均二甲脲合成中間體的提純工藝優(yōu)化及結(jié)構(gòu)表征

魏弋尋，尹進(jìn)華

(青島科技大學(xué)化工學(xué)院，山東 青島 266042)

均二甲脲廣泛應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，將其與其它聚合單體按一定比例制成可溶性絮凝劑，可顯著提高凈水能力[1]。近年來(lái)，制藥行業(yè)對(duì)均二甲脲的需求量大幅增加，均二甲脲已成為可可堿、咖啡因和美卡拉明等鎮(zhèn)熱止痛藥物最有潛力的原料之一[2]。均二甲脲的合成方法主要有甲胺-尿素法、甲胺-二氧化碳法和甲胺-異氰酸甲酯法[3]。其中，甲胺-尿素法在工業(yè)生產(chǎn)中最為常用，但由于甲胺和尿素在溶液中反應(yīng)接觸面小，轉(zhuǎn)化率低，得到的均二甲脲雜質(zhì)較多。甲胺-尿素法最早由BASF公司在合成尿素時(shí)發(fā)現(xiàn)[4]，我國(guó)于20世紀(jì)90年代引進(jìn)，為提高生產(chǎn)效率，將甲胺直接通入熔融尿素中反應(yīng)，冷卻合成均二甲脲。由于反應(yīng)傳質(zhì)條件改變，均二甲脲純度有所提高；但反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、反應(yīng)機(jī)理不明確，從而制約了該工藝的發(fā)展[5]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)均二甲脲的合成研究主要是對(duì)甲胺-尿素法工藝條件進(jìn)行優(yōu)化以提高產(chǎn)品收率[6-7]，而關(guān)于合成中間體的研究極少。作者通過(guò)前期研究發(fā)現(xiàn)，甲胺和尿素在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一種新的中間體，該中間體含量隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)呈先增加后減少的趨勢(shì)。這對(duì)研究甲胺-尿素法合成均二甲脲具有重要意義，既能從反應(yīng)機(jī)理角度進(jìn)一步理解反應(yīng)，也能從工藝角度優(yōu)化生產(chǎn)。Ludlam等[8]發(fā)現(xiàn)，一甲基脲和均二甲脲等小分子尿素衍生物由于極性較強(qiáng)，普通分離手段難以得到單體純品，導(dǎo)致后續(xù)分析誤差較大。目前，提純方法主要有薄層色譜法、柱層析法、醇洗結(jié)晶法等。其中，薄層色譜法操作繁復(fù)，不適合大量制備提純[9]；醇洗結(jié)晶法適合已知性質(zhì)的尿素衍生物的提純，如縮二脲的高純精制[10]。

單因素實(shí)驗(yàn)和正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化化合物提純工藝[11]均有一定的局限性。中心組合設(shè)計(jì)是近年來(lái)除均勻設(shè)計(jì)外應(yīng)用較多的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[12-13]，其結(jié)合響應(yīng)面法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行非線性數(shù)學(xué)模型擬合，構(gòu)建具有明確表達(dá)形式的多項(xiàng)式，得到最佳響應(yīng)值，具有精度高、預(yù)測(cè)性好等優(yōu)點(diǎn)[14]。鑒于此，作者利用薄層色譜對(duì)均二甲脲合成中間體進(jìn)行鑒別，在前期單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法對(duì)柱層析提純工藝進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)中間體進(jìn)行表征。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

均二甲脲標(biāo)準(zhǔn)品(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.9%)、一甲基脲標(biāo)準(zhǔn)品(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.8%)、尿素標(biāo)準(zhǔn)品(質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.9%)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；乙腈(色譜純)、三乙胺(分析純)、磷酸(分析純)、氯仿(分析純)，上海艾比化學(xué)試劑有限公司。

島津2010A型高效液相色譜儀；Nexus 870型傅立葉紅外光譜儀；721型分光光度計(jì)；Agilent 1200型液相色譜-Finnigan LCQ Advantage型質(zhì)譜聯(lián)用儀；YRT-3型藥物熔點(diǎn)儀。

1.2 分析方法

采用高效液相色譜法測(cè)定均二甲脲、尿素和一甲基脲的含量；參照文獻(xiàn)[15]方法測(cè)定中間體含量，因無(wú)標(biāo)準(zhǔn)品，按峰面積計(jì)算其相對(duì)含量。

色譜條件：色譜柱ZORBAXSB-Phenyl(4.6 mm×250 mm，5 μm)，紫外可見吸收檢測(cè)器(UVD)，流速1.0 mL·min-1，進(jìn)樣量20 μL，柱溫33 ℃，檢測(cè)波長(zhǎng)205 nm。流動(dòng)相：A：1 000 mL 水中加入2 mL三乙胺，用0.1 mol·L-1磷酸調(diào)節(jié)pH值至3.00±0.05；B:乙腈；A∶B=97∶3(體積比)。

1.3 中間體的提純

1.3.1 中間體粗品制備

準(zhǔn)確稱取甲胺和尿素反應(yīng)10 h(中間體含量為25%)的樣品1 kg，粉碎；用5倍量無(wú)水甲醇超聲提取3次，每次25 min；40 ℃下減壓濃縮，得濃縮液；加入700 mL石油醚充分?jǐn)嚢?，減壓濃縮，即得中間體粗品。

1.3.2 中間體定性分析

取濃縮液6 μL，點(diǎn)在熒光薄層色譜板上，用氯仿-甲醇(3∶1，體積比，下同)密閉展開50 min，取出晾干。先噴Ehrlich試劑(2.7%對(duì)二甲基氨基苯甲醛乙醇溶液與濃鹽酸等體積混合)在可見光下顯均二甲脲斑點(diǎn)[8]，再噴濃硫酸-甲醇(1∶1)在紫外燈下顯中間體斑點(diǎn)。

1.3.3 中間體粗品純化

精密稱取中間體粗品2.0 g，用少量甲醇溶解，加入4.0 g硅膠(500～800目)，混勻，減壓蒸除溶劑，得負(fù)載樣品的硅膠。稱取適量硅膠(500～800目)均勻填滿于層析柱內(nèi)，砂芯板壓實(shí)，在上面加入負(fù)載樣品的硅膠，用砂芯板壓實(shí)，再用法蘭封口。將層析柱安裝至層析儀上，柱塞泵泵入氯仿洗脫液，以一定體積流量淋洗至平衡，再用一定體積比的氯仿-甲醇洗脫，根據(jù)紫外檢測(cè)器峰位置分段收集，合并含量98%以上的中間體樣液，濃縮，得純化的中間體。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品的高效液相色譜分析

采用甲胺-尿素法合成均二甲脲：取一定量尿素，于反應(yīng)釜中加熱至熔融狀態(tài)；將甲胺氣體通入熔融尿素中，并打開攪拌器。通過(guò)調(diào)節(jié)加熱套的功率來(lái)控制反應(yīng)溫度。采用高效液相色譜法分別對(duì)反應(yīng)3 h、6 h、9 h、12 h、15 h、18 h、21 h、24 h的樣品進(jìn)行連續(xù)分析，結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，保留時(shí)間為16.4 min的未知峰的強(qiáng)度隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)先增強(qiáng)后減弱。對(duì)此峰分離物進(jìn)行液質(zhì)聯(lián)用分析，發(fā)現(xiàn)其分子量為105，含量先增加后減少直至接近0(圖2)。表明該物質(zhì)參與反應(yīng)，且轉(zhuǎn)化完全，可以推斷該物質(zhì)為反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的中間體。

圖1 反應(yīng)不同時(shí)間所得樣品的高效液相色譜

圖2 各反應(yīng)組分含量隨反應(yīng)時(shí)間的變化曲線

由圖2可知，甲胺-尿素法合成均二甲脲過(guò)程中各反應(yīng)組分含量隨反應(yīng)時(shí)間的變化與烷基脲合成反應(yīng)機(jī)理[16-17]相符，即尿素在一定條件下脫氨生成異氰酸，異氰酸與烷基胺生成單取代脲。0～2 h，尿素被大量消耗，一甲基脲含量迅速增加；2～10 h，一甲基脲轉(zhuǎn)化為部分中間體和均二甲脲，特別是在2～4 h，中間體含量迅速達(dá)到峰值，說(shuō)明中間體可能是一甲基脲的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物；10 h后，一甲基脲和尿素消耗殆盡，中間體含量減少，均二甲脲含量增加，表明中間體與均二甲脲存在轉(zhuǎn)化關(guān)系。中間體的發(fā)現(xiàn)為進(jìn)一步探索甲胺-尿素法合成均二甲脲反應(yīng)機(jī)理和改進(jìn)工藝奠定了基礎(chǔ)。

2.2 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在前期單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選取氯仿體積分?jǐn)?shù)(氯仿占洗脫液氯仿-甲醇的體積分?jǐn)?shù))、硅膠量、體積流量為考察因素，以中間體產(chǎn)率(純化后中間體質(zhì)量占粗品質(zhì)量的百分?jǐn)?shù))為評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)3因素3水平響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，共17個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，其中12個(gè)析因點(diǎn)、5個(gè)中心點(diǎn)。響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表1。

通過(guò)Design-Expert軟件對(duì)表1數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式回歸擬合分析，得回歸模型為：Y=0.24-0.016A+0.027B+0.017C+0.019AB-0.03AC+2.066×10-3BC-0.026A2-0.028B2-0.029C2。

表1 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表2。

表2 方差分析

各因素交互作用對(duì)中間體產(chǎn)率影響的響應(yīng)面分析如圖3所示。

圖3 各因素交互作用對(duì)中間體產(chǎn)率影響的響應(yīng)面分析

由圖3a可知，當(dāng)固定體積流量時(shí)，氯仿體積分?jǐn)?shù)與硅膠量的交互作用極顯著。硅膠量的曲面坡度下降幅度大于氯仿體積分?jǐn)?shù)的，表明硅膠量對(duì)中間體產(chǎn)率的影響大于氯仿體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)硅膠量在80 g左右時(shí)，中間體產(chǎn)率最高。硅膠量過(guò)低時(shí)，部分中間體未被吸附即被洗脫液帶走，中間體產(chǎn)率下降；硅膠量過(guò)高時(shí)，中間體被大量吸附，未能完全洗脫導(dǎo)致分離效果下降。

由圖3b可知，當(dāng)固定硅膠量時(shí)，氯仿體積分?jǐn)?shù)與體積流量的交互作用極顯著。體積流量的曲面坡度下降幅度大于氯仿體積分?jǐn)?shù)的，表明體積流量對(duì)中間體產(chǎn)率的影響大于氯仿體積分?jǐn)?shù)。中間體產(chǎn)率隨氯仿體積分?jǐn)?shù)的增加而升高；當(dāng)氯仿體積分?jǐn)?shù)超過(guò)85%時(shí)，洗脫液極性過(guò)強(qiáng)，中間體未被完全洗脫，導(dǎo)致中間體產(chǎn)率降低。

由圖3c可知，當(dāng)固定氯仿體積分?jǐn)?shù)時(shí)，硅膠量與體積流量的交互作用不顯著。硅膠量的曲面坡度下降幅度大于體積流量的，表明硅膠量對(duì)中間體產(chǎn)率的影響大于體積流量。中間體產(chǎn)率隨體積流量的增大而升高，當(dāng)體積流量過(guò)大時(shí)，中間體被大量洗脫液帶走，導(dǎo)致中間體產(chǎn)率下降。

綜上可知，各因素對(duì)中間體產(chǎn)率影響的大小依次為：硅膠量>體積流量>氯仿體積分?jǐn)?shù)。為進(jìn)一步確定最佳點(diǎn)，對(duì)回歸方程取導(dǎo)數(shù)求極值得最佳提純工藝條件為：氯仿體積分?jǐn)?shù)85%、硅膠量80 g、體積流量30 mL·min-1，在此條件下，中間體理論產(chǎn)率可達(dá)24.30%。按最佳提純工藝進(jìn)行3次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，中間體產(chǎn)率分別為24.23%、24.17%、23.38%。與理論預(yù)測(cè)值相比，相對(duì)誤差<2%。因此，采用響應(yīng)面法優(yōu)化得到的提純工藝可靠，對(duì)實(shí)驗(yàn)室分析和工廠放大提純都具有實(shí)用價(jià)值。

2.3 中間體的表征

2.3.1 紅外光譜分析

中間體經(jīng)分離純化后置于電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥濃縮，進(jìn)行紅外光譜分析，結(jié)果見圖4。

圖4 中間體的紅外光譜

由圖4可知，2 947.79 cm-1和2 811.57 cm-1處的吸收峰表明該中間體含有C-H鍵；3 339.08 cm-1處的吸收峰表明該中間體含有N-H鍵；1 276 cm-1處的吸收峰表明該中間體含有O-H鍵；1 651.60 cm-1和1 568.62 cm-1處的吸收峰表明該中間體可能存在C=O鍵；640.65 cm-1處的吸收峰表明該中間體含有C-N鍵。

2.3.2 熔點(diǎn)與結(jié)構(gòu)分析

經(jīng)熔點(diǎn)儀測(cè)定，中間體的熔程為98～99 ℃，與均二甲脲(101～104 ℃)、一甲基脲(92～93 ℃)熔程接近。可以判斷該中間體與均二甲脲、一甲基脲等性質(zhì)接近。

3 結(jié)論

在合成均二甲脲的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)一種未知中間體，該中間體對(duì)反應(yīng)有較大影響，在反應(yīng)后期，中間體與均二甲脲存在明顯的轉(zhuǎn)化關(guān)系。這是之前的研究尚未發(fā)現(xiàn)的。采用響應(yīng)面法對(duì)該中間體的柱層析提純工藝進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳提純工藝條件為：氯仿體積分?jǐn)?shù)85%、硅膠量80 g、體積流量30 mL·min-1，各因素對(duì)中間體產(chǎn)率的影響大小依次為：硅膠量>體積流量>氯仿體積分?jǐn)?shù)，在此條件下，中間體實(shí)際產(chǎn)率可達(dá)24.23%，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與優(yōu)化結(jié)果相符。該中間體分子量為105，熔程為98～99 ℃；一甲基脲可能與甲胺直接生成中間體，中間體再經(jīng)脫氨轉(zhuǎn)化為均二甲脲。這與之前的機(jī)理路線不同，為后續(xù)研究提供了理論依據(jù)與方向。