基于硫酸介质的乙二醛常压氧气氧化制备尿囊素

王晓冰，郭瓦力，李 萍，邓信忠，戴 玺，朱 虹，李 磊，单 译

（沈阳化工大学化学工程学院，辽宁 沈阳 110142）

尿囊素是一种重要的精细化工产物和尿素深加工产物，广泛应用于医药、农业和轻化工等领域。尿囊素虽然广泛存在于自然界中，但因其含量少，提取工艺复杂，所以一般由化学方法合成。尿囊素的工业生产方法主要有乙二醛硝酸氧化法和草酸电解还原法，前者污染环境、设备腐蚀严重、产物纯度低；后者能耗和设备投资大、电解时间长、生产成本较高［1-3］。乙二醛氧气氧化法以氧气为氧化剂，应用前景良好［4-5］，由于氧气价廉、资源丰富，同时对环境友好、反应条件温和、后处理容易、操作简单反应平稳，近年来引人关注。

乙二醛氧化法制备尿囊素共分为两个阶段：乙二醛氧化生成乙醛酸，乙醛酸与尿素缩合环化生成尿囊素［6］，其中乙醛酸的合成条件是该工艺的关键。笔者以氧气为氧化剂，硫酸和氯化铝为酸性介质，亚硝酸钠为催化剂，常压下制得乙醛酸，并在无需另加酸性催化剂的条件下完成缩合，开发了氧化产物与尿素反应直接制得尿囊素的工艺路线，产物纯度高、成本低、节能、对设备要求不高，工业化难度小。

1 实验部分

1.1 主要药品及仪器

40%乙二醛溶液、六水氯化铝，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；亚硝酸钠、尿素，分析纯，天津市大茂化学试剂厂。

氧化反应装置，自制；WM-2H型无油气体压缩机，天津市医疗器械二厂；UV2600紫外可见分光光度计，TECHCOMP；X-4数字显示显微熔点测试仪，北京泰克仪器有限公司；NEXUS 470傅里叶变换红外光谱仪，美国THERMO NICOLET公司。

1.2 制备方法

取一定量的乙二醛溶液、硫酸、氯化铝、亚硝酸钠、去离子水于反应器中。封闭反应系统，用氧气置换反应器内空气，升温，反应（反应期间保持反应器内始终存在氧气）。待反应结束后，再次升温，通入空气，吹扫剩余的氮化物气体，用碱液对其吸收。一定温度下冷却，过滤析出晶体，减压蒸馏浓缩得到约为30%的乙醛酸溶液。

称取一定量的乙醛酸溶液于反应瓶中，升到一定温度后，加入一定量尿素，开始反应并计时。待反应结束后，冷却静置，过滤，干燥，即制得尿囊素。

1.3 分析方法

1.3.1 中间产物乙醛酸分析

先采用紫外可见分光光度计对不同浓度的乙二醛溶液进行波长扫描，根据朗伯-比尔定律，绘制出乙二醛标准曲线。再测定对待测液中乙二醛含量，根据已绘制的标准曲线，初步计算出氧化反应产物中乙二醛的含量。然后通过化学滴定法对产物中乙二醛和乙醛酸的含量进行分析，计算出乙二醛转化率以及乙醛酸收率。

1.3.2 尿囊素分析

熔点测定：显微熔点测定仪测定产物熔点［7］。

红外分析：采用红外光谱仪分析产物的结构，根据红外光谱显示的特征吸收峰，确定产物是否为尿囊素［8］。

2 结果与讨论

2.1 氧化反应影响因素

2.1.1 酸性介质的影响

1）氯化铝用量

在乙二醛质量分数25%，亚硝酸钠与乙二醛摩尔比0.2（钠醛比），硫酸与乙二醛摩尔比0.4（酸醛比），反应温度30℃，反应时间4h的条件下，考察氯化铝加入量对乙醛酸收率的影响，结果如图1所示。

图1 氯化铝加入量与乙醛酸收率的关系

由图1可以看出：氯化铝加入量对乙醛酸收率没有太大影响。由反应机理可知，亚硝酸钠是获取氧化氮的初始原料，而氯化铝是Lewis酸，其存在为反应体系提供了更为温和的酸性环境，使亚硝酸钠逐渐分解产生一氧化氮，而一氧化氮很容易被继续氧化成NOx。酸性介质中加入氯化铝，除了提供酸性介质和与亚硝酸钠反应产生NOx外，还产生了强氧化性的氯化亚硝基（NOCl）。因此用硫酸与氯化铝作为酸性介质氧化乙二醛的反应，选用固定的氯化铝加入量即可，实验选用35g／mol乙二醛。

2）酸醛比

保持其他条件不变，考察酸醛比对乙醛酸收率的影响，结果如图2所示。由图2可以看出：随着酸醛比的增加，乙醛酸收率呈现先增大再减小的趋势。这是因为，亚硝酸钠在酸性条件下释放出强氧化性的NO2，NO2又在一定的酸性条件下氧化乙二醛。但当反应液中氢离子的浓度过高时，NO2氧化能力也随之增强，致使氧化剂进一步将生成的乙醛酸继续氧化成副产物草酸，即氧化反应深度进行，生成乙醛酸的选择性下降，从而导致乙醛酸收率下降。

图2 酸醛比与乙醛酸收率的关系

2.1.2 钠醛比

保持其他条件不变，考察钠醛比对乙醛酸收率的影响，结果如图3所示。

图3 钠醛比与乙醛酸收率的关系

由图3可以看出：随着钠醛比的增加，乙醛酸收率先增大再减小。亚硝酸钠在反应中提供初始氮源，而氮的氧化物又是反应的氧化剂，因此，在一定范围内亚硝酸钠加入量增加，氧化性增强，使得乙醛酸收率变大。然而，亚硝酸钠是一种弱碱盐，在反应液酸度一定的条件下，过多加入亚硝酸钠又会使反应体系酸度降低，致使收率逐渐下降。

2.1.3 乙二醛浓度

保持其他条件不变，考察乙二醛质量分数对乙醛酸收率的影响，结果如图4所示。由图4可以看出：随着乙二醛质量分数的增加乙醛酸收率先增后减。之所以出现这种现象主要是因为乙二醛质量分数较低时，反应液中存在大量的水，这在一定程度上降低了反应体系中酸性介质的浓度，即氢离子浓度，这也就减少了强氧化性NO2的生成，不利于乙二醛的氧化。随着乙二醛质量分数的增加，氢离子浓度增大，NO2增多，有利于氧化反应的进行。但乙二醛是一种具有黏性的有机物，浓度过高时，自聚集程度大，分子间将产生氢键阻止乙二醛继续发生反应，所以氧化效果变差，收率随之减少。

图4 乙二醛质量分数与乙醛酸收率的关系

2.1.4 反应温度

保持其他条件不变，考察反应温度对乙醛酸收率的影响，结果如图5所示。

图5 反应温度与乙醛酸收率的关系

由图5可以看出：乙醛酸收率随着反应温度的增加先增大再减小。这是因为温度过低，达不到乙二醛被氧化所需条件，反应速度慢，反应不完全。而该氧化反应为放热反应，温度过高会降低气体在溶液中的溶解度，减少溶液中NO2的量，致使乙二醛转化率降低，乙醛酸的收率下降，同样也不利于氧化反应的进行。

2.1.5 反应时间

保持其他条件不变，考察反应时间对乙醛酸收率的影响，结果如图6所示。由图6可以看出：乙醛酸收率随着反应时间的增加呈现先增大后减小的趋势。这是因为随着反应的进行，NO2会继续与乙醛酸中的醛基发生氧化还原反应生成副产物草酸，所以反应时间过长乙醛酸收率下降，副产物草酸收率升高，反应选择性降低。

图6 反应时间与乙醛酸收率的关系

2.2 氧化反应条件

为寻找最适宜的反应条件，实验以乙醛酸收率为实验指标，采用L16（45）正交表进行了正交实验。因素水平表见表1，极差分析结果见表2，其中，A（钠醛比），B（酸醛比），C（反应温度／℃），D（反应时间／h），E（w（乙二醛），%）。

表1 氧化反应正交实验因素水平

表2 氧化反应正交实验极差分析结果

通过表2的氧化反应正交实验极差分析结果可知：1）乙二醛质量分数对乙醛酸收率的影响最大，其次是钠醛比、反应温度、酸醛比和反应时间。2）适宜工艺的条件为：钠醛比0.2、酸醛比0.4、反应温度25℃、反应时间3h，乙二醛质量分数25%。在此条件下做验证性实验，乙醛酸收率为76.12%。

2.3 缩合反应条件的确定

在最适宜氧化反应的条件下，不另加酸性催化剂，直接进行乙醛酸溶液与尿素的缩合反应。在考察了乙醛酸尿素投料比（以下简称投料比）、反应温度、反应时间对缩合反应的影响基础上，实验以尿囊素收率为实验指标，设计3因素3水平的正交实验，确定适宜的缩合反应条件，其因素水平表见表3，极差分析结果见表4。

表3 缩合反应正交实验因素水平

表4 缩合反应正交实验极差分析结果

由表4可知：1）投料比对尿囊素收率的影响最大，其次是反应温度和反应时间。2）适宜工艺条件为：投料比1∶4、反应温度75℃、反应时间3 h。在此条件下做验证性实验，尿囊素收率为60.75%。

2.4 产物尿囊素的确定

显微熔点测定仪测定产物的熔程为238～244℃。

产物经红外光谱分析，再与标准尿囊素谱对比，证明所制备的产物确为尿囊素。

3 结 论

a.以硫酸和氯化铝为酸性介质、亚硝酸钠为催化剂的常压氧气氧化乙二醛制备乙醛酸、进而在不添加酸性催化剂的条件下直接合成尿囊素的技术路线可行。氧化阶段所得反应液经浓缩后可直接应用于后续反应，无需在缩合阶段另加酸性催化剂，简化了流程，降低了成品分离提纯的难度，降低了生产成本，且避免了原料浪费。

b.氧化反应最适宜条件为：乙二醛质量分数25%，钠醛比0.2，酸醛比0.4，反应温度25℃，反应时间3h，在此条件下乙醛酸收率为76.12%。

c.缩合反应最适宜条件为：乙醛酸尿素投料比1∶4，反应温度75℃，反应时间3h，在此条件下尿囊素收率为60.75%。熔点及红外分析表明，产物为尿囊素。

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