1,3-二甲基脲
[CAS 96-31-1]

基本信息

• 产品分类: 有机原料 >> 烷基脲类及其衍生物和盐
• 产品名称: 1,3-二甲基脲
• 英文名: 1,3-Dimethylurea
• 别名: N,N'-Dimethylurea
• 分子式: C₃H₈N₂O
• 分子量: 88.11
• CAS 登录号: 96-31-1
• EC 号码: 202-498-7
• 分子行输入简码SMILES: CNC(=O)NC

物理化学性质

• 密度: 0.9±0.1 g/cm³ 计算值^*, 1.14 g/mL (实验值)
• 熔点: 101 - 104 °C (实验值)
• 沸点: 269.0 °C 760 mmHg (计算值)^*, 268 - 270 °C (实验值)
• 闪点: 124.3±18.9 °C (计算值)^*, 157 °C (实验值)
• 溶解度: 水: 765 g/L (21.5 °C) (实验值)
• 折射率: 1.414 (计算值)^*

^* 使用计算机软件 Advanced Chemistry Development (ACD/Labs) Software.

安全数据

• 危险品标志: GHS08 警告
• 危害标签: H373
• 防护标签: P501-P260-P314

危害分类

危害	分类	类别码	危害标签
特定目标器官毒性—重复接触	STOT RE	2	H373
生殖毒性	Repr.	2	H361

chemBlink 化学品故事

1,3-二甲基脲（CAS 96-31-1）是一种对称取代的脲类化合物，主要作为有机合成中间体和反应试剂使用，也称为 N,N'-二甲基脲或对称二甲基脲。其分子式为 C₃H₈N₂O，分子量为 88.11，结构可以写成 CH₃NHCONHCH₃。

它可以看成尿素 NH₂CONH₂的两个氮原子各有一个氢被甲基取代后的产物。

这个变化看起来很小，却使 1,3-二甲基脲获得了很有价值的合成用途。

两个甲基以对称方式分别连接在两个氮原子上。当这个脲结构进一步被改造成含氮环时，这两个甲基可以随着原来的氮原子一起进入新的环状结构。

这种特点在咖啡因和茶碱的经典合成化学中表现得非常清楚。

咖啡因和茶碱都属于甲基黄嘌呤类化合物。它们具有多个氮原子组成的稠合杂环，看起来比 1,3-二甲基脲复杂得多。

但是，这些复杂含氮环上的一部分甲基取代方式，可以在构建环系以前就通过简单的二甲基脲原料预先确定。

经济合作与发展组织的化学品评估资料明确记录，对称的 N,N'-二甲基脲可以通过经典的特劳贝方法用于咖啡因合成，同时也是茶碱、咖啡因等药物的合成中间体。

这种经典方法的基本思想，是先利用取代脲建立一个含氮六元环中间体，再继续增加新的碳氮键，最终构建更加复杂的稠合含氮环系。

1,3-二甲基脲可以制备一个重要的 1,3-二甲基-6-氨基尿嘧啶中间体。

公开文献记载，可以让 1,3-二甲基脲与氰乙酸和乙酸酐反应形成这个化合物。

在这个过程中，一个非常简单的开链脲衍生物已经变成了含有多个氮原子和羰基的六元杂环。

但是，原来两个氮上的甲基仍然保留下来。

它们并不是等到复杂环系形成以后才随机添加的。

从最初的 1,3-二甲基脲开始，这两个甲基的位置就已经确定。

因此，可以把这种合成策略理解成一种“预先编程”。

小分子原料已经提前规定了未来含氮环中一部分氮原子应该带有什么取代基。

随后，化学家再围绕这个已经安排好的含氮羰基结构建立更多碳碳键和碳氮键。

1,3-二甲基脲的用途并不限于咖啡因和茶碱。

它还可以用于构建其他含氮杂环，特别是嘧啶类结构。

例如，它能够参加三组分成环反应。

在这类反应中，脲类化合物、醛和另一种羰基化合物可以共同形成二氢嘧啶环。

如果使用普通尿素，得到的是一种氮取代方式；如果换成 1,3-二甲基脲，那么原料中两个氮上的甲基也会被带入新形成的杂环结构。

这再次说明，简单原料中的取代基实际上可以成为未来复杂分子的结构信息。

1,3-二甲基脲还有一个完全不同的用途：帮助研究尿素与甲醛之间复杂的工业化学反应。

尿素-甲醛化学在胶黏剂和树脂材料中非常重要，特别是各种木材制品使用的树脂体系。

但是，真正的尿素与甲醛反应非常复杂。

尿素具有多个可以继续反应的位置，反应过程中会出现许多羟甲基化、缩合和交联过程，最终形成聚合结构。

为了弄清这些复杂反应中的基本步骤，研究人员使用 1,3-二甲基脲建立一个简化模型。

2016 年发表的一项研究利用定量在线核磁共振技术，系统研究 1,3-二甲基脲与甲醛之间的平衡和反应动力学，并明确把这个体系作为工业尿素-甲醛体系的模型。

两个甲基在这里发挥了非常特别的作用。

它们占据了尿素原本可以继续反应的两个位置。

因此，一部分复杂反应路线被人为关闭。

研究人员就可以更清楚地观察剩余位置怎样发生羟甲基化、形成半缩甲醛，以及怎样进一步形成亚甲基桥和醚桥。

真正的尿素-甲醛体系最终可以形成复杂聚合物。

1,3-二甲基脲与甲醛的模型体系则不会继续形成这种聚合物。

这正是它作为模型的价值。

研究复杂体系时，并不一定要一开始就面对全部复杂性。

有时候，可以故意用甲基堵住几个反应位置，让某些反应无法发生，然后单独观察剩下的化学过程。

因此，在这个研究中，两个甲基好像给尿素发出了一个限制指令：

这两个位置不能再反应。

只观察其他位置会发生什么。

进入现代有机化学以后，1,3-二甲基脲又出现了一个完全不同的用途。

经典的伯奇还原是一种把芳香环部分还原的著名反应。传统方法通常使用金属钠或锂以及液氨。

这种方法非常有效，但是液氨和活泼碱金属使操作和放大生产具有明显挑战。

2019 年，研究人员在《科学》杂志报道了一种受到锂离子电池化学启发的电化学还原方法。

这个新体系利用电化学装置完成电子转移，不再依赖传统的金属钠和液氨组合。

1,3-二甲基脲在这个反应体系中作为质子来源之一使用。

这个用途与它在咖啡因合成中的身份完全不同。

在咖啡因相关合成中，它的原子可以成为最终复杂含氮环结构的一部分。

而在电化学还原中，它主要帮助提供反应所需要的氢，并不是为了把自己的碳骨架安装到最终产物中。

同一个简单小分子，因此可以承担完全不同的化学任务。

更有意思的是，这些用途跨越了完全不同的化学时代。

取代脲构建含氮杂环属于发展了一百多年的经典有机化学。

而受到锂离子电池启发的有机电化学，则代表现代合成方法重新设计传统反应的一种方向。

分子本身没有改变。

改变的是化学家希望它完成的任务。

因此，1,3-二甲基脲很好地说明了一个简单化合物为什么可以长期保持合成价值。

它整个分子只有三个碳原子。

在一种反应中，两个甲基可以预先确定未来含氮杂环的取代方式。

在另一项研究中，两个甲基又可以故意堵住尿素的部分反应位置，使复杂的甲醛反应变得容易研究。

到了现代电化学中，它又可以成为新型还原体系的一部分。

有时候，只是在尿素两个氮原子上各增加一个甲基，就足以把一个非常熟悉的小分子变成几种完全不同的化学工具。

References

1. NIST Chemistry WebBook. Urea, N,N'-dimethyl-, CAS 96-31-1.

2. OECD SIDS. 1,3-Dimethylurea, CAS 96-31-1. 咖啡因、茶碱等合成用途资料。

3. Das, S. (2010). "N,N'-Dimethyl Urea." Synlett, 2010, 1138-1139.

4. Steinhof, O.; Scherr, G.; Hasse, H. (2016). "Investigation of the reaction of 1,3-dimethylurea with formaldehyde by quantitative on-line NMR spectroscopy: a model for the urea-formaldehyde system." Magnetic Resonance in Chemistry, 54, 457-476.

5. Peters, B. K. et al. (2019). "Scalable and safe synthetic organic electroreduction inspired by Li-ion battery chemistry." Science, 363, 838-845.

6. 有关 1,3-二甲基脲参与三组分反应构建二氢嘧啶衍生物的公开研究。