張 銳，譚 忠，周奇龍，徐秀東

（中國石油 化工股份有限公司 北京化工研究院 聚丙烯研究室，北京 100013）

2-氰基-2,3-二烴基丁二酸酯類化合物的合成

張 銳，譚 忠，周奇龍，徐秀東

（中國石油 化工股份有限公司 北京化工研究院 聚丙烯研究室，北京 100013）

開發(fā)了一種2-氰基-2,3-二烴基丁二酸酯類化合物的合成路線，并確定了最佳反應(yīng)條件。該反應(yīng)路線反應(yīng)效率較高，并且能夠避免廢水的產(chǎn)生，極大地降低了后處理的成本。該路線在第二步通過換用不同的鹵代烴，在基本相同的條件下可以制備不同結(jié)構(gòu)的2-氰基-2,3-二烴基丁二酸酯化合物，尤其適合制備非對稱烷基的2-氰基-2,3-二烴基丁二酸酯。該路線使得這類化合物的生產(chǎn)能夠較容易的實(shí)現(xiàn)多樣化，系列化和工業(yè)化，從而能夠?qū)⑹褂迷擃惢衔镒鳛閮?nèi)給電子體的Ziegler-Natta聚丙烯催化劑產(chǎn)品差異化，系列化和高性能化。

2-氰基-2,3-二烴基丁二酸酯；內(nèi)給電子體；聚丙烯催化劑

聚丙烯催化劑由主催化劑，助催化劑及外給電子體構(gòu)成[1]。其中，主催化劑的性質(zhì)主要取決于使用到的內(nèi)給電子體?？梢哉f，內(nèi)給電子體的研發(fā)是聚丙烯催化劑的核心技術(shù)[2]。近年來，非鄰苯二甲酸酯類內(nèi)給電子體成為了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)，比較經(jīng)典的有琥珀酸酯，1,3-二醚，二醇酯及2-氰基-2,3-二異丙基丁二酸酯等[3-6]。其中，2-氰基-2,3-二異丙基丁二酸酯是一種中國石化北京化工研究院開發(fā)的用于聚丙烯催化劑的新型內(nèi)給電子體，使用該化合物作為內(nèi)給電子體的催化劑制備得到的聚合物具有分子量分布寬，力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)[7-10]。但目前只有2-氰基-2,3-二異丙基丁二酸二乙酯的合成路線被公開[11-13]。除此之外，沒有公開的專利和文獻(xiàn)對其它結(jié)構(gòu)的2-氰基-2,3-二烴基丁二酸酯類化合物的合成進(jìn)行報道。

本工作開發(fā)了一種2-氰基-2,3-二烴基丁二酸酯類化合物新的制備路線。該路線第二步中通過換用不同的鹵代烴，可以在相同的條件下制備不同結(jié)構(gòu)的2-氰基-2,3-二烴基丁二酸酯類化合物，尤其適合制備非對稱烷基的2-氰基-2,3-二烴基丁二酸酯類化合物。該路線使得2-氰基-2,3-二烴基丁二酸酯類化合物的制備能夠較容易的實(shí)現(xiàn)多樣化，系列化和工業(yè)化，從而能夠?qū)⑹褂迷擃惢衔镒鳛閮?nèi)給電子體的Ziegler-Natta聚丙烯催化劑產(chǎn)品差異化，系列化和高性能化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料，試劑及儀器

溴代異戊酸乙酯99%，氰基乙酸乙酯99%，叔丁醇鉀 99.5%，J&K Chemical公司；2-溴丙烷99.5%，1-溴正丁烷99%，溴代異丁烷99%，1-溴代正戊烷99.5%，溴代異戊烷99%，溴代環(huán)戊烷99%，Acros公司；KI 99%，NaH 60%（分散在礦物油中），Aldrich 公司；己烷，4分子篩干燥，含水量小于5×10-6。其他國產(chǎn)試劑均為北京化學(xué)試劑公司市售試劑，純度為化學(xué)純（CP）。二甲基甲酰胺（DMF）使用4分子篩干燥。

1H NMR譜圖使用Brukerdmx核磁共振儀測定（300MHz，溶劑 CDCl3，內(nèi)標(biāo) TMS，測定溫度 300K）。化合物純度及含量使用Agilent 7890 Series氣相色譜和5977A質(zhì)譜聯(lián)用測定。

1.2 化合物的制備

1.2.1 2-氰基-3-異丙基丁二酸二乙酯（DCPS）

200g叔丁醇鉀溶于500mL N,N'-二甲基甲酰胺中，待溫度降至30℃以下，滴入氰基乙酸乙酯（ECA）181.4g和N,N'-二甲基甲酰胺的混合物100mL?？刂茰囟炔怀^50℃，滴加完畢后加入KI 13.3g，滴加溴代異戊酸乙酯（EBiV）335.4g和N,N'-二甲基甲酰胺的混合物100mL，滴加時間4～5 h。滴加完畢后40℃反應(yīng)3 h，80℃反應(yīng)8h。停止反應(yīng)，冷卻，除去固體無機(jī)鹽和溶劑。減壓精餾得最終產(chǎn)物318.1g，產(chǎn)率 82.2%，純度 99.0%（GC）。

1H NMR（CDCl3/TMS,300MHz）δ（×10-6）:0.95～1.14（m,-CH（CH3）2）,1.27～1.67（m,-OCH2CH3），2.15-2.22，2.29～2.30 （m,-CH（CH3）2）,2.85～2.89,2.96-3.01（q,-CHCH（CH3）2）,3.74～3.76,3.98～4.01（d,（NC）CH-）,4.19～4.31（m,-OCH2CH3）。

1.2.2 2-氰基-2,3-二異丙基丁二酸二乙酯 33.2g 60%的NaH，加入到600mLDMF中。攪拌同時滴加200g 2-氰基-3-異丙基丁二酸二乙酯和100mL DMF的混合溶液。控制滴加溫度為-25℃左右。滴加完畢后加入6.87gKI并自然升溫至室溫。隨后升溫至40℃，滴加122.3g2-溴丙烷和50 mLDMF的混合溶液。滴加完畢后40℃反應(yīng)4h，80℃反應(yīng)8h。停止反應(yīng)，冷卻，過濾，濾餅洗滌。蒸除溶劑，加入正己烷，冷卻至室溫并充分?jǐn)嚢?，過濾除去固體。旋除溶劑得粗品，減壓精餾得最終產(chǎn)物160.2g，產(chǎn)率：68.2%，純度96.3%（GC）。

1H NMR（CDCl3/TMS,300MHz）δ（×10-6）:0.99～-1.04（t,-OCH2CH3）,1.08～1.38（m,-CH（CH3）2）,2.12～2.16（m,-CH （CH3）2）,2.28～2.37 （m,- （NC）CCH（CH3）2）,2.97～3.02（d,-CHCH（CH3）2）,4.14～4.30（m,-OCH2CH3）。

1.2.3 2-氰基-2-正丁基-3-異丙基丁二酸二乙酯 使用相同的合成方法，將2-溴丙烷換為1-溴正丁烷制備得到2-氰基-2-正丁基-3-異丙基丁二酸二乙酯 185.1g，產(chǎn)率：75.1%，純度 98.4%（GC）。

1H NMR（CDCl3/TMS,300MHz）δ（×10-6）:0.86～1.02（t,-CH2CH2CH2CH3，m,-CH（CH3）2）,1.29～1.38（t,-CH2CH2CH2CH3，m,-OCH2CH3）,1.56～1.60（m,-CH2CH2CH2CH3）,1.69～1.83（m,-CH2CH2CH2CH3）,2.15～2.23（m,-CH（CH3）2）,2.81～2.83（d,-CHCH（CH3）2）,4.20～4.33（q,-OCH2CH3）。

1.2.4 2-氰基-2-異丁基-3-異丙基丁二酸二乙酯 使用相同的合成方法，將2-溴丙烷換為1-溴-2-甲基丙烷制備得到2-氰基-2-異丁基-3-異丙基丁二酸二乙酯193.5g，產(chǎn)率：78.5%，純度98.0%（GC）。1H NMR（CDCl3/TMS,300MHz）δ（×10-6）:0.86～1.09（t,-CH（CH3）2）,1.30～1.36（m,-OCH2CH3）,1.63～1.73（m,-CH2CH（CH3）2）,1.80～1.91（m,-CH2CH（CH3）2）,2.14～2.21 （m,-CHCH （CH3）2）,2.77～2.81（d,-CHCH（CH3）2）,4.14～4.33（q,-OCH2CH3）。

1.2.5 2-氰基-2-正戊基-3-異丙基丁二酸二乙酯 使用相同的合成方法，將2-溴丙烷換為1-溴正戊烷制備得到2-氰基-2-正戊基-3-異丙基丁二酸二乙酯 192.8g，產(chǎn)率：74.7%，純度 98.1%（GC）。

1H NMR（CDCl3/TMS,300MHz）δ（×10-6）:0.85～0.97（t,-CH2CH2CH2CH2CH3）,0.99～1.10（m,-CH（CH3）2）,1.21 ～1.37（t,-OCH2CH3,m,-CH2CH2CH2CH2CH3）,1.58～1.61（m,-CH2CH2CH2CH2CH3）,1.70～1.89（t,-CH2CH2CH2CH2CH3）,2.15～2.22（m,-CHCH（CH3）2）,2.80～2.83（d,-CHCH（CH3）2）,4.16～4.32（m,-OCH2CH3）。

1.2.6 2-氰基-2-異戊基-3-異丙基丁二酸二乙酯 使用相同的合成方法，將2-溴丙烷換為1-溴-3-甲基丁烷制備得到2-氰基-2-異戊基-3-異丙基丁二酸二乙酯206.0g，產(chǎn)率：79.8%，純度98.0%（GC）。

1HNMR（CDCl3/TMS,300MHz）δ（×10-6）:0.85～1.10（t,-CH（CH3）2）,1.30～1.37（t,-OCH2CH3，m,-CH2CH2CH（CH3）2）,1.50～1.52（m,-CH2CH2CH（CH3）2）,1.74～1.84（m,-CH2CH2CH（CH3）2）,2.15-2.23 （m,-CH（CH3）2）,2.81-2.84（d,-CHCH（CH3）2）,4.17-4.28（q,-OCH2CH3）。

1.2.7 2-氰基-2-環(huán)戊基-3-異丙基丁二酸二乙酯 使用相同的合成方法，將2-溴丙烷換為溴代環(huán)戊烷制備得到2-氰基-2-環(huán)戊基-3-異丙基丁二酸二乙酯 154.1g，產(chǎn)率：60.1%，純度 97.5%（GC）。

1H NMR（CDCl3/TMS,300MHz）δ（×10-6）:0.86～1.08（t,-CH（CH3）2）,1.22～1.38（t,-OCH2CH3）,1.52～1.64（m,-CHCH2CH2CH2CH2-）,1.85～1.89（m,-CHCH2CH2CH2CH2-）,2.13～2.19（m,-CHCH2CH2CH2CH2-）,2.36～2.42（m,-CH（CH3）2）,2.89～2.92（d,-CHCH（CH3）2）,4.16～4.32（q,-OCH2CH3）。

2 結(jié)果與討論

在本工作中，首先使用σ-氰基乙酸乙酯（ECA）同σ-溴代異戊酸乙酯（EBiV）進(jìn)行反應(yīng)，得到2-氰基-3-異丙基丁二酸二乙酯（DCPS），再將其與不同的溴代烷進(jìn)行反應(yīng)得到一系列2-氰基-2,3-二烴基丁二酸二乙酯化合物（見圖1）。這樣，第一步反應(yīng)中，由于溴代異戊酸乙酯的空間位阻相對較大，從而避免了氰基乙酸乙酯σ-位的雙取代；第二步反應(yīng)中，由于溴代烷體積較小，空間位阻較小，所以反應(yīng)效率很高。

圖1 2-氰基-2,3-二烴基丁二酸二乙酯類化合物的合成Fig.1 Synthetic route of 2-cyano-2,3-di-alkyl succinic acid diester

2.1 2-氰基-3-異丙基丁二酸二乙酯的合成

首先，考察了反應(yīng)溫度和時間對反應(yīng)效率的影響，剩余原料和產(chǎn)物含量均為反應(yīng)結(jié)束后，反應(yīng)體系除去固體鹽和溶劑后使用氣相色譜測定。固定幾種原料的比例和堿的種類，考察反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間對反應(yīng)的影響，結(jié)果見表1。

表1 反應(yīng)溫度和時間對反應(yīng)效率的影響Tab.1 Effects of reaction temperature and time on reaction efficiency

由表1可見，反應(yīng)溫度由50℃提高到80℃，延長反應(yīng)時間由4～8h，都能很明顯的提高溴代酯的轉(zhuǎn)化率和最終產(chǎn)物的含量。當(dāng)溫度由80℃提高到100℃，對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率沒有進(jìn)一步的提高。所以，我們固定反應(yīng)條件為40℃,3h→80℃,8h。

接下來，考察了3種原料（堿，ECA，EBiV）的投料比例及堿的種類對反應(yīng)的影響。當(dāng)堿的用量較少或等量時，平行對比試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 堿用量較少和等量時對反應(yīng)效率的影響Tab.2 Effects of less and equivalent amount of base on reaction efficiency

試驗(yàn)中選取了兩種有代表性的堿：空間位阻較大的有機(jī)堿叔丁醇鉀以及空間位阻很小的無機(jī)堿NaH。當(dāng)堿用量較少時（試驗(yàn)1-5,1-6），兩種原料都有較多的剩余，產(chǎn)物含量在85%左右。由試驗(yàn)6～10結(jié)果可知，當(dāng)堿，ECA和EBiV三者用量相同時（試驗(yàn)1-7～1-11），兩種原料剩余量明顯減少，產(chǎn)物含量也提高至90%左右。當(dāng)堿少量和等量時，兩種堿的效果基本相同。

由表2可見，增加堿的用量可以提高反應(yīng)效率，我們繼續(xù)增加堿的用量（表3），當(dāng)堿用量和EBiV相同，都大于ECA時（試驗(yàn)1-12,1-13），兩種原料都有較多的剩余，產(chǎn)物含量不到90%。當(dāng)堿用量和ECA相同，都大于EBiV時（試驗(yàn)1-14,1-15），產(chǎn)物含量提高到93%，反應(yīng)體系中沒有EBiV剩余，但是ECA剩余較多。

當(dāng)堿用量比ECA和EBiV都多時，分為3種情況：ECA和 EBiV等量（試驗(yàn)1-16～1-19），ECA過量（試驗(yàn)1-20,1-21），EBiV過量（試驗(yàn)1-22,1-23）。當(dāng)堿∶ECA∶EBiV為1.0∶0.9∶0.9時，反應(yīng)效率較高，產(chǎn)物含量達(dá)到了96%左右，且EBiV沒有剩余（試驗(yàn)1-17～19）；同時提高ECA，EBiV用量（試驗(yàn)1-16），產(chǎn)物含量有所降低，EBiV出現(xiàn)剩余。只提高ECA用量（試驗(yàn)1-20,21），ECA剩余量增加，且產(chǎn)物含量降低；只提高EBiV用量（試驗(yàn)1-22,23），產(chǎn)物含量較高，但是EBiV剩余量較多。ECA和本步反應(yīng)產(chǎn)物的沸點(diǎn)相差較大，粗產(chǎn)物直接減壓蒸餾純化即可。

表3 堿過量時對反應(yīng)效率的影響Tab.3 Effects of excess base on reaction efficiency

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，固定反應(yīng)溫度和時間后，堿和兩種有機(jī)原料的投料比例非常關(guān)鍵。當(dāng)堿用量稍多時，ECA反應(yīng)的最完全，EBiV反應(yīng)程度不僅取決于其與堿和ECA的投料比例，還和ECA的反應(yīng)程度（ECA和堿的用量比）有關(guān)系，當(dāng)EBiV用量少于堿和ECA，且ECA反應(yīng)程度較高時，EBiV在粗產(chǎn)物中基本上沒有剩余。

綜上所述，第一步最優(yōu)的反應(yīng)條件為40℃,3h→80℃,8h，反應(yīng)物之比為堿：ECA：EBiV=1.0:0.9:0.9，該條件下，EBiV基本上沒有剩余，ECA也剩余的很少，產(chǎn)物含量能達(dá)到96%左右。NaH和叔丁醇鉀這兩種堿的實(shí)際使用效果基本相同，考慮到叔丁醇鉀和NaH的價格及使用時操作的難易程度，選取了較便宜且危險性較小的叔丁醇鉀。

2.2 2-氰基-2,3-二烴基丁二酸二乙酯的合成

第二步反應(yīng)中，由于反應(yīng)底物2-氰基-3-異丙基丁二酸二乙酯（DCPS）空間位阻較大，所以選取了空間位阻較小的氫化鈉，氫化鈉和σ-位氫原子反應(yīng)生成氫氣，從反應(yīng)體系中逸出，使反應(yīng)不可逆且進(jìn)行的比較完全。首先，考察了DCPS的滴加溫度對反應(yīng)效率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 滴加溫度對反應(yīng)效率的影響Tab.4 Effects of dropping temperature on reaction efficiency

表4結(jié)果表明，降低DCPS的滴加溫度能夠很明顯的提高反應(yīng)效率，隨著溫度的降低，反應(yīng)效率在不斷提高。DCPS上與氰基相連的碳和與異丙基相連的碳上的氫原子都可以與氫化鈉進(jìn)行反應(yīng)，降低滴加溫度有助于進(jìn)一步擴(kuò)大兩個氫原子的反應(yīng)活性，所以降低溫度能夠提高第二步反應(yīng)的效率。

同第一步反應(yīng)類似，堿用量也是個很關(guān)鍵的因素（表5）。以2-氰基-2,3-二異丙基丁二酸二乙酯為例，當(dāng)堿用量小于DCPS時，反應(yīng)結(jié)束后原料DCPS的量剩余較多，反應(yīng)效率也相對較低（試驗(yàn)2-7）。當(dāng)堿用量和DCPS等量時，DCPS剩余量有了明顯減少，反應(yīng)效率也提高了很多（試驗(yàn)2-8），繼續(xù)增大堿的用量（試驗(yàn)2-9），原料DCPS的剩余量和粗產(chǎn)物的含量沒有顯著的變化，但是氣相色譜證明在產(chǎn)物的后面又出現(xiàn)了雜質(zhì)峰，表明過量的氫化鈉可以同DCPS上與異丙基相連的碳上的氫原子反應(yīng)生成碳負(fù)離子，進(jìn)而同鹵代烷反應(yīng)生成雜質(zhì)。所以，第二步反應(yīng)中，氫化鈉的用量不能超過DCPS。在不同結(jié)構(gòu)的2-氰基-2,3-二烴基丁二酸二乙酯的制備中，也有著相同的規(guī)律（試驗(yàn)2-10～2-19），當(dāng)堿用量和DCPS等量時，反應(yīng)效率最佳。

表5 堿用量對反應(yīng)效率的影響Tab.5 Effects of the amount of base on reaction efficiency

第二步中，不同的鹵代烷對反應(yīng)效率也有影響，在試驗(yàn)2-9的條件下，將溴代異丙烷換為碘代異丙烷，原料DCPS剩余6.3%，產(chǎn)物含量為86.0%，也略有提高。但是，本工作中涉及到的鹵代烷，碘代烷的價格是溴代烷的2～150倍不等，出于控制成本的考慮，均使用溴代烷。

除了不同類型的鹵代烷，不同結(jié)構(gòu)的溴代烷也會影響到反應(yīng)的效率（表5）。同樣條件下，當(dāng)鹵代烷反應(yīng)位點(diǎn)為二級碳原子時，如2-溴丙烷和溴代環(huán)戊烷，反應(yīng)效率較低，尤其是空間位阻較大的溴代環(huán)戊烷，僅為75.3%。當(dāng)鹵代烷反應(yīng)位點(diǎn)為一級碳原子時，由于空間位阻較小，所以反應(yīng)效率較高。當(dāng)碳原子數(shù)相同時，支鏈溴代烷的反應(yīng)效率略高于直鏈溴代烷，直鏈溴代烷分子鏈較長，末端空阻較小，分子柔性較大，分子鏈蜷曲將反應(yīng)位點(diǎn)部分包裹起來，造成了反應(yīng)效率較低。所以，不同結(jié)構(gòu)的溴代烷中，溴代正戊烷反應(yīng)效率最低，其次是分子鏈稍短的溴代正丁烷，而兩個末端位阻較大，分子剛性較強(qiáng)的溴代異戊烷和溴代異丁烷反應(yīng)效率最高。

本步反應(yīng)在除去固體鹽和溶劑后加入極性較小的正己烷，可以使粗產(chǎn)物中極性較大的雜質(zhì)沉淀出來，進(jìn)一步富集目標(biāo)產(chǎn)物，便于減壓精餾。并且正己烷可以回收利用，這樣在整個反應(yīng)路線中，就完全避免了廢水的產(chǎn)生，極大地降低了后處理成本。

3 結(jié)論

本工作開發(fā)的2-氰基-2,3-二烴基丁二酸酯的合成路線分為兩步，分別確定了最佳反應(yīng)條件：第一步中使用叔丁醇鉀（t-BuOK）作為堿，3種原料最佳的投料摩爾比為 t-BuOK∶ECA∶EBiV=1.0∶0.9∶0.9，反應(yīng)溫度和時間為 40℃,3h→80℃,8h。第二步中使用氫化鈉（NaH）作堿效果較好，最佳投料摩爾比為NaH∶DCPS=1.0∶1.0。

該路線具有以下優(yōu)勢：首先，這兩步反應(yīng)使用的原料都是一般的工業(yè)原料，便宜易得。反應(yīng)條件溫和，不需要高溫高壓。并且，這兩步反應(yīng)的效率都很高，基本沒有副反應(yīng)的發(fā)生，第一步中，減壓精餾前粗產(chǎn)物中目標(biāo)產(chǎn)物的含量在96%左右；第二步中，根據(jù)使用到的不同鹵代烴，減壓精餾前粗產(chǎn)物中目標(biāo)產(chǎn)物的含量在75～92%之間。

其次，整個反應(yīng)的后處理過程中不產(chǎn)生廢水，極大的降低了后處理成本。最后，也是最重要的，該合成方法可以在第二步中通過簡單的換用不同的鹵代烴，來制備不同的2-氰基-2,3-二烴基丁二酸酯化合物。使得該類化合物的生產(chǎn)能夠較容易的實(shí)現(xiàn)多樣化，系列化和工業(yè)化，從而能夠?qū)⑹褂迷擃惢衔镒鳛閮?nèi)給電子體的Ziegler-Natta聚丙烯催化劑產(chǎn)品差異化，系列化和高性能化。

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Preparation of 2-cyano-2,3-di-alkyl succinic acid diester compound

ZHANGRui，TANZhong，ZHOUQi-long，XUXiu-dong
（Polypropylene Research Department,Beijing Research Institute of Chemical Industry,China Petroleum&Chemical Corporation，Beijing 100013，China）

A synthetic route of 2-cyano-2,3-di-alkyl succinic acid diester compounds was developed and the optimum reaction conditions were determined.This route has high reaction efficiency and no waste water was produced during the refinement,thus greatly reduce the cost of treatment.The 2-cyano-2,3-di-alkyl succinic acid diester derivatives of different structures can be easily prepared in the same condition by using different alkyl halide in the second reaction step especially the asymmetric 2-cyano-2,3-di-alkyl succinic acid diester.The diversified,serialized and industrialized of the production can easily achieved through this synthetic route and then the Ziegler-Natta polypropylene catalyst products with these compounds as an internal donor can be differentiated,serialized and with high performance.

2-cyano-2,3-di-alkyl succinic acid diester；internal donor；ziegler-natta polypropylene catalyst

TQ325.1

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20171073

2017-08-03

張 銳（1983-），男，高級工程師，畢業(yè)于北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，博士學(xué)位，研究方向：聚丙烯催化劑的開發(fā)，內(nèi)給電子體研發(fā)。