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n ，n - 二甲基甘氨酸的合成与提纯研究 摘要 n ，n 二甲基甘氨酸的制备方法主要包括生物提取法和化学合成法。化 学合成中用氯乙酸与二甲胺反应得到n ，n 二甲基甘氨酸的盐酸盐存在纯 化困难的问题。本文通过改变反应原料直接合成得到n ，n 二甲基甘氨酸， 并用溶剂结晶法和电渗析法进行了提纯研究。 以氯乙酸钠与二甲胺为原料合成得到n ，n 二甲基甘氨酸和氯化钠的 混合物，通过考察反应过程中反应温度、反应时间、摩尔比对反应的影响， 确定了最佳的反应条件为：氯乙酸钠与二甲胺摩尔比为1 ：1 1 ，时间为3 h ， 温度为3 0 ；采用溶剂结晶法研究溶剂种类及用量对除盐效果的影响，确 定了以乙醇为溶剂，溶剂用量与体系物质量关系为( 2 6 0 m l n 3 3 0 m l ) m o l 除盐效果最佳；采用电渗析法进行除盐的研究，考察了操作电压、料液流 速、料液温度、盐浓度、p h 值对电渗析的影响，确定出合适的电渗析操作 条件：操作电压为3 5 v ，流速为5 c m s ，盐浓度为2 5 9 l ，p h 值为5 4 。考 察了电渗析后氯离子含量与n ，n 二甲基甘氨酸纯度的关系，确定氯离子含 量为0 0 2 时，n ，n 二甲基甘氨酸纯度可以达到9 9 。 关键词：n ，n 二甲基甘氨酸电渗析提纯合成 r e s e a r c ho ns y n t h e s i sa n dp u r i f i c a t i o no f n ， n d i m e t h y lg l y c i n e a b s t r a c t t h em a i n l yp r e p a r a t i o nm e t h o d so fn ，n - d i m e t h y lg l y c i n ea r eb i o l o g i c a le x t r a c t i o na n d c h e m i c a ls y n t h e s i s t h e r ea lep u r i f i c a t i o nd i f f i c u l ti s s u e si nc h e m i c a ls y n t h e s i sw h i c hu s e c h l o r o a c e t a t ea n dd i m e t h y l a m i n et or e a c t f o rc h a n g et h em a t e r i a l so fr e a c t i o nt h en ， n - d i m e t h y lg l y e i n ew a sg o td i r e c t l y i nt h i sa r t i c l e t h es o l v e n tc r y s t a l l i z a t i o na n d e l e c t r o d i a l y s i sw e r eu s e df o rp u r i f i c a t i o nr e s e a r c h s y n t h e s i so fu s i n gc h l o r o a c e t a t es o d i u ma n dd i m e t h y l a m i n er e a c t i o nc a ng e tam i x t u r eo f n ，n - d i m e t h y lg l y c i n ea n ds o d i u mc h l o r i d e i n s p e c t e dt h er e a c t i o no ft e m p e r a t u r e ，r e a c t i o n t i m ea n dt h er a t i oo ft h er e s p o n s et od e t e r m i n et h eb e s tc o n d i t i o n s ，f o rw h i c hw ed e t e r m i n e d t h eb e s tc o n d i t i o n s ：r a t i oo ft h er e s p o n s e1 ：1 1 ，3 h o u r , 3 0 * ( 2 i n s p e c t e dt h es o l v e n t c r y s t a l l i z a t i o no ft h es o l v e n tt y p ea n dv o l u m eo nd e s a l t i n ge f f e c t , d e t e r m i n e dt h ev o l u m eo f t h eb e s ts o l v e n te t h a n o l ( 2 6 0 m l - 3 3 0 m l ) m 0 1 u s i n ge l e c t r o d i a l y s i st or e s e a r c ht h ed e s a l t i n g ， i n s p e c t e dt h ev o l t a g e ，f l o wr a t e ，t e m p e r a t u r e ，s a l tc o n c e n t r a t i o n , p h ，w h i c ha f f e c tt h e e l e c t r o d i a l y s i s ，d e t e r m i n e dt h eb e s tc o n d i t i o n sw e r e3 5 v5 c m s ，2 5 9 l ，a n dp hn e a r l yt o5 4 i n s p e c t e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec o n t e n to fc h l o r i d ei o na n dt h ep u r i f i c a t i o no fn ， n - d i m e t h y lg l y c i n e ，d e t e r m i n e dt h ep u r i f i c a t i o no fn ，n d i m e t h y lg l y c i n ec o u l dg e tt o9 9 w h e nt h ec o n t e n to fc h l o r i d ei o nw a s0 0 2 k e yw o r d s ：n ，n - d i m e t h y lg l y c i n e ；e l e c t r o d i a l y s i s ；p u r i f i c a t i o n ；s y n t h e s i s i l 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得 的成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名 单位发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人 已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对 本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致 谢。 论文作者签名：蚤殳而碇聊年舌月2 j 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文： 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 函面时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名：丞而绳导师签名：菘辨月珊 广西大掣q 页士学位论文 n n 一二甲基甘氨酸的合成与提纯研究 第一章序言 氨基酸是食品和饲料中必须的组成部分。自二十世纪五十年代开始，氨基酸的应用 范围不断扩大，形成了一个朝气蓬勃的新兴工业体系，被称为氨基酸工业，生产技术日 新月异，品种和产量逐年增加，由于氨基酸在医疗上具有特殊的应用价值，是治疗蛋白 质代谢紊乱、蛋白质缺乏所引起的一系列疾病的主要生化药物，也是具有高度营养价值 的蛋白质补充剂，有着广泛的生化作用和临床疗效。如半胱氨酸具有治疗抗辐射和治疗 放射病的作用，天门冬氨酸治疗心脏功能衰弱有良好的效果。因此，其品种已由构成蛋 白质的二十几种发展到一百多种氨基酸衍生物，在医药工业生产中占有着重要的地位， 市场需求量日益增加。 n ，n 二甲基甘氨酸是一种内原性化合物同时也是生物体内一种非常有效的代谢酶， 由于它具有两性分子结构的特点，使其具有很多独特的功能，能够刺激b 细胞产生更高 的抗体反应并加强t 细胞和巨噬细胞的活性，可以在人体内合成游离基，促进体组织对 氧的利用，具有抗氧化和增进体液和细胞免疫反应的作用，也可以有效的加倍干扰素的 产生，且在参加生物体中代谢过程不会产生热量；将n ，n 二甲基甘氨酸与抗细胞内感 染或寄生虫病( 如疟疾) 的疫苗联合使用，则其免疫作用更明显。结构中的甲基具有转 甲基化作用，这一提供甲基的能力可以用来抵抗毒瘤或癌症，可以考虑与肿瘤相关抗原 结合用于癌症的治疗【1 1 ；n n 二甲基甘氨酸在生物体代谢中的产物或者被身体利用或者 可以从身体内安全的排除，所以无毒性。另外，由于它具有很强的吸水性，可以作为皮 肤渗透促进剂和化妆品的添加剂。由于它的这些特性研究n ，n 二甲基甘氨酸新的合成 方法和提纯方法显得更为重要。 1 1n ，n 二甲基甘氨酸的合成 n ，n 二甲基甘氨酸其在植物体中含量非常少，不适合从植物中提取，主要以化学合 成为主。目前n ，n 二甲基甘氨酸的合成法方法有如下几种： 方法一：以氯乙酸和二甲胺反应为原料制备n ，n 二甲基甘氨酸【“1 ，反应方程式如 j - - 西大掌硕士掌位论文 n n 二甲基甘氨酸的合成与提纯研究 f ： c 1 c h 2 c o o h + ( c h 3 ) 2 n h 一( c h 3 ) 2 n c h 2 c o o h + h c i 这种方法得到的是n ，n 二甲基甘氨酸的盐酸盐，无法得到纯的n ，n 二甲基甘氨酸。 方法二：用氰化钠、二甲胺、亚硫酸氢钠、甲醛反应制备n ，n 二甲基甘氨酸【5 】，反 应方程式如下： ( c h 3 ) 2 n h + n a c n + c h 2 0 + n a 2 h s 0 3 - ( c h 3 ) 2 n c h 2 c o o h + n a 2 s 0 4 这种合成方法采用了剧毒的氰化钠作为反应原料，由于氰化钠在反应中不能被完全 反应掉或水解掉，将对环境造成影响，而且收率仅为5 2 8 。 除上述合成方法外，国内外的合成方法还有c l a r k e 等人采用的在甲酸环境中甲醛与 甘氨酸反应制备n ，n 二甲基甘氨酸与一系列类似的化合物，这样合成能够得到n ，n 二甲基甘氨酸的产率为8 0 左右，但不容易从甲酸体系中得到纯净的n ，n 二甲基甘氨 酸【6 】：余红霞，郭峰等采用以甘氨酸和甲醛为原料在钯碳催化剂的存在下常压加氢的方 法合成n ，n 二甲基甘氨酸【7 1 等。 上述方法中均能得到n ，n 二甲基甘氨酸或n ，n 二甲基甘氨酸的盐，但各种方法都 存在自己的缺陷，因此有必要找到新的合成方法来改进现有的合成方法。 1 2n ，n 二甲基甘氨酸的提纯 在合成方法一中与n ，n 二甲基甘氨酸同时生成的氯化氢的脱除非常困难，因此找 到合适的提纯方法来解决这一困难将有着非常重要的意义。n ，n 二甲基甘氨酸在结构上 与甜菜碱1 8 】类似，而甜菜碱的合成中也存在脱除氯化物的问题。目前应用在甜菜碱中脱 除氯化物的方法有：离子交换树脂法【9 1 、薄层色谱法【1 0 i 、分子筛法、溶剂结晶法【l i 1 9 1 等。 根据两者的相似性可以把这些方法应用到n ，n 二甲基甘氨酸的提纯上来。 将氯化氢转化为其他的盐类氯化物可以使氯离子不再与n ，n 二甲基甘氨酸形成 盐，这有利于氯离子的脱除。用氯乙酸钠与二甲胺反应可以得到n ，n 二甲基甘氨酸与 氯化钠的混合物，这样对氯化氢的脱除就转化为对氯化钠的脱除。氯化钠的脱除方法有 很多种，高效液相色谱法( h p l c ) 2 0 1 就是其中的一种脱除氯化钠的方法，但由于该方 法仪器比较贵重、精密，仅适用于科研研究而不适用于大量生产。上面提到的溶剂结晶 法也可以用来脱除氯化钠，这种方法也是提纯、分离化合物的非常常用且有效的方法。 2 n n - 二甲墓甘氨酸的合成与提纯研究 电渗析技术作为膜技术【2 1 2 3 1 的一种在化学分离、提纯方面的应用越来越广泛，应用范围 从海水淡化到医药化工过程的分离、提纯、浓缩精制都得到了普遍应用1 2 4 引】。因此可以 把电渗析法应用到n ，n 二甲基甘氨酸提纯脱盐上。 1 2 1 溶剂结晶法 溶剂结晶法是一种非常实用的分离、提纯物质的方法，由于溶剂结晶法操作简单易 行，在提纯结晶上应用非常广泛。溶剂萃取结晶 3 2 - 3 5 】( 或溶析结晶) 就是在一定温度下， 用某种有机溶剂将待结晶无机盐溶液中的水萃取出来；也可认为是萃取剂分子进入了饱 和盐水溶液中，减小了盐在水中的溶解度，从而使盐从饱和水溶液中结晶析出。其特点 为：( 1 ) 萃取结晶是将萃取和结晶合二为一的过程，设备简单，操作方便，产品纯度高。 ( 2 ) 萃取结晶将萃取和结晶的优点结合起来，减少了平衡级的数量，过程效果增加。( 3 ) 对于许多难以分离的混合物系，如同分异构物系、共沸物系、热敏性物系等。使用传统 的精馏分离方法难以奏效，用萃取结晶的方法常常能够解决。( 4 ) 作为一个分离过程， 萃取结晶与其他分离方法( 如精馏、吸收、吸附等) 相比，能量消耗低，因为结晶热一 般仅是蒸发潜热的1 3 2 3 ，并且可以在较低的温度下进行。对设备材质要求低，操作安 全。一般没有毒气或废气逸出，有利于环保。 萃取结晶过程可认为是萃取和结晶相结合而形成的耦合分离过程。无论是应用于无 机盐还是有机物的分离，其分离机理概括起来主要分为两类：一类是通过外加萃取剂， 将溶剂萃取至萃取剂中，或者可认为是萃取剂进入溶剂中，总之是由于萃取剂与原溶剂 分子间作用力大于待分离物与溶剂问的作用力，因此造成目的产物溶解减小而结晶析 出；另一类是多 t j n 试剂，与待分分离的某一组分通过酸碱中和反应，或加合、络合等反 应生成分子间化合物，a p _ 者通过化学键等作用力相结合，生成的化合物从溶剂中析出， 从而实现了混合物的分离。萃取结晶的关键是萃取剂的选择，它对结晶设备的要求，工 艺条件的复杂性，生产成本，产品的外观及纯度有很大的影响。 萃取结晶的溶剂应满足以下条件：( 1 ) 溶剂的沸点应比结晶物质的熔点低。( 2 ) 溶 剂不能和结晶的物质发生化学反应。( 3 ) 溶剂最好是无色的，纯度要高，粘度要低。( 4 ) 溶剂的沸点不宜太低，以免溶剂的蒸发量过大，引起溶解度的变化，但也不宜过高，否 则会给溶剂的回收带来困难。( 5 ) 溶剂在操作温度下不能发生分解、氧化，最好不腐蚀 设备。( 6 ) 尽量无毒，不易燃。( 7 ) 溶剂对目的组分和非目的组分的溶解度差异尽量大。 ( 8 ) 对于醇类和其他溶剂都可以用的情况下，一般选用醇类溶剂所得的产品纯度高。 总之在结晶温度下，萃取剂分子必须与水分子有较强的相互作用，可将盐从原溶液中 3 n n - 二甲基甘氨酸的合成与提纯研究 “挤 出来。乐清华【3 6 1 等将溶析结晶法应用于二氯苯的提纯过程，王车礼【3 7 1 等则将这种 方法用于盐硝的提纯过程。王炯【3 8 】等把溶析结晶应用到铬酸钾的分离提纯，还通过对不 同溶剂浓度配比下的饱和度进行比较得出了最佳溶剂配比为乙醇水为2 0 。在n ，n 二 甲基甘氨酸合成过程中分离氯化钠的体系与上述条件类似。因此可以选择溶剂结晶的方 法对n ，n 二甲基甘氨酸进行提纯，从中除去氯化钠。 1 2 2 电渗析法 电渗析技术是膜分离技术的一种，其原理是在直流电场的作用下，以电位差为推动 力，利用离子交换膜选择透过性的性质把电解质从溶液中分离出来，从而实现溶液的淡 化、浓缩、精制或纯化。1 9 5 0 年美国学者j u d aw 试制出具有实用价值的离子交换膜和 第一台电渗析，奠定了电渗析技术的实用基础。从实验室研究到工业化生产，目前已在 我国形成一项新的技术产业。 随着电渗析技术的发展，它不仅在海水淡化、纯水及超纯水的处理上取得成功。 现在它已经被广泛的应用到化学工业废水、冶金工业废水、制浆造纸工业的废水、电镀 废水、放射性废水、制药工业的废水等废水处理方面；近年来电渗析技术又在医药化工 过程中分离、提纯、浓缩精制中得到了普遍应用【m 1 1 。在处理化学工业废水方面，雷智 平等【3 9 】利用双极膜电渗析技术成功的从氨基酸废水中将氨基酸进行了浓缩提纯，除去了 里面的杂质等无机物，不仅治理了氨基酸废水，还回收了部分氨基酸，既达到了治理废 水的目的，又提高了氨基酸的收率。与此相似的还有田冬梅，邓桂春等【删介绍了糠醛废 水治理的研究进展，其中电渗析技术在经济环保方面的优点非常明显。在处理冶金工业 废水方面汤青云、段东平【4 l 】等利用电渗析技术通过采用以硫酸为电解质的电溶法，将废 硬质合金中的钴以离子的形式从合金中游离出来，进入浓水室，剩下碳化钨的骨架或崩 裂物，这样就可以把合金分离开来。这种方法只适合合金中钴含量较高的合金。在处理 造纸废水方面，闰冰【4 2 】介绍了几种处理造纸工业废水的处理方法，其中电渗析技术的应 用既可以回收废水中的碱又可以控制废水的p h 值，且能耗较其他方法要低。陈剑峰【4 3 】 也在造纸废水的处理中分析了电渗析技术的优越性。在处理电镀废水方面，电镀废水中 常含有锌、镉、镍、铜等金属离子和氰化物等毒性较大的物质，既造成了浪费又严重污 染了环境。因此对电镀废水的处理受到了广泛关注，在处理电镀废水及回收其中的重金 属方面电渗析技术起了很大的作用i 7 】。在处理放射性废水方面，放射性废水包括很多 核工业废水和有色金属工业及同位素研究时产生的废水。这些物质不仅对人体有很大的 危害，而且对农作物及周围的环境也有很大的辐射。高永、顾平1 4 8 1 等对低浓度的放射性 4 n n - 二甲基甘氨酸的合成与提纯研究 废水进行了处理，结果证明电渗析技术在处理这些废水是可行的。在制药工业废水方面， 制药厂工业废水中含有大量的有机化合物及许多有用的物质。氨基酸就是其中的一种， 国内先前都采用离子交换树脂来脱酸，但这样很多氨基酸也会随着流失。黄胜判4 9 】对电 渗析技术在制药工业中的应用做了论述，指出电渗析在回收药物中的有效成分非常有 效。周文化、杨荣辉【5 0 】等重点介绍了，电渗析在处理制药工业废水中对环境保护的优点。 即电渗析因为能耗低，无污染、操作简单等特点体现了他绿色化学的特殊性。张永奇、 王洋1 5 1 】等采用电渗析技术来处理氨基酸废水，将氨基酸从废水中回收回来，浓水室中氨 基酸的浓度明显高出淡水室中氨基酸的浓度。此外，还有人研究利用电渗析技术进行饮 用水的杀菌消毒，电渗析技术的应用领域还在不断的拓展。 电渗析技术作为一种绿色环保的分离技术，具有许多优点，具有设备投资省，占地 面积小，节省劳动力，能耗低，洁净卫生易操作等。电渗析运行过程中，既无物态的变 化，也无相变的变化，只有少量电解质从溶剂中分离出去。电渗析相比蒸馏、反渗透、 离子交换树脂等技术有着很明显的优点，它在能耗、环境污染等方面都要优于其他几种 技术，在水处理、化学工业等方面的应用正在引起越来越多的研究者的注意。电渗析技 术本身的特点使它在化学工业应用中不仅解决了很多其他化学方法所不能解决的问题， 还在经济、环保上与现代社会的发展趋势保持了一致。虽然电渗析已经在很多领域得到 应用并取得不错的效果，但尚未有文献报道在n ，n - 二甲基甘氨酸合成实验中应用。因 此，本实验根据电渗析在其他领域的应用范例，选择尝试在实验中应用电渗析技术来脱 除氯化钠。 10 3 课题研究的内容 n ，n 二甲基甘氨酸作为一种重要的化学中间体，在多种领域都得到了应用。n ，n 一 二甲基甘氨酸的产品纯度对n ，n 二甲基甘氨酸的应用范围受到限制。如何能更有效地 改进生产工艺，提高产品纯度，为企业创造效益，同时又能减少污染和二次污染，一直 是化学工业的焦点问题。本论文针对国内外合成n ，n 二甲基甘氨酸时存在困难，采用 二甲胺与氯乙酸钠为原料合成n ，n 二甲基甘氨酸，再结合使用溶剂结晶和电渗析的方 法脱除反应后生成的盐，探讨进一步提高n ，n 二甲基甘氨酸产品质量：探讨最佳工艺 条件，研究各因素对合成及提纯n ，n 二甲基甘氨酸的影响关系，为合成n ，n 二甲基甘 5 广西大掌硕士掌位论文 n n 一二甲基甘氨酸的合成与提纯研究 氨酸工业的实际应用打下基础。 本论文根据n 。n 二甲基甘氨酸在不同溶剂中溶解度的不同采用了不同溶剂作为反 应体系进行合成研究；课题在提纯方法上采用了溶剂结晶法和电渗析法来提纯n ，n 二 甲基甘氨酸，首次将电渗析应用在n ，n 二甲基甘氨酸的提纯。主要开展如下工作。 ( 1 ) 合成方法及应用溶剂的选择：根据二甲胺的不同形态，分别选择不同的反应体系， 并由不同体系确定各自合适的反应条件。 ( 2 ) 溶剂结晶的提纯研究，根据溶剂的特点选择不同的实验条件确定最佳的溶剂用量 及操作条件。 ( 3 ) 电渗析的提纯研究，测定影响电渗析的各种影响因素，确定合适的操作条件并根 据回收率及提纯水平选择最佳的电渗析时间。 6 g - 西大掌硕士掌位论文 n n - 二甲基甘氨酸的合成与提纯研究 第二章n ，n 二甲基甘氨酸的合成 本章采用氯乙酸钠与二甲胺反应得到n ，n 二甲基甘氨酸与氯化钠的混合物。根据 二甲胺存在水溶液和高压液态两种形式，分别选择在水和乙醇两种溶液体系中合成n ， n 一二甲基甘氨酸，通过对比两种体系中的反应情况选择最佳的反应条件。 2 1 实验仪器及药品 2 1 1 实验仪器 磁力反应釜g s 1 1威海化工机械有限公司 集热式恒温磁力搅拌器浙江乐清市乐成电器厂 循环水式真空泵巩义英峪予华仪器厂 真空干燥箱z k 8 2 a 型湖北黄石市医疗器械厂 电光分析天平上海天平仪器厂 玻璃器皿若干天津玻璃仪器厂 n i c o l e tm o d c l 型傅立叶红外光谱仪 美国尼克产 u v - 1 7 0 0 型紫外光谱仪日本岛津产 2 1 2 实验药品 氯乙酸( 化学纯)石家庄同心化工厂 碳酸钠( 化学纯)上海嘉定绿源精细化工厂 二甲胺( 化学纯) 河北新化股份有限公司 乙醇( 分析纯) 天津市富宇精细化工有限公司 甲醇( 分析纯)天津市富宇精细化工有限公司 高氯酸标准溶液 实验室自己标定 冰醋酸( 分析纯)天津市富宇精细化工有限公司 结晶紫( 分析纯)北京益利精细化学品有限公司 7 广西大掌硕士掌位论文 n n 二甲基甘喜酸的合成与提纯研究 2 2 合成原理与方法 二甲胺有水溶液和高压液态两种形态，根据二甲胺的不同形态可以选择分别在水中 和乙醇两种溶剂体系中进行反应。在水溶液体系中氯化钠在水中的溶解度随温度变化很 小，而n ，n 二甲基甘氨酸在水中的溶解度很大，这不利于n ，n 二甲基甘氨酸的提纯结 晶。在乙醇溶液体系中氯化钠在乙醇中为微溶，而n ，n 二甲基甘氨酸在冷的乙醇中溶 解度较小但在热的乙醇中的溶解度很大。 2 2 1 氯乙酸钠的合成方法 常温下，在5 0 0 m l 的4 口烧瓶中加入2 0 0 m l 水然后加入0 3 m o l 氯乙酸，待其完全 溶解后，在搅拌下缓慢加入碳酸钠与氯乙酸反应至p h 值达到7 8 左右停止。 反应式：2 c 1 c h 2 c o o h + n a 2 c 0 3 - 2 c i c h 2 c o o n a + c 0 2 + h 2 0 2 2 2 常压水溶液体系n ，n 二甲基甘氨酸的合成方法 在常压水溶液体系中用氯乙酸钠与二甲胺水溶液反应合成得到n ，n 二甲基甘氨 酸。 反应式：c i c h 2 c o o n a + ( c h 3 ) 2 n h - - - ( c h 3 ) 2 n c h 2 c o o h + n a c i 待2 2 1 中得到的氯乙酸钠液体的温度降至3 0 时，搅拌，并向烧瓶中滴加二甲胺 溶液0 3 m o l ，维持温度在3 0 左右，滴加反应持续1 5 h ，完毕后继续反应1 5 h 结束。 2 2 3 高压乙醇体系n ，n 二甲基甘氨酸的合成方法 在高压乙醇体系中用氯乙酸钠与二甲胺气体反应合成得到n ，n 二甲基甘氨酸，反 应式如下： c i c h 2 c o o n a - i - ( c h 3 ) 2 n h 啼( c h 3 ) 2 n c h 2 c o o h + n a c l 将氯乙酸钠放入高压反应釜中，加入3 6 0 m l 乙醇，把高压釜封好后，开启搅拌、 接通冷却水，打开二甲胺气体阀门使二甲胺进入高压釜中进行反应。实验参考常温操作 条件下的摩尔比为l ：1 1 左右，温度维持在7 0 c 左右。 2 2 4 分析与测试方法 ( 1 ) n ，n 二甲基甘氨酸的含量的测定： n ，n 二甲基甘氨酸的合成过程中用到原料中只有二甲胺含有氮元素，反应中氯乙酸 钠与二甲胺按等摩尔比生成n 。n 二甲基甘氨酸，将反应后的液体经浓缩、脱盐、结晶 后，二甲胺很难存在于n ，n 二甲基甘氨酸的结晶体中。因此，通过高氯酸滴定的方法 来测定固体样品中氮的含量，从而可以得到n n 二甲基甘氨酸的含量。 8 广西大掌硕士掌位论文 n n 一二甲基甘氨酸的合成与提纯研究 准确称取o 1 5 0 0 9 的n ，n 一二甲基甘氨酸置于2 5 0 m l 干燥的锥形瓶中，加3 0 m l 冰 醋酸，加入2 滴结晶紫指示剂，用标定过的高氯酸标准溶液滴定至亮蓝绿色为终点，同 样的方法做空白实验。 ( 2 ) n ，n 二甲基甘氨酸的含量按下式计算。 n ，n 二甲基甘氨酸( 含量，w ) = ( v - v o ) x c m 1 0 m 式中： v - 试样消耗的高氯酸标准溶液的体积( n 儿) ； v o 空白试样消耗的高氯酸标准溶液的体积( i n l ) ； c 高氯酸标准滴定溶液浓度的准确数值( m o 儿) ； m 一试样称取的质量( g ) ： m n ，n 二甲基甘氨酸的摩尔质量( m = 1 0 3 ) ； ( 3 ) 红外测试方法： 取适量样品与光谱纯k b r 固体研磨压片进行红外光谱的测试，扫描范围为4 0 0 4 0 0 0 c m l 2 3 结果与分析 2 3 1 常压水溶液体系n ，n 二甲基甘氨酸的合成 二甲胺有水溶液和高压液态两种形态，在常压水溶液中，用二甲胺水溶液与氯乙酸 钠反应合成得到n ，n 二甲基甘氨酸和氯化钠的混合溶液，为了得到最佳的反应条件对 反应条件进行单因素实验。 ( 1 ) 反应时间对收率的影响 温度控制在3 0 ，氯乙酸钠与二甲胺的摩尔比为1 ：1 1 ，二甲胺的滴加时间为1 5 h 的条件下，不同反应时间对n ，n 二甲基甘氨酸收率的影响，其结果列于表2 1 。 9 广西大学硕士掌位论文n n 一二甲基甘氨酸的合成与提纯研究 由表2 1 中数据作图得到图2 1 ： l 234 删o l l l 血 图2 1 反应时间对收率的影响 f i g 2 1e f f e c to fr e a c t i o nt i m eo nt h ey i e l d 从表2 1 可以看出，反应时间进行3 h 后收率达到9 9 3 ，反应基本结束，可以确定 反应的时间为3 h 为宜。 ( 2 ) 二甲胺与氯乙酸钠摩尔比对收率的影响 二甲胺在水溶液中易挥发，所以选择反应原料二甲胺稍微过量，反应温度为3 0 ， 反应时间3 h ，二者合成n ，n 二甲基甘氨酸，其结果如下： l o 爨)0i!_罟g一嚣日2 广西大学硕士学位论文 n n - 二甲基甘氨酸的合成与提纯研究 表2 - 2 摩尔比对收率的影响 t a b l e2 - 2e f f e c to fm o l a rr a t i oo nt h ey i e l d 由表2 2 中数据作图得到图2 2 ： l 9 0 i 1 1 1 01 1 51 2 0 m i 盯n l l i e 图2 2 摩尔比对收率的影响 f i g 2 2e f f e c to fm o l a rr a t i o0 1 1t h ey i e l d 从图2 2 中可以看出，氯乙酸钠与二甲胺的摩尔比为1 ：1 0 5 时，反应产率即达到 9 8 5 ，当二者的摩尔比为1 ：1 1 时反应产率可以达到9 9 6 ，再增7 j 口- - 甲胺的用量对产 率没有很大影响，反而会增加物料的浪费。 ( 3 ) 反应温度对反应收率的影响 反应温度也是影响反应进行的一个重要因素。一方面温度可以改变反应的反应速 度；另一方面温度过低有可能使反应不能进行，温度过高有可能破坏正常的反应造成副 反应的发生。实验中选择氯乙酸钠与二甲胺的摩尔比为l ：1 1 ，反应时间3 h ，反应温度 零】pp景g翟譬2 广西大掌硕士掌位论文 n n - 二甲基甘氨酸的合成与提纯研究 分别为2 0 。c ，3 0 c ，4 0 c ，5 0 c ，6 0 度时的收率结果如下： 表2 3 反应温度对收率的影响 t a b l e2 - 3e f f e c to fr e a c t i o nt e m p e r a t u r eo nt h ey i e l d 由表2 3 的数据作图得到图2 - 3 ： l 8 0 3 0 4 0 t e m p e r a t m e ( ? ) 图2 - 3 反应温度对收旱的影响 f i g 2 - 3 e f f e c to f r e a c t i o nt e m p e r a t u r eo nt h ey i e l d 从图2 3 中可以看出，反应温度在3 0 c 时收率已经达到9 9 5 ，增加反应的温度对 产物的收率影响不大，所以实验温度选择在3 0 c 为宜。 ( 4 ) 红外光谱 为了确定所合成的化合物是否为目标产物对所得产品进行了红外图谱的测试，测试 1 2 ()0l菁-g甓i2 广西大掌硕士爿铒盘论文 n n 二甲墓甘氨酸的合成与提纯研究 结果如图2 - 4 所示： 薯 。 一一一 - - 一一r 一 , 1 0 f l o 3 0 0 0 2 0 o ”n u 咄_ ( c m - 1 ) 图2 4n n 二甲基甘氨酸的红外扫描图 f i g 2 - 4i rc h r o m a t o g r a mo fn ，n - d i m e t h y lg l y c i n e 从图2 - 4 中可以看出波数在3 4 2 1 附近为羟基的吸收峰； 波数在31 9 0 附近为羟基缔合的吸收峰； 波数在1 6 3 5 附近为羰基的吸收峰； 波数在1 4 0 0 附近为碳氮单键伸缩振动吸收峰； 从以上分析可以看出，物质中所含有的基团为目标化合物n ，n 二甲基甘氨酸所具 有的基团，由此可初步认定所合成的化合物为n ，n 二甲基甘氨酸。 2 3 2 高压醇溶剂体系n ，n 二甲基甘氨酸的合成 由于氯乙酸钠在醇中溶解度很低，为了使二甲胺能很好的与氯乙酸钠反应，必须使 二甲胺气体充分的溶解在醇中。因此，用醇为反应溶剂时必须使反应在加压的条件下进 行试验。 ( 1 ) 搅拌速度对反应收率的影响 为了使反应很好的进行，一方面要增加二甲胺在乙醇中的溶解度，另一方面要增加 氯乙酸钠与二甲胺的接触面积，通过搅拌的方法可以使氯乙酸钠更好的分散到乙醇中 去，所以合适搅拌速度的选择尤为重要。 氯乙酸钠0 3 m o l ，3 6 0 r a l 乙醇溶剂，压力控制在o 0 3 m p a ，温度控制在7 0 进行 1 3 广西大掌硕士掌位论文 n n 一二甲基甘氨酸的合成与提纯研究 由表2 - 4 的数据作图得到图2 5 ： l 喜 鼍 吕 l 6 0 1 0 01 5 02 0 02 3 0 0 血吨印d 【i 圳 图2 5 搅拌速度对收率的影响 f i g 2 5e f f e c to fs t i r r i n gr a t eo nt h ey i e l d 从图2 5 中可以看出，搅拌速度为2 5 0 r m i n 时，反应的收率可以达到9 9 3 ，所以 选择搅拌速度在2 5 0 r m i n 。 ( 2 ) 压力对反应收率的影响 压力增加可以增大二甲胺在乙醇中的溶解度，通过控制二甲胺通气阀控制高压釜的 压力。 氯乙酸钠0 3 m o l ，3 6 0 m l 乙醇溶剂，温度控制在7 0 c 进行实验，反应时间6 h ，搅 拌速度2 5 0 r m i n ，摩尔比为l ：1 1 ，实验结果如下： 1 4 广西大掌硕士掌位论文 n n - 二甲墓甘氨酸的合成与提纯研究 由表2 5 中数据作图得到图2 - 6 ： i o o l 0 0 20 0 30 0 4o 0 5 印溜栅e ( ，唧田 图2 - 6 压力对反应收率的影响 f i g 2 - 6e f f e ao fp r e s s u r eo nt h ey i e l d 从图2 - 6 可以看出，控制压力在o 0 2 m p a 以上均可使反应很好的进行，本实验中， 二甲胺储罐在室温条件下压力为0 0 3 m p a ，故选择控制压力在o 0 3 m p a 。 ( 3 ) 反应时间对反应收率的影响 反应时间对反应收率的影响也是非常重要的因素，反应时间过短则反应达不到较高 的收率，反应时间过常则会造成浪费，因此为了确定合适的反应时间，通过实验得到如 下数据。 氯乙酸钠0 3 m o l ，3 6 0 m l 乙醇溶剂，压力控制在o 0 3 m p a ，温度控制在7 0 进行 实验，搅拌速度为2 5 0 r m i n ，摩尔比为l ：1 1 1 5 琴)o一_暑暑案i-2 广西大掌硕士掌位论文 n n 二甲基甘氨酸的合成与提纯研究 由表2 - 6 中数据作图得到图2 7 ： l 8 0 456 地删d i n e o i ) 图2 7 反应时间对收率的影响 f i g 2 7 e f f e c to fr e a c t i o nt i m eo i lt h ey i e l d 从图2 7 中可以看出，在其他条件一定的情况下，反应进行6 h 后，反应收率可达 9 9 4 ，再延长反应时间已不能明显影响反应产率。 2 5 小结 ( 1 ) 确定了在水为溶剂的条件下，反应温度控制在3 0 ，氯乙酸钠与二甲胺的摩尔比 为l ：1 1 时，反应进行3 h 收率可以达到9 9 3 。 1 6 萼一_芒aol苗譬 n n 一二甲基甘氨酸的合成与提纯研究 ( 2 ) 确定了在乙醇为溶剂的条件下，反应温度控制在7 0 c ，氯乙酸钠与二甲胺的摩尔 比为1 ：1 1 时，反应压力0 0 3 m p a 下，搅拌速度控制在2 5 0 r m i n 时，反应进行6 h 收率即可达到9 9 4 。 ( 3 ) 通过对比两种反应体系可以看出在水中反应仅需要3 h 而在乙醇中反应需要6 h ；在 水中反应不需要压力且不需要强搅拌，操作条件要比在乙醇中简单易行。 1 7 广西大掌硕士掌位论文n n 二甲基甘氨酸的合成与提纯研究 第三章n ，n 一二甲基甘氨酸的提纯研究 本章分别采用了溶剂结晶法和电渗析法对反应中产生的氯化钠的分离进行研究，结 果表明，电渗析可以将反应中的氯化钠脱去并且n ，n 二甲基甘氨酸有不错的收率。 3 1 实验仪器及药品 3 1 1 实验仪器 d d s - 3 0 7 型电导率仪 电渗析器 p hs 2 c 数字酸度计 w r s 2 a 型微机熔点仪 电光分析天平 l cl o a t v p 型高效液相色谱仪 3 1 2 实验药品 上海宇隆仪器有限公司 国家海洋局杭州水处理技术开发中心 上海鹏顺科学仪器有限公司 上海精密科学仪器有限公司 上海天平仪器厂 日本岛津产 溶剂结晶物料和电渗析物料为实验室自制； 盐酸( 分析纯)天津市富宇精细化工有限公司 氨水( 分析纯)天津市富宇精细化工有限公司 氢氧化钠( 分析纯)天津市富宇精细化工有限公司 其他药品见2 1 2 3 2 实验与分析方法 ( 1 ) 溶剂结晶原理 向合成的低纯度的n ，n 二甲基甘氨酸溶液中加入某种溶剂，利用该溶剂对n ，n - - r v 基甘氨酸和氯化钠溶解度上的差异，使得副产品氯化钠结晶析出，达到提纯n ，n 二甲基甘氨酸的目的。 溶剂结晶法可根据不同方案选择对应的料液。以下实验中单个实验均以0 3 m o l 氯 1 8 g - 西大掌硕士掌位论文n n 二甲基甘氨酸的合成与提纯研究 乙酸钠为标准进行。 将在水溶液中反应得到的n ，n 二甲基甘氨酸溶液蒸发浓缩至接近粘稠状，过滤除 去大部分的氯化钠，滤液进行溶剂结晶试验。 ( 2 ) 电渗析原理 在直流电场作用下，离子透过离子交换膜而迁移，从而使电解质离子自溶液中部分 分离出来的过程称为电渗析。它以电场作为主要推动力引起离子定向迁移，同时通过离 子交换膜的选择性使离子从溶液中分离。当电渗析过程中电流强度过大则会在膜与液体 界面问发生水的电离生成氢离子和氢氧根离子，这种现象就称为极化现象，此时的电流 密度则称为极限电流密度。电渗析必须在极限电流密度以下运行，否则会造成设备的极 化、结垢。电渗析过程中出现的极化现象主要是指浓差极化，一旦发生极化现象，溶液 中易形成沉淀的离子在膜表面上产生沉淀，增加了膜电阻，降低了有效面积，水的电离、 旷和o h 的迁移消耗了很大一部分电流，电流效率、脱盐率也随之下降，产水量降低， 电耗增加。此外，由于极化时溶液的p h 值变化造成离子交换膜腐蚀而缩短了使用寿命。 防止极化现象最有效的方法是控制操作电流密度在阴离子和阳离子交换膜的极限电流 密度以下。因此，对阴离子和阳离子交换膜的极限电流密度的研究是非常重要的。 一般情况下，随着电渗析操作的运行，由于浓差极化和料液中某些组分在膜表面和 膜空腔内的残留、吸附越来越多，导致膜分离效果的下降，脱盐率下降。此外，由于对 料液预处理时残留的无机物和不溶物等在经过一段时间的电渗析操作后都会或多或少 的堵塞料液室和浓水室之间的隔网，使流速变慢，从而导致脱盐效率的下降。 电渗析料液预处理 将合成得到反应液进行蒸馏，蒸至大部分盐析出后，降温、结晶、过滤脱除掉结晶 析出的盐，将滤液转入干净容器内备用。 电渗析的操作方法：将n ，n 二甲基甘氨酸液体( 理论量2 0 m o i ) 加入料液室中，向脱 盐室中加入等体积的水，再向极水室中加入2 的氯化钠水溶液。准备就绪后开启电 渗析器。 1 9 广西大学硕士掌位论文 n n 二甲基甘氨酸的合成与提纯研究 极膜 电；参析工作示意图： 去料液箱去浓水箱 l- j ：】限 t l t j m 艉 识腰 r l 扳- m 魄 极水料液室旅水室料液室浓水室极水 图3 - 1 电渗析工作示意图 f i g 3 1w o r k f l o wo f t h ee l e c t r o d i a l y s i s 本实验装置采用循环操作，即料液箱中的物料进入料液室经过电渗析后被收集起来 流回料液箱，浓水箱的浓水进入浓水室经过电渗析后重新进入浓水箱进行下以循环操 作。 在多数情况下膜污染是由于对物料的处理不当造成的，这不但包括料液的处理，还 包括对浓水室所用水和极水室内所用水的洁净程度的控制。无论哪方面造成的影响都会 对膜产生不利影响，所以必须对料液及相关物料进行预处理，以使浓差极化的影响和膜 污染的程度减少到最低程度。 膜的清理目前主要采用化学清理的办法，在电渗析运行一段时间后，要对膜堆进行 清理，除去膜堆中的各种污染物。目前采用的清洗办法是，先用o 1 的盐酸清洗3 0 m i n 后用清水冲洗至p h 值6 7 之间，再用o 1 的氢氧化钠溶液清洗3 0 后再用清水冲洗至 p h 值7 - 8 之间即可。如果不能达到清理的目的，就必须将膜堆拆下来进行彻底的清洗 了。 为了确定实验中各种因素对电渗析的影响需要测定电渗析过程的脱盐率和物料的损 失率。 脱盐率和物料损失率的计算： 脱盐率：r l _ 【( c d i c d o ) c d i 1 0 0 广西大掌硕士掌位论文n n - 二甲墓甘氨酸的合成与提纯研究 其中，t l 为脱盐率：c d i ，c d o 分别为电渗析器进口、出口氯化钠浓度，单位一致。 但在实际操作过程中，为了计算和控制方便，通常将脱盐率t l 简单定义为： q = ( t d i - t d o ) t d i x 10 0 其中，t “t d o 分别为电渗析器进口、出口电导值，单位相同。 n ，n 一二甲基甘氨酸损失率：f i = ( c d 认c d o a ) c d i , a 1 0 0 其中，c d 认c d o a 为了确定电压对电渗析的影响，需要测定电渗析过程中的电流效率以及耗电量。 电流效率、耗耗电量的计算： 电流效率：e = n f n i 式中n _ 从处理室中迁移到浓水室中氯化钠的摩尔量； f 一法拉第常数，9 6 5 0 0 c m o l ： n 一实验室用膜单元数( 本实验室中n = 4 0 ) ； 卜平均电流，a ； 耗电量：w = u i x1 0 3 q 式中w 一功率，k w h l ； u 一操作电压，v