劉子洋 崔北文 王紅強 馬飛飛 李曉蘭 張吉曄 (1. 彩客化學(滄州)有限公司，河北 滄州 061600； 2. 河北省染料與顏料中間體工程技術(shù)研究中心，河北 滄州 061600)

1 概述

乙酰丁二酸二甲酯，英文名稱Dimethyl acetylsuccinate(簡稱DMAS)，分子式C8H12O5，分子量188.18，化學結(jié)構(gòu)式如下：

該化合物是一種重要的有機合成中間體，由于其分子結(jié)構(gòu)中含有三個羰基，與羰基相連的三個α 位氫極其活潑，表現(xiàn)出很強的分子活性，在染料、醫(yī)藥、食品添加劑、農(nóng)藥殺蟲劑、殺菌劑等領(lǐng)域得到越來越廣泛地應(yīng)用。同時，乙酰丁二酸二甲酯的研究和應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷的拓展，,被用于多種雜環(huán)化合物的合成，在精細化工領(lǐng)域的防銹添加劑、特殊性能和用途的涂料、阻垢緩蝕劑、合成樹脂的增塑劑、粘結(jié)劑、光學材料、防縮整理劑等合成方面均有應(yīng)用，其應(yīng)用市場前景非常廣闊。當前，國內(nèi)生產(chǎn)乙酰丁二酸二甲酯的廠家較少，市場上的乙酰丁二酸二甲酯大多依賴歐美和日本市場的進口，國內(nèi)市場有很大缺口。DMAS 合成工藝技術(shù)水平的不斷優(yōu)化和提高是促進該產(chǎn)品國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化的有效途徑。本文對乙酰丁二酸二甲酯的主要用途、已有的合成反應(yīng)機理、合成工藝路線進行介紹，并對反應(yīng)路線的優(yōu)點和不足進行分析，針對影響產(chǎn)品收率的關(guān)鍵工序——順丁烯二酸二甲酯乙?；归_實驗研究，研究開發(fā)一條高效的乙酰丁二酸二甲酯合成工藝路線。

2 乙酰丁二酸二甲酯主要應(yīng)用領(lǐng)域簡介

2.1 染料的合成

乙酰丁二酸二甲酯是多種有機合成染料的中間體，在染料工業(yè)中具有非常重要的地位。以下是以乙酰丁二酸二甲酯為原料合成的部分染料及其特點(表1)。

表1 DMAS合成染料及特點

2.2 有機中間體的合成

以乙酰丁二酸二甲酯為原料，可以合成吡唑啉酮。由于吡唑酮環(huán)的 4 位具有高活性，在紡織、感光、醫(yī)藥等領(lǐng)域作為原料有著重要應(yīng)用，也可用于合成偶氮染料、氧雜菁(Oxonol)染料、花菁染料。乙?；《岫柞シê铣蛇吝蜻?，具有工藝流程簡潔、產(chǎn)品收率高、安全環(huán)保等特點，對吡唑啉酮類化合物的生產(chǎn)具有重要意義。

2.3 食品添加劑的合成

乙酰丁二酸二甲酯可以應(yīng)用于食用色素和煙用香精的合成。以檸檬黃為例，它是將乙酰丁二酸二甲酯在碳酸氫鈉水溶液中溶解后，經(jīng)過水解得到的人工色素，具有安全環(huán)保、無毒、體內(nèi)無殘留等特點。因此，可在食品、藥品、化妝品的生產(chǎn)中作為添加劑廣泛應(yīng)用。

2.4 農(nóng)藥殺菌劑、殺蟲劑的合成

乙酰丁二酸二甲酯在農(nóng)藥領(lǐng)域也有很好的應(yīng)用，例如：以乙酰丁二酸二甲酯為原料可以合成多種嘧啶基丙烯胺酯類農(nóng)用殺菌劑，既可以用于治療瓜類的白粉病原菌、也可以防治草莓、黃瓜的灰霉病等；以乙?；《岫柞ヅc苯胺重氮鹽等為原料經(jīng)縮合、閉環(huán)、水解等工藝可以合成吡唑啉酮類殺蟲劑；以乙酰丁二酸二甲酯等為原料可以合成昆蟲保幼激素類似物的發(fā)色團，應(yīng)用于農(nóng)用化學領(lǐng)域。

3 乙酰丁二酸二甲酯現(xiàn)有合成工藝路線及反應(yīng)原理

3.1 2-乙酰基- 4-醛基丁酸甲酯合成法

該工藝以化合物2-乙?；? 4-醛基丁酸甲酯為起始物料，經(jīng)過氧化和酯化反應(yīng)合成DMAS，具體工藝為在丙酮溶劑中分別加入2-乙酰基- 4-醛基丁酸甲酯、三氧化鉻、濃硫酸，在強酸條件下，2-乙?；? 4-醛基丁酸甲酯被氧化生成乙?；《釂渭柞ィ缓笤谝颐讶軇┲杏弥氐淄榕c乙?；《釂渭柞グl(fā)生酯化反應(yīng)，生成DMAS:

用此工藝合成DMAS 時，第一步氧化反應(yīng)的原料2-乙?；?4-醛基丁酸甲酯不容易得到，而且合成2-乙?；?4-醛基丁酸甲酯需要進行多步反應(yīng)；第二步反應(yīng)需在乙醚溶劑中進行，其反應(yīng)條件不易達到，反應(yīng)過程較難控制，由于乙醚閃點很低，還有一定的安全隱患，不適合大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

3.2 乙酰乙酸甲酯與氯乙酸甲酯縮合法

該工藝是將乙酰乙酸甲酯與氯乙酸甲酯反應(yīng)直接縮合，生成DMAS，反應(yīng)需要在強堿條件下進行。具體反應(yīng)機理為：氯乙酸甲酯先與甲醇鈉發(fā)生取代反應(yīng)，生成甲氧基乙酸甲酯；甲氧基乙酸甲酯再與乙酰乙酸甲酯進行取代反應(yīng)，生成DMAS。

最早的工業(yè)制備上，采用這種方法。將氯乙酸甲酯與乙酰乙酸甲酯按摩爾比1:2.5 混合，開啟攪拌，控制反應(yīng)溫度40～50℃,向混合溶液中緩慢滴加含有甲醇鈉(與氯乙酸甲酯摩爾比為3:1)的甲醇溶液，6h 滴加完畢，再回流1h,得到DMAS，收率在88%～90%之間。該工藝過程復雜且生成的副產(chǎn)物較多，產(chǎn)品純化困難，因此，工業(yè)生產(chǎn)上，這種方法也逐漸被其它方法所取代。

3.3 馬來酸二甲酯(DMM)乙?；?/h3>

該方法合成工藝路線為：首先順丁烯二酸酐與甲醇反應(yīng)生成馬來酸二甲酯，然后馬來酸二甲酯再與乙醛乙?；磻?yīng)生成DMAS。馬來酸二甲酯乙?；壳霸诠I(yè)上應(yīng)用較多。

在該合成路線中，第一步反應(yīng)的副產(chǎn)物較多，且對第二步乙酰化反應(yīng)會產(chǎn)生較大影響，馬來酸二甲酯多需純化后再進行乙?；磻?yīng)。下面對該工藝路線的反應(yīng)機理進行簡要介紹，并對該工藝在產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中存在的不足進行分析。

3.3.1 酯化反應(yīng)

由馬來酸酐與甲醇進行酯化反應(yīng)，生成馬來酸二甲酯，其反應(yīng)機理為：

①首先馬來酸酐在水分子的作用下發(fā)生開環(huán)反應(yīng)，生成馬來酸，馬來酸的羧基與甲醇發(fā)生酯化反應(yīng)，生成馬來酸單甲酯，該反應(yīng)迅速。

②順丁烯二酸單甲酯在過量甲醇條件下反應(yīng)生成順丁烯二酸二甲酯(DMM)：

該步反應(yīng)速度較慢，為提高反應(yīng)速度，一般使用硫酸等強酸作為催化劑，生成產(chǎn)物DMM 的同時會有大量副產(chǎn)物產(chǎn)生，副產(chǎn)物的存在會使乙?；磻?yīng)收率大幅降低，需進一步對DMM 進行純化。

3.3.2 DMM乙?；?/p>

利用自由基加成反應(yīng)原理，DMM 與乙醛進行自由基加成鏈式反應(yīng)生成DMAS。其反應(yīng)過程為：

①過氧苯甲酰加熱生成苯甲酰氧自由基。

②苯甲酰氧自由基與乙醛反應(yīng)，進行電子轉(zhuǎn)移，生成乙?；杂苫?/p>

③乙?；杂苫cDMM 反應(yīng)，進行電子轉(zhuǎn)移，生成DMAS自由基。

④DMAS 自由基與乙醛反應(yīng)，進行電子轉(zhuǎn)移，生成DMAS和乙?；杂苫?，反應(yīng)繼續(xù)進行。具體如下：

過氧苯甲酰在90℃條件下，分解成兩個苯甲酰氧自由基：

苯甲酰氧自由基與乙醛反應(yīng)生成苯甲酸和乙醛基自由基：

乙醛自由基與馬來酸二甲酯反應(yīng)，生成乙?；R來酸二甲酯自由基：

乙?；R來酸二甲酯自由基與乙醛反應(yīng)生成DMAS 和乙醛基自由基，重復3、4 過程，反應(yīng)持續(xù)進行：

該反應(yīng)過程中會放出大量的熱，其反應(yīng)速度與過氧苯甲酰的濃度和乙醛的濃度相關(guān)，濃度越大，反應(yīng)速度越快。

研究表明，用紫外光照射也可使過氧苯甲酰分解為兩個苯甲酰氧自由基，但反應(yīng)速度極慢，工業(yè)上一般不予采用。同時該步反應(yīng)，在有水和氧氣存在的情況下，使反應(yīng)速率減慢或完全抑制。

3.3.3 由乙醛產(chǎn)生乙?；杂苫M行乙酰化反應(yīng)存在的不足點

①對順丁烯二酸二甲酯的純度要求較高，合成順丁烯二酸二甲酯的純度、生成的副產(chǎn)物及其種類均對?；磻?yīng)產(chǎn)生很大影響，一般順丁烯二酸二甲酯合成后需要純化。

②反應(yīng)條件要求較苛刻，需要在高溫(110～120℃)、高壓(2.5MPa)、無水、無氧、有催化劑(過氧苯甲酰)的條件下進行。

③對設(shè)備的要求相對較高，需要高壓反應(yīng)釜。

4 實驗部分(馬來酸二甲酯?；ㄒ阴；磻?yīng)工藝的優(yōu)化)

針對目前工業(yè)生產(chǎn)中常用的馬來酸二甲酯?；ㄖ幸阴；磻?yīng)存在的不足，我們通過實驗研究，進一步進行優(yōu)化和改進。

4.1 乙?；瘎┑倪x擇

為降低反應(yīng)過程中對溫度和壓力的要求，我們選用酰化劑中活性較強的乙酸酐作為乙?；噭?。

4.2 實驗方法

將上述反應(yīng)得到的順丁烯二酸二甲酯，裝入四口反應(yīng)瓶中，然后在四口反應(yīng)瓶中加入2 倍的甲醇(即甲醇與順丁烯二酸二甲酯的摩爾比為2:1)，開啟攪拌，用恒溫反應(yīng)浴將料液加熱到B℃，緩慢滴加乙酸酐，同時從另一側(cè)的滴加口緩慢加入1.1倍的硼氫化鈉固體粉末(即硼氫化鈉與順丁烯二酸二甲酯的摩爾比為1.1:1)，并用恒溫反應(yīng)浴維持該反應(yīng)溫度，加料結(jié)束后，反應(yīng)Ch。HPLC 檢測乙?；锖?。

用15%碳酸鈉溶液調(diào)節(jié)溶液pH 至7～8，將溶液加入旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中，在55℃，-0.8MPa 真空條件下，進行蒸餾，待無餾出物后，剩余部分放入分液漏斗中，靜置分層，分出水相，有機相用純化水進行洗滌，棄去水相后，將有機相升溫至90℃，在-0.9MPa真空條件下，蒸出殘留水分，緩慢降溫至常溫(25℃)，得到乙酰丁二酸二甲酯固體。

4.3 實驗原理分析

該反應(yīng)首先由硼氫化鈉與甲醇反應(yīng)生成甲氧基硼氫化物鈉鹽和游離氫：

然后在乙酸酐和游離氫存在的情況下，將順丁烯二酸二甲酯轉(zhuǎn)化為乙酰丁二酸二甲酯。

4.4 實驗部分

4.4.1 實驗儀器和試劑

實驗中用到的儀器和試劑見表2 和表3。

4.4.2 乙?；罴逊磻?yīng)條件的確定

通過分析，影響順丁烯二酸二甲酯乙?；磻?yīng)的主要因素為：反應(yīng)乙酸酐用量、乙?；磻?yīng)溫度、乙酰化反應(yīng)時間。以此為因素，設(shè)計正交試驗。

4.4.3 實驗設(shè)計

正交實驗參數(shù)設(shè)計如表4 所示。

表2 主要試驗儀器

表3 主要試驗試劑

表4 正交試驗因素水平表

4.4.4 數(shù)據(jù)直觀分析

直觀分析計算表參數(shù)如表5 所示。

表5 直觀分析計算表

綜上可知，使收率指標達到最大的條件是A2B2C2，即乙酸酐用量1.05 倍，乙?；磻?yīng)溫度40～45℃，乙酰化反應(yīng)時間2h，乙?；磻?yīng)收率最高。

4.4.5 數(shù)據(jù)方差分析

數(shù)據(jù)分析見表6 和表7。

表6 方差分析計算表

表7 方差分析表

由 于FA 與FB 分 別 大 于F0.90(2,2)=9.0，F(xiàn)0.95(2,2)=19.0，所以因子A 與B 分別在顯著性水平0.1 和0.05 上是顯著的，因子C 不顯著。

由上述可知，乙酸酐用量及乙?；磻?yīng)溫度是影響順丁烯二酸二甲酯乙酰化反應(yīng)收率的顯著因素，其中乙酰化反應(yīng)溫度是影響此反應(yīng)收率的最顯著因素，而乙?；磻?yīng)時間的影響不太明顯，通過實驗確定最佳反應(yīng)條件為：乙酸酐用量1.05 倍，乙?；磻?yīng)控制溫度40～45℃，乙?；磻?yīng)時間2h。

按此條件的試驗在正交表的9 次試驗中并沒有出現(xiàn)，通過做驗證試驗，結(jié)果得到乙?；磻?yīng)收率96.71%。大于正交試驗結(jié)果中的最高值96.11%，說明通過正交表篩選的最優(yōu)條件是成功的。

5 結(jié)語

乙酰丁二酸二甲酯作為重要的有機合成中間體，工業(yè)上最常用的生產(chǎn)方法為馬來酸二甲酯乙?；ǎ痉ǘ嗖捎眠^氧苯甲酰和乙醛作為?；瘎?，乙?；磻?yīng)的最好收率水平在93%～94%，且受馬來酸二甲酯的純度影響較大，本文通過以乙酸酐為?；瘎┻M行乙?；磻?yīng)，并選取最佳反應(yīng)條件，即乙酸酐用量1.05 倍，乙?；磻?yīng)控制溫度40～45℃，乙酰化反應(yīng)時間2h。使反應(yīng)收率提高到96.71%，且反應(yīng)過程在常壓下進行并受馬來酸二甲酯純度影響很小，為優(yōu)化乙酰丁二酸二甲酯生產(chǎn)工藝提供了一條新思路。