程永高

（邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺(tái) 054035）

丙二酸二甲酯是生產(chǎn)醫(yī)藥吡哌酸的重要原料。目前，我國(guó)相關(guān)企業(yè)生產(chǎn)的丙二酸二甲酯除出口外，絕大部分用來(lái)生產(chǎn)吡哌酸，國(guó)內(nèi)外對(duì)其需求比較大。其分子中的活潑亞甲基容易被其他基團(tuán)取代，故可以進(jìn)行烷基化、羥烷基化和酰胺化等多種取代反應(yīng)［1］。試驗(yàn)研究了以改進(jìn)的氰化酯化法合成丙二酸二甲酯。

1 氰化酯化法的改進(jìn)

合成丙二酸二甲酯傳統(tǒng)的氰化酯化法總收率只有65%，且成本較高，副產(chǎn)物較多。氰化酯化法的核心體現(xiàn)在2個(gè)方面：一是氰乙酸水解生成丙二酸；二是丙二酸與甲醇酯化生成丙二酸二甲酯。工藝的關(guān)鍵是酯化反應(yīng)，需在第3步酸化反應(yīng)后，把反應(yīng)混合液中的水分蒸發(fā)出來(lái)，而傳統(tǒng)的工藝嚴(yán)格要求水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1%以下。脫水過(guò)程中，隨含水量減少，蒸發(fā)溫度升高，氰乙酸的分解加劇。傳統(tǒng)工藝中的反應(yīng)如下［1］：

第1步，酯化反應(yīng)

第2步，加成反應(yīng)

第3步，水解反應(yīng)

即氰乙酸酯化生成氰乙酸酯，然后氰基加醇生成亞胺基烷氧基丙酸酯，最后水解生成丙二酸二甲酯。反應(yīng)初期，在有水存在下加入醇進(jìn)行酯化，對(duì)酯化不利。要提高產(chǎn)品收率必須在酯化前盡力脫水。所以，通過(guò)試驗(yàn)，將反應(yīng)歷程改為：

第1步，中和反應(yīng)

第2步，氰化反應(yīng)

第3步，酸化反應(yīng)

第4步，酯化反應(yīng)

酯化歷程可作如下解釋［2］：

第1步，加成反應(yīng)

第2步，水解反應(yīng)

第3步，酯化反應(yīng)

即在無(wú)醇條件下，氰乙酸與水及硫酸首先加成生成硫酸鹽（HOOCCH2CONH·H2SO4），繼而水解生成丙二酸和硫酸氫銨。此時(shí)，不僅不需把水脫盡，反而需要有一定量水參與反應(yīng)；然后，丙二酸與甲醇進(jìn)行酯化反應(yīng)，形成丙二酸二甲脂。

2 試驗(yàn)部分

2.1 主要試劑與儀器

試驗(yàn)所用主要試劑：一氯乙酸，天津市博迪化工有限公司；硫酸（98%），天津市化學(xué)試劑三廠；無(wú)水甲醇，氫氧化鈉，臨淄天德精細(xì)化工研究所；鹽酸（36%），淄博化學(xué)試劑廠；氰化鈉，宜興市鈕中化工有限公司；碳酸鈉，聯(lián)試化工有限公司。所有試劑均為分析純。

試驗(yàn)主要儀器：電子天平Y(jié)P1200型，上海精科天平廠；小型（數(shù)顯）真空干燥箱，DZF－250型，鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司；數(shù)顯恒溫水浴鍋HH－4型，金壇市榮華儀器制造有限公司；全套磨口玻璃儀器，天津市天玻玻璃儀器廠；KDM型電磁攪拌加熱套，山東省新華電熱儀器廠；電動(dòng)攪拌器，金壇市中大儀器廠；DZG－6050型真空干燥箱，上海森信試驗(yàn)儀器有限公司。

所有玻璃儀器均洗滌后用蒸餾水潤(rùn)洗3次，然后在100℃干燥箱中干燥。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 氰乙酸的制備

中和：稱取一定量氯乙酸，加入一定量水，攪拌溶解后，將配制好的Na2CO3溶液緩慢加入氯乙酸溶液中，使形成中性氯乙酸鈉溶液。

氰化：用固體氰化鈉配制一定濃度的氰化鈉溶液，置于四口燒瓶中，邊攪拌邊緩慢加入氯乙酸鈉溶液，在一定溫度下，反應(yīng)一定時(shí)間。

酸化：在氰化液中緩慢加入一定量濃鹽酸進(jìn)行酸化反應(yīng)；反應(yīng)一段時(shí)間后，加熱至一定溫度后真空濃縮，脫水至一定含水量。

2.2.2 酯化

在上述氰乙酸溶液中于攪拌條件下緩慢加入一定量濃硫酸，一定溫度下反應(yīng)一段時(shí)間后，加入一定量甲醇和自制的催化劑，在一定溫度下，繼續(xù)反應(yīng)一段時(shí)間。反應(yīng)結(jié)束后，常壓蒸出過(guò)量的甲醇，粗產(chǎn)品經(jīng)中和、水洗、干燥精餾，得到產(chǎn)品丙二酸二甲酯［2］。

根據(jù)試驗(yàn)，氯乙酸、氰化鈉、碳酸鈉、甲醇用量與丙二酸二甲酯產(chǎn)量之比分別為1.150 4、0.587 2、0.808 0、1.026 7。試驗(yàn)中，以5g氰化鈉得到約10g丙二酸二甲酯粗產(chǎn)品。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 反應(yīng)溫度對(duì)氰乙酸收率的影響

中和過(guò)程操作比較簡(jiǎn)單，只需控制碳酸鈉溶液加入量及溶液pH即可。

氰化是氰乙酸制備的關(guān)鍵步驟，對(duì)丙二酸二甲酯收率影響較大。影響氰化的因素有pH、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度。由于pH在7.0～7.5之間對(duì)氰乙酸的產(chǎn)率影響較小，所以，試驗(yàn)只考察pH和反應(yīng)時(shí)間一定條件下，溫度對(duì)氰化反應(yīng)的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 溫度對(duì)氰乙酸收率的影響

從圖1看出：溫度為40℃時(shí)，氰乙酸收率只有65.5%；隨溫度逐漸升高，氰乙酸收率提高；溫度達(dá)到115℃時(shí)，氰乙酸收率達(dá)到98.5%；繼續(xù)升高溫度，氰乙酸收率反而開(kāi)始下降。因此，確定最佳反應(yīng)溫度為115℃。

3.2 酯化過(guò)程中影響產(chǎn)品收率的因素

用改進(jìn)的氰化酯化法制備丙二酸二甲酯，氰化反應(yīng)和酸化反應(yīng)過(guò)程速度較快，且收率較高，因此，在整個(gè)工藝過(guò)程中，影響產(chǎn)品收率的關(guān)鍵是酯化過(guò)程。影響酯化的主要因素有酸化液的含水量、甲醇和氯乙酸物質(zhì)的量比及酯化反應(yīng)時(shí)間等。

3.2.1 酸化液含水量對(duì)丙二酸二甲酯收率的影響

酸性條件下，酯化反應(yīng)為可逆反應(yīng)［3］。試驗(yàn)條件：反應(yīng)溫度為60～80℃，甲醇與氯乙酸的物質(zhì)的量比為5.0∶1，反應(yīng)時(shí)間為6h。酸化液含水量對(duì)丙二酸二甲脂收率的影響如圖2所示。

由圖2看出，對(duì)于改進(jìn)的氰化酯化法，酸化液中水分含量對(duì)丙二酸二甲酯的收率有影響：酸化液中水分含量過(guò)小，氰乙酸不能完全水解；酸化液中水分含量過(guò)大，酯化反應(yīng)平衡又制約反應(yīng)進(jìn)行。當(dāng)水和氯乙酸的物質(zhì)的量比為0.5∶1時(shí)，產(chǎn)品收率為76.6%；隨二者的物質(zhì)的量比增大到2.5∶1時(shí)，產(chǎn)品收率達(dá)84.4%；之后，產(chǎn)品收率不再增大反而開(kāi)始下降。由此確定適宜的水和氯乙酸的物質(zhì)的量比為2.5∶1。

圖2 酸化液中水分含量對(duì)丙二酸二甲酯收率的影響

3.2.2 甲醇與氯乙酸的物質(zhì)的量比對(duì)產(chǎn)品收率的影響

原工藝中，甲醇與氯乙酸的物質(zhì)的量比是2∶l。為了提高低溫條件下的酯化反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，將甲醇用量提高以加速酯化反應(yīng)并將水從反應(yīng)體系中分離出來(lái)。在反應(yīng)溫度60～80℃、反應(yīng)時(shí)間6h條件下，甲醇與氯乙酸的物質(zhì)的量比對(duì)產(chǎn)品收率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 甲醇和氯乙酸的物質(zhì)的量比對(duì)產(chǎn)品收率的影響

由圖3看出，隨甲醇與氯乙酸的物質(zhì)的量比增大，產(chǎn)品收率增大。但甲醇用量增大，相應(yīng)的甲醇回收裝置的負(fù)荷也增大，所以，綜合考慮，甲醇和氯乙酸的物質(zhì)的量比以5.0∶1較為適宜。

3.2.3 酯化過(guò)程反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)品收率的影響

在反應(yīng)溫度60～80℃、甲醇與氯乙酸的物質(zhì)的量比5.0∶1條件下，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間對(duì)提高酯化率有利；但反應(yīng)進(jìn)行到一定程度后，再延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，產(chǎn)品收率提高不明顯。由圖4可知：反應(yīng)時(shí)間為6h時(shí)，產(chǎn)品收率為81.3%；繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，產(chǎn)品收率只提高0.5%。所以，確定適宜的反應(yīng)時(shí)間為6h。

圖4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)丙二酸二甲酯收率的影響

4 結(jié)論

以氯乙酸、氰化鈉和甲醇為原料，采用改進(jìn)的氰化酯化法合成丙二酸二甲酯是可行的。保持酸化液中適宜的水含量，并在酯化過(guò)程中保持甲醇過(guò)量，結(jié)合酯化過(guò)程與甲醇回收過(guò)程，可以提高產(chǎn)品收率在84%以上。

［1］李艷云，尹振晏.2，2－二甲基丙二酸二甲酯的合成［J］.化學(xué)世界，2011，11（52）：681－683.

［2］丁武.改進(jìn)的氰化酯化法合成丙二酸二甲酯［J］.燃料工業(yè)，2001，12（6）；58－59.

［3］荊超河，宋建池.丙二酸二甲酯合成工藝的改進(jìn)［J］.河南化工，1999，10（7）：54－55.