氨基磺酸催化合成尿囊素

劉麗秀，何愛(ài)江，李相彪

（宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644003）

尿囊素是在哺乳動(dòng)物的尿囊液中發(fā)現(xiàn)的，是一種高附加值的精細(xì)化工產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、日化、農(nóng)業(yè)、輕工業(yè)及生物工程等領(lǐng)域。尿囊素的合成一般采用無(wú)機(jī)酸催化合成，常用的強(qiáng)酸如硫酸、硝酸等對(duì)設(shè)備具有較強(qiáng)腐蝕性，同時(shí)產(chǎn)生的廢酸會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

本文以有機(jī)酸氨基磺酸為催化劑，以尿素乙醛酸直接縮合法合成尿囊素，以正交實(shí)驗(yàn)考察尿囊素合成的影響因素，確定最優(yōu)合成條件。

1 實(shí)驗(yàn)儀器及材料

1.1 原料

尿素、乙醛酸和氨基磺酸為分析純，外購(gòu)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

自制磁力攪拌恒溫水?。ā?.5℃），Nicolet380 FT-IR紅外光譜儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 實(shí)驗(yàn)步驟

按比例稱(chēng)取尿素、乙醛酸和氨基磺酸，加入三口燒瓶中，加入一定量水。開(kāi)啟磁力攪拌裝置和冷凝裝置；升溫至一定溫度，恒溫一定時(shí)間結(jié)束反應(yīng)。將粗產(chǎn)品冷卻過(guò)濾，過(guò)濾后進(jìn)行重結(jié)晶2次，干燥后稱(chēng)量。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

尿囊素合成中，反應(yīng)溫度、尿素與乙醛酸的摩爾比、催化劑用量和反應(yīng)時(shí)間各因素對(duì)尿囊素收率有影響，為了能清晰地表示出尿囊素收率與各因素之間的關(guān)系，選擇以上4個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)L25（56）正交實(shí)驗(yàn)表（如表 1）。

表1 L25（56）正交實(shí)驗(yàn)表

1.4 紅外光譜測(cè)定

將產(chǎn)品采用KBr壓片法，然后用Nicolet 380 FT-IR外光譜儀測(cè)定該產(chǎn)品的紅外光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)品紅外分析

對(duì)產(chǎn)品用KBr壓片，經(jīng)紅外光譜儀檢測(cè)，得到如圖1所示紅外譜圖。利用紅外分析軟件OMNIC 8.0對(duì)所得紅外圖譜與標(biāo)準(zhǔn)樣品圖譜進(jìn)行對(duì)比，相似度為96.72%，能夠確定所合成產(chǎn)品即為尿囊素。

圖1 合成產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)樣品的紅外圖譜對(duì)比

2.2 正交實(shí)驗(yàn)各因素影響的分析

正交實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)如表1所示，采用分析軟件SPSS 18.0對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，分析的結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 主體間效應(yīng)的檢驗(yàn)（因變量∶收率/%）

從表2可得校正模型p值（Sig.）小于0.05，模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。其中催化劑用量和反應(yīng)溫度影響顯著，而配比和反應(yīng)時(shí)間影響不顯著，各因素的主次排列順序是：催化劑用量＞反應(yīng)溫度＞原料配比＞反應(yīng)時(shí)間。

2.3 反應(yīng)溫度對(duì)收率的影響

溫度上升時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速率就會(huì)加快；70℃之前，隨著溫度升高，反應(yīng)速度加快，產(chǎn)品收率增加；溫度進(jìn)一步升高，由于尿囊素不穩(wěn)定，長(zhǎng)時(shí)間在較高溫水溶液中易分解，本實(shí)驗(yàn)中亦觀(guān)察到80℃反應(yīng)液最后顏色變深，呈褐色，故最佳反應(yīng)溫度選定在70℃進(jìn)行。

圖2 反應(yīng)溫度對(duì)尿囊素收率的影響

2.4 原料配比對(duì)收率的影響

由乙醛酸尿素縮合反應(yīng)式可知，尿素與乙醛酸的摩爾比理論上為2∶1，但由于縮合反應(yīng)為可逆反應(yīng)，為使平衡向有利于產(chǎn)物生成的方向進(jìn)行，通常采用使某一反應(yīng)物過(guò)量的方法以促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。

尿素乙醛酸二者物質(zhì)的量之比越大，產(chǎn)率越高，但尿素過(guò)量太多，產(chǎn)率反而下降。這可能是由于尿素量太大，使反應(yīng)液中乙醛酸的濃度降低，降低反應(yīng)速度，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)品降低；另外，若尿素用量過(guò)多，導(dǎo)致部分尿素結(jié)晶混入尿囊素中，影響產(chǎn)品純度會(huì)增加后處理的難度，故確定適宜的原料配比（n尿素∶ n乙醛酸）為3.5∶1。

圖3 原料配比對(duì)尿囊素收率的影響

2.5 催化劑用量對(duì)收率的影響

縮合反應(yīng)速率受催化劑的影響較大，催化劑用量少，反應(yīng)速度慢，時(shí)間長(zhǎng)。由圖4可見(jiàn)，隨著催化劑用量的增加，反應(yīng)速率加快，尿囊素產(chǎn)率上升。當(dāng)催化劑用量為4.0g時(shí)，可獲得較高產(chǎn)品收率，繼續(xù)增加催化劑的量，尿囊素收率基本保持不變。所以選擇4.0g為適宜的催化劑用量。

圖4 催化劑用量對(duì)尿囊素收率影響

2.6 反應(yīng)時(shí)間對(duì)收率的影響

從化學(xué)平衡角度出發(fā)，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，有利于乙醛酸轉(zhuǎn)化為尿囊素。由圖5可見(jiàn)，隨著反應(yīng)時(shí)間增加，產(chǎn)品收率增加；但反應(yīng)時(shí)間達(dá)到6h后，產(chǎn)品收率增加幅度不明顯。主要是隨著轉(zhuǎn)化率提高，乙醛酸的濃度逐漸降低，反應(yīng)推動(dòng)力（乙醛酸濃度與理論平衡濃度之差）減小，增加反應(yīng)時(shí)間對(duì)收率提高影響不大。

圖5 反應(yīng)時(shí)間對(duì)尿囊素收率影響

2.7 最優(yōu)條件驗(yàn)證

從前面的分析可知，最優(yōu)的反應(yīng)條件應(yīng)該是：反應(yīng)溫度為 70℃，原料配比（n尿素∶ n乙醛酸）為 3.5∶1，催化劑用量為4g，反應(yīng)時(shí)間為6h。在此最優(yōu)條件下，實(shí)驗(yàn)所得尿囊素產(chǎn)品的收率為51.73%。

3 結(jié)論

由正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析各反應(yīng)因素對(duì)尿囊素收率的影響趨勢(shì)和程度，其影響主次排順序是：催化劑用量＞反應(yīng)溫度＞原料配比＞反應(yīng)時(shí)間。在最優(yōu)條件下合成尿囊素的收率為51.73%。

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