丙二酸二甲酯的合成研究进展

施建林;金文远;王安顺;黄珍丽;林伟;段艳文;董安周;李广学

【摘 要】综述了丙二酸二甲酯的合成工艺研究,分别按照不同的合成方法进行了阐述,包括法、羰基化法和克莱森酯缩合法,并对每种反应机理的研究现状进行了讨论.

【期刊名称】《安徽化工》 【年(卷),期】2015(041)006 【总页数】3页(P1-2,5)

【关键词】丙二酸二甲酯;法;羰基化法;克莱森酯缩合法 【作 者】施建林;金文远;王安顺;黄珍丽;林伟;段艳文;董安周;李广学

【作者单位】安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南232001;安徽理工大学化学工程学院,安徽淮南232001 【正文语种】中 文

【中图分类】O623.624+.2

丙二酸二甲酯（Dimethyl Malonate）又称胡萝卜酸二甲酯，为无色透明液体，带有芳香气味[1]，微溶于水，溶于醚、醇、苯和氯仿等多种有机溶剂[2]。丙二甲酸二甲酯是一种重要的丙二酸酯类化合物，其分子结构中含有活泼的亚甲基，容易

被其它基团所取代，可参与水解、脱羧、烷基化等多种反应，是合成药物、农药、香料、染料、抗氧化剂等多种精细化学品的重要原料。以丙二酸二甲酯为原料合成的香豆素丙二酸二甲酯是一类新型降血糖化合物[3-4]。

目前，国内外丙二酸二甲酯的需求量比较大[5]，其相关的合成工艺方法主要有法、羰基化法和克莱森酯缩合法，开发出经济、环保的合成工艺具有重要意义。 法是合成丙二酸二甲酯的传统工艺方法，以氯乙酸、、甲醇为原料，通过中和、氰化、酸化和酯化而制得。

以氯乙酸为起始原料，经碳酸钠中和生成的氯乙酸钠，再与反应可得氰乙酸钠，在酸性条件下，氰乙酸钠酸化生成氰乙酸，然后甲醇与氰乙酸在硫酸催化下酯化可得丙二酸二甲酯。反应历程如下[6]：

2ClCH2COOH+Na2CO3=2ClCH2COONa+CO2↑+H2O ClCH2COONa+NaCN=CNCH2COONa+NaCl CNCH2COONa+HCl=CNCH2COOH+NaCl

CNCH2COOH+2CH3OH+H2SO4=CH2（COOH3）2+NH4HSO4

荆超等[7]对丙二酸二甲酯合成工艺进行了改进，明确了酯化为控制步骤，在无醇的条件下，氰乙酸与硫酸及水加成反应生成硫酸盐，在适量水存在的条件下进行水解反应，然后加入甲醇进行酯化反应。该反应克服了以往脱水过程中氰乙酸的分解，而影响实验收率。试验确定了水与氰乙酸质量比为3∶1，甲醇与氰乙酸质量比为2.5∶1，甲苯和氰乙酸的质量比为2.5∶1。中和氰化反应温度为70℃～90℃，反应1～2h，水解温度为60℃～90℃的条件下反应1～3h，酯化温度为60℃～80℃的状态下搅拌反应2～5h，丙二酸二甲酯总收率达80%以上，并且酯化反应所需甲苯可循环使用，不影响产品的质量和收率，具有较高的经济效益。

程永高[8]对提高丙二酸二甲酯收率进行了实验研究，酸化反应后，在无醇的条件下，氰乙酸与硫酸及水首先加成生成硫酸盐，继而水解生成丙二酸和硫酸氢铵。一

定量水参与下，丙二酸与甲醇进行酯化反应，形成丙二酸二甲酯。考查了氰化过程中的pH、反应温度、反应时间和酯化过程中水分含量、反应时间、甲醇和氯乙酸的物质的质量比等对丙二酸二甲酯收率的影响。合成总收率达85%以上，产品纯度99%。

法是目前国内工业生产丙二酸二甲酯的主要生产方法。该技术相对成熟，可实现稳定生产，但工艺流程长，使用剧毒物质，容易造成环境严重污染，加之反应过程中会产生大量盐，后续处理较为复杂。

1988年，Laurent Pascale等[9]发现在Fe（CO）5催化作用下，可以将溴乙酸甲酯经羰基化转化为丙二酸二甲酯。

将反应温度控制在55℃，CO的压力设置在5bar，MeO-与Fe（CO）5的摩尔比为12∶1，溴乙酸甲酯与Fe（CO）5的摩尔比为10∶1，在四氢呋喃中反应生成的丙二酸二甲酯的收率为45%（基于溴乙酸甲酯）。

Yagita Hiroshi等[10]发现活性炭负载的Co对羰基化反应有很好的催化效果，当CO压力为31bar，反应温度为140℃时，CH2Br2、CO和甲醇按化学计量反应生成丙二酸二甲酯，产品收率为34.4%。

Yasuda Kensei和Shinoda Kiyonori[11]考查了以氯乙酸甲酯为原料，温度为200℃～300℃下经气相羰基化反应，所得丙二酸二甲酯中没有任何副反应，且收率较好。其后，Yasuda Kensei和Shinoda Kiyonori又进一步对羰基化法合成丙二酸二甲酯进行了研究，分别考查了氯乙酸甲酯和溴乙酸甲酯的影响。在RhCl3的催化作用下，以溴乙酸甲酯为原料，反应温度为150℃，溴乙酸甲酯和甲醇的物质的量之比为1∶10，并以上述两种物质的混合量以10mL/h、CO以0.25mol/h的量通入反应器中，生成丙二酸二甲酯的物质的量占反应混合物总物质的量的58.1%。

本世纪初，宋伟红和姜玄珍[12]对氯乙酸甲酯钴催化羰基化合成丙二酸二烷基酯进

行了研究，以氯化钴、铁粉和硫代硫酸钠采用原位合成方法制备Na[CO（CO）4]，其催化合成丙二酸二甲酯的收率为85%以上。

蒋文杰等[13]使用原位法合成多种四羰基钴/咪唑离子液类型的催化剂，考查了其在氯乙酸甲酯羰基化合成丙二酸二甲酯的催化性能，实验发现，在CO压力为2.0MPa，温度为85℃，反应3h的条件下，采用1-丁基-3-甲基咪唑羰基钴离子液体[Bmin][Co（CO）]作为催化剂，丙二酸二甲酯的收率高达92.9%。该催化剂循环使用4次后，试验收率影响不大。

羰基化法虽避免了氰化物的使用，但使用了贵金属催化剂，增加了投资成本，合成的过程中需要高温、高压条件，降低了操作的安全性，且工艺复杂。

克莱森酯缩合是指含有α-活泼氢的酯类在碱性试剂作用下失去质子形成碳负离子，该碳负离子对酯羰基进行亲核加成，失去一分子的醇，经酸化后得到β-羰基羧酸酯的反应[14]。

一般情况下，常用于克莱森酯缩合反应的催化剂有氢氧化钠、醇钠、醇钾等，如果试验中要求催化剂的碱性更强，则可以选择使用叔丁醇钾、氢化钠、三苯甲基钠[15]。一般情况来说，含有а-H的酯在碱性条件下进行脱去а-H，加入碱的碱性越强，则该步反应越容易进行，同时也更有利于后续各步反应的进行。

吴超[16]以乙酸甲酯和碳酸二甲酯为原料，经由克莱森酯缩合反应合成丙二酸二甲酯。乙酸甲酯是一个含有α-H的酯，碳酸二甲酯是一个不含有α-H的酯，二者可以在碱性催化剂的作用下进行克莱酯交叉缩合反应，生成丙二酸二甲酯。 通过对原料配比、溶剂种类及用量、催化剂种类及用量、反应时间等因素考查，发现在catNH-solPO构成的催化反应体系中实施更有利于丙二酸二甲酯的生成。乙酸甲酯和催化剂物质的量之比为2.661，碳酸二甲酯和催化剂物质的量之比为2.713，溶剂和催化剂物质的量之比为3.583，在上述条件下反应1h，丙二酸二甲酯理论收率可达到40.72%。

纵观近年来丙二酸二甲酯的合成方法，法和羰基化法的合成路线较为成熟，在工业生产中被广泛应用。但是，这些合成方法中均存在一些问题，其中法不可避免地使用到剧毒物质，且工艺流程长，环境污染严重；催化羰基化法虽然工艺流程短，避免氰化物的使用，但是使用催化剂价格昂贵，投资成本较高，且反应条件苛刻。碳酸二甲酯和乙酸甲酯作为环境友好的绿色化学品，经克莱森酯缩合生成丙二酸二甲酯，从源头减少对环境的污染，且工艺流程短，反应条件温和，符合发展绿色化工的理念和技术发展的趋势。

【相关文献】

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（College ofChemical Engineering，Anhui UniversityofScience and Technology，Huainan 232001，China）