氨基磺酸催化合成尿囊素

劉麗秀，何愛江，李相彪

（宜賓職業技術學院，四川 宜賓 644003）

尿囊素是在哺乳動物的尿囊液中發現的，是一種高附加值的精細化工產品，廣泛應用于醫藥、日化、農業、輕工業及生物工程等領域。尿囊素的合成一般采用無機酸催化合成，常用的強酸如硫酸、硝酸等對設備具有較強腐蝕性，同時產生的廢酸會對環境造成污染。

本文以有機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，以正交實驗考察尿囊素合成的影響因素，確定最優合成條件。

1 實驗儀器及材料

1.1 原料

尿素、乙醛酸和氨基磺酸為分析純，外購。

1.2 實驗儀器

自制磁力攪拌恒溫水浴（±0.5℃），Nicolet380 FT-IR紅外光譜儀。

1.3 實驗設計

1.3.1 實驗步驟

按比例稱取尿素、乙醛酸和氨基磺酸，加入三口燒瓶中，加入一定量水。開啟磁力攪拌裝置和冷凝裝置；升溫至一定溫度，恒溫一定時間結束反應。將粗產品冷卻過濾，過濾后進行重結晶2次，干燥后稱量。

1.3.2 實驗設計

尿囊素合成中，反應溫度、尿素與乙醛酸的摩爾比、催化劑用量和反應時間各因素對尿囊素收率有影響，為了能清晰地表示出尿囊素收率與各因素之間的關系，選擇以上4個參數設計L25（56）正交實驗表（如表 1）。

表1 L25（56）正交實驗表

1.4 紅外光譜測定

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

2 結果與討論

2.1 產品紅外分析

對產品用KBr壓片，經紅外光譜儀檢測，得到如圖1所示紅外譜圖。利用紅外分析軟件OMNIC 8.0對所得紅外圖譜與標準樣品圖譜進行對比，相似度為96.72%，能夠確定所合成產品即為尿囊素。

圖1 合成產品與標準樣品的紅外圖譜對比

2.2 正交實驗各因素影響的分析

正交實驗所得的數據如表1所示，采用分析軟件SPSS 18.0對正交實驗結果進行分析，分析的結果見表2。

表2 主體間效應的檢驗（因變量∶收率/%）

從表2可得校正模型p值（Sig.）小于0.05，模型具有統計學意義。其中催化劑用量和反應溫度影響顯著，而配比和反應時間影響不顯著，各因素的主次排列順序是：催化劑用量＞反應溫度＞原料配比＞反應時間。

2.3 反應溫度對收率的影響

溫度上升時，化學反應速率就會加快；70℃之前，隨著溫度升高，反應速度加快，產品收率增加；溫度進一步升高，由于尿囊素不穩定，長時間在較高溫水溶液中易分解，本實驗中亦觀察到80℃反應液最后顏色變深，呈褐色，故最佳反應溫度選定在70℃進行。

圖2 反應溫度對尿囊素收率的影響

2.4 原料配比對收率的影響

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

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

圖3 原料配比對尿囊素收率的影響

2.5 催化劑用量對收率的影響

縮合反應速率受催化劑的影響較大，催化劑用量少，反應速度慢，時間長。由圖4可見，隨著催化劑用量的增加，反應速率加快，尿囊素產率上升。當催化劑用量為4.0g時，可獲得較高產品收率，繼續增加催化劑的量，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 催化劑用量對尿囊素收率影響

2.6 反應時間對收率的影響

從化學平衡角度出發，延長反應時間，有利于乙醛酸轉化為尿囊素。由圖5可見，隨著反應時間增加，產品收率增加；但反應時間達到6h后，產品收率增加幅度不明顯。主要是隨著轉化率提高，乙醛酸的濃度逐漸降低，反應推動力（乙醛酸濃度與理論平衡濃度之差）減小，增加反應時間對收率提高影響不大。

圖5 反應時間對尿囊素收率影響

2.7 最優條件驗證

從前面的分析可知，最優的反應條件應該是：反應溫度為 70℃，原料配比（n尿素∶ n乙醛酸）為 3.5∶1，催化劑用量為4g，反應時間為6h。在此最優條件下，實驗所得尿囊素產品的收率為51.73%。

3 結論

由正交實驗數據分析各反應因素對尿囊素收率的影響趨勢和程度，其影響主次排順序是：催化劑用量＞反應溫度＞原料配比＞反應時間。在最優條件下合成尿囊素的收率為51.73%。

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