提高丙二酸二甲酯收率的试验研究

程永高

（邢台职业技术学院，河北 邢台 054035）

丙二酸二甲酯是生产医药吡哌酸的重要原料。目前，我国相关企业生产的丙二酸二甲酯除出口外，绝大部分用来生产吡哌酸，国内外对其需求比较大。其分子中的活泼亚甲基容易被其他基团取代，故可以进行烷基化、羟烷基化和酰胺化等多种取代反应［1］。试验研究了以改进的氰化酯化法合成丙二酸二甲酯。

1 氰化酯化法的改进

合成丙二酸二甲酯传统的氰化酯化法总收率只有65%，且成本较高，副产物较多。氰化酯化法的核心体现在2个方面：一是氰乙酸水解生成丙二酸；二是丙二酸与甲醇酯化生成丙二酸二甲酯。工艺的关键是酯化反应，需在第3步酸化反应后，把反应混合液中的水分蒸发出来，而传统的工艺严格要求水分质量分数在1%以下。脱水过程中，随含水量减少，蒸发温度升高，氰乙酸的分解加剧。传统工艺中的反应如下［1］：

第1步，酯化反应

第2步，加成反应

第3步，水解反应

即氰乙酸酯化生成氰乙酸酯，然后氰基加醇生成亚胺基烷氧基丙酸酯，最后水解生成丙二酸二甲酯。反应初期，在有水存在下加入醇进行酯化，对酯化不利。要提高产品收率必须在酯化前尽力脱水。所以，通过试验，将反应历程改为：

第1步，中和反应

第2步，氰化反应

第3步，酸化反应

第4步，酯化反应

酯化历程可作如下解释［2］：

第1步，加成反应

第2步，水解反应

第3步，酯化反应

即在无醇条件下，氰乙酸与水及硫酸首先加成生成硫酸盐（HOOCCH2CONH·H2SO4），继而水解生成丙二酸和硫酸氢铵。此时，不仅不需把水脱尽，反而需要有一定量水参与反应；然后，丙二酸与甲醇进行酯化反应，形成丙二酸二甲脂。

2 试验部分

2.1 主要试剂与仪器

试验所用主要试剂：一氯乙酸，天津市博迪化工有限公司；硫酸（98%），天津市化学试剂三厂；无水甲醇，氢氧化钠，临淄天德精细化工研究所；盐酸（36%），淄博化学试剂厂；氰化钠，宜兴市钮中化工有限公司；碳酸钠，联试化工有限公司。所有试剂均为分析纯。

试验主要仪器：电子天平YP1200型，上海精科天平厂；小型（数显）真空干燥箱，DZF－250型，郑州长城科工贸有限公司；数显恒温水浴锅HH－4型，金坛市荣华仪器制造有限公司；全套磨口玻璃仪器，天津市天玻玻璃仪器厂；KDM型电磁搅拌加热套，山东省新华电热仪器厂；电动搅拌器，金坛市中大仪器厂；DZG－6050型真空干燥箱，上海森信试验仪器有限公司。

所有玻璃仪器均洗涤后用蒸馏水润洗3次，然后在100℃干燥箱中干燥。

2.2 试验方法

2.2.1 氰乙酸的制备

中和：称取一定量氯乙酸，加入一定量水，搅拌溶解后，将配制好的Na2CO3溶液缓慢加入氯乙酸溶液中，使形成中性氯乙酸钠溶液。

氰化：用固体氰化钠配制一定浓度的氰化钠溶液，置于四口烧瓶中，边搅拌边缓慢加入氯乙酸钠溶液，在一定温度下，反应一定时间。

酸化：在氰化液中缓慢加入一定量浓盐酸进行酸化反应；反应一段时间后，加热至一定温度后真空浓缩，脱水至一定含水量。

2.2.2 酯化

在上述氰乙酸溶液中于搅拌条件下缓慢加入一定量浓硫酸，一定温度下反应一段时间后，加入一定量甲醇和自制的催化剂，在一定温度下，继续反应一段时间。反应结束后，常压蒸出过量的甲醇，粗产品经中和、水洗、干燥精馏，得到产品丙二酸二甲酯［2］。

根据试验，氯乙酸、氰化钠、碳酸钠、甲醇用量与丙二酸二甲酯产量之比分别为1.150 4、0.587 2、0.808 0、1.026 7。试验中，以5g氰化钠得到约10g丙二酸二甲酯粗产品。

3 试验结果与讨论

3.1 反应温度对氰乙酸收率的影响

中和过程操作比较简单，只需控制碳酸钠溶液加入量及溶液pH即可。

氰化是氰乙酸制备的关键步骤，对丙二酸二甲酯收率影响较大。影响氰化的因素有pH、反应时间和反应温度。由于pH在7.0～7.5之间对氰乙酸的产率影响较小，所以，试验只考察pH和反应时间一定条件下，温度对氰化反应的影响。试验结果如图1所示。

图1 温度对氰乙酸收率的影响

从图1看出：温度为40℃时，氰乙酸收率只有65.5%；随温度逐渐升高，氰乙酸收率提高；温度达到115℃时，氰乙酸收率达到98.5%；继续升高温度，氰乙酸收率反而开始下降。因此，确定最佳反应温度为115℃。

3.2 酯化过程中影响产品收率的因素

用改进的氰化酯化法制备丙二酸二甲酯，氰化反应和酸化反应过程速度较快，且收率较高，因此，在整个工艺过程中，影响产品收率的关键是酯化过程。影响酯化的主要因素有酸化液的含水量、甲醇和氯乙酸物质的量比及酯化反应时间等。

3.2.1 酸化液含水量对丙二酸二甲酯收率的影响

酸性条件下，酯化反应为可逆反应［3］。试验条件：反应温度为60～80℃，甲醇与氯乙酸的物质的量比为5.0∶1，反应时间为6h。酸化液含水量对丙二酸二甲脂收率的影响如图2所示。

由图2看出，对于改进的氰化酯化法，酸化液中水分含量对丙二酸二甲酯的收率有影响：酸化液中水分含量过小，氰乙酸不能完全水解；酸化液中水分含量过大，酯化反应平衡又制约反应进行。当水和氯乙酸的物质的量比为0.5∶1时，产品收率为76.6%；随二者的物质的量比增大到2.5∶1时，产品收率达84.4%；之后，产品收率不再增大反而开始下降。由此确定适宜的水和氯乙酸的物质的量比为2.5∶1。

图2 酸化液中水分含量对丙二酸二甲酯收率的影响

3.2.2 甲醇与氯乙酸的物质的量比对产品收率的影响

原工艺中，甲醇与氯乙酸的物质的量比是2∶l。为了提高低温条件下的酯化反应转化率，将甲醇用量提高以加速酯化反应并将水从反应体系中分离出来。在反应温度60～80℃、反应时间6h条件下，甲醇与氯乙酸的物质的量比对产品收率的影响试验结果如图3所示。

图3 甲醇和氯乙酸的物质的量比对产品收率的影响

由图3看出，随甲醇与氯乙酸的物质的量比增大，产品收率增大。但甲醇用量增大，相应的甲醇回收装置的负荷也增大，所以，综合考虑，甲醇和氯乙酸的物质的量比以5.0∶1较为适宜。

3.2.3 酯化过程反应时间对产品收率的影响

在反应温度60～80℃、甲醇与氯乙酸的物质的量比5.0∶1条件下，延长反应时间对提高酯化率有利；但反应进行到一定程度后，再延长反应时间，产品收率提高不明显。由图4可知：反应时间为6h时，产品收率为81.3%；继续延长反应时间，产品收率只提高0.5%。所以，确定适宜的反应时间为6h。

图4 反应时间对丙二酸二甲酯收率的影响

4 结论

以氯乙酸、氰化钠和甲醇为原料，采用改进的氰化酯化法合成丙二酸二甲酯是可行的。保持酸化液中适宜的水含量，并在酯化过程中保持甲醇过量，结合酯化过程与甲醇回收过程，可以提高产品收率在84%以上。

［1］李艳云，尹振晏.2，2－二甲基丙二酸二甲酯的合成［J］.化学世界，2011，11（52）：681－683.

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

［3］荆超河，宋建池.丙二酸二甲酯合成工艺的改进［J］.河南化工，1999，10（7）：54－55.