乙酰丁二酸二甲酯合成工藝探究

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，化學結構式如下：

該化合物是一種重要的有機合成中間體，由于其分子結構中含有三個羰基，與羰基相連的三個α 位氫極其活潑，表現出很強的分子活性，在染料、醫藥、食品添加劑、農藥殺蟲劑、殺菌劑等領域得到越來越廣泛地應用。同時，乙酰丁二酸二甲酯的研究和應用領域還在不斷的拓展，,被用于多種雜環化合物的合成，在精細化工領域的防銹添加劑、特殊性能和用途的涂料、阻垢緩蝕劑、合成樹脂的增塑劑、粘結劑、光學材料、防縮整理劑等合成方面均有應用，其應用市場前景非常廣闊。當前，國內生產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，國內市場有很大缺口。DMAS 合成工藝技術水平的不斷優化和提高是促進該產品國內產業化的有效途徑。本文對乙酰丁二酸二甲酯的主要用途、已有的合成反應機理、合成工藝路線進行介紹，并對反應路線的優點和不足進行分析，針對影響產品收率的關鍵工序——順丁烯二酸二甲酯乙?；归_實驗研究，研究開發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用領域簡介

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。由于吡唑酮環的 4 位具有高活性，在紡織、感光、醫藥等領域作為原料有著重要應用，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哂泄に嚵鞒毯啙?、產品收率高、安全環保等特點，對吡唑啉酮類化合物的生產具有重要意義。

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，經過水解得到的人工色素，具有安全環保、無毒、體內無殘留等特點。因此，可在食品、藥品、化妝品的生產中作為添加劑廣泛應用。

2.4 農藥殺菌劑、殺蟲劑的合成

乙酰丁二酸二甲酯在農藥領域也有很好的應用，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縮合、閉環、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色團，應用于農用化學領域。

3 乙酰丁二酸二甲酯現有合成工藝路線及反應原理

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，經過氧化和酯化反應合成DMAS，具體工藝為在丙酮溶劑中分別加入2-乙?；? 4-醛基丁酸甲酯、三氧化鉻、濃硫酸，在強酸條件下，2-乙酰基- 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生酯化反應，生成DMAS:

用此工藝合成DMAS 時，第一步氧化反應的原料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；第二步反應需在乙醚溶劑中進行，其反應條件不易達到，反應過程較難控制，由于乙醚閃點很低，還有一定的安全隱患，不適合大規模產業化生產。

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直接縮合，生成DMAS，反應需要在強堿條件下進行。具體反應機理為：氯乙酸甲酯先與甲醇鈉發生取代反應，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，生成DMAS。

最早的工業制備上，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物較多，產品純化困難，因此，工業生產上，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生成馬來酸二甲酯，然后馬來酸二甲酯再與乙醛乙?；磻蒁MAS。馬來酸二甲酯乙?；壳霸诠I上應用較多。

在該合成路線中，第一步反應的副產物較多，且對第二步乙?；磻獣a生較大影響，馬來酸二甲酯多需純化后再進行乙?；磻Ｏ旅鎸υ摴に嚶肪€的反應機理進行簡要介紹，并對該工藝在產業化生產中存在的不足進行分析。

3.3.1 酯化反應

由馬來酸酐與甲醇進行酯化反應，生成馬來酸二甲酯，其反應機理為：

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

②順丁烯二酸單甲酯在過量甲醇條件下反應生成順丁烯二酸二甲酯(DMM)：

該步反應速度較慢，為提高反應速度，一般使用硫酸等強酸作為催化劑，生成產物DMM 的同時會有大量副產物產生，副產物的存在會使乙?；磻章蚀蠓档停柽M一步對DMM 進行純化。

3.3.2 DMM乙酰化

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

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，進行電子轉移，生成乙?；杂苫?/p>

③乙?；杂苫cDMM 反應，進行電子轉移，生成DMAS自由基。

④DMAS 自由基與乙醛反應，進行電子轉移，生成DMAS和乙酰基自由基，反應繼續進行。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，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生成DMAS 和乙醛基自由基，重復3、4 過程，反應持續進行：

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

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，但反應速度極慢，工業上一般不予采用。同時該步反應，在有水和氧氣存在的情況下，使反應速率減慢或完全抑制。

3.3.3 由乙醛產生乙酰基自由基進行乙?；磻嬖诘牟蛔泓c

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、生成的副產物及其種類均對?；磻a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對設備的要求相對較高，需要高壓反應釜。

4 實驗部分(馬來酸二甲酯?；ㄒ阴；磻に嚨膬灮?

針對目前工業生產中常用的馬來酸二甲酯?；ㄖ幸阴；磻嬖诘牟蛔悖覀兺ㄟ^實驗研究，進一步進行優化和改進。

4.1 乙酰化劑的選擇

為降低反應過程中對溫度和壓力的要求，我們選用?；瘎┲谢钚暂^強的乙酸酐作為乙?；噭?。

4.2 實驗方法

將上述反應得到的順丁烯二酸二甲酯，裝入四口反應瓶中，然后在四口反應瓶中加入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，用恒溫反應浴將料液加熱到B℃，緩慢滴加乙酸酐，同時從另一側的滴加口緩慢加入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)，并用恒溫反應浴維持該反應溫度，加料結束后，反應Ch。HPLC 檢測乙酰化物含量。

用15%碳酸鈉溶液調節溶液pH 至7～8，將溶液加入旋轉蒸發器中，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

該反應首先由硼氫化鈉與甲醇反應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?；罴逊磻獥l件的確定

通過分析，影響順丁烯二酸二甲酯乙?；磻闹饕蛩貫椋悍磻宜狒昧?、乙?；磻獪囟?、乙?；磻獣r間。以此為因素，設計正交試驗。

4.4.3 實驗設計

正交實驗參數設計如表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 數據直觀分析

直觀分析計算表參數如表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?；磻獪囟?0～45℃，乙酰化反應時間2h，乙?；磻章首罡摺?/p>

4.4.5 數據方差分析

數據分析見表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，F0.95(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，乙酸酐用量及乙酰化反應溫度是影響順丁烯二酸二甲酯乙?；磻章实娘@著因素，其中乙酰化反應溫度是影響此反應收率的最顯著因素，而乙酰化反應時間的影響不太明顯，通過實驗確定最佳反應條件為：乙酸酐用量1.05 倍，乙酰化反應控制溫度40～45℃，乙酰化反應時間2h。

按此條件的試驗在正交表的9 次試驗中并沒有出現，通過做驗證試驗，結果得到乙?；磻章?6.71%。大于正交試驗結果中的最高值96.11%，說明通過正交表篩選的最優條件是成功的。

5 結語

乙酰丁二酸二甲酯作為重要的有機合成中間體，工業上最常用的生產方法為馬來酸二甲酯乙?；?，本法多采用過氧苯甲酰和乙醛作為酰化劑，乙?；磻淖詈檬章仕皆?3%～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酰化劑進行乙?；磻?，并選取最佳反應條件，即乙酸酐用量1.05 倍，乙?；磻刂茰囟?0～45℃，乙酰化反應時間2h。使反應收率提高到96.71%，且反應過程在常壓下進行并受馬來酸二甲酯純度影響很小，為優化乙酰丁二酸二甲酯生產工藝提供了一條新思路。