催化劑。

        2.3 工藝條件的優(yōu)化

        在確定了對甲苯磺酸為適宜的催化劑后,研究了對甲苯磺酸用量、反應(yīng)原料的摩爾比、反應(yīng)時間和反應(yīng)溫度等關(guān)鍵因素的影響,獲得了較優(yōu)的工藝條件。

        2.3.1 對甲苯磺酸用量的影響

        對甲苯磺酸是一種不具有氧化性的有機(jī)強(qiáng)酸,常用作酸性催化劑,對甲苯磺酸用量對馬來酰脲收率的影響見圖2。由圖2可知,對甲苯磺酸用量為0.1 g時,產(chǎn)品收率為89.0%左右,因此,對甲苯磺酸的最佳用量為0.1 g,約為馬來酸酐用量的0.25%(w)。

        圖2 對甲苯磺酸用量對馬來酰脲收率的影響Fig.2 Effect of the amount of p-toluenesulfonic acid on yield.

        2.3.2 馬來酸酐與尿素摩爾比的影響

        馬來酸酐與尿素摩爾比對馬來酰脲收率的影響見圖3。由圖3可知,隨著馬來酸酐與尿素摩爾比的增加,馬來酰脲的收率逐漸增加,馬來酸酐與尿素比為1.0∶1.3時,馬來酰脲收率趨于平穩(wěn)。故馬來酸酐與尿素的最佳摩爾比為1.0∶1.3。

        圖3 馬來酸酐與尿素摩爾比對馬來酰脲收率影響Fig.3 Effect of molar ratio of raw materials on yield.

        2.3.3 反應(yīng)時間和溫度的影響

        不同溫度條件下反應(yīng)時間對馬來酰脲平均收率的影響見圖4。由圖4可知,馬來酰脲的收率隨著反應(yīng)溫度升高而增加,至45 ℃后基本不變;而在相同的溫度下,馬來酰脲的收率隨著反應(yīng)時間的延長而增加,并最終達(dá)到穩(wěn)定,但是較高溫度條件下,達(dá)到最大收率時的時間較短。因此,較好的反應(yīng)時間和溫度組合是45 ℃下反應(yīng)4 h。

        圖4 反應(yīng)溫度和時間對馬來酰脲平均收率的影響Fig.4 Effect of reaction temperature and time on yield.

        2.3.4 溶劑的套用

        利用蒸干溶劑法測得45 ℃馬來酰脲在100 g冰乙酸中的溶解度是3.58 g,以此推算,若后處理過程中過濾所得用于循環(huán)套用,收率最少提高2.0%。而冰乙酸不含水,除含一部分產(chǎn)品外,還含少量未反應(yīng)的原料,因此,循環(huán)套用對提高收率,減少排放是很有幫助的。

        本工作嘗試直接套用冰乙酸的實驗方案,即補(bǔ)加冰乙酸至規(guī)定的投料量,對甲苯磺酸作為酸性催化劑,根據(jù)得到的冰乙酸濾液按比例估算需補(bǔ)加的對甲苯磺酸的用量,實驗結(jié)果見表2。由表2可見,溶劑冰乙酸套用可以提高馬來酰脲的收率,在兼顧產(chǎn)品外觀的情況下,冰乙酸可以循環(huán)套用4次,可以有效減少三廢處理難度和三廢排放量。套用4次后的平均收率達(dá)到95.7%,產(chǎn)品純度為99.8%。

        表2 溶劑套用的實驗結(jié)果Table 2 Experimental results of solvent application

        3 結(jié)論

        1)馬來酸酐與尿素合成馬來酰脲的適宜反應(yīng)條件為:馬來酸酐用量39.9 g、溶劑冰乙酸用量36.0 g、對甲苯磺酸用量為馬來酸酐的0.25%(w)、馬來酸酐與尿素摩爾比1.0∶1.3、反應(yīng)溫度為45 ℃、反應(yīng)時間4 h,在此基礎(chǔ)上套用溶劑冰乙酸4次,馬來酰脲的平均收率為95.7%,純度為99.8%。

        2)應(yīng)用于工業(yè)化馬來酰脲收率還有提高的空間,需進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)條件。

        3)循環(huán)反應(yīng)時對甲苯磺酸的用量需要有比較準(zhǔn)確的測定方法。

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