（物理化学专业论文）硒脲的合成研究及其应用.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 硒脲是一种重要的有机合成中间体，本实验采用硒粉、硼氢化钠、硫脲、碘 甲烷和无水乙醇为原料，经三步反应合成了硒脲 本实验运用x r c 1 显微熔点仪、红外光谱、元素分析等分析方法对反应产物 的结构进行鉴定，并对各步反应的工艺条件进行优化研究。第一步采用硒粉、硼 氢化钠为原料，无水乙醇为溶剂合成硒氢化钠，初步探讨了乙醇加入方式、乙醇 冷却温度、硼氢化钠与硒粉配比、硼氢化钠的加入方式对合成反应的影响，通过 大量单因素实验找到了合成硒氢化钠的较好的合成工艺条件为：t = 8 1 l ， n ( n a b h 4 ) ：n ( s e ) = 1 2 1 ：1 ，硼氢化钠先加入7 8 ，反应差不多完全时再加入 剩下的2 2 的硼氢化钠。第二步采用硫脲、碘甲烷为原料，无水乙醇为溶剂，初 步探讨了光、碘甲烷与硫脲配比、反应时间、溶剂对s 一甲基异硫脲碘盐收率的影 响，通过单因素实验获得了采用乙醇为溶剂时制备s 一甲基异硫脲碘盐的比较适宜 的工艺条件为：n ( c h 3 i ) ：n ( n h 2 c s n h 2 ) = 1 2 4 ：l ，整个反应过程应在黑暗中 进行，先室温反应2 小时，再在7 9 8 0 加热反应1 小时，以硒脲为基准的硫脲 盐的收率约为7 6 ；并比较了溶剂为甲醇、水时的反应效果，并得出使用甲醇的 反应效果要比使用乙醇和水好，以硒脲为基准的s 一甲基异硫脲碘盐收率为8 1 。 第三步采用s 一甲基异硫脲碘盐与硒氢化钠反应合成硒脲，初步探讨了反应时间和 反应温度对硒脲收率的影响，通过单因素实验得出了制备硒脲的比较适宜的条件 为：在无水无氧条件下回流反应( 温度7 9 8 0 ) 2 5 小时，然后加入冰醋酸，减 压过滤，并在温度为2 4 左右，真空度为1 5 m m h g 条件下减压蒸馏，即得无色针 状硒脲。以上所有操作均在黑暗中进行，所得以硫脲为基准的收率约为硒脲的最 高为产率8 1 左右。并利用硒脲与氯乙酸乙酯反应合成了2 一氨基一2 一硒唑啉一 4 一酮。 关键词：硒脲，硒氢化钠，s 甲基硫脲碘盐，合成 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t s e l e n o u r e ai sa ni m p o r t a n ti n t e r m e d i a t ef o ro r g a n i cs y n t h e s i s i nt h i se x p e r i m e n t ， i ti s p r e p a r e dt h r o u g ht h r e es t e d so nt h em a t 鲥a 1o fs e l e n i u mp o w d e r , s o d i u m b o r o h y d f i d e t h i o u r e a , i o d o m e t h a n ea n da n h y d r o u se t h a n o i i nt h i se x p e r i m e n t ，p r o d u c t sa r ei d e n t i f i e db ym e a s u r i n gm e l t i n gp o i n t s ，e l e m e n t a n a l y s i sa n di r ，a n de v e r ys t e pi so p t i m i z e d i nt h ef i r s ts t e p ，s o d i u mh y d r o g e ns e l e n i d e i sp r e p a r e do nt h em a t e r i a lo fs e l e n i u mp o w d e ra n ds o d i b i r lb o r o h y d r i d ei ns o l v e n t a n h y d r o u se t h a n 0 1 t h ei n f l u e n c eo fa d d i n gw a y s ，c o o l i n gt e m p e r a t u r eo fa n h y d r o s s e t h a n o l ，t h er a t i oo fs o d i u mb o r o h y d r i d ea n ds e l e n i u ma n da d d i n gw a y so fs o d i u m b o r o h y d r i d ea r ep r e l i m i n a r i l yr e s e a r c h e d p r e f e r a b l es y n t h e s i st e c h n i c a l c o n d i t i o n s f o rs o d i u mh y d r o g e ns e l e n i d ea r eg a i n e db yl a r g en u m b e r so fs i n g l e i n g r e d i e n t e x p e r i m e n t s , w h i c ha r e1 - 一8 一1 1 ，n ( n a s h 4 ) ：n ( s e ) = 1 。2 l ：l ，7 8 o f s o d i u m b o r o h y d r i d ei sf i r s t l ya d d e d t h eo t h e r2 2 i sa d d e dw h e nt h ef i r s ti sn e a r l yc o m p l e t e l y r e a c t e d i nt h es e c o n ds t c p ，m e t h y la m i n o m e t h a n i m i d o t h i o a t e h y d r o i o d i d ei sp r e p a r e d o nt h em a t e d a lo f 让f i o n r e aa n di o d o m e t h a n ei ns o l v e n ta n h y d r o u se t h a n 0 1 t h e i n f l u e n c eo fl i g h i ，t h er a t i oo fi o d o m e t h a n ea n dt l f i o u r e a ，r e a c t i o nt i m e ，a n ds o l v e n t o nt h ey i e l do f m e t h y la m i n o m e t h a n i m i d o t h i o a t eh y d r e i o d i d ei sp r e l i m i n a r i l ys t u d i e d p r e f e r a b l e t e c h n i c a lc o n d i t i o n si ns o l v e n ta n h y d r o u se t h a n o la r eg a i n e db ys i n g l e i n g r e d i e n te x p e r i m e n t s ，w h i c ha r en ( c h 3 i ) ：n ( n h 2 c s n h 2 ) = 1 2 4 ：l ，r e a c t e df o rt w o h o u r si nr o o mt e m p e r a t u r e ，t h e nr e f l u e n c ef o ro r eh o u ra n dt h ew h o l ep r o c e s si n d a r k n e s s n 艟v i e l da c c o r d i n gt os e l e n o u r e ai s7 6 i np r e f e r a b l e t e c h n i c a l c o n d i t i o n s c o m p a r i n g th er e a c t i o ne f f e c tw i t ha d o p t i n gm e t h a n e lo rw a t e ra ss o l v e n t , a n dd r a wac o n c l u s i o nt h a tt h ee f f e c to f u s i n gm e t h a n o li sb e t t e rt h a nu s i n g a n h y d r o u s e t h a n o l o r w a t e r a ss o l v e n t ，t h ey i e l d a c c o r d i n g t os e l e n o u r e a i s u p t o8 1 i i l t h e t l l i r d s t e p s o d i u mh v d r o g e ns d e n i d ea n dm e t h y l 枷i n o m e t h a n i m i d o t h i o a t eh y d r o i o d i d e a r ea d d e dt o g e t h e rt og e ts e l e n o u r e a , n 地i n f l u e n e eo fr e a c t i o nt i m ea n d t e m p e r a t u r e o nt h ev i e l do fs e l e n o b r e ai ss t u d i e d p r e f e r a b l es y n t h e s i st e c h n i c a lc o n d i t i o b sf o r s e l e n o u r e aa r eg e t t e db ys i n g l ei n g r e d i e n te x p e r i m e n t s t h ec o n d i t i o n sa r e ：r e f l u e n c e f o r2 5h o u r si nd r ya n dn oo x y g e nc o n d i t i o n , t h e na d d i n gg l a c i a la c e t i ca c i d ，f i l t r a t i o n i nd e c o m p r e s s i o n , a n dd i s t i l l a t i o ni nt e m p e r a t u r en e a rt o2 4 a n dd e g r e eo fv a c u u r n n e a rt o1 5 m m h g c o l o u r l e s sa n da c e r a t es e l e n o u r e ac r y s t a li sa c h i e v e di nt h i sc o n d i t i o n , a n da l lw o r k sa r em a d ei nd a r k n e s s ，t o p m o s ty i e l do nt h eb a s eo f t h i o u r e ai su pt 08 1 f i n a l l y s e l e n o u l a t o g e t h e r w i t h e t h y l c h l o m a c e t a t ei su s e dt o g e t 2 一a m i n o - 2 s e l e n a z o l i n e ， k e y w o r d s ：s e l e n o u r e a , s o d i u mh y d r o g e ns e l e n i d e ，m e t h y la m i n o m e t h a n i m i d o t h i o a t e h y d r o i o d i d e ，s y n t h e s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：只b 域 签字日期： 勺z 0 0 7 年岁月砑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密() 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：陈源导师签名：学位论文作者签名：际泳导师签名： 签字日期：。2 0 0 7 年岁月z 8 日 讹佬 签字日期：沙力年f 月彩珀 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 概述 硒脲，分子式为c h 4 n 2 s e ，分子量为1 2 3 0 1 ，外观为白色或微带红色针状晶 体，常温下为固体，熔点2 1 4 2 1 5 1 1 ，硒脲可看成硫脲中的硫原子被硒原子取 代所得到的产物，是最简单的有机硒化合物。但硒脲不稳定，容易被酸、碱、水 分、重金属离子、热、光、空气、氧化剂及加工储存等因素被破坏。 硒脲是重要的有机合成中间体，是合成含硒杂环的重要起始物硒脲可用来 合成众多含硒、氮的杂环化合物，许多含硒杂环又具有生物活性，在治疗癌症方 面显示其重要的作用。例如由硒脲合成而得的l ，3 一硒唑衍生物对多种人类癌细 胞显示出潜在的抑制效果，由硒脲合成而得的喹啉一8 硒醇与金属形成的配合物具 有抗癌细胞毒素活性。随着硒脲应用研究的深入，硒脲将成为精细化工、化学制 药的重要原料，将对化工行业及相关行业产生明显的社会效益和经济效益。 迄今为止，国内对硒脲的相关研究甚少，对硒脲合成方法的研究只有在1 9 9 3 年杭州大学刘波等人有过研究，提出了自己独到的见解。我国迄今除北京化工厂 生产硒脲，一家德国公司在深圳投资生产硒脲之外，已没有其他的生产商，但国 外已有大量企业生产硒脲。目前我国硒脲的生成状况尚不能满足今后国内的需要， 更不能参与国际竞争，并且势必影响今后我国医疗事业和电子产业的发展，因而 加速硒脲的合成与应用的研究具有非常深远的意义。 1 2 硒脲的性质简介 1 2 1 硒脲的物理性质 表1 1 硒脲的物理性质 t a b l e l 1t h ep h y s i c a lc h a r a c t e r so f s e l e n o u r e a 熔点 2 1 4 2 1 5 晶体性状 白色或微带红色针状晶体 固体分解温度 2 0 0 水中分解温度 2 0 溶解性 硒脲易溶于热水，微溶于乙醇 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 2 2 硒脲的技术水平 目前，国内还没有硒脲的相关技术水平出台，国外只是说硒脲的纯度可达 9 9 或9 9 9 9 ，并没有给出具体的技术水平。 1 3 硒脲的用途 1 3 1 重要的有机合成中间体 由于硒脲分子中活泼的碳硒双键的存在，使得它可与许多化学试剂发生反应， 因此硒脲是重要的有机合成中间体，是合成含硒杂环的重要起始物。硒脲不仅可 用来合成1 ，3 硒唑衍生物、5 r - 苯甲基2 亚氨基硒唑林- 4 酮、喹啉一8 硒醇，还 可用于合成硒嘌呤、硒嘌呤核苷、2 氨基1 ，3 硒唑及衍生物、3 ，5 - - 芳基1 ，2 ， 4 硒二唑等多种含硒、氮的杂环化合物，而许多含硒杂环又具有生物活性，例如由 硒脲合成而得的2 氨基1 ，3 一硒唑衍生物在抑制肾上腺内质激素酶方面显示较好的 活性，喹啉一8 。硒醇与金属离子形成的配合物都具有很好的抗癌活性，下面主要介 绍1 ，3 硒唑衍生物、5 一r - 苯甲基2 亚氨基硒唑林4 一酮、喹啉- 8 硒醇的合成及用途。 用于合成l ，3 硒唑衍生物【2 】例如： 斯i 一生掣羹 随o “一 黔直隅+ 川0 0r 孚一飞 魄n 贞啦+ a 儿a 一蚪t a r i ，3 硒唑衍生物对革兰细菌具有很强的抵抗作用，并对很多种人类癌细胞也显 示出潜在的抑制效果，通常用于医疗和医药发展研究； 用于合成5 r 苯甲基2 亚氨基硒唑林4 酮类含硒杂环化合物，此类化合物 某些具有抗糖尿病活性【3 】o 合成方法如下： 叠q 0 眙墨扣呶叠q 旷眙垒扣呲k 可用于合成喹啉一8 硒醇，此法比以前使用硒氰酸钾更好，能大大提高目标 重庆大学硕士学位论文1 绪论 产物的产率。其合成途径如下 一一 n a o n ，q s e h n c 一 m ， 喹啉8 硒醇最突出的用途在于其与金属形成的配合物具有抗细胞毒素活性，如镉 与喹啉8 硒醇形成的配合物能有效抵抗恶性黑素瘤的细胞毒素；汞与喹啉一8 一硒醇 形成的配合物对肺纤维内瘤细胞毒素、肝恶性肿瘤细胞毒素、恶性黑素瘤细胞毒 素都显示出非常强烈的抵抗作用。另外，喹啉8 硒醇的二聚体也对肺内瘤细胞毒 素表现出抵抗作用【4 】。 1 3 2 合成z n s e 膜和c d s e 微晶 z n s e 膜可代替c d s 作为高效太阳能电池的缓冲层，由于其光敏度好，其感光 效果好，能量转化效率比c d s 更好，并且没有c d 的参与，其对环境的污染减小， 是一种环境友好材料【5 - 6 1 。 采用硒尿合成z n s e 膜方法简单，造价低廉。可直接由硒尿在碱性条件下可释 放出s e 2 + ，s e 2 与7 m 2 + 采用化学沉积法就可以得到z n s e 膜。其反应方程如下： z n ( n h 3 ) 4 2 + + n 2 i - h c s e = n h 2 c n + 4 n h 3 + z n s e + 2 1 - i * 利用碱性条件下硒尿释放出的s e 2 + ，还可合成c d s e 微晶，c d s e 微晶具有光 致发光，激发发光等性质，可在探测中用作生物标签，在分子生物学、生物细胞、 医学诊断中用于成像【7 4 】。 1 3 3 其他方面应用 硒尿还可用于电化学研究，硒脲也容易与阴离子、有机金属化合物和一些烷 烃的衍生物形成包和物，其复合能力比尿素、硫脲更好，并且硒脲对客体分子的 选择性比硫脲更多9 0 1 。另外硒脲还可用在电子产业方面；可作为分析试剂，分光 光度法测定锇等。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 4 本课题的研究意义和目的 1 4 1 本课题的研究意义 硒是人和哺乳动物必需的微量元素：是心脏代谢不可缺少的微量元素，被誉 为“生命火种”，硒存在于1 3 种以上酶中。近年来，各国科学家对硒的研究非常广 泛深入，成为微量元素代谢病研究中最热门的元素之一也使得硒元素在人及动 物机体内的功能及作用也越来越清楚，因而许多学者称硒为“生命元素”、“抗癌明 星元素”等。由此可见，硒在人和动物体内起着不可替代的重要作用。 硒化合物多种多样，可以分为无机化合物和有机化合物两类：无机硒化合物 主要有亚硒酸钠、硒酸钠、硫化硒、二硫化硒等；有机硒化合物主要有硒多糖、 硒酶、非酶硒蛋白、硒代氨基酸、硒的烷化物、硒谷胱甘肽和甲基硒酸等，近年 来研究较多的硒多糖包括硒化低聚糖、硒化卡拉胶( 硒酸酯多糖) 等；硒酶包括谷胱 甘肽过氧化物酶( g s h - p x ) 、硫氧还蛋白还原酶( t r ) 、脱碘酶( m ) 、硒磷酸合成酶 和 n i f e 氢化酶等；非酶硒蛋白包括硒蛋白p 、硒蛋白w 等；硒代氨基酸包括硒半 胱氨酸、硒蛋氨酸等。 长期以来，人们采用无机硒一亚硒酸钠作为畜禽的主要硒源添加剂，其价格 便宜。但动物对无机硒的吸收利用过程中，无机硒须先进入肝脏转化成生物硒后 才可以吸收，因而毒性大，易引起中毒。欧美许多国家己大力提倡使用有机硒， 如瑞典规定在乳猪喂养阶段必须使用有机硒，日本饲料中已禁止使用无机硒。 无机硒( 如硒酸钠) 的直接使用有许多不利因素：1 ) 对饲料厂工人的身体健康 有潜在毒性；2 ) 毒性大，动物易发生中毒；3 ) 同许多无机微量元素一样，不易被肠 道吸收，未被吸收的硒通过粪便排出，会污染环境。有机硒同无机硒相比，具有 吸收率高、生物活性强、毒性低、环境污染小等特点，因而已成为目前硒研究的 一个热点，有机硒也许是无机硒最富商业价值和实用价值的替代品。无机硒中硒 的价态是s e “、s d ”，如n a 2 s e 0 3 、n a 2 s e 0 4 、c a s e 0 3 。无机硒以氧化态存在，由肠 道被动吸收，被还原为硒化物，然后转运到肝脏合成硒蛋氨酸硒的可溶性形式， 或被转运到肾脏通过尿液排出。有机硒中硒的价态通常是以s e 2 + 价存在，或者与其 他物质结合成络合态。有机硒的基本形式为硒蛋氨酸、硒胱氨酸等，以还原态存 硒并与氨基酸结合，以主动形式吸收。但有机硒价格昂贵，生产工艺复杂。如何 降低有机硒的生产成本，简化工艺将是以后硒化学的研究热点【l ”。 若能比较简便合成硒脲，则由硒脲可非常容易地合成其他众多含硒化合物， 则可降低有机硒的生产成本，简化合成工艺，有机硒的价格便会降低，便会广泛 代替无机硒作为主要硒源添加剂，以避免无机硒添加剂所造成的众多危害。 另外，由硒脲合成的含硒化合物很多都具有生物活性或抗癌活性，从中可挑 选出新一代高效抗癌药物或其他含硒药物，我国的制药和医疗技术将飞跃发展， 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 硒脲将成为制药工业的重要原料和重要中间体，将对化工行业及相关行业产生明 显的社会效益和经济效益。 但目前我国硒脲生产企业太少，主要是由于硒脲的合成工艺还不够完善，硒 脲的简便合成研究及由硒脲合成含硒杂环化合物的研究将推动我国制药和医疗技 术飞跃发展，其产生的经济效益将十分巨大。 1 4 2 本课题的研究目的 本课题针对杭州大学刘波等人提出的制备硒脲方法，探索其关键步骤的改进， 提高硒脲收率，降低制备成本。主要研究内容如下： 改进硒氢化钠的合成方法，以提高硒氢化钠的合成效率和避免硒化氢气体 产生。 探索s 一甲基异硫脲盐的合成方法，提高s 一甲基异硫脲盐的收率。 优化硒氢化钠与s 一甲基异硫脲盐合成制备硒脲的合成条件。 5 重庆大学硕士学位论文2 硒脲的合成原理及合成方法 2 硒脲的合成原理及合成方法 2 1 硒脲合成方法理论分析 硒脲的结构为： 硒脲作为一种简单的金属有机化合物，从结构上分析可按照如下三种方法分 析以研究硒脲的合成方法： n h 2 i e c n h 一2 堕旦m 2 拍2 堕i n h 赫2 ( 2 1 ) ”_ m 2 c 2 ：= = = = 羔三n h 静m 2r ，1 、 2 0。l i a i s es o 瑚岩：生旦i 唧扣：j 戛专i l e - 嘲铲+ 型堡些挚州嘉品：并失去 一 。嘶 ( 2 2 ) s eliah5e s 6 隅舳2 盥嘲扣2 墼l 2 c n 塑必唧墨2 r 23 、 若按2 1 的方法分析，硒脲可以看成有机基团( 二氨基卡宾) 的碳原子与金属 直接键合的化合物，所以可以用二氨基卡宾和单质硒直接反应来合成硒脲，这种 方法至今无报道，主要原因是卡宾非常活泼，存在时间只有几秒钟，并很容易相 互结合生成烯。但此种方法一旦成功，硒脲的产率将很高，目前已经有人己采用 氨基卡宾合成了硒脲的衍生物【1 2 】。 若按照2 2 的方法分析，硒脲可以看成s 烃基异硫脲盐与n a h s e 、h 2 s c 、 l i a l h s e 等亲核试剂发生反应制得，目前s 烃基异硫脲盐与n a h s e 、h 2 s e 反应合 成硒脲己见报道，l i a i h s e 与s 烃基异硫脲盐合成硒脲未见报道。 若按照2 3 的方法分析，硒脲可以看n i - 1 2 c - - - n 可以被n a h s e 、h 2 s e 、l i a i h s e 等硒试剂还原生成，目前n h 2 c ；n 与h 2 s e 反应制备硒脲已见报道，氨基氰与硒氢 化钠、l i a i h s e 反应合成硒脲未见报道。但早在1 9 9 9 年青海大学化工学院曹长年 就用芳腈与硒氢化钠反应制得了芳基硒代酰胺【”】，并且产率较高。这就证明利用 氨基氰与硒氢化钠反应合成硒脲合成硒脲是可行的，但这种方法目前无报道。 6 重庆大学硕士学位论文 2 硒脲的合成原理及合成方法 2 2 硒化氢与氨基氰反应 此方法采用剧毒性硒化氢和氨基氰【1 4 】反应制备硒脲，氨基氰是一种重要的医 药化工原料和中间体，其制备方法主要有石灰氮、氨法、硫脲氧化法等多种制备 方法，其中常用制备方法石灰氮法与硫脲氧化法的制备路线如下： 石灰氮法： h 柏 c a c + 丑2 s 0 4 二_ 瓶2 循+ c a 9 0 4 硫脲氧化法： s n h 2 c n h 2 + l t g o _ n h 2 c n + h g s + h 2 0 + _ + s + h 2 0 硒化氢采用硒粉和铝粉的混合物制备硒化铝，硒化铝再与水反应制备硒化氢， 其制备路线如下： s e 呻a 1 2 s e 3 幺h 2 s e 将制得的硒化氢气体通入5 0 的氨基氰溶液中反应3 1 0 1 1 即可生成硒脲。 目前工业上普遍采用这种方法合成硒脲，但采用此方法合成硒脲的产率低， 反应时间长，硒粉的耗量大，若在实验室中采用此种方法制备硒脲，硒粉的用量 至少需要2 0 0 9 以上，并且此反应的产生的废气硒化氢和含硒脲的氨基氰废液对环 境的污染都很大。 此方法中导致硒脲产率低的原因主要有以下几个方面： 由于此方法中采用硒化氢作为硒试剂，直接通入反应体系，硒化氢气体的 利用率不高，从而导致硒脲的产率低，硒粉的耗量大。 由于此方法中采用水做溶剂。但硒脲不稳定，硒脲在水中分解温度2 0 c ， 另外硒脲容易发生n 2 1 - h c s e + h 2 0 = n 2 i - 1 4 c o + h 2 s e t 而水解；而反应温度为5 0 c ，加 热会使水解平衡向右进行，所以在生成硒脲的同时硒脲也发生了水解和分解。 此方法中氨基氰无论采用何种方法制备，都存在氨基氰的自聚问题，这必 然影响氨基氰的纯度，从而影响硒脲的产率和硒脲产品的纯度。 2 3 硒化氢和s 一甲基异硫脲盐反应 此本法中硒化氢同样采用硒粉和铝粉的混合物制备硒化铝，硒化铝再与水反 应的制备硒化氢；s 甲基异硫脲盐采用硫脲与卤代烃在乙醇中加热反应制备。以 s - 甲基异硫脲碘盐为例，其合成路线【1 5 】如图2 1 。 7 重庆大学硕士学位论文2 硒脲的合成原理及合成方法 一女阳 il _ mi 嚣佐i 巨型勰凹 图2 1 硒化氢与s 甲基异硫脲碘盐制各硒脲的合成路线 f i g2 1t h es y n t h e s i sr o u t eo f s e l e n o u r e ab yh 2 s ea n d m e t h y la m i n o m e t h a n i m i d o t h i o a t eh y d r o i o d i d 此方法采用硒化氢与s 甲基异硫脲盐发生亲核取代反应制备硒脲，但此方法 仍然采用硒化氢气体作为硒试剂，仍然存在硒化氢气体的利用率不高，硒粉耗量 大的问题。 s 甲基异硫脲盐的合成方法主要有两种：一种是用醇与硫脲在盐酸介质中加 热回流；另一种是以醇作溶剂由卤代烃与硫脲反应制备，但这些方法反应时间较 长，产率较低，且不易提纯。此方法中采用乙醇作溶剂由碘甲烷与硫脲反应制 备s 甲基异硫脲盐，反应中同样存在s 一甲基异硫脲盐产率较低， 且不易提纯的问 题，这样就会导致很多副反应的发生，从而降低硒脲的产率，影响硒脲产品的纯 度。 此方法虽然提供了一种制备硒脲的新方法，但仍然不能提高硒脲的的产率， 降低环境污染，此方法还有待改进。 2 4 硒氢化钠与s 一甲基异硫脲碘盐反应 硒化氢作为硒试剂有一定缺陷，硒的利用率不高，始终不能提高硒脲的产率， 必须采用新的硒试剂代替硒化氢。1 9 9 3 年，杭州大学化学系刘波等人首次采用硒 氢化钠作为硒试剂与s 一甲基异硫脲碘盐反应【1 5 】成功制得了硒脲。此方法中硒氢化 钠采用硒粉与硼氢化钠在乙醇溶剂中反应制备，其反应方程式如下： n a b h 4 - 4 - s c + 3 e t o h = n a h s c + b ( o c 2 h s ) 3 + 3 h 2 重庆大学硕士学位论文 2 硒脲的合成原理及合成方法 具体操作是：先将定量硒粉和硼氢化钠( n ( n a b h 4 ) ：n ( s e ) l ：1 ) 在冰浴冷 却下混合均匀，然后抽真空，通氮气，并在冰浴冷却和氮气保护下注入定量溶剂 乙醇，剧烈反应后加热回流分解掉过量硼氢化钠，即得硒氢化钠溶液；s - 甲基异硫 脲碘盐同样采用碘甲烷与硫脲在乙醇反应制备，将硒氢化钠与s 甲基异硫脲碘盐 混合加热回流反应2 h 即得硒脲的乙醇溶液，减压蒸馏即得硒脲晶体。其具体反应 路线如图2 2 。 囡相 图2 2 硒氢化钠与s 甲基异硫脲碘盐制备硒脲的合成路线 f i 9 2 2 t h es y n t h e s i s r o u t e o f s d e n o u r b y n a h s ea n d m e t h y la m i n o m e t h a n i m i d o t h i o a t eh y & o i o d i d 此方法采用硒氢化钠与s 甲基异硫脲碘盐发生亲核取代反应制备硒脲，此方 法的最大优点在于使用硒氢化钠作为硒试剂和无水乙醇作为溶剂，避免了使用剧 毒性的硒化氢气体作为硒试剂的很多缺点及硒脲在水中的水解、分解问题，所以 采用此方法制备硒脲的产率比较高，文献值约为8 0 。 但此方法使用k l a y m a n 方法制备硒氢化钠，此反应很剧烈，容易产生硒化氢 气体，强大的气流会也带出微量硒粉，使硒粉的用量增大，并污染环境，此反应 有待进一步改进。另外此方法中同样采用乙醇作溶剂由碘甲烷与硫脲反应制备s 一 甲基异硫脲碘盐，反应中同样存在s 甲基异硫脲碘盐产率较低，且不易提纯的问 题，这样就会导致很多副反应的发生，从而降低硒脲的产率，并影响硒脲产品的 纯度。 2 5 其他合成方法 硒脲可以采用碳二亚胺( c a r b o d i i i n i d e ) 和l i a l h s e h 1 6 1 反应制备，此方法引入 9 重庆大学硕士学位论文 2 硒脲的合成原理及合成方法 了一种新的硒试剂l i a l h s e h ，此方法中采用烯基膦亚胺与异氰酸酯反应制备碳二 亚胺，碳二亚胺再与l i a l h s e h 反应制备硒脲。碳二亚胺容易氧化和聚合，l i a i h s e h 同样易氧化，且不能遇水，所以这种方法对仪器设备要求很高，且制备l i a l h s e h 成本很高。 另外还可以采用氨基氰与p 2 s e s 、e t o h 和h 2 0 【l ”回流反应的方法制备硒脲， 此法中氨基氰同样可采用石灰氮、氨法、硫脲氧化法制备。将制备好氨基氰与p 2 s e s ， e t o h 和h 2 0 加热回流反应，即可制得硒脲，此法的反应实质是h 2 0 与p 2 s e 5 反 应产生硒化氢气体，硒化氢与氨基氰反应制备硒脲，此方法中同样存在硒脲遇水 水解和分解的问题，所以此方法制备的硒脲产率同样不高，大概在3 7 左右。 2 6 本文拟采用的合成方法 综合考虑各方面因素，本课题拟采用硒氢化钠与s 甲基异硫脲盐反应制备硒 脲，硒氢化钠仍然k l a y m a n 方法制各，s - 甲基异硫脲盐采用碘甲烷与硫脲反应制 备。研究中采用改变k l a y m a n 方法中溶剂无水乙醇的加入方式和反应的温度，以 降低反应的剧烈程度，避免硒化氢气体的放出和硒粉被气流带出；为了提高s 一甲 基异硫脲盐的产率和纯度，本实验拟从改变反应的溶剂和反应的时间来着手研究。 l o 重庆大学硕士学位论文3 硒氢化钠的合成与优化 3 硒氢化钠的合成与优化 3 1 主要原料和试剂 表3 1 主要原料和试剂 t a b l e3 1m o s t l ym a t e r i a la n dr e a g e n t 原料和试剂产地和等级 硒粉重庆冶炼厂( 9 9 5 ) 硼氢化钠上海申宇医药化工有限公司( c p ) 无水乙醇重庆川东化工有限公司( a r ) 工业氮气重庆市创亿气体有限公司 3 2 实验装置及实验操作步骤 3 2 1 实验装置 乙醇滴加与乙醇注入法实验装置 该实验装置用于探索硒氢化钠的改进条件，d l s b 循环冷却系统用于设置反应 的温度，1 0 氢氧化纳溶液用于吸收硒化氢气体，醋酸铅溶液用于检验硒化氢是否 吸收完毕。 罩重i 鳓环1 0 h a o h l 亭p h _ e 冷龆襞置中 擂疆 霉掖 图3 1 乙醇滴加与乙醇注入法实验装置图 f i g3 1e x p e r i m e n t e q u i p m e n t f o r e t h a n o l d r i p p i l l g o r p o u r 乙醇冷却法与乙醇冷却法加料实验装置 该实验装置用于探索乙醇冷却法的改进条件，d l s b 循环冷却系统用于设置 反应的温度，1 0 氢氧化纳溶液用于吸收硒化氢气体，图中醋酸铅溶液用于检验硒 重庆大学硕士学位论文3 硒氢化钠的合成与优化 化氢是否吸收完毕或是否放出硒化氢气体。 图3 2 乙醇冷却法实验装置图 f i g3 2e x p e r i m e n te q u i p m e n tf o r e t h a n o lc o o l i n g 图3 3 乙醇冷却法加料装置图 f i g3 3e x p e r i m e n te q u i p m e n t f o ra d d i n g n a b h i ne t h a n o lc o o l i n gm e t h o d 3 2 2 实验操作步骤 乙醇注入和乙醇滴加法操作步骤 1 ) 按3 2 1 所示装置图选取所需实验装置3 1 ，并连接好装置图，先称取定量 的硒粉和硼氢化钠于圆底烧瓶中，在冰浴或d l s b 冷却下混合均匀。 2 ) 抽真空，通氮气多次。 3 ) 滴加或注入无水乙醇 4 1 待剧烈反应结束后，加热回流分解掉过量的硼氢化钠，即得硒氢化钠近无 色清夜。 乙醇冷却法操作步骤 1 ) 按3 2 1 所示装置图选取所需实验装置图3 2 或3 3 ，并连接好装置图，加 入磁力搅拌子，先量取定量无水乙醇于圆底烧瓶中，并抽真空，通氮气多次 2 ) 将圆底烧瓶浸入d l s b 循环冷却液中冷却冷却到所需温度后，先加入定量 硼氢化钠，再加入定量硒粉。硼氢化钠可一次加入，也可分两次加入。 3 1 反应中不断提出搅拌至反应结束。 4 ) 待反应结束后，加热回流分解掉过量的硼氢化钠，即得硒氢化钠的近无色 清液。 重庆大学硕士学位论文3 硒氢化钠的合成与优化 3 3 分析方法 3 3 1 根据反应产物颜色判定 本反应结束后所得的产物是混合物，并且因为硒氢化钠极易被氧化，在实验 室现有的条件下，根本不可能分离提纯出目的产物。但大量文献资料表明，硒粉 与硼氢化钠在质子溶剂中反应，其生成物只与两者的物质的量比有关，其结果见 表3 2 。 表3 2 硼氢化钠与硒粉的配比与产物的关系表 1 8 - 1 9 1 t a b l e3 2t h er e l a t i o n gs h i pb c t w o e l lp r o d u c t sa n dt h er a t i oo f n ( n a b h 4 ) a n dn ( s e ) n ( n a b h 4 ) ：n ( s e 、 2 ：35 ：6l ：l 生成的物质n a 2 s e 4 n a 2 s c z ：n a h s e ( 1 ：3 ) n a r i s e 生成物颜色棕红色浅红棕色近无色 所以可以通过观察生成物的颜色来判断是否生成了硒氢化钠，若生成物为为近 无色，则证明生成的是硒氢化钠。 3 3 2 根据硒脲的生成来判定 硼氢化钠与硒粉在乙醇中反应生成硒氢化钠的化学方程式如下： n a b i - 4 + s e + 3 e t o h = n a h s e + b ( o c 2 h 5 ) 3 + 3 h 2 产生的硒氢化钠可进一步与s 一甲基异硫脲碘盐反应生成硒脲，反应中产生的 氢气可通过爆鸣实验来检验，b ( o c 2 h 5 ) 3 遇水或水蒸气反应放出有毒的或易燃的气 体。 所以可以通过反应最终生成产物硒脲，并辅于氢气爆鸣、析出硒脲的余液中 含有的b ( o c 2 h 5 ) 3 遇水反应产生气泡来判定生成了硒氢化钠。 3 4 实验结果与讨论 3 4 1 乙醇加料方式的选择 本反应采用乙醇作为溶剂与反应物，乙醇的加入方式有三种：乙醇注入、乙 醇滴加、乙醇一次性加入( 乙醇冷却法) ，下面分别讨论乙醇注入、乙醇滴加和乙 醇冷却法三种加入方式对反应结果的影响。 乙醇滴加 溶剂无水乙醇用量都相同，在冰浴冷却，乙醇加入方式采用滴加的情况下， 改变硼氢化钠与硒粉的物质的量比，直至反应液为为无色为止，所得实验结果见 表3 3 。 重庆大学硕士学位论文3 硒氢化钠的合成与优化 表3 3 乙醇滴加反应结果 t a b l e3 3r e s u l t so f e t h a n o ld r i p p i n g n f n a b ) h ) ：n ( s c ) 1 2 5 ：11 6 7 ：l1 8 8 ：12 0 9 ：1 有无硒化氢放出少量少量 少量 少量 何种物质过量 硒粉过量硒粉过量 硒粉过量 硒粉过量 棕红色( 有白棕红色( 有白红棕色( 有白红棕色( 有白 反应液体的颜色 色悬浮物)色悬浮物)色悬浮物)色悬浮物) 从上表3 3 可以看出，乙醇滴加法消耗硼氢化钠的量很大，远远大于理论上的 n f n a s i - 1 4 ) ：n ( s e ) = l ：l ，当n f n a b h 4 ) ：n ( s e ) = 2 0 9 ：1 时，硒粉仍然不能反应完全， 并且反应中有白色悬浮物产生，不利于反应的进行。出现这种情况的原因在于硼 氢化钠与硒的反应是一个剧烈的放热反应，且两种固体混合反应为非均相反应， 当乙醇滴入时，硒粉与硼氢化钠剧烈反应而放出大量的热，硼氢化钠遇热和乙醇 分解加快，并且由于硒粉与硼氢化钠的反应速率大于乙醇的滴加速度，导致反应 物乙醇开始不足，硼氢化钠来不及与硒粉反应就分解了，从而导致硼氢化钠耗量 过大，具体表现在上述反应产物中均有白色悬浮物产生。由此造成硒粉与硼氢化 钠的浪费，降低了硒氢化钠的产率。 反应液呈现红棕色并不是说反应中没有生成硒氢化钠，只是生成的量比较少。 混合物呈红棕色是应为生反应 2 s e + 2 n a b h 4 + 6 c 2 h s o h = n a 2 s e 2 + 2 b ( o c 2 h 5 ) 3 + 7 h 2 当硼氢化钠过量时，过量的硼氢化钠会与n a 2 s e 2 反应生成n a h s e ，但反应中由于 硒粉始终过量，所以反应液始终为红棕色。但若加入过量的硼氢化钠，比如调整 硼氢化钠与硒的物质的量比为2 5 ：1 ，反应液可能会接近无色，生成的全部是硒 氢化钠。 乙醇注入( k l a y m a n 法) 早在1 9 7 3 年k l a y m a n 提出此方法后，目前普遍采用此方法合成硒氢化钠。本 实验仿照k l a y m a n 法，采用的溶剂无水乙醇用量都与k l a y m a n 法相同，在冰浴冷 却，乙醇加入方式采用注入的情况下，改变硼氢化钠与硒粉的物质的量比，直至 反应液为为无色为止。本实验所得结果见表3 4 。 对比表3 4 与表3 3 可知：在相同条件下，虽然乙醇注入法中放出硒化氢气体 比乙醇滴加法中大大增多，但乙醇注入法比乙醇滴加法总体反应效果好，硒氢化 钠的产率比乙醇滴加法要高，消耗的硼氢化钠的物质的量也降低了。但实验中发 现k l a y m a n 法具有如下缺点： 1 4 重庆大学硕士学位论文 3 硒氢化钠的合成与优化 表3 4k l a y m a n 法反应结果 t a b l e3 4r e s u l t so fk 1 a y m a nm e t h o d n ( n a b h ) ：n ( s e ) 1 2 5 ：l1 6 7 ：l1 8 8 ：l 2 0 9 ：l 有无硒化氢放出大量大量大量大量 回收到硒粉的质量惶 o 1 2 0 1 3 0 1 l0 1 0 何种物质过量 硒粉过量硒粉过量硒粉过量n a b 出量 反应液体的颜色红棕色红棕色浅红色无色 1 ) k l a y m a n 法反应很剧烈且放热，虽然有冰浴冷却，但在注入乙醇时仍可观 察到大量白雾产生，乙醇也会发生回流。 2 1 剧烈反应产生的大量氢气会带出微量硒粉，反应中也会放出大量剧毒难闻 的硒化氢气体，实验中用1 0 氢氧化钠溶液吸收产生的硒化氢气体，称量并计算 硒的损失率高达5 左右。 3 1 由于硒的损失率大，硒氢化钠的产率降低。 4 ) 此反应为放热反应，反应初期温度的陡然升高会导致硼氢化钠分解，所以 反应中一般