鄰苯二甲酰氨基乙酸的合成優(yōu)化

盧 雪，代文斐，陳 鑫，丁金娜

(青島大學(xué)，山東 青島 266000)

目前在本科有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中大多使用傳統(tǒng)的化學(xué)合成方法，如蒸餾、分餾、回流等，但傳統(tǒng)合成有機(jī)化學(xué)也有弊端，合成時(shí)間長(zhǎng)、效率低。隨著科技的發(fā)展，微波輔助合成反應(yīng)[1]稱為提高有機(jī)合成效率的一個(gè)重要方法，且應(yīng)用越來(lái)也廣泛。雖然微波化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和相關(guān)理論研究還沒(méi)有形成完善的體系，但是與傳統(tǒng)的加熱方法相比，微波反應(yīng)具有反應(yīng)速率快、操作方便、產(chǎn)率高及產(chǎn)品易純化、安全衛(wèi)生等特點(diǎn)[2]。國(guó)內(nèi)目前用于工業(yè)加熱的常用頻率為915MHz和2450MHz，可以根據(jù)被加熱材料的形狀、材質(zhì)、含水率的不同而選擇微波頻率與功率[3]。微波加熱能夠顯著改變化學(xué)反應(yīng)速率。大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，借助微波技術(shù)進(jìn)行有機(jī)反應(yīng)，反應(yīng)速度較傳統(tǒng)的加熱方法快數(shù)十倍甚至上千倍，國(guó)內(nèi)外從有機(jī)合成到無(wú)機(jī)合成，從液相反應(yīng)到干反應(yīng)，從室溫下合成到高溫高壓合成，從聚合反應(yīng)到解聚反應(yīng)等均有研究報(bào)道，微波合成化學(xué)設(shè)備產(chǎn)業(yè)化已初見端倪，微波化學(xué)在有機(jī)化學(xué)中應(yīng)用廣泛[4]。 本實(shí)驗(yàn)通過(guò)微波合成鄰苯二甲酰氨乙酸，探究溫度、功率、配比時(shí)間對(duì)其產(chǎn)率的影響，然后設(shè)計(jì)并進(jìn)行正交試驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物產(chǎn)量的最佳條件，得到生產(chǎn)最優(yōu)方案。合成路線如下：

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

苯酐，相對(duì)分子質(zhì)量148.12，天津市巴斯夫化工有限公司出品；甘氨酸，相對(duì)分子質(zhì)量75.07，江蘇強(qiáng)盛化工有限公司出品；N，N-二甲基甲酰胺，相對(duì)分子質(zhì)量73.09，萊陽(yáng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)精細(xì)化工廠出品；N-甲基嗎啉，相對(duì)分子質(zhì)量101.14，上海潤(rùn)捷化學(xué)試劑有限公司出品。

MCR-3常壓微波化學(xué)反應(yīng)器，上海耀特儀器設(shè)備有限公司；循環(huán)水式多用真空泵SHB-IIIA，上海豫康科教儀器設(shè)備有限公司出品。

1.2 合成方法

將苯胺和甘氨酸放到研缽中研細(xì)，轉(zhuǎn)移到50mL燒杯中，并加入N，N-二甲基甲酰胺和N-甲基嗎啉，混合均勻。用表面皿蓋好燒杯并移入微波反應(yīng)儀中，調(diào)節(jié)一定指示功率。然后用微波輻射一段時(shí)間，取出燒杯，冷卻至室溫，加入部分水，抽濾得到粗產(chǎn)物鄰苯二甲酰氨基乙酸白色晶體[5]。

2 結(jié)果和討論

通過(guò)參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的微波時(shí)間，微波功率，反應(yīng)溫度，原料配比是影響反應(yīng)產(chǎn)率的關(guān)鍵因素。

2.1 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

將苯酐和甘氨酸，加入N,N-二甲基甲酰胺和N-甲基嗎啉，混合均勻，蓋好表面皿移入微波反應(yīng)儀，調(diào)節(jié)微波反應(yīng)儀50%功率，分別在60、70、80、90、100、110℃溫度條件下微波反應(yīng)60s，進(jìn)行反應(yīng)。詳見表1。

表1 反應(yīng)溫度與產(chǎn)物產(chǎn)率的關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1可知，當(dāng)反應(yīng)溫度在60～110℃范圍內(nèi)時(shí)，隨著反應(yīng)溫度的增加，產(chǎn)物產(chǎn)率先增加后減少，在80℃時(shí)出現(xiàn)最大值，80℃后產(chǎn)率下降。原因可能是隨著溫度的過(guò)高，產(chǎn)生了副反應(yīng)，影響了產(chǎn)物的產(chǎn)量。在80℃之前由于溫度增加對(duì)反應(yīng)起促進(jìn)作用，產(chǎn)量增加。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，最佳的反應(yīng)溫度為80℃。

2.2 微波時(shí)間對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

取苯酐和甘氨酸，加入N,N-二甲基甲酰胺和N-甲基嗎啉，混合均勻，蓋好表面皿移入微波反應(yīng)儀，在50%功率，80℃條件下，分別在微波儀器中進(jìn)行40、50、60、70、80、90s反應(yīng)，詳見表2。

表2 微波時(shí)間與產(chǎn)物產(chǎn)率的關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2可知，隨著微波反應(yīng)時(shí)間的增加產(chǎn)物產(chǎn)量不斷增加，在60s時(shí)產(chǎn)物產(chǎn)量達(dá)到最大值，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間繼續(xù)增加時(shí)，產(chǎn)物產(chǎn)量開始下降。原因可能是當(dāng)反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，產(chǎn)生了未知的副反應(yīng)，使得產(chǎn)量下降。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，微波反應(yīng)的最佳時(shí)間為60s。

2.3 微波功率對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

取苯酐和甘氨酸，加入N,N-二甲基甲酰胺和N-甲基嗎啉，混合均勻，蓋好表面皿移入微波反應(yīng)儀，在80℃條件下，微波儀器中反應(yīng)60s，調(diào)節(jié)微波功率分別為30%、40%、50%，60%、70%、80%、90%。進(jìn)行反應(yīng)，詳見表3。

表3 微波功率與產(chǎn)物產(chǎn)率的關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3可知，剛開始隨著微波功率的增加，產(chǎn)物產(chǎn)量不斷增加，在微波產(chǎn)率為60%時(shí)達(dá)到了最大值，在隨著功率的增加，產(chǎn)物的產(chǎn)量逐漸下降。出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能的原因是，當(dāng)功率大于60%時(shí)，反應(yīng)中出現(xiàn)副反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)量的下降。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，反應(yīng)的最適宜微波功率為60%。

2.4 苯酐和甘氨酸物質(zhì)的量比對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率的影響

取物質(zhì)的量比為0.8∶1,0.9∶1,1.0∶1,1.2∶1,1.3∶1的苯酐和甘氨酸，在80℃，微波功率50%，微波時(shí)間60s的條件下進(jìn)行反應(yīng)，詳見表4。

表4 苯酐與甘氨酸物質(zhì)的量之比與產(chǎn)物產(chǎn)率的關(guān)系實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表4可知，苯酐和甘氨酸物質(zhì)的量之比為0.9∶1時(shí)產(chǎn)物產(chǎn)量最高，甘氨酸過(guò)量會(huì)促進(jìn)反應(yīng)的正向進(jìn)行，使產(chǎn)物產(chǎn)量增加。苯酐與甘氨酸之比在0.9∶1之前時(shí)，隨著苯酐量的增加，產(chǎn)物產(chǎn)量增加，在0.9∶1之后，可能由于甘氨酸太多導(dǎo)致副反應(yīng)的產(chǎn)生，產(chǎn)物產(chǎn)量下降。

2.5 正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)

表5 正交試驗(yàn)下鄰苯二甲酰氨基乙酸的產(chǎn)物產(chǎn)率

由表5可知第三組正交試驗(yàn)[6]鄰苯二甲酰氨基乙酸的產(chǎn)率最高，由九組正交試驗(yàn)最終得到優(yōu)方案為70℃、60s、60%、1.2∶1，經(jīng)過(guò)三次試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)方案的產(chǎn)率為64.8%，比以上所有正交方案產(chǎn)率都大，優(yōu)方案正確。

3 結(jié)論

由實(shí)驗(yàn)可知，用苯酐和甘氨酸合成鄰苯二甲酰氨基乙酸在最佳反應(yīng)條件下，鄰苯二甲酰氨基乙酸的產(chǎn)率可達(dá)到64.8%。

[1]金欽漢,戴樹珊,黃卡瑪.微波化學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1999:10.

[2]王清廉,李 瀛,高 坤,等.有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京:高等教育出版社,2010:6.

[3]張華連,胡希明,賴聲禮.微波對(duì)化學(xué)反應(yīng)作用動(dòng)力學(xué)原理研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào),1997,25(9):46-50.

[4]樊興君,尤進(jìn)茂,譚干祖.微波促進(jìn)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)研究進(jìn)展[J].化學(xué)進(jìn)展,1998,10(3):285-295.

[5]趙劍英,胡艷芳,孫桂濱,等.有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2015:9.

[6]李云雁,胡傳榮.試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:3.