均二甲脲合成中間體的提純工藝優化及結構表征

魏弋尋，尹進華

(青島科技大學化工學院，山東 青島 266042)

均二甲脲廣泛應用于有機化學、醫藥、農業等領域，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，制藥行業對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-尿素法在工業生產中最為常用，但由于甲胺和尿素在溶液中反應接觸面小，轉化率低，得到的均二甲脲雜質較多。甲胺-尿素法最早由BASF公司在合成尿素時發現[4]，我國于20世紀90年代引進，為提高生產效率，將甲胺直接通入熔融尿素中反應，冷卻合成均二甲脲。由于反應傳質條件改變，均二甲脲純度有所提高；但反應時間過長、反應機理不明確，從而制約了該工藝的發展[5]。

目前，國內外對均二甲脲的合成研究主要是對甲胺-尿素法工藝條件進行優化以提高產品收率[6-7]，而關于合成中間體的研究極少。作者通過前期研究發現，甲胺和尿素在反應過程中會產生一種新的中間體，該中間體含量隨反應時間延長呈先增加后減少的趨勢。這對研究甲胺-尿素法合成均二甲脲具有重要意義，既能從反應機理角度進一步理解反應，也能從工藝角度優化生產。Ludlam等[8]發現，一甲基脲和均二甲脲等小分子尿素衍生物由于極性較強，普通分離手段難以得到單體純品，導致后續分析誤差較大。目前，提純方法主要有薄層色譜法、柱層析法、醇洗結晶法等。其中，薄層色譜法操作繁復，不適合大量制備提純[9]；醇洗結晶法適合已知性質的尿素衍生物的提純，如縮二脲的高純精制[10]。

單因素實驗和正交實驗優化化合物提純工藝[11]均有一定的局限性。中心組合設計是近年來除均勻設計外應用較多的實驗設計方法[12-13]，其結合響應面法對實驗結果進行非線性數學模型擬合，構建具有明確表達形式的多項式，得到最佳響應值，具有精度高、預測性好等優點[14]。鑒于此，作者利用薄層色譜對均二甲脲合成中間體進行鑒別，在前期單因素實驗的基礎上，采用響應面法對柱層析提純工藝進行優化，并對中間體進行表征。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

均二甲脲標準品(質量分數99.9%)、一甲基脲標準品(質量分數99.8%)、尿素標準品(質量分數99.9%)，國藥集團化學試劑有限公司；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；Agilent 1200型液相色譜-Finnigan LCQ Advantage型質譜聯用儀；YRT-3型藥物熔點儀。

1.2 分析方法

采用高效液相色譜法測定均二甲脲、尿素和一甲基脲的含量；參照文獻[15]方法測定中間體含量，因無標準品，按峰面積計算其相對含量。

色譜條件：色譜柱ZORBAXSB-Phenyl(4.6 mm×250 mm，5 μm)，紫外可見吸收檢測器(UVD)，流速1.0 mL·min-1，進樣量20 μL，柱溫33 ℃，檢測波長205 nm。流動相：A：1 000 mL 水中加入2 mL三乙胺，用0.1 mol·L-1磷酸調節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

準確稱取甲胺和尿素反應10 h(中間體含量為25%)的樣品1 kg，粉碎；用5倍量無水甲醇超聲提取3次，每次25 min；40 ℃下減壓濃縮，得濃縮液；加入700 mL石油醚充分攪拌，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[8]，再噴濃硫酸-甲醇(1∶1)在紫外燈下顯中間體斑點。

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，得負載樣品的硅膠。稱取適量硅膠(500～800目)均勻填滿于層析柱內，砂芯板壓實，在上面加入負載樣品的硅膠，用砂芯板壓實，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，根據紫外檢測器峰位置分段收集，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，于反應釜中加熱至熔融狀態；將甲胺氣體通入熔融尿素中，并打開攪拌器。通過調節加熱套的功率來控制反應溫度。采用高效液相色譜法分別對反應3 h、6 h、9 h、12 h、15 h、18 h、21 h、24 h的樣品進行連續分析，結果如圖1所示。

由圖1可知，保留時間為16.4 min的未知峰的強度隨反應時間的延長先增強后減弱。對此峰分離物進行液質聯用分析，發現其分子量為105，含量先增加后減少直至接近0(圖2)。表明該物質參與反應，且轉化完全，可以推斷該物質為反應過程產生的中間體。

圖1 反應不同時間所得樣品的高效液相色譜

圖2 各反應組分含量隨反應時間的變化曲線

由圖2可知，甲胺-尿素法合成均二甲脲過程中各反應組分含量隨反應時間的變化與烷基脲合成反應機理[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，中間體含量迅速達到峰值，說明中間體可能是一甲基脲的轉化產物；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化關系。中間體的發現為進一步探索甲胺-尿素法合成均二甲脲反應機理和改進工藝奠定了基礎。

2.2 響應面實驗結果

在前期單因素實驗的基礎上，選取氯仿體積分數(氯仿占洗脫液氯仿-甲醇的體積分數)、硅膠量、體積流量為考察因素，以中間體產率(純化后中間體質量占粗品質量的百分數)為評價指標，采用Box-Behnken中心組合設計3因素3水平響應面實驗，共17個實驗點，其中12個析因點、5個中心點。響應面實驗設計及結果見表1。

通過Design-Expert軟件對表1數據進行多項式回歸擬合分析，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 響應面實驗設計及結果

對回歸模型進行方差分析，結果見表2。

表2 方差分析

各因素交互作用對中間體產率影響的響應面分析如圖3所示。

圖3 各因素交互作用對中間體產率影響的響應面分析

由圖3a可知，當固定體積流量時，氯仿體積分數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數的，表明硅膠量對中間體產率的影響大于氯仿體積分數。當硅膠量在80 g左右時，中間體產率最高。硅膠量過低時，部分中間體未被吸附即被洗脫液帶走，中間體產率下降；硅膠量過高時，中間體被大量吸附，未能完全洗脫導致分離效果下降。

由圖3b可知，當固定硅膠量時，氯仿體積分數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數的，表明體積流量對中間體產率的影響大于氯仿體積分數。中間體產率隨氯仿體積分數的增加而升高；當氯仿體積分數超過85%時，洗脫液極性過強，中間體未被完全洗脫，導致中間體產率降低。

由圖3c可知，當固定氯仿體積分數時，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，表明硅膠量對中間體產率的影響大于體積流量。中間體產率隨體積流量的增大而升高，當體積流量過大時，中間體被大量洗脫液帶走，導致中間體產率下降。

綜上可知，各因素對中間體產率影響的大小依次為：硅膠量>體積流量>氯仿體積分數。為進一步確定最佳點，對回歸方程取導數求極值得最佳提純工藝條件為：氯仿體積分數85%、硅膠量80 g、體積流量30 mL·min-1，在此條件下，中間體理論產率可達24.30%。按最佳提純工藝進行3次驗證實驗，中間體產率分別為24.23%、24.17%、23.38%。與理論預測值相比，相對誤差<2%。因此，采用響應面法優化得到的提純工藝可靠，對實驗室分析和工廠放大提純都具有實用價值。

2.3 中間體的表征

2.3.1 紅外光譜分析

中間體經分離純化后置于電熱鼓風干燥箱中干燥濃縮，進行紅外光譜分析，結果見圖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 熔點與結構分析

經熔點儀測定，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、一甲基脲等性質接近。

3 結論

在合成均二甲脲的過程中，發現一種未知中間體，該中間體對反應有較大影響，在反應后期，中間體與均二甲脲存在明顯的轉化關系。這是之前的研究尚未發現的。采用響應面法對該中間體的柱層析提純工藝進行優化，確定最佳提純工藝條件為：氯仿體積分數85%、硅膠量80 g、體積流量30 mL·min-1，各因素對中間體產率的影響大小依次為：硅膠量>體積流量>氯仿體積分數，在此條件下，中間體實際產率可達24.23%，驗證實驗與優化結果相符。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，中間體再經脫氨轉化為均二甲脲。這與之前的機理路線不同，為后續研究提供了理論依據與方向。