1、 本科 毕业设计 （ 20 届） N-乙基哌嗪 +醇二元体系体积性质研究 所在学院 专业班级 化学工程与工艺 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要： N-乙基哌嗪是重要的医药中间体和精细化工原料。 采用比重瓶分别测定 甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇和异丁醇与 N-乙基哌 嗪组成的二元体系在 293.15K、 298.15K、 303.15K下的密度，并计算体系的过量体积， 从分子相互作用角度讨论这些二元体系性质的变化规律，为N-乙基哌嗪的开发和研究提供基础数据和信息。 关键词 : N-乙基哌嗪；比重瓶法；体积性质II Abstract: N-ethyl pipera
2、zine is important pharmaceutical intermediates fine chemicals material,and the salt generated by piperazine and acid is widely used. This paper has measured the density of the binary system componented by methanol, ethanol, n-propyl alcohol, propanol, butanol, isobutanol and N-ethyl piperazine at 29
3、3.15k,298.15k,303.15k temperatures,calculated the excessive nature of the system,discussed the changes in the nature of the law from the perspective of interactions of molecular,and it will provide basic data and information for the development of N-ethyl piperazine. Keywords： N-ethyl piperazine ; P
4、harmaceutical Intermediates method; Volume properties 目 录 摘要 . Abstract. 1 绪论 . (1) 1.1 引言 . (1) 1.2 文献总结 . (2) 1.2.1 N-乙基 哌嗪的性质 . (2) 1.2.2 嗪的几种合成方法 . . (2) 1.2.3 相关研究的最新成果及动态 . (2) 1.2.4 课题的研究内容 . (3) 1.2.5 研究方法、技术路线及难点 . (3) 2 实验部分 . (6) 2.1 实验药品 . (6) 2.2 实验仪器 . (6) 2.3 实验原理 . (6) 2.4 实验步骤 . (7)
5、 3 结果与分析 . (8) 3.1 数据处理 . (8) 3.1.1 甲醇 +N-乙基哌嗪体系 . (8) 3.1.2 乙醇 +N-乙基哌嗪体系 . (9) 3.1.3 正丙醇 +N-乙基哌嗪体系 . (10) 3.1.4 异丙醇 +N-乙基哌嗪体系 . (11) 3.1.5 正丁醇 +N-乙基哌嗪体系 . (12) 3.1.6 异丁醇 +N-乙基哌嗪体系 . (13) 3.2 过量性质 . (14) 3.2.1 二元体系的超额摩尔体积和组分的超额偏摩尔体积 . (14) 3.2.2 二元体系中组分的表观摩尔体积和偏摩尔体积 . (14) 3.3 结果与讨论 . (15) 3.3.1 六个二
6、元混合溶液在不同温度下的摩尔体积与超额摩尔体积 . (15) 3.3.2 以甲醇和 N-乙基哌嗪在 298.15K为例 . (20) 3.4 醇 (1)+N-乙基哌嗪 (2)二元体系中组分的表观摩尔体积和偏摩尔体积 . (21) 4 结论 . (25) 参考文献 .（ 26） 致谢 .（ 28） 1 1 绪论 1.1 引言 哌嗪系列是重要的医药中间体和精细化工原料 ,哌嗪与有机酸或无机酸生成的盐广泛用作人和动物的驱虫剂，有机酸盐主要用于人体药物，而无机酸盐则多作为兽药。哌嗪主要用途是用作医药中间体，用于生产氟哌酸、吡嗪酸、驱虫药磷哌嗪、枸酸嗪，以及氟奋乃静、强痛定、利福平等药物 1。例如， 盐
7、酸西替利嗪（ cetirizne hydrochloride）为第二代 H受体拮抗剂，为长效的选择性口服强效抗变态反应药，临床广泛用于呼吸系统、皮肤和眼部过敏性疾病 2。 哌嗪衍生物中的 N-甲基哌嗪、 N-乙基哌嗪、 2-N-甲基哌嗪等，也在制药、表面活性剂、合成纤维中有广泛应用。此外，哌嗪还可作为橡胶硫化剂、抗氧剂、防腐剂、表面活性剂、合成树脂、合成纤维、合成皮革等的原料，用途极为广泛。近年来，随着我国医药工业和精细化工的迅速发展，对哌嗪及其衍生物的需求量急剧上升；但另一方面国内哌嗪的开发尚处于起步阶段，生产规模小、技术落后，产不足需。开发哌嗪产品前景大好。 哌嗪系列有着巨大的发展前景，
8、90年代初起，无水哌嗪的市场需求由于医药工业喹诺酮类生产和需求的增加以每年千吨的速度 递增，至目前，仅浙江民生、新吕两家生产需要每年用量就达2000多吨，并且每年都有新的喹诺酮类抗生素投入市场。因此，无水哌嗪的合成技术起步晚，远远跟不上市场需要，产品质量也远远达不到要求，目前国内仅有少量六水哌嗪供应其哌嗪含量仅44.4%。而从 2000年福州、杭州、上海三次全国医药原料药，中间体定货会上获解释，至今国内市场国产无水哌嗪还无货可供。这严重影响了一些药物的生产，并且国家每年要花费巨大外汇从国外进口。因此，无水哌嗪的投产，有重要的生产价值与市场价值。 N-乙基哌嗪具有独特的结构和生物活性 , 使它可
9、以 作为生化模型分子 , 它也可以通过环上的氮原子与金属表面键合 , 有效地抑制金属在水或醇溶液中的腐蚀。 N-乙基哌嗪易与水、醇类等溶剂互溶 , 研究它与水、醇类组成的体系的体积性质、相平衡性质对于深入了解 N-乙基哌嗪的热力学特征以及上述相关的开发研究都有理论意义和实用价值 . 3 综上可知，哌嗪系列是一些非常重要的化合物，并有巨大的发展前景，所以，研究它的一些重要性质具有极其重大的意义，本实验便用来研究 N-乙基哌嗪 +醇二元体系的体积性质，以便更好的认识它，使其更加深入广泛的应用于各种生产之中。 2 1.2 文献综述 1.2.1 N-乙基 哌嗪的性质 N-乙基哌嗪 子式 C6H14N2
10、,， 分子量 114.19，熔点 -60，沸点157，闪点 47，相对密度 0.895，折光率 1.468-1.47， 常温下为 无色透明液体，有强烈胺味，在高温下易氧化而变色，易溶于水、醇类等溶剂。 研究它与水、醇类组成体系的体积性质、平衡性质、粘度性质、表面张力性质对于深入了解 N-乙基哌嗪的热学特征以及上述相关的开发研究都有重要的理论意和实用价值 3， 4。 1.2.2 N-乙基哌嗪的几种合成方法 目前国内 N-乙基哌嗪的合成按起始原料的不同分为两大类：一类 以哌嗪为原料，哌嗪与烷化剂如卤代烷、醇、酯、醛一甲酸结合体等进行烷基化反应，烷化反应能力与烷化剂的选择、反应条件密切有关。取代烷基
11、化是应用最广泛的烷基化工艺。上述反应过程，操作难控、稳定性差、三废处理困难。另一类是以二乙醇胺为原料，与氨、氢在一定的工艺条件下反应可以得到少量的N-乙基哌嗪。但此合成方法副反应多，后处理工作量大。 5， 6 苏海鹏 7 以分析纯 95乙醇和无水哌嗪为原料在低压条件下气固相法催化合成 N-乙基哌嗪工艺路线是可行的，所确定的最佳工艺条件为：原料液浓度 30 (质量分数 )，反应温度 280 ，反应空速为 0.00481 mol.g-1.hr-1,系统氢压 0.6MPa。在此工艺条件下，哌嗪转化率为 74.94， N-乙基哌嗪选择性为 43.75，三乙烯二胺选择性 34.82。采用的工艺路线合理，
12、条件温和，控制、操作稳定；实验用原料易得，成本低，对环境无污染；副产物少，且可回收利用；实验过程无三废排放。但是哌嗪的转化率还有待进一步提高，以满足工业化的要求；可以试验在铜基催化剂的基础上用其它金属离子再行改性，以进一步提高催化剂的活性，提高目标产物的收率。 彭立等 8提出以哌嗪为原料，溴化烷为烷化剂 ，液相反应制备 N-乙基哌嗪合成路线，此方法具有反应条件温和，设备简单，操作方便，产品收率高，反应溶剂可循环使用等优点。虽然反应产物 存在溴化钠，增加后处理的工序，但可得到由实用价值的副产品。为抑制或减少 N,N -乙基哌嗪的生成，实验得出的最佳反应条件为 n(C4H10N2):n(C2H5B
13、r2)=3.0:1.0 ，反应温度为 80100，反应时间为 4h，产品收率可达 90% 以上。精馏分离中， N,N -乙基哌嗪与水形成最低温度恒沸物与 100前先分离。产品的质量分数可达 99% 以上。 3 程国侯 ,卓超 9以哌嗪 水溶液与溴乙烷反应合成 N-乙基哌嗪，哌嗪与溴乙烷摩尔比控制与 5:1，副产物 N,N -乙基哌嗪含量低于 5% ，过量哌嗪可回收利用。而且可以以共沸精馏方法简便的分离N,N -乙基哌嗪与 N-乙基哌嗪，此方法适宜于工业生产。 1.2.3 相关研究的最新成果及动态 陈树大等 10关于乙醇 +N-甲基哌嗪二元体系体积性质的研究取得了显著成果，实 测定了甲醇 、乙醇
14、 、 正丙醇 、 异丙醇 、 正丁醇和异丁醇与 N-甲基哌嗪组成的 6个二元体系在不同组成和 298.15K下的密度 ， 计算了醇 +N-甲基哌嗪二元体系的超额摩尔体积 、 组分的表观摩尔 体积和偏摩尔体积等重要体积性质 。指出 该体系的超额摩尔体积在全浓度范围均为负值 ， 极小值出现在 x1 0.61 0.65范围内的富醇区 ， 主要是由于醇与 N-甲基哌嗪分子间发生 强烈的交叉缔合所致 。 。 1.2.4 课题的研究内容 分别测定甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇和异丁醇与 N-乙基哌嗪组成的二元体系在一定温度下密度，并计算体系的体积性质和过量性质，从分子相互作用角度讨论这些二元体系性质的
15、变化规律，为 N-乙基哌嗪的开发和研究提供基础数据和信息。 1.2.5 研究方法、技术路线及难点 本实验主要是测 N-乙基哌嗪 +醇二元体系在一定温度下的密度，液体密度常用的测定方法有比重瓶法、浮力法、振动管密度计法以及振动丝粘度密度仪法 10。 比重瓶和 液体比重计 曾经是最常用的密度测量工具；但是随着对测量要求的不断提高，快速测量和精确测量成为分析人员面临的不可逾越的难题。 下面介绍几种密度测定方法。 （ 1） 比重瓶法 10 密度瓶有各种各样形状和规格，常用的密度瓶容量为 25ml、 10ml、 5ml，一般为球形，比较准确的是附有特制温度计、带磨口帽的小 支管的密度瓶。 测定原理： 2
16、0时分别测定充满同一密度瓶的水及试样的质量，由水的质量可确定密度瓶的容积即试样的体积，根据试样的质量及体积即可求其密度。 试样密度按下式计算： =Vm 又 V=m 水 / 0 则 =m 样 0/m 水 式中 m 样 20时充满密度瓶的试样表观质量， g； m 水 20时充满密度瓶的蒸馏水表现质量， g； 4 0 20时蒸馏水的密度， g.cm-3, 0=0.99820g.cm-3。 密度瓶法测密度要求平行测定两次结果差值小于 0.0005取其平均值。此法是测定密度最常用的方法，但不适用于易挥发液体密度的测定。 （ 2）浮力法 11 本法依据阿基米德原理，当物体全部浸入液体时，物体所减轻的质量，
17、等于物体所排开液体的质量。这种方法比较简单、快速，但准确率较低。适用于工业生产上大量液体密度的测定。因此， 20时，分别测量同一物体在水及试样中的浮力。由于浮锤排开水和试样的体积相同，所以，根据水 的密度和浮锤在水及试样中的浮力即可算出试样的密度。 浮锤排开水或试样的体积相等。 即 m 水 / 0 =m 样 / 试样的密度 =m 样 0 / m 水 式中 试样在 20时的密度， g.cm-3； m 样 浮锤浮于试样中时的浮力（骑码）读数， g； m 水 浮锤浮于水时的浮力（骑码）读数， g； 0 20蒸馏水的密度， 0=0.99820g.cm-3。 （ 3）振动管密度计法 10 振动管密度计测
18、物质密度的原理是依据物质分子的振动频率。每种物质都有其特征的分子振动频率，将振动频率反映在振动周期上，不同的物质其分子振动周期不同。在一定温度下，通过选择两种已知密度的物质作为标准，测定其振动周期，得出此温度下的仪器常熟，再测定待测物质的振动周期，从而计算出待测物质的密度。若 1， 2 分别表示一定温度下两种已知物质的已知密度，仪器测定其振动周期为 T1,T2，则仪器常数 K=( 1- 2)/(T12-T22),再测得待测物质的振动周期 T，则待测物质在此温度下的 密度 =K (T2-T12)+ 1,或者表示为 =K (T2-T12)+ 2。 振荡管原理 的数字式密度计，可快速准确的测量液体密
19、度以及与密度相关的浓度，几乎为所有液体样品的密度测试提供了很好的解决方案，广泛应用于石化，日化，电池，饮料，石油，制药，香精香料，烟草等行业，血液研究，核工业等领域 。 振荡管振荡周期的平方与管内填充液体样品的密度成正比。 U型振荡管的设计原理正是基于此，计算公式为如下 ： 密度常 = A x P2-B用的测 定方 法有比 式中 - density (密度 )； 5 P- period (振荡周期 )； A,B-U型管常数，与 U型管的质量和体积有关系。 振荡管式数字密度计这种较先进的仪器，有很多优点：直接显示密度和浓度值， 内置参考测量池（专利技术） ， 可避免系统漂移并缩短测量时间，在 0 90 温度范围只需要进行一次校正 ；测量真密度 ， 不受空气浮力影响，不受重力影响 ； 高精确度 ， 达到 0.00001g cm-3不受人为因素影响 ； 进样量小 ， 每次只需要 0.1 1ml；测量速度快 ， 每次只需要 1 5分钟，特别适合实验室和在线测量； 自动温度补偿， 便于恒温控制 等等优点 。 （ 4）本实验采用的测量方法 本实验采用比重瓶法测定甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇和异丁醇与 N-乙基哌嗪组成的二元体系在 293.15K、 297.15K和 303.15K下的密度，用称重法配置不同组成的二元混合物，精度为 0.0001g。
