一种富马酸单甲酯的制备方法
技术领域
本发明涉及一种富马酸单甲酯的制备方法。
背景技术
霉菌对人和畜禽的健康及生命安全有着极大的危害,常在食品及饲料中添加少量能抑制微生物生长的化合物,以达到防霉的目的。用于食品和饲料的防霉剂主要有苯甲酸及其盐类、山梨酸及其盐类、尼泊金酯类、丙酸及其盐类、富马酸二甲酯、脱氢醋酸双乙酸钠等。富马酸二甲酯(Dimethyl Fumarate,简称DMF)是一种高效广谱防腐剂,它常温下升华,能有效地抑制体系环境中微生物的滋生,起到高效防腐的作用,因而得到广泛的应用。但DMF对人的皮肤、眼睛有刺激作用,人体接触时能引起皮肤过敏,特别是在用量较大的夏季表现更为突出。目前在欧美等发达国家已经开始限制DMF的使用。由于富马酸单甲酯(MonomethylFumarate,简称MMF)作为防腐剂不仅具有DMF的优点,如PH应用范围广、低毒、用途广、使用方便等特点,而且其抑菌能力更强,刺激性仅为DMF的1/6。富马酸单甲酯的抑菌效果是目前已知防霉剂中最强的,对各种霉菌的抑菌浓度大致在100~800mg/kg之间。而且MMF在水中的溶解度较大,使用更方便,在饲料、食品、蔬菜、水果等防霉保鲜方面具有广泛的应用前景。
关于MMF的制备,一般采用等物质的量的马来酸酐和甲醇为原料,先发生醇解反应生成马来酸单甲酯,再经过异构化反应生成富马酸单甲酯。
由于马来酸单甲酯的异构化反应为强放热反应,影响富马酸单甲酯收率的主要因素是异构化反应催化剂的种类、用量和异构化反应的温度。目前国内对于富马酸单甲酯的合成研究主要采用盐酸为催化剂,产率在70%~83%;而国外主要是以盐酸、氯化铝以及酰氯为催化剂,其产率在82%~85%。如中国专利CN 1363547A公开了一种富马酸单甲酯的制备工艺,采用盐酸作为催化剂,以乙酸乙酯作为异构化溶剂,反应温度在20~70℃,反应3~8h,收率可达95%。上述工艺中采用的异构化催化剂如盐酸、无水AlCl3等收率不甚理想,盐酸对设备腐蚀严重,产物中的盐酸需要经过洗涤除去,因而需要增加酸性废水处理工艺。上述工艺中还需要使用大量的苯、甲苯等有机溶剂。山于苯类有机溶剂有毒,此类有机溶剂的使用和回收,增大了生产成本,不利于工业化生产。因而需要寻求更为高效节能的生产工艺。
发明内容
本发明要解决的技术问题是富马酸单甲酯的制备使用大量有机溶剂,增大了生产成本,不利于工业化生产,提供一种富马酸单甲酯的制备方法。
本发明的技术方案是:一种富马酸单甲酯的制备方法,以马来酸酐为原料与甲醇发生醇解反应,生成马来酸单甲酯,将马来酸单甲酯再异构化生成富马酸单甲酯,它是按如下步骤制备:
(1)以马来酸酐为原料与甲醇发生醇解反应,生成马来酸单甲酯;
(2)在步骤(1)溶液中加入乙酸乙酯,在80~100℃的条件下,加入富马酰氯,反应60~120分钟;
(3)蒸馏除去步骤(2)中的乙酸乙酯,加入水,加热使产物溶解后,再冷却,离心分离,真空干燥后得到富马酸单甲酯。
所述步骤(1)中,甲醇与马来酸酐的物质的量之比为1.1~1∶1,甲醇分两次加入。
所述步骤(2)中,富马酰氯的加入量为马来酸酐物质的量的1~10%。
本发明中,以富马酸和亚硫酰氯为原料,在催化剂存在下合成富马酰氯。该反应条件温和,收率在90%以上,易于工业化生产。富马酰氯可以作为制备富马酸单甲酯的高效催化剂。
以富马酰氯为异构化催化剂,富马酸单甲酯的制备方法是:以马来酸酐为原料与甲醇反应生成马来酸单甲酯,然后在富马酰氯催化下,将马来酸单甲酯异构化生成富马酸单甲酯。
在上述工艺步骤中,所用的甲醇可以是与马来酸酐等物质的量,也可以过量5~10%(以物质的量计);甲醇分两批次加入到反应器中:首先加入所用原料马来酸酐物质的量的90%左右的甲醇,搅拌下反应至马来酸酐完全溶解时,再加入剩余量的甲醇,继续反应30分钟。反应可以在室温下进行,或者微热保持温度在30~55℃之间,反应中保持30~60转/分的搅拌。醇解反应可以在1小时内完成,得到室温下为透明粘稠状液体,即为马来酸单甲酯。
在上述工艺步骤中,马来酸单甲酯的异构化反应是以富马酰氯作为催化剂的,其优点在于富马酰氯在室温下为液体,易于计量和加入到反应体系中;富马酰氯作为催化剂,可以与体系中的微量甲醇反应最终转化为产物,不会在产物中引入其它杂质。其用量为原料马来酸酐物质的量的1~10%,最佳用量为马来酸酐物质的量的4~6%,用量太少异构化反应不完全,用量过大会增加副产物富马酸二甲酯的含量。
由于放热反应,异构化反应的温度过高或过低都会增加副反应的发生,在异构化反应过程中主要的副产物是富马酸二甲酯和富马酸,适宜的异构化反应温度是80~100℃,最佳异构化反应温度为90~100℃之间。控制异构化反应的温度是提高MMF产率和品质的关键。
本发明通过采用这样的技术方案解决上述技术问题:在所制备的马来酸单甲酯中加入一定量的有机溶剂乙酸乙酯。然后在搅拌下将马来酸单甲酯溶液加热至80℃,加入异构化催化剂富马酸酰氯。异构化反应所释放的热量可以使反应体系的温度维持在90℃左右,保持热浴温度为80℃,搅拌下反应,3~4分钟后,溶液中开始有晶体析出并很快固化,异构化反应可以在10分钟内完成。反应结束后,通过蒸馏回收有机溶剂乙酸乙酯,再加入适量的水,在75℃左右使产物完全溶解,冷却后MMF析出成悬浮液,通过5~10分钟的离心分离,再置于50℃左右的烘箱中真空干燥即得到产品MMF。
采用上述异构化工艺制备MMF时,收率不低于96%。将乙酸乙酯和水重复使用,其收率接近理论值。由于产品收率极高,几乎没有后处理和废弃物排放。
富马酸单甲酯的红外光谱、核磁共振和元素分析表征:
IR(KBr)表征:2650cm-1(OH),1720cm-1(C=O),1690cm-1(COOH),1630cm-1(C=C),1435cm-1(OCH3);
1H-NMR(CDCl3,400MHz)表征:δ:3.68(s,3H,COOCH3),7.4-7.46(d,2H,HC=CH),12.86(s,1H,COOH)
元素分析:W(c)=46.36%,W(H)=4.59%理论值w(C)=41.15%,w(H)=4.62%
以上数据表明制备的化合物为富马酸单甲酯。
本发明的有益效果为:本发明制备MMF工艺所用醇解反应工艺可以在室温下完成,节能且反应时间较短;马来酸单甲酯的异构化反应可以与马来酸酐的醇解反应采用同一套设备,醇解反应结束后即可进行异构化反应,无需增加新的设备。在发生异构化反应时在体系中加入一定量的有机溶剂,借助有机溶剂的回流散热作用实现了对异构化反应温度的有效调控,使整个反应过程的温度在最佳温度范围内,所用有机溶剂乙酸乙酯无毒且可完全回收。所用的水可以循环使用,几乎无废弃物排放,环保性能好。
具体实施方式
实施例1
富马酰氯的制备
在装有酸性气体回收装置的反应瓶中加入58.0g(0.5mol)的富马酸和几滴催化剂,然后再加入178.5g(1.5mol,过量)的SOCl2。加热至回流反应,直至富马酸完全反应。常压蒸馏回收过量的亚硫酰氯,再减压蒸馏,收集80~82℃/0.09MPa的馏分,得到浅黄色液体71g,即为富马酰氯,收率92%。
富马酸单甲酯制备
将49g(0.5mol)马来酸酐和12.8g(0.4mol)无水甲醇投入反应瓶中,室温下搅拌反应,体系温度自动上升至35℃左右,反应30~40分钟,马来酸酐全部溶解,再加入6.4g(0.2mol)无水甲醇,水浴加热至55℃继续反应30分钟。
将在上述反应体系加热,调整热浴温度至80℃,向反应体系中加入3.06g(0.02mol)富马酰氯,由于异构化反应为放热反应,使体系温度急剧升高至95℃。反应4分钟后,溶液中开始有晶体析出,并很快固化。保温条件下,反应体系温度急剧升高至120℃,保温10分钟后,体系温度开始降低,保持热浴温度为80℃,继续反应120分钟。加入适量的水,于75℃左右溶解,冷却后离心分离。50℃左右真空干燥,得到产物52g,收率86%,熔点144~146℃。
实施例2
富马酸单甲酯制备
将49g(0.5mol)马来酸酐和12.8g(0.4mol)无水甲醇投入反应瓶中,室温下搅拌反应,体系温度自动上升至35℃左右,反应30~40分钟,马来酸酐全部溶解,再加入6.4g(0.2mol)无水甲醇,水浴加热至55℃继续反应30分钟。
在上述反应体系中加入一定量的乙酸乙酯,加热,调整热浴温度至90℃,向反应体系中加入3.06g(0.02mol)富马酰氯,反应体系温度急剧升高至90℃。反应2分钟后,溶液中开始有晶体析出,并很快固化。保温条件下,反应体系温度会进一步升高至96℃,保温10分钟后,体系温度开始降低,保持热浴温度为90℃,继续反应60分钟。蒸馏,回收溶剂乙酸乙酯,再加入适量的水,于75℃左右溶解,冷却后离心分离。50℃真空干燥,得到产物63g,收率97%,熔点136~140℃。
实施例3
富马酸单甲酯制备
将98g(1.0mol)马来酸酐和28.8g(0.9mol)无水甲醇投入反应瓶中,室温下搅拌反应,体系温度自动上升至35℃左右,反应30~40分钟,马来酸酐全部溶解,再加入6.4g(0.2mol)无水甲醇,水浴加热至55℃继续反应30分钟。
在上述反应体系中加入一定量的乙酸乙酯后加热至体系温度为85℃时,向反应体系中加入1.53g(0.01mol)富马酰氯,反应体系温度急剧升高至90℃。反应2分钟后,溶液中开始有晶体析出,并很快固化。体系反应温度进一步升高至95℃,保温10分钟后,体系温度开始降低,保持热浴温度85℃,继续反应100分钟。蒸馏回收溶剂乙酸乙酯,再加入适量的水于75℃左右使固体物完全溶解,冷却后离心分离。55℃真空干燥,得到产物127g,收率97.6%,熔点138~141℃。
实施例4
富马酸单甲酯制备
将49g(0.5mol)马来酸酐和12.8g(0.4mol)无水甲醇投入反应瓶中,室温下搅拌反应,体系温度自动上升至35℃左右,反应30~40分钟,马来酸酐全部溶解,再加入3.2g(0.1mol)无水甲醇,水浴加热至55℃继续反应30分钟。
在上述反应体系中加入一定量的乙酸乙酯,加热,调整热浴温度至80℃,向反应体系中加入1.53g(0.01mol)富马酰氯,反应体系温度急剧升高至90℃。反应2分钟后,溶液中开始有晶体析出,并很快固化。保温条件下,反应体系温度会进一步升高至96℃,保温10分钟后,体系温度开始降低,保持热浴温度为80℃,继续反应110分钟。蒸馏,回收溶剂乙酸乙酯,再加入适量的水,于75℃左右溶解,冷却后离心分离。60℃真空干燥,得到产物60g,收率92.5%,熔点138~140℃。
实施例5
富马酸单甲酯制备
将49g(0.5mol)马来酸酐和12.8g(0.4mol)无水甲醇投入反应瓶中,室温下搅拌反应,体系温度自动上升至35℃左右,反应30~40分钟,马来酸酐全部溶解,再加入4.8g(0.15mol)无水甲醇,水浴加热至55℃继续反应30分钟。
在上述反应体系中加入一定量的乙酸乙酯,加热,调整热浴温度至95℃,向反应体系中加入7.65g(0.05mol)富马酰氯,反应体系温度急剧升高至90℃。反应2分钟后,溶液中开始有晶体析出,并很快固化。保温条件下,反应体系温度会进一步升高至96℃,保温10分钟后,体系温度开始降低,保持热浴温度为95℃,继续反应90分钟。蒸馏,回收溶剂乙酸乙酯,再加入适量的水,于75℃左右溶解,冷却后离心分离。50℃真空干燥,得到产物63.5g,收率97.6%,熔点139~140℃。
实施例6
富马酸单甲酯制备
将49g(0.5mol)马来酸酐和12.8g(0.4mol)无水甲醇投入反应瓶中,室温下搅拌反应,体系温度自动上升至35℃左右,反应30~40分钟,马来酸酐全部溶解,再加入4.8g(0.15mol)无水甲醇,水浴加热至55℃继续反应30分钟。
在上述反应体系中加入一定量的乙酸乙酯,加热,调整热浴温度至85℃,向反应体系中加入4.59g(0.03mol)富马酰氯,反应体系温度急剧升高至90℃。反应2分钟后,溶液中开始有晶体析出,并很快固化。保温条件下,反应体系温度会进一步升高至96℃,保温10分钟后,体系温度开始降低,保持热浴温度为85℃,继续反应110分钟。蒸馏,回收溶剂乙酸乙酯,再加入适量的水,于75℃左右溶解,冷却后离心分离。55℃真空干燥,得到产物63g,收率97%,熔点135~140℃。
实施例7
富马酸单甲酯制备
将49g(0.5mol)马来酸酐和12.8g(0.4mol)无水甲醇投入反应瓶中,室温下搅拌反应,体系温度自动上升至35℃左右,反应30~40分钟,马来酸酐全部溶解,再加入4.8g(0.15mol)无水甲醇,水浴加热至55℃继续反应30分钟。
在上述反应体系中加入一定量的乙酸乙酯,加热,调整热浴温度至100℃,向反应体系中加入6.12g(0.04mol)富马酰氯,反应体系温度急剧升高至95℃。反应2分钟后,溶液中开始有晶体析出,并很快固化。保温条件下,反应体系温度会进一步升高至105℃,保温10分钟后,体系温度开始降低,保持热浴温度为100℃,继续反应60分钟。蒸馏,回收溶剂乙酸乙酯,再加入适量的水,于75℃左右溶解,冷却后离心分离。45℃真空干燥,得到产物61g,收率93.8%,熔点132~138℃。
实施例8
富马酸单甲酯制备
将49g(0.5mol)马来酸酐和12.8g(0.4mol)无水甲醇投入反应瓶中,室温下搅拌反应,体系温度自动上升至35℃左右,反应30~40分钟,马来酸酐全部溶解,再加入4.8g(0.15mol)无水甲醇,水浴加热至55℃继续反应30分钟。
在上述反应体系中加入一定量的乙酸乙酯,加热,调整热浴温度至90℃,向反应体系中加入4.59g(0.03mol)富马酰氯,反应体系温度急剧升高至90℃。反应2分钟后,溶液中开始有晶体析出,并很快固化。保温条件下,反应体系温度会进一步升高至96℃,保温10分钟后,体系温度开始降低,保持热浴温度为90℃,继续反应100分钟。蒸馏,回收溶剂乙酸乙酯,再加入适量的水,于75℃左右溶解,冷却后离心分离。50℃真空干燥,得到产物63g,收率97%,熔点138~140℃。