乙醛法合成尿囊素

乙醛法合成尿囊素 贺楚华 刘慧君 李 珊 (南华大学化学化工学院，衡阳 421001) 圈重园 研究了以乙醛、硝酸、尿素为原料经氧化反应、氯化钙沉淀分离和缩合反应合成尿囊素的方法。考察了反应 物配比、反应温度、时间等因素的影响，确定了氧化反应最佳条件：n(乙醛)：n(硝酸)=0．6：1，反应温度 55*(3，时间 6h；缩 合反应最佳条件：n(乙醛酸钙)：n(盐酸)=1：2．6，反应温度 70"C，时间 3h，尿囊素总收率28．0％(以乙醛计)。 曩重圃 尿囊素 乙醛 合成 沉淀分离 Synthesis of Allantoin Using Acetaldehyde He Chuhua Liu HuUun Li Shan (College of Chemistry and Chemical Engineering，Nanhua University，Hengyang 421001) —墨匝匝 A process for preparation of allantoin from acetaldehyde，nitric acid and Ul'~t was studied，which comprises three steps：a)oxidation of acetaldehyde to glyoxalic acid by nitric acid；b)separation of glyoxalic acid as its caleieum salt by using CaC12 as precipitant；c)condensation of ealieium glyoxylate with urea to allantoin under acidic condition．The effects of molar ratio of reactants，reaction temperature and time were investigated ．The optimun reaction temperature and time were determined as following：oxidation：n(acetaldehyde)：n(nitric acid)=0．6：1，reaction temperature and time：55℃ and 6h，respectively；condensation：n(calcium glyoxylate)：n(Hydrochloric acid)=1：2．6 reaction temperature and time：70℃ and 3h，respectively．The total yield of allantoin reach tO 28．0％(based on acetaldehyde)． 墨墨衄 Allantoin Acetaldehyde Synthesis Precipitation separation 尿囊素是一种重要的精细化工产品，在医药、 农业 、轻工等领域有着广泛 的应用⋯1。在轻工领 域 ，尿囊素能促进皮肤、毛发的最外层的吸水能力 改善 ，弥补并丰富肌肤 、毛发和唇组织的含水量 ， 使肌肤干燥粗糙或毛发枯干及 口唇干裂等症状得 到改善 ，广泛应用于美容霜、雀斑霜、粉刺霜 、香 波、肥皂 、牙膏、防晒剂等方面。尿囊素的合成有 ： 高锰酸钾脲酸氧化法 2，乙二醛硝酸氧化法[3l，三 氯乙醛水解法[ ]和磷钨酸催化合成法[5]5。这些方 法中比较实用的是乙二醛硝酸氧化法，该法生产 简单，技术成熟，是目前国内外普遍采用的工 业生产方法，但该法以价格较高的乙二醛为原料， 生产成本仍然偏高。本文以乙醛为原料合成尿囊 素，原料价廉易得，反应条件温和，操作方便，生产 成本低。反应过程如下 ： HNO3 C — aCI3,N — aOHCH3CHO CHOCHO CHOCO2H Ca(CHOCO2)2，2H O H H 。 — — ’．． — — — ， 2 ．TT． ⋯‘ ＼ ／ n 1 实验部分 1．1 实验原料与仪器 硝酸 、无水氯化钙 、氢氧化钠 、盐酸、尿素均为 化学纯，乙醛为工业 品 (含量 99％，质量浓度 )， LC一10AD 型高效液相色谱仪，WRS一1B型数 字熔点仪 。 1．2 实验步骤 1．2．1 乙醛酸的合成 在装有温度计、机械搅拌器、滴液漏斗、回流 冷凝管的反应瓶 中加入 0．5克引发剂亚硝酸钠 ， 作者简介 ：贺楚华，男 ，1966年生，硕士 ，高级工程师。曾获省科技进步二、三等奖各一次。发论文多篇 ，申请 国家专利 6项 。主要研 究领域为精细有机化学 品的研究与开发。 收稿 日期：2003一O1—20 WWW．ffc—journa1．corn 一 17 — 维普资讯 http://www.cqvip.com 20克 40％(质量份数，下同)乙醛和 20克30％的 硝酸，升温至 40℃，待反应引发后 ，在 38--40"C下 滴加余下的 67．5克 40％的乙醛和 258克 30％的 硝酸 ，然后升至 55℃反应 6h得到含 乙醛酸的氧 化液 273克，液相色谱乙醛酸含量 9．81％， 收率 45．5％(以乙醛计)。 1．2．2 乙醛酸钙的制备 将 30克无水氯化钙加入上述氧化液中，逐滴 加入 30％氢氧化钠中和至 pH=0．6时 ，有白色草 酸钙沉淀生成 ，继续滴加至 pH=1．0时 ，草酸钙 量不再增加 ，滤除草酸钙 ，再滴加氢氧化钠溶液至 pH=1．9，析出乙醛酸钙沉淀 ，至 pH=3．5时 ，乙 醛酸钙量不再增加，过滤 ，水洗得二水乙醛酸钙沉 淀 38．3克，收率 95．4％(以氧化液中乙醛酸计 )。 1．2．3 尿囊素的合成 将 38．3克二水乙醛酸钙，75ml 6N盐酸加入 反应瓶中搅拌至全部溶解，再加入 82．9克尿素， 升至 70℃ ，保 温反应 3h，冷却 、结 晶、过滤得 到 33．5克尿囊素粗品，母液又可 回收 4．6克尿囊素 粗品，粗品合并，以水重结晶一次，得尿囊素精品 35．2g，熔点 220*(3～221℃ ，与文献值[0]相符，收 率 64．5％(以乙醛酸钙计)，总收率 28．0％(以乙 醛计)。 2 结果与讨论 2．1 乙醛酸的合成。 硝酸氧化乙醛 的反应十分复杂 ，其 主要副反 应为乙醛被氧化成醋酸和乙醛酸被深度氧化成草 酸，控制这两类副反应的发生是提高乙醛酸收率 的关键。通过实验发现，反应温度、反应时间、乙 醛与硝酸摩尔 比对 乙醛酸收率有很大影响，固定 其他实验条件与实验步骤 1．2．1相同，改变反应 温度 、反应时间、乙醛与硝酸摩尔 比进行实验。 2．1．1 反应温度对乙醛酸收率的影响 反应温度对乙醛酸收率的影响见表 1，反应温 度过低，氧化反应不完全，乙二醛残留率高，且易出 现氧化反应 自动停止现象 ；反应温度过高，氧化反 应剧烈，易出现暴沸现象，氧化液中的醋酸、草酸量 大。由表 1知 ，适宜的氧化反应温度为 55℃。 表 1 反应温度对乙醛酸收率的影响 l温度(℃) 45 50 55 60 65 I乙醛酸收率(％) 34．7 39．8 45．5 38．3 29．6 2．1．2 乙醛与硝酸摩尔 比对乙醛酸收率的 影响 乙醛与硝酸摩尔比对乙醛酸收率的影响见表 — 一 18 —一 WWW．ffc—journa1．com 2。由表 2可知 ，乙醛与硝酸摩尔 比低时，硝酸过 量较多 ，过剩的硝酸将生成的乙醛酸氧化生成草 酸 ，摩尔比高时 ，硝酸量相对不足 ，乙二醛氧化生 成乙醛酸的反应不完全，乙二醛的残留率高，适宜 的乙醛与硝酸摩尔比为 0．6：1。 表 2 乙醛与硝酸摩尔比对乙醛酸收率的影响 I乙醛Ailed(tool比) 0．5 0。55 0．60 0。65 0。70 乙醛酸收率(％) 29．1 137．3 5t5 42．8[36．7 l 2．1．3 反应时间对乙醛酸收率的影响 反应时间对乙醛酸收率 的影响见表 3。由表 3可知 ，反应时间短 ，乙二醛氧化成乙醛酸反应不 完全 ，乙醛酸收率低 ，反应时间太长 ，乙醛酸易深 度氧化成草酸，适宜的氧化反应时间为 6h。 表 3 反应时间对乙醛酸收率的影响 反应时间(h) 4 5 6 7 8 乙醛酸收率 32 ．3 37．9 45．5 38．1 34．5 (％) 2．2 乙醛酸的 分 离提 纯 硝酸氧化乙醛所得的氧化液 中除乙醛酸外 ， 还有乙二醛、草酸、醋酸等，若直接用于尿囊素的 合成，其中的草酸、乙二醛会与尿素反应生成草尿 酸，班仲酸，从而给尿囊素的分离提纯带来困难。 乙醛酸的提纯有溶剂萃取法和沉淀分离法，本文 采用钙盐作沉淀剂，分离效果好，操作简便。 在乙醛酸的分离提纯过程 中，首先应严格控 制溶液的 pH 值，在 中和至 pH=1．0时 ，应及时 将草酸钙滤除，若过早地过滤草酸钙，则滤液中残 留草酸过多，对乙醛酸的提纯带来影响，若分离草 酸钙过迟 ，则会有部分 乙醛酸钙同草酸钙一起沉 淀 出来 ，影响乙醛酸 的提取率。其次应控制氯化 钙的加入量 ，实验发现，当氯化钙的加入量大大超 过理论量时，会 出现乙醛酸钙、草酸钙沉淀不完 全 ，沉淀颗粒细小 ，甚至根本不 出现沉淀的现象， 极大地降低了乙醛酸钙的收率和质量。通过实 验，适宜的氯化钙加入量为理论量的 1．5倍。 2．3 尿囊素的合成 乙醛酸与尿素的缩合是一个复杂的反应过 程，其中包括亲核加成和脱水步骤，在本实验中， 盐酸既是溶解乙醛 酸钙游离 出乙醛 酸的反应试 剂，又是缩合反应的催化剂。实验发现，反应温 度、反应时间、盐酸与乙醛酸钙摩尔比对尿囊素的 收率影响较大，固定其他条件同实验步骤 1．2．3， 分别改变反应温度、反应时间、盐酸与乙醛酸钙摩 维普资讯 http://www.cqvip.com 尔比进行实验。 2．3．1 反应温度对尿囊素收率的影响 反应温度对尿囊素收率的影响见表 4。由表 4可知，随着反应温度升高，尿囊素收率增加，反 应温度达 7O℃时 ，收率最高，再增加温度 ，乙醛酸 会被空气中的氧气氧化成草酸形成草酸钙沉淀 ， 给尿囊素的重结晶带来因难，使尿囊素的收率降 低 ，因此，适宜的反应温度为 7O℃。 表 4 反应温度对尿囊素收率的影响 I反应温度(℃) 60 65 70 75 80 l尿囊素收率(％) 60．3 62．6 64．5 63．1 55．4 2．3．2 反应时间对尿囊素收率的影响 反应时间对尿囊素收率的影响见表 5。由表 5可知，反应时间短，缩合反应不完全，反应时间 太长，乙醛酸被空气中的氧气氧化成草酸，使得尿 囊素的收率降低，适宜的反应时间为3．Oho 表 5 反应时间对尿囊素收率的影响 I反应时间(h) 1 2 3 4 5 l尿囊素收率(％) 54．9 59．1 64．5 58．2 52．0 2．3．3 盐酸与乙醛酸钙摩尔 比对尿囊素收 率的影响 盐酸与乙醛酸钙摩尔 比对尿囊素的影响见表 6。由表 6可知 ，随着盐酸与乙醛酸钙摩尔 比的增 加 ，尿囊素收率下降，这是由于酸性越强，乙醛酸 越容易被空气氧气氧化而形成草酸钙 ，故适宜的 (2E接第 16页) 2 BrunsK，Conrad J，SteigelA．Stereochemistryof cyclic com— pounds I【J]．Tetrahedron，1979，35：2523--2530 3 Hanzlik R P，Leinwetter M ．Reactions of epo xides and car- honyl compounds catalyzed by anhydrous copper sulfate[J]． J．0rg．Chem．1978，43(3)：438--440 4 Li T S，Li S H，L T，et a1．Efficient and conveninent proce． dures for the 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