[发明专利]富马酸二甲酯的一步制造方法

说明书

本发明属于化学工业合成技术。

富马酸二甲酯的结构如下：

它又名反丁烯二酸二甲酯，延胡索酸二甲酯。它为脂肪族不饱和二羧酸酯，是同系物中分子量最小者。具有较好的防霉性能。对食品、饲料、化装品及其它工业品均有防霉作用。

目前国内外都在积极寻找高效、低毒、价廉的防霉剂。富马酸二甲酯能满足上述要求。

国外所报导的富马酸二甲酯的合成方法主要是以甲醇和马来酐（或马来酸）为原料，在酯化催化剂的作用下进行缩合生成马来酸二甲酯，然后在转位剂的作用下将马来酸二甲酯转化为富马酸二甲酯。（即二步法）一般采用的酯化催化剂为浓硫酸，阳离子交换树酯等;采用的转位剂为有机胺类化合物，三苯基膦等。这条路线的反应式为：

上述合成方法的主要缺点是：

1.中间体为马来酸二甲酯需在反应后中和、水洗、干燥、蒸馏分离处理后获得，不纯的马来酸二甲酯不能用于下一步转位。

2.转位生成的富马酸二甲酯需用有机溶剂（如丙酮）结晶纯化。

3.整个反应周期较长，操作复杂，收率不够理想（75～80%）。

本发明的目的是寻找一条操作简便、成本低、收率高的路线，使富马酸二甲酯便于实现工业化生产，为食品、饲料、化装品等工业服务。

马来酸的二酯生成实际上是分两个阶段：

发明人发现，第一分子的甲醇反应比第二分子快的多，这里决定速度的一步是第二分子甲醇与马来酸一甲酯的反应。根据实验，第一分子甲醇室温下1小时后即反应完全，而第二分子甲醇需回流温度下12小时以上才能达到平衡。

但富马酸一甲酯的酯化速度快于马来酸一甲酯，除了经实验证明外，由马来酸及富马酸二者的pKa相比也可看出：

pka₁pka₂

马来酸    1.03    6.27

富马酸    3.03    4.54

因此，对缩短反应时间来讲，本发明试图把中间体改变，即第二个阶段采用富马酸一甲酯与甲醇反应。

此外，由于上面提到的酯化催化剂（浓硫酸，阳离子交换树酯等）没有转位作用，而转位剂（有机胺类，三苯基膦等）没有酯化催化作用，即酯化催化剂与转位剂不相同，但中间体马来酸二甲酯中含有的酯化催化剂如不除去，它能与有机胺或三苯基膦反应，从而阻碍了转位。

氢卤酸能催化马来酸转位为富马酸这一事实已广为人知，KenzieKlozaki等人提出的转位机制如下^[1]：

氯化氢也能采用作为酯化催化剂是Fischer等人提出的^[2]，用含有氯化氢的醇溶液进行酯化称为Fischer酯化法。

根据富马酸一甲酯的酯化速度快于马来酸一甲酯和氯化氢能催化酯化并有使马来酸转化为富马酸的事实，本发明设计了以下合成路线并实施成功：

本发明的要点是以马来酐（或马来酸）和甲醇为原料，在浓盐酸的存在下进行反应得到产品富马酸二甲酯。制造过程为：

1.马来酐、甲醇、浓盐酸（以HCl计）按1∶1.5～2∶0.09～0.18摩尔比混和，在回流温度下反应0.5～3小时，得富马酸一甲酯和富马酸二甲酯的混合物。

2.向上面的反应混合物中继续加入5～5.5摩尔的甲醇，在回流温度下反应5～8小时后冷却，室温下过滤得富马酸二甲酯。

3.过滤后的母液蒸馏回收甲醇，剩余物冷却后加水，室温下过滤得富马酸一甲酯和富马酸二甲酯的混合物（二次结晶物），此结晶可用于进一步酯化。

本发明的主要优点是：

1.马来酐、甲醇和浓盐酸均是大宗化工产品，原料来源容易。

2.主要反应及产品结晶在同一容器中实施。（即一步法）

3.反应器中结晶得到的产品富马酸二甲酯纯度≥99%，不需进一步纯化。

4.反应周期明显短于二步法。

5.酯化催化剂与转位剂合并为同一个化合物浓盐酸（HCl）。

6.过量的甲醇起到反应物、反应溶液及结晶溶剂三者的作用。

实施例1

马来酐200克，甲醇96克及37%盐酸18克加入配有机械搅拌，回流冷凝器和温度计的1000毫升玻璃反应器中，搅拌加热至100-105℃，维持反应1小时后慢慢加入甲醇344克，在70-73℃下搅拌回流6小时。停止加热后继续搅拌至反应液冷至30℃以下过滤，得到富马酸二甲酯的白色磷片结晶，干燥后为255克，熔点100-102℃，气相色谱分析含量≥99%，收率86.8%。