富马酸二甲酯的制备

富马酸二甲酯的制备(综述论文)摘要：本文介绍了富马酸二甲酯的性质，综述了富马酸二甲酯的各种制备方法，对比了各种方法的优缺点，从实验室条件出发，指出合成富马酸二甲酯用时较少，效率较高的方法。关键词：富马酸二甲酯合成马来酸酎甲醇富马酸DimethylfumaratePreparationAbstract:Thispaperpresentsadimethylfumaratenature,overviewofdimethylfumaratethepreparationmethods,Comparisonoftheadvantagesanddisadvantagesofvariousmethodsfromlaboratoryconditionsthatthesynthesisofdimethylfumarateusingatleast,higherefficiencyinthebestway.Keywords:dimethylfumarate;synthesis;Maleicanhydride;Methanol;Fumarate引言：富马酸二甲酯为由甲醇与富马酸或顺丁烯二酸酎、顺丁烯二酸酯化而成，简称富马酯(DMF),学名反丁烯二甲酯、别名延胡索酸二甲酯，结构式(:CHCOOCH3)2，分子式C6H8O4,是无色或白色鳞片晶体，熔点102〜105°C,常温会升华，无味，略具酯的香味，易溶于氯仿、醇、丙酮、乙酸乙酯，可溶于苯、甲苯、CCl4,微溶于水及热水中，对光稳定，在紫外线及阳光下72h基本无变化,110C热1h不分解，对热、碱、盐也有一定的稳定性。但其水溶液对热的酸、碱稳定性较差，对氧化剂、还原剂、蛋白质、纤维、脂肪、糖等有好的稳定性，对金属无腐蚀性，其水溶液pH值为6.7〜7.3，所以DMF性质稳定。富马酸二甲酯(DMF)是目前国内研究开发的一种新型防霉防腐剂，它具有良好的抑菌杀菌作用，其应用pH值范围较广(为3〜8)，可在酸性或中性条件下使用，能抑制30多种霉菌。这是一种具有高效、低毒、广谱杀菌，且成本低、价格便宜的防腐防霉剂，发展前景广阔。DMF的合成工艺已有一些报道，我们做了研究和对比，进行了反复尝试，其结果是收率低、反应时间长。因此我们做了一些改进试验，选择了混合催化剂作为催化剂，提高了富马酸合成的产率，缩短了反应时间，从而达到提高总产率的目的。富马酸二甲酯的各种合成方法的比较（一）甲醇与富马酸催化合成因用催化剂不同而工艺条件也各异。1浓H2SO4或HCl为催化剂[1]以富马酸:甲醇为1:6（mol比），浓H2SO4,与富马酸质量比为0.1：1,用二氯乙烷为溶剂，回流6h,离心分离，母液继续回流反应4h，重复上述操作，得二次结晶合并，于甲醇中重结晶，得白色晶片产品，熔点101〜102°C，产率92.5%，该产品如在水中重结晶，则为白色针状结晶。该法质量及收率都好。近来在上述配比等条件下，用微波连续辐射回流反应，在达同样质量及产品收率情况下，反应时间仅为原来的1/8〜1/10，这是由于原料的酸及醇均为极性分子，且存在同种分子及异种分子间的氢键导致分子间缔合，从而降低了反应物活性。而微波可使氢键扭曲而削弱，所以降低分子缔合性，提高反应活性。微波还可提高浓h2so4活性，所以低功率已可大大提高反应速度，加速缩短完成反应的时间，在同样设备下，生产能力可提高数倍。本法废酸可加氨制成硫酸铵肥料，从而可减少处理废酸的开支及污染。该法具有酯产率高、工艺简单等优点，但使用H2SO4或HCl作催化剂具有严重的腐蚀性，易发生副反应，并污染环境等缺点。为克服h2so4作催化剂的缺点，近年来国内外许多化学工作者都在探索更好的催化剂取代h2so4。2.硫酸锆作催化剂[6]取甲醇:富马酸为8.6:1（mol比），硫酸错：富马酸为1：10（质量比）,热回流10h，蒸去未反应甲醇，稍冷，水洗，用10%NaHCO3中和到pH值7，析出结晶，离心分离，水洗晶体，干燥得DMF。熔点102〜104°C,收率91%〜92%。该法催化剂Zr(SO4)2-nH2O成本为2万元/t,酯化过程可循环多次使用，每吨DMF所耗硫酸铝与浓H2SO4催化剂成本相近，而腐蚀性比浓H2SO4少，所以反应设备投资可减少一半，且催化剂可过滤掉，没有H2SO4污染，并且操作条件也大为改善。其甲醇循环量仅为用BF3乙醚液作催化剂的几分之一，所以甚受工厂欢迎。BF3(C2H5)O作催化剂[18]用4A分子筛脱水后甲醇与富马酸摩尔比为37:1，在BF3(C2H5)O催化剂下热回流5h(充分搅拌)、冷却结晶，离心分离、滤饼用甲醇洗涤，母液甲醇经无水处理后循环利用，得白色鳞片，熔点101〜102C，纯度99%，DMF收率94%。该法BF3(C2H5)O用量少，单耗成本低、产品纯度及收率甚好。反应时间短，生产设备利用率高，在搪瓷反应釜内反应已可，投资及卫生条件好，已在工业生产中采用。采用D72树脂作为催化剂[19]酸醇摩尔比为1：6时，D72树脂加入量为富马酸的10%(质量分率)，回流反应12h是合成富马酸二甲酯的最佳反应条件°D72催化活性高，不腐蚀设备，容易与产物分离，且可重复使用。反应合成路线如下。采用D72树脂催化剂合成富马酸二甲酯，操作简单，反应条件温和，易于控制;催化剂重复使用性能好，产率较高;对设备无腐蚀，不污染环境，具有很好的工业应用前景。D72树脂重复使用时，收率基本不变，在树脂未破碎时，重复使用收率只是略有降低这说明其重复使用性非常好，是合成富马二甲酯的良好催化剂，但反应时间较长.固体超强酸催化合成富马酸二甲酯[13]超强酸是酸强度比100%硫酸更强的酸。固体超强酸具有不腐蚀设备、不污染环境、不怕水、耐高温、反应活性高、选择性好、制造容易、在反应体系中易分离、不易中毒等优点,同时可以重复使用，因而具有一定的工业应用价值。张龙等利用固体超强酸TiO2/SO4催化合成了富马酸二甲酯，其优化反应条件是:催化剂用量为富马酸的13%，酸醇摩尔比为1:8，回流7h，产品收率达90%，分离出的催化剂重复使用10次，产品收率仍达84.16%。[12]结晶氯化铁催化合成富马酸二甲酯[14]结晶氯化铁(FeCl3・6H2O)是一种价廉易得的化合物，利用它催化合成富马酸二甲酯，腐蚀小，三废污染较轻，操作方便，有一定应用价值，其有利应用条件是:当催化剂0.8g(0.003mol)，富马酸5.8g(0.05mol)，甲醇20ml(0.50mol)，即摩尔比为0.06:1:10，回流4h得白色结晶产品，收率达61.7%。杂多酸催化合成富马酸二甲酯[15]杂多酸是由两种以上无机含氧酸缩合而成的多元酸，它不仅具有多元酸和多电子还原能力，而且其酸性和氢化还原性可以通过变换组成元素在很大范围内系统地调节。它对许多反应具有高的催化活性和选择性，并且不挥发，对热稳定、污染少、可以大大减轻对设备的腐蚀，能够再生和重复使用。利用磷钨酸催化合成了富马酸二甲酯，其优化反应条件是:当5g富马酸，10ml甲醇，1.5g磷钨酸，回流4h，然后用氢氧化钠中和得富马酸二甲酯，收率达89%。稀土化合物催化合成富马酸二甲酯[16]稀土化合物是我国易得、资源丰富的化合物，开发稀土化合物的利用很有经济价值。利用三氧化二钕(Nd2O3)催化合成了富马酸二甲酯，当15g富马酸，30ml甲醇，三氧化二钕用量为3%，回流4h，得产品收率90%[16]。或利用稀土复合固体超强酸ZrO2-La2O3/SO4成功地催化合成了富马酸二甲酯，其最佳反应条件是:当酸醇摩尔比为1：4,催化剂用量4%时85°C回流7h，趁热滤去催化剂，冷却折出晶体，过滤、重结晶后得产品，转化率为94%，纯度大于99%，催化剂重复使用6次后，转化率仍为92.7%[5]。(二)马来酸酐异构酯化法该法采用二步合成法，第一步由马来酸酎水解异构化生成富马酸，第二步由富马酸和甲醇酯化生成DMF。当马来酸酎溶解于甲醇后，大部分很快成马来酸一甲酸，加入转位剂后成富马酸一甲酯，继而被酯化成富马酸二甲酯。由于所用催化剂不同而工艺条件也各异。以HCl为主催化剂，H3PO4为助催化剂法[4]先把顺丁烯二酸酎与甲酸在HCl催化下异构化，加热搅拌70〜80°C回流，继而在H3PO4下90C酯化，反应结束后冷却结晶、过滤、洗涤、干燥，得DMF。熔点102〜104C。反应物中顺丁烯二酸酎：甲醇为1：10（mol比）,HCl20ml,H3PO435ml,DMF纯度99%，收率94%。该法产品纯度及收率较高，但催化剂具腐蚀性，在工业上有采用价值。以AlCl3为主催化剂,H3PO4为助催化剂法[11]以马来酸酎1mol，甲醇4mol，AlCl30.05mol的比例投料，于78〜80C回流搅拌，继而加H3PO40.37mol于90C酯化，反应结束后冷却结晶，用饱和NaHCO3溶液中和、过滤、洗涤、干燥，用甲醇重结晶，得结晶DMF，熔点104C，收率82%。AlCl3法比HCl法腐蚀性小，H3PO4用量少，成本低，如要熔点101〜102C的DMF，则收率为90%，适合工业化生产。此法具有原料易得、价格低廉、产品成本低的特点，适宜于工业化生产。与第一种方法相比，更重要的是富马酸的用途较广，来源有限，价格较高，而目前我国生产的马来酸酎则发展较快，出现过剩，下游产品开发不够，因此用马来酸酎制取DMF也是经济效率较好的方法。以混合催化剂为催化剂[7]马来酸酎与甲醇在混合催化剂的作用下，一步合成了富马酸二甲酯。确定了最佳工艺条件：三氯化铁0.5g，浓硫酸1.0ml，浓磷酸2.0ml，硫脲1.0g，漠化钠1.0g，马来酸酎4g及甲醇，回流反应2h，产率达88%，产品纯度大于99%。在带有回流装置的三口瓶中加入马来酸酎与甲醇，按比例分别加入几种催化剂，加热回流反应一定时间，待反应结束后，将反应物转移至蒸馏装置中，蒸出过量的甲醇，剩余物倒入烧杯中，在搅拌下，将5倍于剩余物的冰水加入烧杯中，外部用冰盐水冷却至5C左右，继续搅拌结晶，待结晶完全后抽滤分离出结晶，经洗涤、重结晶和真空干燥得到纯品DMF。该法具有操作简便、反应时间短的特点。盐酸、磷酸催化合成富马酸二甲酯以1mol(98g)顺丁烯二酸酎、10mol(320g)甲醇为原料,20ml盐酸为催化剂，32ml磷酸为助催化剂，回流反应4h，得DMF收率达94%，纯度达99%[2,3],本法原料易得，设备简单，操作方便，产品收率高，纯度高，比起单纯盐酸催化法对设备的腐蚀性稍小，能适合于工业生产。结晶氯化铁催化合成富马酸二甲酯[8]本法是利用FeCl3・6H2O催化马来酸酎与甲醇发生酯化反应生成马来酸二甲酯，再在漠存在和光照下，发生游离基异构化成富马酸二甲酯。该法操作方便，原料和催化剂易得，反应条件温和，环境污染较轻，三废排放少。三步反应连同进行，不需要分离马来酸二甲酯，是一种有价值的生产方法。其有利条件是：0.10mol(9.8g)马来酸酎，0.50mol(20ml)甲醇，0.0037mol(1.0g)催化剂，回流反应3h，再在015%Br2/CCl4存在下经红外线光照15min，产品收率58.3%，相当于平均单程收率的83%。对甲苯磺酸催化合成富马酸二甲酯[9]与结晶氯化铁一样，对甲苯磺酸同样能催化顺丁烯二酸酎与甲醇的酯化作用，再在Br2作用下光照游离基转化成富马酸二甲酸。当0.10mol(9.8甘)顺丁烯二酸酎，0.75mol(30ml)甲醇，在0.0013mol(0.25g)对甲苯磺酸作用下回流3h，再加入少量Br2/CCl4，红外灯照射15min，可得富马酸二甲酯收率70.8%，残留液再加Br2/CCl4，反复光照仍可得少量产品，经4次光照总收率可达75%以上。若按3个单程计算，平均单程收率超过90%。由于对甲苯磺酸是固体，保管、运输、使用方便,用量少，活性高，对设备的腐蚀及污染均比硫酸小，所以生产上有利用价值。树脂催化合成富马酸二甲酯[10]强酸性阳离子交换树脂是一种固体磺酸，来源容易、价廉，对设备无腐蚀性，其本身不会产生环境污染，是当前酯化反应中的优良催化剂，已用于部分酯的合成工业生产中，同样能催化顺丁烯二酸酎的酯化，然后在Br2/CCl4作用下经光照转化成富马酸二甲酯。其有利条件为:0.1mol(9.8&)顺丁烯二酸酎,0.5mol(20ml)甲醇，在1.0g树脂催化下回流5h，再在Br2/CC14作用下经红外灯光照15min，得富马酸二甲酯收率达68.1%，接近对甲苯磺酸的催化效果，而且树脂能够重复使用，活性几乎不变，是开发利用顺丁烯二酸酎合成富马酸二甲酯的有效方法，具有工业应用价值。（四）甲醇与马来酸催化合成HCl为催化剂[20]工艺过程为:加热工业马来酸及甲醇，并在搅拌下滴入浓HC1,回流30〜45min异构化成富马酸，继而加入甲醇、催化剂，带水剂，热回流3〜5h（75〜85°C），冷却结晶，离心过滤，冰水洗涤晶体，干燥得粗DMF，用甲醇重结晶得精制（干燥过）DMF，产率91%，熔点102〜104C，白色鳞片状，纯度99.75%。未重结晶DMF纯度为92.4%，产率95.1%。其投料比马来酸：HC1:甲醇（质量比）为1：2：2〜2.5，催化剂与带水剂分别为马来酸的1/5〜1/3与1/4〜1/2（质量比）为好。该法经济便宜、工艺简单、操作方便，只是盐酸有相当用量及有腐蚀性，但也适合工业上采用，且催化剂及甲醇可循环利用。（五）以糠醛为原料合成DMF[17]该法也是两步合成法，第一步是糠醛在催化剂V2O5作用下经KC1O3氧化制得富马酸，第二步是富马酸和甲醇酯化制取DMF。糠醛是利用农作物加工的副产品玉米芯、燕麦壳和甘蔗渣等为原料制得的重要有机化工原料，用途广泛。我国的糠醛生产能力达10万t/a，产品的80%〜90%供应国外市场，但近年来由于国际市场的需求下降，使糠醛生产供大于求。以糠醛为原料，经氧化酯化反应合成DMF是糠醛的深加工，消耗糠醛的途径，在糠醛出口不景气，价格下跌时，用糠醛为原料制得DMF为糠醛的深加工开辟了一条良好的途径。结束语:富马酸二甲酯在我国的研究、生产已有十多年的历史了，但由于生产技术水平一直较落后，很多问题有待进一步深入研究。我们应加大富马酸二甲酯的合成研究，尽快研究出生产成本低，催化剂腐蚀小，三废排放少，产品纯度高的新工艺和最佳催化剂。本文从实验室条件出发，选用了混合催化剂，使马来酸酎与甲醇在混合催化剂的作用下，一步合成了富马酸二甲酯，该法具有操作简便、反应时间短的，节约能源，节省设备和投资等优点。参考文献：黄永明等富马酸二甲酯的合成化学世界1989,30(3)屈丽华，刘学钢.富马酸二甲酯合成新工艺及应用.化学世界,1994,35(4):190〜192孟庆华，冀亚飞.一锅煮法合成富马酸二甲酯.徐州师范大学学报(自然科学版),1999,17(1):30〜324史好新，王忠义.反丁烯二酸的合成及其反应机理的研究.安徽师范大学学报(自然科学版),1991(1):44〜47王存德，牛岫琴，张俊桂等.富马酸二甲酯的合成研究.现代化工,1998,18(6):28〜29梅允福防霉剂富