超聲波輻射快速合成過氧化尿素

郭元平,郭元金,員 濤,胡繼忠

(1.牡丹江師范學院化學系,黑龍江牡丹江 157012;2.哈爾濱醫科大學第四附屬醫院)

超聲波輻射快速合成過氧化尿素

郭元平1,郭元金2,員 濤1,胡繼忠1

(1.牡丹江師范學院化學系,黑龍江牡丹江 157012;2.哈爾濱醫科大學第四附屬醫院)

采用常壓超聲波輻射技術,利用 30%(質量分數)的過氧化氫作為活性氧提供劑,以磷酸二氫鉀為穩定劑,用過氧化氫與尿素反應的方法合成過氧化尿素。探討了過氧化氫與尿素的物質的量比、超聲波輻射時間、超聲波功率和穩定劑種類對產品收率的影響。得出最佳的反應條件為:過氧化氫與尿素的物質的量比為 1.4∶1,反應時間為 180 s,功率為 300 W,穩定劑磷酸二氫鉀用量為 1.0 g左右。在此反應條件下,產品的收率可達 80%以上,比常規合成產品收率高 15%。

超聲波輻射;過氧化尿素;穩定劑

過氧化尿素又稱氧化氫尿素、尿素過氧化氫、過碳酸酰胺等,是過氧化氫和尿素的加合物。其活性氧含量比目前市場銷售的過氧化鈣、過硼酸鈉、過碳酸鈉等過氧化物高 16.5%[1]。在抵抗非典時期普遍使用的是過氧乙酸,但由于過氧乙酸強烈的刺激性和殺菌性,如使用不當可使人體產生過氧乙酸過敏現象,出現類似非典型性肺炎的癥狀。而過氧化尿素具有良好的氧化、消毒和殺菌作用,其本身無毒無污染,是一種高效、多功能、廣譜、安全、使用方便的新型綠色固體消毒殺菌劑[2-3]。筆者采用常壓超聲波輻射技術[4],利用 30%(質量分數,下同)的過氧化氫作為活性氧提供劑,探索了制備過氧化尿素的有利工藝條件。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

尿素 (工業品);30%過氧化氫溶液、磷酸二氫鉀、8-羥基喹啉、六偏磷酸鈉、酒石酸、水楊酸、乙二胺、四乙酸二鈉、高錳酸鉀、草酸鈉、焦磷酸鉀,以上均為分析純。

JCX-600G超聲波發生器 (山東省濟寧市超聲波電子儀器廠);101-3電熱鼓風干燥箱 (山東菏澤南城奮發儀器廠);ZK-40真空干燥箱 (余姚工業儀表廠);JJ-1增力電動攪拌器 (江蘇國華儀器廠)。

1.2 實驗方法

在 500 mL圓底燒瓶中加入一定量的過氧化氫溶液,再加入穩定劑,待其完全溶解后,加入一定量尿素,然后在不斷攪拌下加熱到 20℃,使尿素完全溶解;將圓底燒瓶置于超聲波反應器內,在一定溫度下用超聲波輻射一段時間,反應結束后,取出過濾,濾液在 0～5℃下緩慢冷卻 12 h,產品結晶后,抽濾,于 40℃真空干燥即得過氧化尿素。

1.3 產品中的活性氧分析[5]

稱取樣品 0.15～0.20 g(精確到 0.001 g),放入裝有 30 mL蒸餾水的 250 mL碘量瓶中,再加入1.0 mol/L的硫酸溶液 30 mL,用 0.020 0 mol/L高錳酸鉀溶液滴定至溶液呈粉紅色,30 s內不褪色,即為終點。

式中:A為過氧化氫質量分數,%;V為滴定消耗的高錳酸鉀標準溶液的體積,mL;c為高錳酸鉀標準溶液的濃度,mol/L;m為過氧化尿素試樣的質量,g。

1.4 產品穩定性分析

將合成的產品在 60℃下放置 24 h后,測量其中過氧化氫的含量[6],計算過氧化尿素在加熱前后的穩定率。

式中:B為過氧化尿素穩定率;A1,A2分別為放置前后過氧化尿素試樣中的過氧化氫質量分數。

2 結果與討論

2.1 反應物物質的量比對產品收率的影響

在穩定劑、反應溫度、超生波功率和反應時間等相同的條件下,改變反應物的物質的量比,考察反應物配比對產品收率的影響,實驗結果見表 1。

表 1 反應物物質的量比對產品收率的影響

由表 1實驗結果可見,隨著過氧化氫與尿素的物質的量比的增大,產品收率增加,而過氧化氫用量增加到一定程度后再增加過氧化氫的用量,產率有所下降,這是由于過氧化氫溶液用量增加會使反應液中水量增多至使產品結晶量減少。所以 n(過氧化氫 ) ∶n(尿素 )確定為 1.4∶1。

2.2 穩定劑的選擇

過氧化尿素屬于熱敏化合物,在某些金屬離子如鐵、鉛、錳等離子的存在下,光線照射或受熱會使其分解。為了提高原料利用率,提高過氧化尿素的穩定性和貯存性,加入一定量的穩定劑,使其離子和金屬離子形成配位,在產品純化過程中易被除去。控制超聲波頻率為 300 W,n(過氧化氫)∶n(尿素)為 1.4∶1,反應時間為 180 s,穩定劑用量為 1 g,改變穩定劑種類,進行合成反應實驗,所得產品進行熱穩定性分析,實驗結果見表 2。由表 2可知,用磷酸二氫鉀較其他穩定劑有較好的穩定效果,過氧化尿素的活性氧含量最高。而且產品在 60℃下保存 24 h其穩定率達到 95.5%,產品損耗少。

表 2 不同穩定劑對產品的影響

2.3 超聲波輻射時間對產品收率的影響

實驗在 n(過氧化氫)∶n(尿素)為 1.4∶1,穩定劑用量為 1 g,超聲波功率為 300 W的條件下,改變反應時間考察其對產率的影響。結果見表 3。由表3可知,隨著超聲波輻射時間的延長,產品的收率逐漸增加,當反應時間為 180 s時,過氧化尿素的產率可達 80.5%,再延長時間,產品收率隨之下降。這是由于超聲波輻射時間長,產品分解所致。

表 3 超聲波輻射時間對產品收率的影響

2.4 超聲波輻射功率對產品產率的影響

用磷酸二氫鉀作穩定劑,在配料比、反應時間不變的條件下,改變超聲波輻射功率,過氧化尿素的產率見表 4。由表 4可知,隨著超聲波輻射功率的升高 ,產品收率有上升趨勢。當功率為300 W時,產率可達 80.5%,但如果超聲波輻射功率過高,過氧化氫又會分解,產品中過氧化氫含量降低,所以輻射功率以 300 W為宜。

表 4 超聲波輻射功率對產品收率的影響

3 結論

1)采用超聲波輻射技術在常壓下以磷酸二氫鉀為單一穩定劑,通過尿素與過氧化氫溶液發生加合反應,制備了過氧化尿素。2)本實驗方法與常規實驗方法相比具有反應時間短、產率高和產品穩定性好等優點。3)本實驗最佳工藝條件為過氧化氫與尿素物質的量比為 1.4∶1,磷酸二氫鉀的用量為1 g,反應時間為 180 s,超聲波功率為 300 W。在最佳工藝條件下,過氧化尿素產率達 80.5%。

[1] 歐陽貽德,陳伯適.尿素與過氧化氫下游新產品——過氧化尿素[J].化學世界,2002,43(1):50-52.

[2] 譚淑珍,李再全.過氧化尿素的合成研究[J].化學世界,2004,45(12):644-646.

[3] 王曼.過氧化尿素的合成及其穩定性研究[J].山西化工,2007,27(1):12-14.

[4] 曾愛群,肖峻松.超聲輻射在有機合成中的應用[J].廣西化工,1999,28(2):24-27.

[5] 成都科學技術大學分析化學教研組,浙江大學分析化學教研組.分析化學實驗 [M].2版.北京:高等教育出版社,1997:105-108.

[6] 俞馬宏,崔學軍,黃煉軍.過氧化尿素的制備及熱穩定性研究[J].南京理工大學學報:自然科學版,2005,29(1):59-61.

Rapid synthesis of urea peroxide under ultrason ic irrad iation

Guo Yuanping1,Guo Yuanjin2,Yun Tao1,Hu Jizhong1
(1.Departm ent of Chem istry,M udanjiang Nor m al College,M udanjiang157012,China)
2.The No.4Affiliated Hospital,Harbin M edical University)

By adopting ultrasonic irradiation technique at normal atmosphere and using 30%(mass fraction)hydrogen peroxide as active oxygen supplier,urea peroxide was synthesized from hydrogen peroxide and urea with potassium dihydrogen phosphate(KDP)as stabilizer.Influences of amount-of-substance ratio of hydrogen peroxide to urea,t ime of ultrasonic irradiation,ultrasonic power and kinds of stabilizer on product yield were investigated.The best reaction conditionswere obtained as follows:amount-of-substance ratio of hydrogen peroxide to ureawas 1.4∶1,t ime of ultrasonic irradiationwas 180 s,ultrasonic powerwas 300 W,and dosage of stabilizerwas about 1.0 g.Under the reaction conditions,yield of the products could reach above 80%and is 15%higher than the products synthesized by generalmethods.

ultrasonic irradiation;urea peroxide;stabilizer

TQ123.7

A

1006-4990(2010)01-0048-02

2009-07-29

郭元平 (1963— ),男,高級實驗師,理學學士學位,從事有機合成和天然產物提取技術研究,已發表科研論文10余篇。

聯系方式:gyp18888@163.com