富马酸二甲酯的合成工艺研究样本.doc

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1、资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。富马酸二甲酯的合成工艺研究吾满江艾力 努尔买买提 陶敏芳 刘远风中国科学院新疆理化研究所, 乌鲁木齐 830011关键词: 富马酸二甲酯 合成 应用前景1 前言当前国内外使用于食品和饲料的防腐防霉剂主要有苯甲酸、 山梨脱氢醋酸、 丙酸、 柠檬酸、 乳酸及它们的盐类等。这些产品有的抗菌谱较窄、 效果较差、 应用pH值范围也较窄, 有的价格较高。如丙酸钙和山梨酸及其盐的使用, 在酸性条件下效果交好, 使用范围受到了限制, 苯甲酸及其钠盐因对人体有害在美国及其它发达国家已提出进用。富马酸二甲酯简称DMF是一种新的食品防腐剂, 它克服了上述

2、产品的缺点, 具有高效、 毒性低、 价廉、 耐热性能好、 pH值应用范围广泛等优点, 是一种具有熏蒸作用的气氛型防霉剂。不但可用于食品饲料、 水果、 蔬菜、 粮食的防霉杀虫, 而且还可用于皮革、 化妆品、 纺织品、 制药等行业中。国内研究表明1, 富马酸二甲酯具有较好的抗菌能力, 对于饲料防腐防霉效果优于山梨酸、 苯甲酸、 丙酸及其盐类的防腐剂。富马酸二甲酯的毒性底, 属于敌蓄积性的物质, 无致畸突变作用, 进入人体后很快转变成正常代谢产物富马酸, 无富马酸二甲酯残留物, 因此应用的安全性很高, 由于富马酸二甲酯的成本底、 价格便宜、 用途广泛, 因而它是一个很有发展前途的防腐防霉剂。由于马来

3、酸酐廉价易得且成本低, 本文中以马来酸酐作主要原料, 先合成富马酸, 然后富马酸和甲醇直接进行酯化反应合成富马酸并对反应条件进行了研究。2 富马酸的生产方法富马酸的来源中国当前两中途径: 糠醛氧化和顺丁二酸酐的水解、 异构化法。2.1 糠醛氧化合成富马酸糠醛在NaCIO3或KCIO3作用下, 加入少量V2O5在95105反应35h能够得到富马酸2-5。王存德等在利用KCIO3氧化糠醛合成富马酸过程中, 加入少量的十六烷基三甲基溴化铵, 在超声波作用下于60反应几个h, 得到富马酸5。2.2 马来酸酐水解异构化合成富马酸马来酸酐工业上由苯或C4馏分催化剂存在下气象氧化而来, 是一种易得的工业原料

4、。马来酸酐在水或酸作用下很易水解成顺丁烯二酸。付绍祥将马来酸酐在强酸性介质( 硫酸) 中加入少量硫脲作催化剂, 于8595进行异构化, 能使95%以上的顺丁烯二酸转化成富马酸6。上述过程也在盐酸作用下完成, 苏秋芳等利用新型的少异构化催化剂, 马来酸酐水解, 异构化反应能得到富马酸7。3 富马酸二甲酯( DMF) 的生产方法3.1 硫酸催化合成DMF硫酸作为催化剂是经典的合成法,钟国清、 黄永明、 韦芳等对这方面进行了报道,产品收率能够达到92%4, 8, 9, 虽然这种方法简单收率高, 可是, 由于硫酸的腐蚀性, 会引起副反应, 且有三废污染等缺点。3.2 对甲苯磺酸催化合成DMF苏秋芳等7

5、以对甲苯磺酸作为催化剂合成DMF, 产品产率为67%左右。对甲苯磺酸是一种有机酸, 虽然其对设备的腐蚀性和三废比较少、 不易引起副反应、 产品色泽好、 价廉易得、 易于保存运输和使用, 用量少, 活性高, 可是产率比较低等缺点。3.3 树脂催化合成DMF强酸性阳离子交换树脂早在20世纪50年代就开始用于一些酯化反应中, 生成的酯色度低, 后处理方便, 可重复使用, 对设备无腐蚀性, 不产生三废, 极有工业使用价值。刘莹等10使用强酸性离子交换树脂作为催化剂合成DMF, 其产率可达到91.4%。3.4 固体超强酸催化合成DMF固体超强酸催化合成富马酸二甲酯超强酸是酸强度比100%硫酸更强的酸。固

6、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,同时能够重复使用,因而具有一定的工业应用价值。张龙等利用固体超强酸TiO2/SO42-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18, 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 6%11。张龙等又利用固体超强酸ZrO2/SO42-催化合成了富马酸二甲酯, 其优化反应条件是:当富马酸30g, 甲醇85ml, 催化剂1 5g, 回流反应8h, 产品收率达89 4%; 催化剂重复使用4

7、次; 产品收率未明显下降; 当使用到10次, 产品收率仍达78 0%12。3.5 氯化铁催化合成DMF 结晶氯化铁催化合成富马酸二甲酯结晶氯化铁( FeCI36H2O) 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, 富马酸58g, 甲醇20ml, , 即摩尔比为0.06110, 回流4h, 得白色结晶产品, 收率达61.7%13。3.6 杂多酸催化合成DMF杂多酸是由两种以上无机含氧酸缩合而成的多元酸,它不但具有多元酸和多电子还原能力,而且其酸性和氢化还原性能够经过变换组成元素在很大范围内系

8、统地调节。它对许多反应具有高的催化活性和选择性,而且不挥发,对热稳定、 污染少、 能够大大减轻对设备的腐蚀,能够再生和重复使用。蒋先明、 黄耀威等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%14,3。3.7 稀土化合物催化合成DMF稀土化合物是中国易得、 资源丰富的化合物,开发稀土化合物的利用很有经济价值。李晓莉等利用三氧化二钕(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%15。王存德等利用硫酸锆为

9、催化剂, 当富马酸5.0g,甲醇15.0ml, 以硫酸锆为催化剂, 回流10h, 然后用碳酸氢钠中和至pH为7, 得富马酸二甲酯5.5g,收率达91.4%5。张云怀利用稀土复合固体超强酸ZrO2-La2O3/SO42- 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14,催化剂用量4%时, 85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%16。3.8 BF3(C2H5)2O催化合成DMF三氟化硼(BF3)是强的电子接受体, 强的Lewis酸, 能够与供电子的羧酸中羧基

10、形成复合物, 使羧基中的碳带更多的正电荷, 但BF3是气体, 故催化酯化反应的进行, 常利用其与醇或醛等形成钅羊盐而使用。李勤等利用BF3(C2H5)2O为催化剂, 由富马酸直接酯化合成了富马酸二甲酯。当0.2mol富马酸, 0.74mol甲醇, 在催化剂量的BF3(C2H5)2O存在下, 70浴温反应5h, 产品收率达94%, 纯度99%17。4 顺丁烯二酸酐的酯化异构或水解、 异构、 酯化法前面讨论的是二步法合成富马酸二甲酯, 存在中间产品富马酸的分离提纯过程, 生产工艺较麻烦, 更重要的是富马酸用途广, 来源有限, 价格较贵。为简化生产工艺, 不少人进行了由顺丁烯二酸酐的一步法合成富马酸

11、二甲酯的研究。4.1 盐酸水解异构酯化法合成DMF盐酸是顺丁烯二酸转化成反丁烯二酸的良好催化剂8, 是离子型反应机理。若在其转化成反丁烯二酸前或后加入甲醇进行反应, 可顺利地合成富马酸二甲酯。郑之詹等进行过此项研究工作18, 不过, 由于氯化氢的强挥发性和腐蚀性, 使应用受到限制。4.2 盐酸、 磷酸催化合成DMF屈丽华等以1mol(98g)顺丁烯二酸酐、 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%19,20。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

12、腐蚀性稍小, 能适合于工业生产。4.3 结晶氯化铁催化合成DMF本法是利用FeCI36H2O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: 0.10mol马来酸酐, 0.5mol甲醇, 0.0037mol催化剂, 回流反应3h, 再在0.5% Br2/CCI4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%21。4.4 对甲苯磺酸催化合成DMF

13、富马酸二甲酯与结晶氯化铁一样, 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0.10mol顺丁烯二酸酐, 0.75mol甲醇, 在0.0013mol对甲苯磺酸作用下回流3h, 再加入少量Br2/CCI4, 红外灯照射15min, 可得富马酸二甲酯收率70.8%, 残留液再加Br2/CCI4, 重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%22。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, 因此生产上有利用价值。4.5 树脂催化合

14、成DMF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/CCI4作用下经光照转化成富马酸二甲酯。其有利条件为: 0.1mol顺丁烯二酸酐, 0.5mol甲醇, 在10g树脂催化下回流5h, 再在Br2/CCI4作用下经红外灯光照15min, 得富马酸二甲酯收率达68.1%23, 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。5 富马酸二甲酯的应用

15、及发展前景由于DMF为低毒物质, 其急性毒性近于食盐, 属于低蓄积性物质富马酸二甲酯的毒性底, 属于敌蓄积性的物质, 无致畸突变作用, 加之进入人体后很快转变为富马酸, 是机体内代谢的正常成份, 因此DMF作为一种使用安全性极高的防霉添加剂。被广泛用在食品、 饲料、 水果、 蔬菜、 粮食及制品里, 还可用于皮革、 纸张、 化妆品、 纺织品, 制药、 中草药材、 烟草、 木材等行业中, 起到防霉、 防蛀、 保质作用。1981年, 美国食品和药物管理局已批准富马酸及酯作为食品添加剂。利用DMF的抑菌、 杀菌特点, 还可合理搭配其它杀菌剂, 抗病毒剂以增强其制品抗菌、 抗病毒作用, 应用于餐饮具、

16、玩具、 浴具等消毒。由于DMF具有接触熏蒸杀菌的双重作用, 并具有很好的杀虫性能, 可作为粮霉净用于粮食的防霉杀虫剂。中国粮食年量以4.2108t计, 每年由于霉败损失约8%, 害虫损失约为6%, 两项总和损失就达500亿元。而且当前中国用于粮食的杀虫防霉剂依然有剧毒。如磷化铝、 马拉硫磷、 菊酯类等稍有不慎就会引起中毒, 因此推广应用粮霉净既可起到防霉杀虫功效, 使用安全, 药效期长还会带来客观的经济效益和社会效益。参考文献1 史好新等, 精细化工, 1990, 7( 6) : 12132 张能芳, 郭宏峰, 由糠醛合成富马酸, 化学试剂, 1992, 14( 5) : 3063 黄耀武, 来兴华, 糠醛合成富马酸二甲酯, 精细化工, , 17( 1) : 464 钟国清, 一糠醛作原料合成富马酸二甲酯, 化学世界, 1995, 36( 12) : 6396415 王存德, 张俊桂等, 富马酸二甲酯的合成研究, 现代化工, 1998, 18( 6) : 28296 付绍祥, 富马酸生产工艺控制过程的改进, 辽宁化工, 1994( 5) : 40作者简介 吾满江艾力, 维吾尔族、 博士、 1964年- 研究员, 中国科学院新疆分院副院长兼新疆理化所副所长。主要从事精细化工产品研发工作。