基于硫酸介質(zhì)的乙二醛常壓氧氣氧化制備尿囊素

王曉冰，郭瓦力，李 萍，鄧信忠，戴 璽，朱 虹，李 磊，單 譯

（沈陽(yáng)化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110142）

尿囊素是一種重要的精細(xì)化工產(chǎn)物和尿素深加工產(chǎn)物，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和輕化工等領(lǐng)域。尿囊素雖然廣泛存在于自然界中，但因其含量少，提取工藝復(fù)雜，所以一般由化學(xué)方法合成。尿囊素的工業(yè)生產(chǎn)方法主要有乙二醛硝酸氧化法和草酸電解還原法，前者污染環(huán)境、設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、產(chǎn)物純度低；后者能耗和設(shè)備投資大、電解時(shí)間長(zhǎng)、生產(chǎn)成本較高［1-3］。乙二醛氧氣氧化法以氧氣為氧化劑，應(yīng)用前景良好［4-5］，由于氧氣價(jià)廉、資源豐富，同時(shí)對(duì)環(huán)境友好、反應(yīng)條件溫和、后處理容易、操作簡(jiǎn)單反應(yīng)平穩(wěn)，近年來引人關(guān)注。

乙二醛氧化法制備尿囊素共分為兩個(gè)階段：乙二醛氧化生成乙醛酸，乙醛酸與尿素縮合環(huán)化生成尿囊素［6］，其中乙醛酸的合成條件是該工藝的關(guān)鍵。筆者以氧氣為氧化劑，硫酸和氯化鋁為酸性介質(zhì)，亞硝酸鈉為催化劑，常壓下制得乙醛酸，并在無需另加酸性催化劑的條件下完成縮合，開發(fā)了氧化產(chǎn)物與尿素反應(yīng)直接制得尿囊素的工藝路線，產(chǎn)物純度高、成本低、節(jié)能、對(duì)設(shè)備要求不高，工業(yè)化難度小。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要藥品及儀器

40%乙二醛溶液、六水氯化鋁，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；亞硝酸鈉、尿素，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠。

氧化反應(yīng)裝置，自制；WM-2H型無油氣體壓縮機(jī)，天津市醫(yī)療器械二廠；UV2600紫外可見分光光度計(jì)，TECHCOMP；X-4數(shù)字顯示顯微熔點(diǎn)測(cè)試儀，北京泰克儀器有限公司；NEXUS 470傅里葉變換紅外光譜儀，美國(guó)THERMO NICOLET公司。

1.2 制備方法

取一定量的乙二醛溶液、硫酸、氯化鋁、亞硝酸鈉、去離子水于反應(yīng)器中。封閉反應(yīng)系統(tǒng)，用氧氣置換反應(yīng)器內(nèi)空氣，升溫，反應(yīng)（反應(yīng)期間保持反應(yīng)器內(nèi)始終存在氧氣）。待反應(yīng)結(jié)束后，再次升溫，通入空氣，吹掃剩余的氮化物氣體，用堿液對(duì)其吸收。一定溫度下冷卻，過濾析出晶體，減壓蒸餾濃縮得到約為30%的乙醛酸溶液。

稱取一定量的乙醛酸溶液于反應(yīng)瓶中，升到一定溫度后，加入一定量尿素，開始反應(yīng)并計(jì)時(shí)。待反應(yīng)結(jié)束后，冷卻靜置，過濾，干燥，即制得尿囊素。

1.3 分析方法

1.3.1 中間產(chǎn)物乙醛酸分析

先采用紫外可見分光光度計(jì)對(duì)不同濃度的乙二醛溶液進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，根據(jù)朗伯-比爾定律，繪制出乙二醛標(biāo)準(zhǔn)曲線。再測(cè)定對(duì)待測(cè)液中乙二醛含量，根據(jù)已繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線，初步計(jì)算出氧化反應(yīng)產(chǎn)物中乙二醛的含量。然后通過化學(xué)滴定法對(duì)產(chǎn)物中乙二醛和乙醛酸的含量進(jìn)行分析，計(jì)算出乙二醛轉(zhuǎn)化率以及乙醛酸收率。

1.3.2 尿囊素分析

熔點(diǎn)測(cè)定：顯微熔點(diǎn)測(cè)定儀測(cè)定產(chǎn)物熔點(diǎn)［7］。

紅外分析：采用紅外光譜儀分析產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，根據(jù)紅外光譜顯示的特征吸收峰，確定產(chǎn)物是否為尿囊素［8］。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化反應(yīng)影響因素

2.1.1 酸性介質(zhì)的影響

1）氯化鋁用量

在乙二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%，亞硝酸鈉與乙二醛摩爾比0.2（鈉醛比），硫酸與乙二醛摩爾比0.4（酸醛比），反應(yīng)溫度30℃，反應(yīng)時(shí)間4h的條件下，考察氯化鋁加入量對(duì)乙醛酸收率的影響，結(jié)果如圖1所示。

圖1 氯化鋁加入量與乙醛酸收率的關(guān)系

由圖1可以看出：氯化鋁加入量對(duì)乙醛酸收率沒有太大影響。由反應(yīng)機(jī)理可知，亞硝酸鈉是獲取氧化氮的初始原料，而氯化鋁是Lewis酸，其存在為反應(yīng)體系提供了更為溫和的酸性環(huán)境，使亞硝酸鈉逐漸分解產(chǎn)生一氧化氮，而一氧化氮很容易被繼續(xù)氧化成NOx。酸性介質(zhì)中加入氯化鋁，除了提供酸性介質(zhì)和與亞硝酸鈉反應(yīng)產(chǎn)生NOx外，還產(chǎn)生了強(qiáng)氧化性的氯化亞硝基（NOCl）。因此用硫酸與氯化鋁作為酸性介質(zhì)氧化乙二醛的反應(yīng)，選用固定的氯化鋁加入量即可，實(shí)驗(yàn)選用35g／mol乙二醛。

2）酸醛比

保持其他條件不變，考察酸醛比對(duì)乙醛酸收率的影響，結(jié)果如圖2所示。由圖2可以看出：隨著酸醛比的增加，乙醛酸收率呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)?，亞硝酸鈉在酸性條件下釋放出強(qiáng)氧化性的NO2，NO2又在一定的酸性條件下氧化乙二醛。但當(dāng)反應(yīng)液中氫離子的濃度過高時(shí)，NO2氧化能力也隨之增強(qiáng)，致使氧化劑進(jìn)一步將生成的乙醛酸繼續(xù)氧化成副產(chǎn)物草酸，即氧化反應(yīng)深度進(jìn)行，生成乙醛酸的選擇性下降，從而導(dǎo)致乙醛酸收率下降。

圖2 酸醛比與乙醛酸收率的關(guān)系

2.1.2 鈉醛比

保持其他條件不變，考察鈉醛比對(duì)乙醛酸收率的影響，結(jié)果如圖3所示。

圖3 鈉醛比與乙醛酸收率的關(guān)系

由圖3可以看出：隨著鈉醛比的增加，乙醛酸收率先增大再減小。亞硝酸鈉在反應(yīng)中提供初始氮源，而氮的氧化物又是反應(yīng)的氧化劑，因此，在一定范圍內(nèi)亞硝酸鈉加入量增加，氧化性增強(qiáng)，使得乙醛酸收率變大。然而，亞硝酸鈉是一種弱堿鹽，在反應(yīng)液酸度一定的條件下，過多加入亞硝酸鈉又會(huì)使反應(yīng)體系酸度降低，致使收率逐漸下降。

2.1.3 乙二醛濃度

保持其他條件不變，考察乙二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)乙醛酸收率的影響，結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出：隨著乙二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加乙醛酸收率先增后減。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是因?yàn)橐叶┵|(zhì)量分?jǐn)?shù)較低時(shí)，反應(yīng)液中存在大量的水，這在一定程度上降低了反應(yīng)體系中酸性介質(zhì)的濃度，即氫離子濃度，這也就減少了強(qiáng)氧化性NO2的生成，不利于乙二醛的氧化。隨著乙二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，氫離子濃度增大，NO2增多，有利于氧化反應(yīng)的進(jìn)行。但乙二醛是一種具有黏性的有機(jī)物，濃度過高時(shí)，自聚集程度大，分子間將產(chǎn)生氫鍵阻止乙二醛繼續(xù)發(fā)生反應(yīng)，所以氧化效果變差，收率隨之減少。

圖4 乙二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)與乙醛酸收率的關(guān)系

2.1.4 反應(yīng)溫度

保持其他條件不變，考察反應(yīng)溫度對(duì)乙醛酸收率的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 反應(yīng)溫度與乙醛酸收率的關(guān)系

由圖5可以看出：乙醛酸收率隨著反應(yīng)溫度的增加先增大再減小。這是因?yàn)闇囟冗^低，達(dá)不到乙二醛被氧化所需條件，反應(yīng)速度慢，反應(yīng)不完全。而該氧化反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度過高會(huì)降低氣體在溶液中的溶解度，減少溶液中NO2的量，致使乙二醛轉(zhuǎn)化率降低，乙醛酸的收率下降，同樣也不利于氧化反應(yīng)的進(jìn)行。

2.1.5 反應(yīng)時(shí)間

保持其他條件不變，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)乙醛酸收率的影響，結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出：乙醛酸收率隨著反應(yīng)時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著反應(yīng)的進(jìn)行，NO2會(huì)繼續(xù)與乙醛酸中的醛基發(fā)生氧化還原反應(yīng)生成副產(chǎn)物草酸，所以反應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng)乙醛酸收率下降，副產(chǎn)物草酸收率升高，反應(yīng)選擇性降低。

圖6 反應(yīng)時(shí)間與乙醛酸收率的關(guān)系

2.2 氧化反應(yīng)條件

為尋找最適宜的反應(yīng)條件，實(shí)驗(yàn)以乙醛酸收率為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，采用L16（45）正交表進(jìn)行了正交實(shí)驗(yàn)。因素水平表見表1，極差分析結(jié)果見表2，其中，A（鈉醛比），B（酸醛比），C（反應(yīng)溫度／℃），D（反應(yīng)時(shí)間／h），E（w（乙二醛），%）。

表1 氧化反應(yīng)正交實(shí)驗(yàn)因素水平

表2 氧化反應(yīng)正交實(shí)驗(yàn)極差分析結(jié)果

通過表2的氧化反應(yīng)正交實(shí)驗(yàn)極差分析結(jié)果可知：1）乙二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)乙醛酸收率的影響最大，其次是鈉醛比、反應(yīng)溫度、酸醛比和反應(yīng)時(shí)間。2）適宜工藝的條件為：鈉醛比0.2、酸醛比0.4、反應(yīng)溫度25℃、反應(yīng)時(shí)間3h，乙二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%。在此條件下做驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，乙醛酸收率為76.12%。

2.3 縮合反應(yīng)條件的確定

在最適宜氧化反應(yīng)的條件下，不另加酸性催化劑，直接進(jìn)行乙醛酸溶液與尿素的縮合反應(yīng)。在考察了乙醛酸尿素投料比（以下簡(jiǎn)稱投料比）、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)縮合反應(yīng)的影響基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)以尿囊素收率為實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，設(shè)計(jì)3因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)，確定適宜的縮合反應(yīng)條件，其因素水平表見表3，極差分析結(jié)果見表4。

表3 縮合反應(yīng)正交實(shí)驗(yàn)因素水平

表4 縮合反應(yīng)正交實(shí)驗(yàn)極差分析結(jié)果

由表4可知：1）投料比對(duì)尿囊素收率的影響最大，其次是反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間。2）適宜工藝條件為：投料比1∶4、反應(yīng)溫度75℃、反應(yīng)時(shí)間3 h。在此條件下做驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，尿囊素收率為60.75%。

2.4 產(chǎn)物尿囊素的確定

顯微熔點(diǎn)測(cè)定儀測(cè)定產(chǎn)物的熔程為238～244℃。

產(chǎn)物經(jīng)紅外光譜分析，再與標(biāo)準(zhǔn)尿囊素譜對(duì)比，證明所制備的產(chǎn)物確為尿囊素。

3 結(jié) 論

a.以硫酸和氯化鋁為酸性介質(zhì)、亞硝酸鈉為催化劑的常壓氧氣氧化乙二醛制備乙醛酸、進(jìn)而在不添加酸性催化劑的條件下直接合成尿囊素的技術(shù)路線可行。氧化階段所得反應(yīng)液經(jīng)濃縮后可直接應(yīng)用于后續(xù)反應(yīng)，無需在縮合階段另加酸性催化劑，簡(jiǎn)化了流程，降低了成品分離提純的難度，降低了生產(chǎn)成本，且避免了原料浪費(fèi)。

b.氧化反應(yīng)最適宜條件為：乙二醛質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%，鈉醛比0.2，酸醛比0.4，反應(yīng)溫度25℃，反應(yīng)時(shí)間3h，在此條件下乙醛酸收率為76.12%。

c.縮合反應(yīng)最適宜條件為：乙醛酸尿素投料比1∶4，反應(yīng)溫度75℃，反應(yīng)時(shí)間3h，在此條件下尿囊素收率為60.75%。熔點(diǎn)及紅外分析表明，產(chǎn)物為尿囊素。

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