富馬酸二己酯的合成工藝研究

趙立獻，王鳳偉

(石家莊九達科技有限公司，河北 石家莊 051434)

富馬酸二己酯又叫(2E)-2-丁烯二酸二己酯，其分子式為C16H28O4，分子量284.39，CAS號19139-31-2，外觀為淺黃色透明液體。主要用作防腐劑、保鮮劑、除臭劑、驅(qū)蚊蠅劑等，也可用作增塑劑與潤滑劑的添加劑[1-4]。富馬酸二己酯的合成方法有以下兩種：(1)以富馬酸、正己醇為原料，苯為溶劑，對甲苯磺酸為催化劑，回流分水，反應(yīng)完后降溫，水洗，碳酸鈉溶液洗，再水洗，蒸出溶劑苯，最后經(jīng)過分餾得到產(chǎn)品，收率只有80%[5]。(2)以富馬酸、正己醇為原料，甲苯為溶劑，對甲苯磺酸為催化劑反應(yīng)制得產(chǎn)品[6]。

這兩種方法的不足之處是苯是致癌物，毒性大，閃點低。使用對甲苯磺酸做催化劑，反應(yīng)完后對甲苯磺酸溶解在反應(yīng)體系中，需要用水洗反應(yīng)液去除，廢水多，操作繁瑣，不易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。為了批量生產(chǎn)富馬酸二己酯，改善上面的不足之處，本課題組對富馬酸二己酯合成工藝進行了系統(tǒng)的研究。

1 實 驗

1.1 儀器設(shè)備與原材料

儀器設(shè)備：SHZ-D循環(huán)水真空泵；安捷倫高效液相色譜儀；電熱套；JJ-1增力攪拌器；阿貝折射儀；布魯克400兆核磁共振譜儀等。

原材料：富馬酸；正己醇；甲苯；硫酸氫鈉等均為工業(yè)品。

1.2 富馬酸二己酯的合成

1.2.1 富馬酸二己酯的合成原理

富馬酸二己酯的合成路線如圖1所示。

圖1 富馬酸二己酯的合成路線圖

Fig.1 Synthesis route diagram of dihexyl fumarate

這是一個羧酸與醇在硫酸氫鈉的催化下形成酯的反應(yīng)，其反應(yīng)機理如圖2所示。

圖2 富馬酸二己酯的反應(yīng)機理圖

首先是羧酸的羰基氧被硫酸氫鈉質(zhì)子化，醇發(fā)生親核進攻，碳氧之間的π鍵打開形成一個四面體中間物，然后質(zhì)子轉(zhuǎn)移，消除水，消除質(zhì)子得到酯，是個加成-消除機理。

1.2.2 富馬酸二己酯的合成

向帶有分水器的10 L四口瓶中依次加入富馬酸1000 g，硫酸氫鈉72 g，正己醇1938 g，甲苯1983 g。開啟機械攪拌，升溫回流分水，當(dāng)分水器內(nèi)水分不再增加時，結(jié)束反應(yīng)。降至室溫，抽濾，濾餅為硫酸氫鈉(可回收套用)，濾液減壓回收甲苯與正己醇，得到淺黃色透明液體2410 g，摩爾收率98.4%，HPLC純度98.8%。

1.3 產(chǎn)物分析與表征

1.3.1 密度與折光的測定

在20 ℃恒溫室內(nèi)，向100 mL容量瓶中加入待測品富馬酸二己酯，定容到100 mL，稱重為95.36 g，得到密度為0.9536 g/mL，與文獻值0.9539 g/mL相符合[6]。

在20 ℃恒溫室內(nèi)，測產(chǎn)品的折光為1.4518，與文獻值1.4519相符合[5]?？梢猿醪脚袛喈a(chǎn)物為目標(biāo)產(chǎn)物。

1.3.2 核磁氫譜的測定

用氘代氯仿作為氘代試劑測得核磁氫譜圖如圖3所示。

圖3 富馬酸二己酯的1H NMR圖

1H NMR (400 MHz, CDCl3, 25 ℃, TMS):δ6.848 (s, 2H), 4.195 (dd,J=6.8 Hz, 4H), 1.670(dd,J=6.8 Hz, 4H), 1.290～1.393(m, 12H), 0.897(dd,J=6.8 Hz, 6H)。檢測結(jié)果與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)相符合。

1.3.3 液相色譜的測定

檢測條件：色譜柱：C18，4.6×50 mm；流動相：B(乙腈)，A(水)；梯度洗脫(B%，20%～95%)。檢測波長：254 nm。分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 富馬酸二己酯的HPLC圖

由圖4所得，產(chǎn)品面積歸一化純度為98.83%，符合客戶使用要求。

2 結(jié)果與討論

2.1 酯化反應(yīng)催化劑的選擇

酯化反應(yīng)一般用酸作催化劑，比較常用的酸有濃硫酸、對甲苯磺酸、硫酸氫鈉、固體酸等。濃硫酸雖然價格很便宜，但具有很強的氧化性，會使反應(yīng)物碳化，進而使反應(yīng)液顏色發(fā)黑，所以一般不使用。對甲苯磺酸雖然不具有氧化性，但是反應(yīng)完全后它會溶解在反應(yīng)體系中，要想分離出它必須經(jīng)過碳酸鈉水溶液洗滌，再水洗，干燥，操作繁瑣，會增加設(shè)備投資與人工成本。選擇合適的固體酸催化劑可以很好克服上面兩個缺點，但是固體酸催化劑本身制作工藝復(fù)雜，商品化的品種很少，價格相對較高。而硫酸氫鈉與反應(yīng)體系不相溶，實際使用過程中碳化效果不突出，反應(yīng)完畢后靜置，傾出上清液即可實現(xiàn)催化劑與反應(yīng)體系的分離，并且它廉價易得。最終確定硫酸氫鈉為酯化反應(yīng)的催化劑。

按照上面實驗過程，只改變硫酸氫鈉的用量，其它條件不變，考察催化劑用量對收率的影響。

表1 硫酸氫鈉用量對收率的影響

從表1數(shù)據(jù)可以看出實驗過程中逐步提高硫酸氫鈉的用量，當(dāng)n(富馬酸):n(硫酸氫鈉)=1:0.07時收率達到最高，再提高硫酸氫鈉的量時收率基本不變，所以1:0.07是富馬酸與硫酸氫鈉的最佳投料比。

2.2 正己醇用量的確定

理論上富馬酸與正己醇的摩爾比為1:2，但實際上正己醇要過量些才能反完全，實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 正己醇用量對收率的影響

從表2數(shù)據(jù)可以看出實驗過程中逐步提高正己醇的用量，當(dāng)n(富馬酸):n(正己醇)=1:2.2時收率達到最高，再增加正己醇的量收率基本不變，所以1:2.2是富馬酸與硫酸氫鈉的最佳投料比。

2.3 反應(yīng)溶劑的選擇與用量

由于酯化反應(yīng)是個平衡反應(yīng)，反應(yīng)生成的水必須從反應(yīng)體系中移除才能使反應(yīng)進行完全。常用的與水共沸的溶劑有環(huán)己烷、苯、甲苯等。由于環(huán)己烷與苯均有致癌性，環(huán)己烷與苯的閃點也比甲苯要低，不安全因素比甲苯大，最終確定甲苯為反應(yīng)溶劑。甲苯的用量由表3實驗數(shù)據(jù)得到，見表3。

表3 甲苯用量對收率影響

從表3數(shù)據(jù)可以看到當(dāng)n(富馬酸):n(甲苯)=1:1時，反應(yīng)收率低，可能是因為甲苯用量低，回流溫度高，有少量產(chǎn)品碳化，隨著甲苯量逐漸增大，收率逐漸增高，回流溫度變低，反應(yīng)液顏色也逐漸變淺，當(dāng) n(富馬酸):n(甲苯)=1:2.5時反應(yīng)收率達到最高，再加大甲苯的量收率基本不變。

2.4 逐級放大過程考察

表4 逐級放大對收率影響

按實驗部分確定好的制備工藝逐級放大，實驗數(shù)據(jù)如表4所示。從表4數(shù)據(jù)可以看出隨著投料量的逐步放大，收率逐步提高，當(dāng)放大到1000 g時基本上達到不變，平行三批數(shù)據(jù)，收率穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

富馬酸二己酯具有很強的工業(yè)應(yīng)用價值，以放大生產(chǎn)為目的對它的制備工藝進行研究具有重要的意義。通過對酯化反應(yīng)催化劑及其溶劑的選擇、原料之間的配比的優(yōu)化，最終得到了最佳反應(yīng)條件，并把生產(chǎn)規(guī)模放大到公斤級別，平行三批實驗，收率穩(wěn)定，質(zhì)量可靠，達到預(yù)期實驗效果。