馬來酰脲的合成

郝柿田，劉寧寧，李效軍

（河北工業大學 化工學院，天津 300130）

馬來酰脲是一種具有碳碳雙鍵的酰脲，是合成多種功能型聚合物的單體［1］，也用于除草劑的合成［2-3］；同時，馬來酰脲是合成乳清酸［4-6］的重要中間體，乳清酸也稱維生素B13，廣泛用于日用化妝品、醫藥、核酸和生物研究，醫藥上用作生產治療黃疸和心臟病等藥物的原料［7-12］，是重要的維生素品種。因此，研究馬來酰脲的合成有較大的實用價值。

合成馬來酰脲的方法較多［13-16］，但工業上多以馬來酸酐與尿素為主要原料，冰乙酸為溶劑，于60 ℃反應12 h，之后加水稀釋反應產物，過濾得馬來酰脲。本課題組以此方法重復實驗，馬來酰脲的穩定收率約為80.0%，純度為99.8%左右；但此方法的缺點是反應時間長、產品收率低；后處理要加水稀釋，含水乙酸無法直接循環套用（循環利用），給廢水處理或溶劑回收帶來很大困難。

酸酐是活潑的酰化試劑，將其用于酰化反應一般不需要催化劑，但考慮到尿素的親核能力較弱，本工作嘗試了質子酸催化的方法，與原工藝相比，降低了反應溫度，縮短了反應時間，提高了馬來酰脲的收率；同時，采用加大量的冰乙酸作溶劑，而不用水稀釋，使得溶劑可以直接循環套用。

1 實驗部分

1.1 主要原料與儀器

硫酸（98.0%（w））、鹽酸（36.0%（w））：分析純，北京化工廠；對甲苯磺酸：99%（w），分析純，天津博迪化工股份有限公司；干氯化氫：自制；尿素、馬來酸酐、冰乙酸：工業品，蓬萊海洋股份有限公司。

AVANCE400型核磁共振波譜儀：瑞士Bruker公司；CoMetro6000型高效液相色譜儀：美國CoMetro公司。

1.2 實驗方法

以對甲苯磺酸為催化劑的實驗步驟如下。向裝有溫度計、電動攪拌器和回流冷凝器的500 mL四口瓶中依次加入39.9 g（0.4 mol）馬來酸酐、28.8 g（0.5 mol）尿素和36.0 g冰乙酸，攪拌均勻后加入0.1 g對甲苯磺酸，于45 ℃反應4 h，降溫至20 ℃抽濾。濾餅經水洗、真空干燥得產品。濾液中含少量未反應的原料，不經處理直接循環到下批酰胺化反應。

1.3 分析方法

采用核磁共振波譜儀檢測氫原子的化學環境。1H NMR（400 MHz），DMSO-d6，化學位移δ：12.88（s，1H），10.43（s，1H），7.64（s，1H），7.31（s，1H），6.35（s，2H）。核磁數據與馬來酰脲結構特征相符。

采用高效液相色譜法檢測馬來酰脲的純度。色譜柱為BaseLine C18（250 mm×4.6 mm，5 mm），流動相為5%（w）的甲醇水溶液（用磷酸調節pH=2），流量0.6 mL/min，柱溫38 ℃，紫外檢測器波長215 nm，試樣濃度0.04 mol/L，進樣量0.1 mL，定量計算采用面積歸一化法。

2 結果與討論

2.1 反應機理

馬來酸酐的羰基氧可以質子化生成酰基碳正離子，從而增加了馬來酸酐的親電能力，使得尿素這種弱親核試劑也能獲得較快的反應速率。質子酸對馬來酸酐與尿素反應的催化作用見圖1。

圖1 質子酸對馬來酸酐與尿素反應的催化作用Fig.1 Catalytic effect of proton acid on the reaction of maleic anhydride with urea.

2.2 質子酸種類對酰化反應的影響

質子酸、濃硫酸、鹽酸、干氯化氫、對甲苯磺酸對馬來酰脲合成的影響見表1。

表1 酸種類的影響Table 1 Effect of acid type

由表1可知，除鹽酸外，加入酸后產品的收率均有所提高，表明質子酸對該酰胺化反應有催化作用，這與機理推測的結果吻合。采用鹽酸時收率明顯降低的原因可能是鹽酸中含有較多的水，使馬來酸酐水解，導致產品收率和純度下降；干氯化氫有較好的催化效果，但操作不方便；采用對甲苯磺酸和硫酸時，產品的收率相近，前者是有機酸，不具有氧化性，酸性略強于硫酸，后者是無機酸，具有揮發性和氧化性。因此，從收率、純度、操作方便安全等方面考慮，對甲苯磺酸是合適的質子酸催化劑。

2.3 工藝條件的優化

在確定了對甲苯磺酸為適宜的催化劑后，研究了對甲苯磺酸用量、反應原料的摩爾比、反應時間和反應溫度等關鍵因素的影響，獲得了較優的工藝條件。

2.3.1 對甲苯磺酸用量的影響

對甲苯磺酸是一種不具有氧化性的有機強酸，常用作酸性催化劑，對甲苯磺酸用量對馬來酰脲收率的影響見圖2。由圖2可知，對甲苯磺酸用量為0.1 g時，產品收率為89.0%左右，因此，對甲苯磺酸的最佳用量為0.1 g，約為馬來酸酐用量的0.25%（w）。

圖2 對甲苯磺酸用量對馬來酰脲收率的影響Fig.2 Effect of the amount of p-toluenesulfonic acid on yield.

2.3.2 馬來酸酐與尿素摩爾比的影響

馬來酸酐與尿素摩爾比對馬來酰脲收率的影響見圖3。由圖3可知，隨著馬來酸酐與尿素摩爾比的增加，馬來酰脲的收率逐漸增加，馬來酸酐與尿素比為1.0∶1.3時，馬來酰脲收率趨于平穩。故馬來酸酐與尿素的最佳摩爾比為1.0∶1.3。

圖3 馬來酸酐與尿素摩爾比對馬來酰脲收率影響Fig.3 Effect of molar ratio of raw materials on yield.

2.3.3 反應時間和溫度的影響

不同溫度條件下反應時間對馬來酰脲平均收率的影響見圖4。由圖4可知，馬來酰脲的收率隨著反應溫度升高而增加，至45 ℃后基本不變；而在相同的溫度下，馬來酰脲的收率隨著反應時間的延長而增加，并最終達到穩定，但是較高溫度條件下，達到最大收率時的時間較短。因此，較好的反應時間和溫度組合是45 ℃下反應4 h。

圖4 反應溫度和時間對馬來酰脲平均收率的影響Fig.4 Effect of reaction temperature and time on yield.

2.3.4 溶劑的套用

利用蒸干溶劑法測得45 ℃馬來酰脲在100 g冰乙酸中的溶解度是3.58 g，以此推算，若后處理過程中過濾所得用于循環套用，收率最少提高2.0%。而冰乙酸不含水，除含一部分產品外，還含少量未反應的原料，因此，循環套用對提高收率，減少排放是很有幫助的。

本工作嘗試直接套用冰乙酸的實驗方案，即補加冰乙酸至規定的投料量，對甲苯磺酸作為酸性催化劑，根據得到的冰乙酸濾液按比例估算需補加的對甲苯磺酸的用量，實驗結果見表2。由表2可見，溶劑冰乙酸套用可以提高馬來酰脲的收率，在兼顧產品外觀的情況下，冰乙酸可以循環套用4次，可以有效減少三廢處理難度和三廢排放量。套用4次后的平均收率達到95.7%，產品純度為99.8%。

表2 溶劑套用的實驗結果Table 2 Experimental results of solvent application

3 結論

1）馬來酸酐與尿素合成馬來酰脲的適宜反應條件為：馬來酸酐用量39.9 g、溶劑冰乙酸用量36.0 g、對甲苯磺酸用量為馬來酸酐的0.25%（w）、馬來酸酐與尿素摩爾比1.0∶1.3、反應溫度為45 ℃、反應時間4 h，在此基礎上套用溶劑冰乙酸4次，馬來酰脲的平均收率為95.7%，純度為99.8%。

2）應用于工業化馬來酰脲收率還有提高的空間，需進一步優化反應條件。

3）循環反應時對甲苯磺酸的用量需要有比較準確的測定方法。