尿囊素的合成实验

一、实验的目的与意义：

1、掌握待合成产品的基本性质

尿囊素(Allantoin)又名5-脲基乙内酰尿,化学名称为1-脲基间二氮杂环戊烷-2,4-二酮或2, 5 -二氧代- 4 -咪唑烷基脲,分子式C4H6O3N4,分子量158.12,是一种无味无臭的白色结晶体,熔点228~235℃,不溶于乙醇、氯仿和乙醚等有机溶剂。在冷水中微溶,可溶于稀乙醇水溶液及丙三醇,能溶于热水,热醇和稀氢氧化钠水溶液中,在热水中随温度升高溶解度显著增加。因其最早在牛的尿囊分泌液中发现，故名为尿囊素。

2、了解待合成产品的作用用途

尿囊素是一种重要的精细化工产品, 被广泛应用于医药,农业和轻工等领域。在医药领域,可医治各种皮肤病,具有促进皮细胞组织生长,促使伤口愈合及镇痛作用。最新研究发现, 尿囊素对骨髓炎、肝硬化、糖尿病及癌症都有一定的疗效。在轻化工方面,可直接和间接作为化妆品添加剂及其他日用化工品(如牙膏、香波、肥皂)的添加剂,具有润滑、保护组织、亲水、吸水和防止水分散失等作用。在农业方面,可作为植物生长激素,同时又是开发各种复合肥、微肥、长效肥或缓效肥及稀土肥料必不可少的原料。

3、了解待合成产品的需求现状

天然尿囊素广泛存在于自然界中, 但数量极为有限。目前, 世界上尿囊素的总生产能力约5万t/ a ,而全球每年潜在的市场需求量大约为15 万t/ a ～20 万t/ a 。但由于其生产原料、路线和工艺条件等因素的, 尿囊素合成的产率一直很低, 成本较高; 国内总生产能力约1 000 t/ a , 而需求1 万t/ a 。

4、熟记合成实验中常用器具的名称并掌握他们的正确使用方法

5、增强学生的动手能力，提高学生的工程理论意识

6、了解生化产品的合成过程，培养的工作能力和科研开发能力

二、实验工艺路线

在尿囊素的工业合成方法中,国内外大多采用乙醛酸与尿素直接缩合,该工艺由于采用为催化剂,故而反应中有NO,NO2毒气逸出,而且具有对设备腐蚀严重,反应操作不易控制等缺点。

本文研究了以乙二醛为原料,经双氧水氧化,尿素缩合制取尿囊素的工艺路线。采用杂多酸--磷钨酸为氧化催化剂,不但克服了有毒气体逸出造成的环境污染,设备腐蚀等缺点,而且实现了工艺操作简便,尿囊素产率高,具有较高的工业应用前景。

尿囊素生产的工艺路线见图1。

乙二醛     FeSO4/ H2O2       乙醛酸      尿素/ 缩合   粗尿囊素

过滤   结　晶    95 ℃, H2O     重结晶     过滤     精制尿囊素

图1 　尿囊素制备的工艺流程图

三、实验过程

1、乙醛酸的合成

在反应釜中加入质量分数为30 %的乙二醛水溶液0.25 mol(45ml) , 置于5℃～8℃水浴中, 分别用两个滴加器同时缓慢加入FeSO4 饱和溶液(30ml)和质量分数为30 %的H2O2 溶液(30ml) , 开启搅拌器, 控制加料速度, 使反应温度保持在5℃～8℃内, 2h～3h 加料完毕, 继续搅拌0.5h～1h , 静置。

2、尿囊素的合成

直接在缩合反应釜中加入催化剂磷钨酸0.5g, 尿素30g(分2次加完),在75℃～80℃下, 反应2h ; 反应完毕后, 将缩合液冷却至室温过滤, 收集白色沉淀; 沉淀用95℃的蒸馏水煮0.5h(重结晶);然后趁热过滤去除不溶杂质收集滤液,滤液冷却至室温后过滤,得到白色结晶即为精制尿囊素

第一步: 

 (副反应)

第二步:

四、数据处理

1、定性分析：

状态，溶解性，熔点，元素分析，红外光谱，标准光谱对照，光谱解析

2、以乙二醛计计算尿囊素的产率：

五、思考题

  （1）、为什么采用30 %的H2O2 溶液氧化乙二醛制备乙醛酸？加入FeSO4饱和溶液的作用是什么？

  （2）、本实验的反应温度控制在5℃～8℃内，若反应温度控制的较高或较低，会产生什么样的结果，使得尿囊素的产率有何影响？

  （3）、重结晶的原理是什么？如何操作？

六、实验的试剂与仪器

30 %乙二醛      分析纯    50 ml          机械搅拌器         1套

30 %H2O2       分析纯    100 ml         电热套或电炉       1套

尿素(99.%)       分析纯    100g          水浴锅             1个

H2SO4           分析纯    50 ml          真空泵             1台

H3PO4           分析纯    50 ml          FT - IR 分析仪      1台

磷钨酸          分析纯     5g            元素分析仪         1台

FeSO4           分析纯     50g           微量熔点测定分析仪 1套

三颈瓶           250ml     1只

滴液漏斗         250ml     2个

布氏漏斗         Ф12.5mm  1个

抽滤瓶           300ml      1个

滤纸             Ф12.5mm   8张