富马酸二己酯的合成工艺研究
2020-02-09赵立献王凤伟
赵立献，王凤伟
(石家庄九达科技有限公司，河北 石家庄 051434)
富马酸二己酯又叫(2E)-2-丁烯二酸二己酯，其分子式为C16H28O4，分子量284.39，CAS号19139-31-2，外观为浅黄色透明液体。主要用作防腐剂、保鲜剂、除臭剂、驱蚊蝇剂等，也可用作增塑剂与润滑剂的添加剂[1-4]。富马酸二己酯的合成方法有以下两种：(1)以富马酸、正己醇为原料，苯为溶剂，对甲苯磺酸为催化剂，回流分水，反应完后降温，水洗，碳酸钠溶液洗，再水洗，蒸出溶剂苯，最后经过分馏得到产品，收率只有80%[5]。(2)以富马酸、正己醇为原料，甲苯为溶剂，对甲苯磺酸为催化剂反应制得产品[6]。
这两种方法的不足之处是苯是致癌物，毒性大，闪点低。使用对甲苯磺酸做催化剂，反应完后对甲苯磺酸溶解在反应体系中，需要用水洗反应液去除，废水多，操作繁琐，不易实现工业化生产。为了批量生产富马酸二己酯，改善上面的不足之处，本课题组对富马酸二己酯合成工艺进行了系统的研究。
1 实 验
1.1 仪器设备与原材料
仪器设备：SHZ-D循环水真空泵；安捷伦高效液相色谱仪；电热套；JJ-1增力搅拌器；阿贝折射仪；布鲁克400兆核磁共振谱仪等。
原材料：富马酸；正己醇；甲苯；硫酸氢钠等均为工业品。
1.2 富马酸二己酯的合成
1.2.1 富马酸二己酯的合成原理
富马酸二己酯的合成路线如图1所示。
图1 富马酸二己酯的合成路线图
Fig.1 Synthesis route diagram of dihexyl fumarate
这是一个羧酸与醇在硫酸氢钠的催化下形成酯的反应，其反应机理如图2所示。
图2 富马酸二己酯的反应机理图
首先是羧酸的羰基氧被硫酸氢钠质子化，醇发生亲核进攻，碳氧之间的π键打开形成一个四面体中间物，然后质子转移，消除水，消除质子得到酯，是个加成-消除机理。
1.2.2 富马酸二己酯的合成
向带有分水器的10 L四口瓶中依次加入富马酸1000 g，硫酸氢钠72 g，正己醇1938 g，甲苯1983 g。开启机械搅拌，升温回流分水，当分水器内水分不再增加时，结束反应。降至室温，抽滤，滤饼为硫酸氢钠(可回收套用)，滤液减压回收甲苯与正己醇，得到浅黄色透明液体2410 g，摩尔收率98.4%，HPLC纯度98.8%。
1.3 产物分析与表征
1.3.1 密度与折光的测定
在20 ℃恒温室内，向100 mL容量瓶中加入待测品富马酸二己酯，定容到100 mL，称重为95.36 g，得到密度为0.9536 g/mL，与文献值0.9539 g/mL相符合[6]。
在20 ℃恒温室内，测产品的折光为1.4518，与文献值1.4519相符合[5]。可以初步判断产物为目标产物。
1.3.2 核磁氢谱的测定
用氘代氯仿作为氘代试剂测得核磁氢谱图如图3所示。
图3 富马酸二己酯的1H NMR图
1H NMR (400 MHz, CDCl3, 25 ℃, TMS):δ6.848 (s, 2H), 4.195 (dd,J=6.8 Hz, 4H), 1.670(dd,J=6.8 Hz, 4H), 1.290～1.393(m, 12H), 0.897(dd,J=6.8 Hz, 6H)。检测结果与产品结构相符合。
1.3.3 液相色谱的测定
检测条件：色谱柱：C18，4.6×50 mm；流动相：B(乙腈)，A(水)；梯度洗脱(B%，20%～95%)。检测波长：254 nm。分析结果如图4所示。
图4 富马酸二己酯的HPLC图
由图4所得，产品面积归一化纯度为98.83%，符合客户使用要求。
2 结果与讨论
2.1 酯化反应催化剂的选择
酯化反应一般用酸作催化剂，比较常用的酸有浓硫酸、对甲苯磺酸、硫酸氢钠、固体酸等。浓硫酸虽然价格很便宜，但具有很强的氧化性，会使反应物碳化，进而使反应液颜色发黑，所以一般不使用。对甲苯磺酸虽然不具有氧化性，但是反应完全后它会溶解在反应体系中，要想分离出它必须经过碳酸钠水溶液洗涤，再水洗，干燥，操作繁琐，会增加设备投资与人工成本。选择合适的固体酸催化剂可以很好克服上面两个缺点，但是固体酸催化剂本身制作工艺复杂，商品化的品种很少，价格相对较高。而硫酸氢钠与反应体系不相溶，实际使用过程中碳化效果不突出，反应完毕后静置，倾出上清液即可实现催化剂与反应体系的分离，并且它廉价易得。最终确定硫酸氢钠为酯化反应的催化剂。
按照上面实验过程，只改变硫酸氢钠的用量，其它条件不变，考察催化剂用量对收率的影响。
表1 硫酸氢钠用量对收率的影响
从表1数据可以看出实验过程中逐步提高硫酸氢钠的用量，当n(富马酸):n(硫酸氢钠)=1:0.07时收率达到最高，再提高硫酸氢钠的量时收率基本不变，所以1:0.07是富马酸与硫酸氢钠的最佳投料比。
2.2 正己醇用量的确定
理论上富马酸与正己醇的摩尔比为1:2，但实际上正己醇要过量些才能反完全，实验数据如表2所示。
表2 正己醇用量对收率的影响
从表2数据可以看出实验过程中逐步提高正己醇的用量，当n(富马酸):n(正己醇)=1:2.2时收率达到最高，再增加正己醇的量收率基本不变，所以1:2.2是富马酸与硫酸氢钠的最佳投料比。
2.3 反应溶剂的选择与用量
由于酯化反应是个平衡反应，反应生成的水必须从反应体系中移除才能使反应进行完全。常用的与水共沸的溶剂有环己烷、苯、甲苯等。由于环己烷与苯均有致癌性，环己烷与苯的闪点也比甲苯要低，不安全因素比甲苯大，最终确定甲苯为反应溶剂。甲苯的用量由表3实验数据得到，见表3。
表3 甲苯用量对收率影响
从表3数据可以看到当n(富马酸):n(甲苯)=1:1时，反应收率低，可能是因为甲苯用量低，回流温度高，有少量产品碳化，随着甲苯量逐渐增大，收率逐渐增高，回流温度变低，反应液颜色也逐渐变浅，当 n(富马酸):n(甲苯)=1:2.5时反应收率达到最高，再加大甲苯的量收率基本不变。
2.4 逐级放大过程考察
表4 逐级放大对收率影响
按实验部分确定好的制备工艺逐级放大，实验数据如表4所示。从表4数据可以看出随着投料量的逐步放大，收率逐步提高，当放大到1000 g时基本上达到不变，平行三批数据，收率稳定，产品质量稳定。
3 结 论
富马酸二己酯具有很强的工业应用价值，以放大生产为目的对它的制备工艺进行研究具有重要的意义。通过对酯化反应催化剂及其溶剂的选择、原料之间的配比的优化，最终得到了最佳反应条件，并把生产规模放大到公斤级别，平行三批实验，收率稳定，质量可靠，达到预期实验效果。
