提高丙二酸二甲酯收率的試驗研究

程永高

（邢臺職業技術學院，河北 邢臺 054035）

丙二酸二甲酯是生產醫藥吡哌酸的重要原料。目前，我國相關企業生產的丙二酸二甲酯除出口外，絕大部分用來生產吡哌酸，國內外對其需求比較大。其分子中的活潑亞甲基容易被其他基團取代，故可以進行烷基化、羥烷基化和酰胺化等多種取代反應［1］。試驗研究了以改進的氰化酯化法合成丙二酸二甲酯。

1 氰化酯化法的改進

合成丙二酸二甲酯傳統的氰化酯化法總收率只有65%，且成本較高，副產物較多。氰化酯化法的核心體現在2個方面：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。工藝的關鍵是酯化反應，需在第3步酸化反應后，把反應混合液中的水分蒸發出來，而傳統的工藝嚴格要求水分質量分數在1%以下。脫水過程中，隨含水量減少，蒸發溫度升高，氰乙酸的分解加劇。傳統工藝中的反應如下［1］：

第1步，酯化反應

第2步，加成反應

第3步，水解反應

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。反應初期，在有水存在下加入醇進行酯化，對酯化不利。要提高產品收率必須在酯化前盡力脫水。所以，通過試驗，將反應歷程改為：

第1步，中和反應

第2步，氰化反應

第3步，酸化反應

第4步，酯化反應

酯化歷程可作如下解釋［2］：

第1步，加成反應

第2步，水解反應

第3步，酯化反應

即在無醇條件下，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，不僅不需把水脫盡，反而需要有一定量水參與反應；然后，丙二酸與甲醇進行酯化反應，形成丙二酸二甲脂。

2 試驗部分

2.1 主要試劑與儀器

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

試驗主要儀器：電子天平YP1200型，上海精科天平廠；小型（數顯）真空干燥箱，DZF－250型，鄭州長城科工貿有限公司；數顯恒溫水浴鍋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，上海森信試驗儀器有限公司。

所有玻璃儀器均洗滌后用蒸餾水潤洗3次，然后在100℃干燥箱中干燥。

2.2 試驗方法

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，反應一定時間。

酸化：在氰化液中緩慢加入一定量濃鹽酸進行酸化反應；反應一段時間后，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，一定溫度下反應一段時間后，加入一定量甲醇和自制的催化劑，在一定溫度下，繼續反應一段時間。反應結束后，常壓蒸出過量的甲醇，粗產品經中和、水洗、干燥精餾，得到產品丙二酸二甲酯［2］。

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

3 試驗結果與討論

3.1 反應溫度對氰乙酸收率的影響

中和過程操作比較簡單，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鍵步驟，對丙二酸二甲酯收率影響較大。影響氰化的因素有pH、反應時間和反應溫度。由于pH在7.0～7.5之間對氰乙酸的產率影響較小，所以，試驗只考察pH和反應時間一定條件下，溫度對氰化反應的影響。試驗結果如圖1所示。

圖1 溫度對氰乙酸收率的影響

從圖1看出：溫度為40℃時，氰乙酸收率只有65.5%；隨溫度逐漸升高，氰乙酸收率提高；溫度達到115℃時，氰乙酸收率達到98.5%；繼續升高溫度，氰乙酸收率反而開始下降。因此，確定最佳反應溫度為115℃。

3.2 酯化過程中影響產品收率的因素

用改進的氰化酯化法制備丙二酸二甲酯，氰化反應和酸化反應過程速度較快，且收率較高，因此，在整個工藝過程中，影響產品收率的關鍵是酯化過程。影響酯化的主要因素有酸化液的含水量、甲醇和氯乙酸物質的量比及酯化反應時間等。

3.2.1 酸化液含水量對丙二酸二甲酯收率的影響

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

由圖2看出，對于改進的氰化酯化法，酸化液中水分含量對丙二酸二甲酯的收率有影響：酸化液中水分含量過小，氰乙酸不能完全水解；酸化液中水分含量過大，酯化反應平衡又制約反應進行。當水和氯乙酸的物質的量比為0.5∶1時，產品收率為76.6%；隨二者的物質的量比增大到2.5∶1時，產品收率達84.4%；之后，產品收率不再增大反而開始下降。由此確定適宜的水和氯乙酸的物質的量比為2.5∶1。

圖2 酸化液中水分含量對丙二酸二甲酯收率的影響

3.2.2 甲醇與氯乙酸的物質的量比對產品收率的影響

原工藝中，甲醇與氯乙酸的物質的量比是2∶l。為了提高低溫條件下的酯化反應轉化率，將甲醇用量提高以加速酯化反應并將水從反應體系中分離出來。在反應溫度60～80℃、反應時間6h條件下，甲醇與氯乙酸的物質的量比對產品收率的影響試驗結果如圖3所示。

圖3 甲醇和氯乙酸的物質的量比對產品收率的影響

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

3.2.3 酯化過程反應時間對產品收率的影響

在反應溫度60～80℃、甲醇與氯乙酸的物質的量比5.0∶1條件下，延長反應時間對提高酯化率有利；但反應進行到一定程度后，再延長反應時間，產品收率提高不明顯。由圖4可知：反應時間為6h時，產品收率為81.3%；繼續延長反應時間，產品收率只提高0.5%。所以，確定適宜的反應時間為6h。

圖4 反應時間對丙二酸二甲酯收率的影響

4 結論

以氯乙酸、氰化鈉和甲醇為原料，采用改進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，并在酯化過程中保持甲醇過量，結合酯化過程與甲醇回收過程，可以提高產品收率在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］.化學世界，2011，11（52）：681－683.

［2］丁武.改進的氰化酯化法合成丙二酸二甲酯［J］.燃料工業，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［J］.河南化工，1999，10（7）：54－55.