综述富马酸二甲酯的制备

华南师范大学实验 学生姓名：王桂珊 学号：20072401138 专业：化学 年级、班级：07化4 课程名称：有机化学实验 实验项目：富马酸二甲酯的制备（综述论文） 实验类型 ： 实验时间：2009.5.15 实验指导老师：李景宁老师 实验评分： 富马酸二甲酯的制备 王桂珊 （华南师范大学化学与环境学院2007级化学4班） 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：以甲醇和富马酸（或马来酸酐或马来酸或糠醛）为原料，在不同催化剂的催化作用下制得富马酸二甲酯；本实验通过正交实验的方法探讨了甲醇的用量，催化剂种类，反应时间对产率的影响。对比了各种方法的优缺点，从实验室条件出发,寻找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 甲醇 浓硫酸 氯化锡 氯化亚锡 二氯化锡　富马酸二甲酯 合成 Dimethyl fumarate Preparation Abstract : This  paper  presents a dimethyl  fumarate  nature, overview of dimethyl fumarate the preparation methods, Comparison of the advantages and disadvantages of various methods from laboratory conditions that the synthesis of dimethyl fumarate using at least, higher efficiency in the best way. Keywords: Fumarate；Methanol ; Concentrated sulfuric acid；tin tetrachloride Stannous Chloride； dimethyl  fumarate ; synthesis ; 前言： 富马酸二甲酯为由甲醇与富马酸或顺丁烯二酸酐、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 ℃,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 72 h 基本无变化 ,110 ℃热 1 h 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)是目前国内外研究开发的一种新型防霉防腐剂 ,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。其综合抗菌防腐性能优于目前常用的苯甲酸、山梨酸、丙酸及盐、脱氧醋酸等同类防腐剂。它具有很强的生物活性，因升华而具有熏蒸性，因而具有接触杀菌与熏蒸杀菌双重作用，其毒性低，该物质进入人体后很快变成人体代谢的正常成分“富马酸”，其应用重复性好。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 的合成已有一些报道 ,我们为了提高了富马酸二甲酯合成的产率 ,缩短了反应时间，查找了很多资料并从实验室条件出发，做了一些研究和对比。 1.富马酸二甲酯的各种合成方法的比较 1.1甲醇与富马酸催化合成  1.1.1 浓 H2SO4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 ℃,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。 1.1.2 氯化亚锡催化合成富马酸二甲酯[7] 富马酸5.8g，20.4mL甲醇及3%（以富马酸摩尔数为基准）的氯化亚锡，升温至95℃，搅拌回流酯化4h后，将混合物注入100mL的蒸馏水中，用饱和的碳酸氢钠滴定至pH 值 为8，过滤得DMF粗品，将粗品用甲醇重结晶后得无色片状的精品富马酸二甲酯，mp=102-103℃，产率为95%左右。 该法操作简便，设备简单，产率较高，适于现在工业设备加工改进生产。催化剂氯化亚锡易于分离，降低工业成本。 1.1.3 硫酸锆作催化剂 [6]                                     取甲醇:富马酸为8.6∶1(mol 比) ,硫酸锆∶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 ℃,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。 1.1.4．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 101～102 ℃, 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。 1.1.5．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 12 h 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。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. 1.1.6．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 7 h ,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 % 。 1.1.7．结晶氯化铁催化合成富马酸二甲酯[14] 结晶氯化铁(FeCl3·6H2 O) 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(0.003 mol) ,富马酸 5.8 g (0.05 mol) ,甲醇 20 ml (0.50 mol) ,即摩尔比为 0.06∶1∶10 ,回流 4 h ,得白色结晶产品 ,收率达 61.7 % 。 1.1.8.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 5 g 富马酸 ,10 ml 甲醇 ,1.5 g 磷钨酸 ,回流 4 h ,然后用氢氧化钠中和得富马酸二甲酯 ,收率达 89 %。 1.1.9.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15 g 富马酸 ,30 ml 甲醇 ,三氧化二钕用量为 3 % ,回流 4 h ,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 ℃回流 7 h ,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]。 1.2马来酸酐异构酯化法 该法采用二步合成法 ,第一步由马来酸酐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。     当马来酸酐溶解于甲醇后 ,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。 1.2 1．以 HCl 为主催化剂 ,H3PO4 为助催化剂法[4] 先把顺丁烯二酸酐与甲酸在 HCl 催化下异构化 ,加热搅拌 70～80 ℃回流 ,继而在 H3PO4下90 ℃酯化 ,反应结束后冷却结晶、过滤、洗涤、干燥 ,得DMF。熔点 102～104 ℃。反应物中顺丁烯二酸酐∶甲醇为 1：10(mol 比) ,HCl 20ml ,H3PO4 35ml ,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。 1.2.2．以 AlCl3 为主催化剂 ,H3PO4 为助催化剂法[11] 以马来酸酐 1mol ,甲醇 4mol ,AlCl3 0. 05mol 的比例投料 ,于78～80 ℃回流搅拌 ,继而加 H3 PO40. 37mol 于 90 ℃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 104 ℃,收率 82 %。AlCl3法比 HCl 法腐蚀性小 ,H3PO4 用量少 ,成本低 ,如要熔点 101～102 ℃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酐则发展较快 ,出现过剩 ,下游产品开发不够 ,因此用马来酸酐制取 DMF 也是经济效率较好的方法。 1.2.3．以混合催化剂为催化剂[7] 马来酸酐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. 5 g ,浓硫酸 1.0ml ,浓磷酸 2.0ml ,硫脲 1.0 g ,溴化钠 1.0g ,马来酸酐 4 g 及甲醇 ,回流反应 2 h ,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酐与甲醇 ,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 5 ℃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。 1.2.4.盐酸、磷酸催化合成富马酸二甲酯 以 1 mol (98 g) 顺丁烯二酸酐、 10mol (320 g) 甲醇为原料 ,20 ml 盐酸为催化剂 ,32 ml 磷酸为助催化剂 ,回流反应 4 h ,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。 1.2.5.结晶氯化铁催化合成富马酸二甲酯[8]      本法是利用 FeCl3·6H2O 催化马来酸酐与甲醇发生酯化反应生成马来酸二甲酯 ,再在溴存在和光照下 ,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:0.10 mol (9.8 g) 马来酸酐 ,0.50 mol (20ml) 甲醇 ,0.0037 mol (1.0 g) 催化剂 ,回流反应 3 h ,再在 015 %Br2/ CCl4 存在下经红外线光照 15 min ,产品收率 58.3 % ,相当于平均单程收率的 83 %。 1.2.6.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酐与甲醇的酯化作用 ,再在 Br2 作用下光照游离基转化成富马酸二甲酸。当 0.10 mol(9.8 g)顺丁烯二酸酐 ,0.75 mol (30 ml) 甲醇 ,在 0.0013 mol (0.25 g) 对甲苯磺酸作用下回流 3 h ,再加入少量Br2/ CCl4 ,红外灯照射 15 min ,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。 1.2.7.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酐的酯化 ,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:0.1 mol(9.8 g)顺丁烯二酸酐 ,0.5 mol(20 ml)甲醇 ,在 1.0 g 树脂催化下回流5h ,再在 Br2/ CCl4 作用下经红外灯光照 15 min ,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酐合成富马酸二甲酯的有效方法 ,具有工业应用价值。 1.2.8氯化锡催化合成富马酸二甲酯[22] 酐醇投料比为1：5（摩尔比），催化剂五水氯化锡用量为顺酐的物质的量的3.5%，回流时间为3.5h，转位剂Br2/CCl4溶液的浓度为3.0%，光照强度总功率为3×200W的白炽灯组，光照时间为20min，按照最佳条件进行酯化，产品用无水乙醇进行重结晶，可得到80%以上的收率。 该方法原料价格低廉易得，操作简单，反应条件温和，不存在高温高压体系，光源易得，无腐蚀性，无废酸排放，有望在化工生产中推广。 1.3　甲醇与马来酸催化合成 1.3.1 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 HCl ,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 ℃) ,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 102～104 ℃,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∶HCl∶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。 1.4　以糠醛为原料合成 DMF[21] 该法也是两步合成法 ,第一步是糠醛在催化剂 V2O5作用下经 KClO3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，很多问有待进一步深入研究。DMF是一种偶发展前途的防霉剂，研究其合成工艺及催化剂，缩短工艺，提高效率，降低成本具有重要的意义。 富马酸酯化法与马来酐一步法都只需一台反应器，过程简单，操作方便。但从目前我国原料看富马酸存在缺口，而马来酐供大于求，因此，马来酐一步法更适合工业化。 本文从实验室条件出发，由于提供的原料为富马酸，采用正交实验的方法探讨合成富马酸二甲酯的最佳条件，分别探讨甲醇的用量,催化剂种类 ,反应时间对产率的影响，并获得最佳的反应条件。 【参考文献】  1 　黄永明等  富马酸二甲酯的合成  化学世界   1989 ,30 (3) 2 　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 3 　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) :30～32 4　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 5　 梅允福  防霉剂富马酸二甲酯的合成、应用和市场前景  　云南化工　2000 年8 月　　　　　　　　　　　　　　　　　　第27 卷第4 期 6　 石辉文,蔡峰   富马酸二甲酯的合成   应用化工   2003 年8 月 第32 卷第4 期 7 陈水生，陈芳琴，邓苏兰，周文富 氯化亚锡催化合成富马酸二甲酯的研究 三明师专学报 1999（1） 8 　俞善信,俞冠源. 由马来酸酐合成富马酸二甲酯的研究. 湖南师范大学自然科学学报,1994 ,17(3) :31～35 9 　苏秋芳,陈少华,刘炳全等. 富马酸二甲酯的合成工艺研究. 现代化工,1998 ,18(7) :45 10　俞善信,欧植泽,李善吉. 富马酸二甲酯的合成. 湖南师范大学自然科学学报,1997 ,20(3) :45～48 11　玄恩锦1 甲醇下游产品富马酯大有开发前途[J ], 现代化工, 1998 , (12) :7 12 　张龙,宋志轩. 固体超强酸TiO2/ SO422催化合成富马酸二甲酯. 化学世界、1999， 40(3) :129～131 13 　张龙,杜长海,刘雪雁. 固体超强酸ZrO2/ SO422催化合成富马酸二甲酯. 吉林大学自然科学学报,1998 (4) :104～106 14 　俞善信,雷焕文. 氯化铁催化合成富马酸二甲酯. 化学试剂, 1993 ,15 (6) :374 ,376 15 　蒋先明,蒙贵愫. 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