CN101831662A - 制备丁二酸单甲酯的方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备丁二酸单甲酯的方法，是以顺丁烯二酸酐和甲醇为原料制备得到丁二酸单甲酯，所述方法步骤如下：(1)脱水除杂：将甲醇加入脱水除杂设备中，加入碱土金属氧化物进行脱水除杂；(2)固-液分离：液相物料进入下一步；(3)单酯化反应：向上一步得到的液相物料中加入顺丁烯二酸酐；(4)真空蒸馏：除去甲醇的物料进入下一步；(5)电化学还原：顺丁烯二酸单甲酯产物、水和硫酸进行电化学加氢还原反应；(6)冷却结晶；(7)固-液分离：固相物料进入下一步；(8)重结晶分离：得到丁二酸单甲酯产品。本发明制备方法简单，工艺合理，制备成本低，产品纯度高，产品质量好，收率高，便于实现大规模工业化。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备丁二酸单甲酯的方法，特别涉及一种以顺丁烯二酸酐和甲醇为原料制备丁二酸单甲酯的方法，属于精细化工领域。
背景技术
丁二酸单甲酯(Mono-Methyl Succinate)，中文别名为琥珀酸单甲酯，CAS号为3878-55-5，分子式为C5H8O4，分子量132.11，常温度下为白色晶体，熔点为56-59℃，沸点为151℃，溶于醇、醚和苯等有机溶剂，不溶于水。丁二酸单甲酯是有机合成和药物合成的中间体，也是生产五彩蜡烛的基质材料，具有燃烧无烟、无臭等优点。
本发明的主要原料为顺丁烯二酸酐。C4H2O3，分子量为98.06，白色针状结晶，易燃、易升华，熔点为52.8℃，沸点为202℃，
闪点103℃。
现有采用丁二酸和甲醇为原料经过酯化反应制得丁二酸单甲酯，而丁二酸是以顺丁烯二酸酐为原料经过化学或者电化学还原得到，存在问题有：
(1)丁二酸与甲醇的酯化反应比顺丁烯二酸酐与甲醇的酯化反应要困难和慢得多。因为顺丁烯二酸酐分子中的双键C＝C和两个羰基两种官能团，而且两个羰基与双键共轭，因此其反应活性很高，能进行酯化反应、加成反应等，在酯化反应过程中，顺丁烯二酸酐比丁二酸的化学反应速度快得多，而且进行彻底。
(2)现有工艺技术采用的原料丁二酸是由顺丁烯二酸酐经过化学或者电化学还原得到丁二酸。实质的原料也为顺丁烯二酸酐，顺丁烯二酸酐经过加氢还原得到丁二酸，然后丁二酸与甲醇进行酯化反应得丁二酸单甲酯。该工艺路线存在的主要缺的是丁二酸与甲醇进行酯化反应合成丁二酸单甲酯的反应速度慢、反应难以进行彻底，使产物的分离精制困难。
(3)现有方法存在着操作控制困难，产品质量差、纯度低、工艺流程长、生产成本高、难以大规模工业化的弊端。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种工艺合理、制备方法简单、制备成本低、产品纯度高、质量好的制备丁二酸单甲酯的方法。
实现上述目的的技术方案是：一种制备丁二酸单甲酯的方法，是以顺丁烯二酸酐和甲醇为原料制备得到丁二酸单甲酯，所述方法步骤如下：
(1)脱水除杂：将甲醇加入脱水除杂设备中，加入碱土金属氧化物混合均匀进行脱水除杂操作；
(2)固-液分离：将上一步得到的物料进行固-液分离，液相物料进入下一步，固相物料经烘干脱水处理后作为上一步的碱土金属氧化物循环使用；
(3)单酯化反应：向上一步得到的液相物料中加入顺丁烯二酸酐，顺丁烯二酸酐和甲醇发生单酯化反应生成顺丁烯二酸单甲酯产物；
(4)真空蒸馏：将上一步得到的物料进行真空蒸馏操作，经过真空蒸馏除去甲醇的物料进入下一步，蒸出的气相物料采用冷凝的方法回收甲醇，作为第一步甲醇原料循环利用；
(5)电化学还原：在电化学还原反应器中，加入上一步得到的顺丁烯二酸单甲酯产物、水和硫酸进行电化学加氢还原反应，顺丁烯二酸单甲酯加氢还原为丁二酸单甲酯，电化学加氢还原反应后物料进入下一步；
(6)冷却结晶：将上一步物料进行冷却降温操作，丁二酸单甲酯从溶液中结晶析出；
(7)固-液分离：将上一步得到的物料进行固-液分离操作，固相物料进入下一步进一步分离精制，水相物料直接返回作为第五步电化学还原反应的硫酸水溶液循环使用；
(8)重结晶分离：在重结晶分离设备中，将上一步得到的丁二酸单甲酯固相物料进行重结晶分离，得到丁二酸单甲酯产品。
进一步，所述碱土金属氧化物为氧化钙、氧化镁、氧化钡或氧化锶中的任意一种，碱土金属氧化物的用量为甲醇质量的1％～5％。
进一步，所述第三步单酯化反应中顺丁烯二酸酐和甲醇的摩尔比为1∶1.05～2.2，反应操作温度为20℃～60℃。
进一步，所述第四步真空蒸馏的操作绝对压力为0.01MPa～0.06MPa，操作温度为20℃～60℃。
进一步，所述第五步电化学还原的电解液中，硫酸的摩尔浓度为0.5mol/L～4.0mol/L，反应的操作温度为20℃～60℃，操作的电流密度为500A/m2～2000A/m2。
进一步，所述第八步重结晶分离进行精制的有机溶剂为甲醇或乙醇中的任意一种，有机溶剂与丁二酸单甲酯的摩尔比为10～100∶1。
进一步，所述第五步电化学还原中电化学还原反应器为普通平板型电化学反应器或三维电化学反应器，电化学还原反应器的阳极室和阴极室由隔离膜隔离，隔离膜优选阳离子膜。
进一步，所述固-液分离装置是沉降式或过滤式或离心式或叶片式固-液分离装置中的任意一种。
实现本发明需要的主要工艺设备为：化学反应器、固-液分离装置、电化学还原反应器、重结晶分离设备等。
采用上述技术方案的好处是：
(1)在顺丁烯二酸酐与甲醇反应制备顺丁烯二酸单甲酯反应过程中，充分利用了顺丁烯二酸酐与甲醇反应制备顺丁烯二酸单甲酯反应的特殊性。顺丁烯二酸酐与甲醇酯化反应生成顺丁烯二酸单甲酯的反应过程不需要催化剂，在操作温度20℃～60℃就能迅速进行，而且在该操作条件下，副产物反丁烯二酸单甲酯的生成量少，在甲醇过量的情况下，该反应过程中顺丁烯二酸酐转化完全。
(2)在顺丁烯二酸单甲酯电化学加氢还原制备丁二酸单甲酯反应过程中，充分利用了顺丁烯二酸单甲酯在硫酸水溶液中具有一定的溶解性、易进行阴极电化学加氢还原反应以及顺丁烯二酸单甲酯加氢还原产物为单一的丁二酸单甲酯产物的特性，采用电化学加氢还原技术将顺丁烯二酸单甲酯中的双键进行加氢还原为单键。采用电化学加氢还原技术具有能具有设备适用性强、操作灵活、反应速度快、过程安全可靠、操作方便、电化学加氢还原产物选择性高等显著优点。
(3)在顺丁烯二酸单甲酯电化学加氢还原制备丁二酸单甲酯反应后的物料分离精制过程中，充分利用了顺丁烯二酸单甲酯溶于醇类有机溶剂而且在温度低的条件下不溶于水的特性，采用重结晶方法分离精制得到的丁二酸单甲酯产品的方法。
(4)在顺丁烯二酸单甲酯电化学加氢还原制备丁二酸单甲酯反应后的物料分离精制过程中，因为在丁烯二酸单甲酯电化学加氢还原制备丁二酸单甲酯反应过程中，硫酸不消耗，故采用固-液分离的方法将得到的液相物料硫酸水溶液直接循环使用，无废酸水溶液排放。
本发明工艺合理、制备方法简单，生产成本低，制备的产品纯度高、质量好，收率高，制备反应快速，便于实现大规模工业化。
附图说明
附图为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
主要工艺设备为化学反应器、固-液分离装置、电化学还原反应器、重结晶分离设备等。
实施例一
主要工艺设备单甲酯反应的化学反应器是釜式搅拌化学反应器，电化学还原反应器为普通平板型电化学反应器，电化学还原反应器的阳极室和阴极室由阳离子膜隔离，固-液分离装置是沉降式固-液分离装置。
如图所示，一种制备丁二酸单甲酯的方法，是以顺丁烯二酸酐和甲醇为原料制备得到丁二酸单甲酯，所述方法步骤如下：
(1)脱水除杂：将甲醇加入脱水除杂设备中，加入碱土金属氧化物混合均匀进行脱水除杂操作，碱土金属氧化物为氧化钙，氧化钙的用量为甲醇质量的1％；
(2)固-液分离：将上一步得到的物料在沉降式固-液分离装置中进行固-液分离，液相物料进入下一步，固相物料经烘干脱水处理后作为上一步的碱土金属氧化物循环使用；
(3)单酯化反应：向上一步得到的液相物料中加入顺丁烯二酸酐，顺丁烯二酸酐和甲醇发生单酯化反应生成顺丁烯二酸单甲酯产物。单酯化反应中顺丁烯二酸酐和甲醇的摩尔比为1∶1.05，单酯化反应操作温度为60℃；
(4)真空蒸馏：将上一步得到的物料进行真空蒸馏操作，经过真空蒸馏除去甲醇的物料进入下一步，蒸出的气相物料采用冷凝的方法回收甲醇，作为第一步甲醇原料循环利用。真空蒸馏的操作绝对压力为0.06MPa，操作温度为60℃；
(5)电化学还原：在电化学还原反应器中，加入上一步得到的顺丁烯二酸单甲酯产物、水和硫酸进行电化学加氢还原反应，顺丁烯二酸单甲酯加氢还原为丁二酸单甲酯，电化学加氢还原反应后物料进入下一步。在电化学还原的电解液中，硫酸的摩尔浓度为0.5mol/L，反应的操作温度为20℃，操作的电流密度为500A/m2；
(6)冷却结晶：将上一步物料进行冷却降温操作，丁二酸单甲酯从溶液中结晶析出；
(7)固-液分离：将上一步得到的物料在沉降式固-液分离装置中进行固-液分离操作，固相物料进入下一步进一步分离精制，水相物料直接返回作为第五步电化学还原反应的硫酸水溶液循环使用；
(8)重结晶分离：在重结晶分离设备中，将上一步得到的丁二酸单甲酯固相物料进行重结晶分离，得到丁二酸单甲酯产品。重结晶分离进行精制的有机溶剂为甲醇，有机溶剂甲醇与丁二酸单甲酯的摩尔比为10∶1。
实施例二
主要工艺设备单甲酯反应的化学反应器是管式化学反应器，电化学还原反应器为三维电化学反应器，电化学还原反应器的阳极室和阴极室由多孔隔离膜隔离，固-液分离装置是过滤式固-液分离装置。
如图所示，一种制备丁二酸单甲酯的方法，是以顺丁烯二酸酐和甲醇为原料制备得到丁二酸单甲酯，所述方法步骤如下：
(1)脱水除杂：将甲醇加入脱水除杂设备中，加入碱土金属氧化物混合均匀进行脱水除杂操作，碱土金属氧化物为氧化镁，氧化镁的用量为甲醇质量的3％；
(2)固-液分离：将上一步得到的物料在过滤式固-液分离装置中进行固-液分离，液相物料进入下一步，固相物料经烘干脱水处理后作为上一步的碱土金属氧化物循环使用；
(3)单酯化反应：向上一步得到的液相物料中加入顺丁烯二酸酐，顺丁烯二酸酐和甲醇发生单酯化反应生成顺丁烯二酸单甲酯产物。单酯化反应中顺丁烯二酸酐和甲醇的摩尔比为1∶1.5，单酯化反应操作温度为40℃；
(4)真空蒸馏：将上一步得到的物料进行真空蒸馏操作，经过真空蒸馏除去甲醇的物料进入下一步，蒸出的气相物料采用冷凝的方法回收甲醇，作为第一步甲醇原料循环利用。真空蒸馏的操作绝对压力为0.03MPa，操作温度为40℃；
(5)电化学还原：在电化学还原反应器中，加入上一步得到的顺丁烯二酸单甲酯产物、水和硫酸进行电化学加氢还原反应，顺丁烯二酸单甲酯加氢还原为丁二酸单甲酯，电化学加氢还原反应后物料进入下一步。在电化学还原的电解液中，硫酸的摩尔浓度为2.0mol/L，反应的操作温度为40℃，操作的电流密度为1000A/m2；
(6)冷却结晶：将上一步物料进行冷却降温操作，丁二酸单甲酯从溶液中结晶析出；
(7)固-液分离：将上一步得到的物料在过滤式固-液分离装置中进行固-液分离操作，固相物料进入下一步进一步分离精制，水相物料直接返回作为第五步电化学还原反应的硫酸水溶液循环使用；
(8)重结晶分离：在重结晶分离设备中，将上一步得到的丁二酸单甲酯固相物料进行重结晶分离，得到丁二酸单甲酯产品。重结晶分离进行精制的有机溶剂为乙醇，有机溶剂与丁二酸单甲酯的摩尔比为50∶1。
实施例三
主要工艺设备单甲酯反应的化学反应器是静态混合器，电化学还原反应器为普通平板型电化学反应器，电化学还原反应器的阳极室和阴极室由阳离子膜隔离，固-液分离装置是离心式固-液分离装置。
如图所示，一种制备丁二酸单甲酯的方法，是以顺丁烯二酸酐和甲醇为原料制备得到丁二酸单甲酯，所述方法步骤如下：
(1)脱水除杂：将甲醇加入脱水除杂设备中，加入碱土金属氧化物混合均匀进行脱水除杂操作，碱土金属氧化物为氧化钡，氧化钡的用量为甲醇质量的4％；
(2)固-液分离：将上一步得到的物料在离心式固-液分离装置中进行固-液分离，液相物料进入下一步，固相物料经烘干脱水处理后作为上一步的碱土金属氧化物循环使用；
(3)单酯化反应：向上一步得到的液相物料中加入顺丁烯二酸酐，顺丁烯二酸酐和甲醇发生单酯化反应生成顺丁烯二酸单甲酯产物。单酯化反应中顺丁烯二酸酐和甲醇的摩尔比为1∶1.8，单酯化反应操作温度为50℃；
(4)真空蒸馏：将上一步得到的物料进行真空蒸馏操作，经过真空蒸馏除去甲醇的物料进入下一步，蒸出的气相物料采用冷凝的方法回收甲醇，作为第一步甲醇原料循环利用。真空蒸馏的操作绝对压力为0.04MPa，操作温度为50℃；
(5)电化学还原：在电化学还原反应器中，加入上一步得到的顺丁烯二酸单甲酯产物、水和硫酸进行电化学加氢还原反应，顺丁烯二酸单甲酯加氢还原为丁二酸单甲酯，电化学加氢还原反应后物料进入下一步。在电化学还原的电解液中，硫酸的摩尔浓度为3.0mol/L，反应的操作温度为50℃，操作的电流密度为1500A/m2；
(6)冷却结晶：将上一步物料进行冷却降温操作，丁二酸单甲酯从溶液中结晶析出；
(7)固-液分离：将上一步得到的物料在离心式固-液分离装置中进行固-液分离操作，固相物料进入下一步进一步分离精制，水相物料直接返回作为第五步电化学还原反应的硫酸水溶液循环使用；
(8)重结晶分离：在重结晶分离设备中，将上一步得到的丁二酸单甲酯固相物料进行重结晶分离，得到丁二酸单甲酯产品。重结晶分离进行精制的有机溶剂为甲醇，有机溶剂与丁二酸单甲酯的摩尔比为80∶1。
实施例四
主要工艺设备单甲酯反应的化学反应器是釜式搅拌化学反应器，电化学还原反应器为三维电化学反应器，电化学还原反应器的阳极室和阴极室由隔离膜隔离，隔离膜优选阳离子膜，固-液分离装置是叶片式固-液分离装置。
如图所示，一种制备丁二酸单甲酯的方法，是以顺丁烯二酸酐和甲醇为原料制备得到丁二酸单甲酯，所述方法步骤如下：
(1)脱水除杂：将甲醇加入脱水除杂设备中，加入碱土金属氧化物混合均匀进行脱水除杂操作，碱土金属氧化物为氧化锶，氧化锶的用量为甲醇质量的5％；
(2)固-液分离：将上一步得到的物料在叶片式固-液分离装置中进行固-液分离，液相物料进入下一步，固相物料经烘干脱水处理后作为上一步的碱土金属氧化物循环使用；
(3)单酯化反应：向上一步得到的液相物料中加入顺丁烯二酸酐，顺丁烯二酸酐和甲醇发生单酯化反应生成顺丁烯二酸单甲酯产物。单酯化反应中顺丁烯二酸酐和甲醇的摩尔比为1∶2.2，单酯化反应操作温度为20℃；
(4)真空蒸馏：将上一步得到的物料进行真空蒸馏操作，经过真空蒸馏除去甲醇的物料进入下一步，蒸出的气相物料采用冷凝的方法回收甲醇，作为第一步甲醇原料循环利用。真空蒸馏的操作绝对压力为0.01MPa，操作温度为20℃；
(5)电化学还原：在电化学还原反应器中，加入上一步得到的顺丁烯二酸单甲酯产物、水和硫酸进行电化学加氢还原反应，顺丁烯二酸单甲酯加氢还原为丁二酸单甲酯，电化学加氢还原反应后物料进入下一步。在电化学还原的电解液中，硫酸的摩尔浓度为4.0mol/L，反应的操作温度为60℃，操作的电流密度为2000A/m2；
(6)冷却结晶：将上一步物料进行冷却降温操作，丁二酸单甲酯从溶液中结晶析出；
(7)固-液分离：将上一步得到的物料在叶片式固-液分离装置中进行固-液分离操作，固相物料进入下一步进一步分离精制，水相物料直接返回作为第五步电化学还原反应的硫酸水溶液循环使用；
(8)重结晶分离：在重结晶分离设备中，将上一步得到的丁二酸单甲酯固相物料进行重结晶分离，得到丁二酸单甲酯产品。重结晶分离进行精制的有机溶剂为乙醇，有机溶剂与丁二酸单甲酯的摩尔比为100∶1。
除上述各实施例，本发明的实施方案还有很多，凡采用等同或等效替换的技术方案，均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种制备丁二酸单甲酯的方法，是以顺丁烯二酸酐和甲醇为原料制备得到丁二酸单甲酯，其特征在于所述方法步骤如下：
(1)脱水除杂：将甲醇加入脱水除杂设备中，加入碱土金属氧化物混合均匀进行脱水除杂操作；
(2)固-液分离：将上一步得到的物料进行固-液分离，液相物料进入下一步，固相物料经烘干脱水处理后作为上一步的碱土金属氧化物循环使用；
(3)单酯化反应：向上一步得到的液相物料中加入顺丁烯二酸酐，顺丁烯二酸酐和甲醇发生单酯化反应生成顺丁烯二酸单甲酯产物；
(4)真空蒸馏：将上一步得到的物料进行真空蒸馏操作，经过真空蒸馏除去甲醇的物料进入下一步，蒸出的气相物料采用冷凝的方法回收甲醇，作为第一步甲醇原料循环利用；
(5)电化学还原：在电化学还原反应器中，加入上一步得到的顺丁烯二酸单甲酯产物、水和硫酸进行电化学加氢还原反应，顺丁烯二酸单甲酯加氢还原为丁二酸单甲酯，电化学加氢还原反应后物料进入下一步；
(6)冷却结晶：将上一步物料进行冷却降温操作，丁二酸单甲酯从溶液中结晶析出；
(7)固-液分离：将上一步得到的物料进行固-液分离操作，固相物料进入下一步进一步分离精制，水相物料直接返回作为第五步电化学还原反应的硫酸水溶液循环使用；
(8)重结晶分离：在重结晶分离设备中，将上一步得到的丁二酸单甲酯固相物料进行重结晶分离，得到丁二酸单甲酯产品。
2.根据权利要求1所述制备丁二酸单甲酯的方法，其特征在于：所述碱土金属氧化物为氧化钙、氧化镁、氧化钡或氧化锶中的任意一种，碱土金属氧化物的用量为甲醇质量的1％～5％。
3.根据权利要求1所述制备丁二酸单甲酯的方法，其特征在于：所述第三步单酯化反应中顺丁烯二酸酐和甲醇的摩尔比为1∶1.05～2.2，反应操作温度为20℃～60℃。
4.根据权利要求1所述制备丁二酸单甲酯的方法，其特征在于：所述第四步真空蒸馏的操作绝对压力为0.01MPa～0.06MPa，操作温度为20℃～60℃。
5.根据权利要求1所述制备丁二酸单甲酯的方法，其特征在于：所述第五步电化学还原的电解液中，硫酸的摩尔浓度为0.5mol/L～4.0mol/L，反应的操作温度为20℃～60℃，操作的电流密度为500A/m2～2000A/m2。
6.根据权利要求1所述制备丁二酸单甲酯的方法，其特征在于：所述第八步重结晶分离进行精制的有机溶剂为甲醇或乙醇中的任意一种，有机溶剂与丁二酸单甲酯的摩尔比为10～100∶1。
7.根据权利要求1所述制备丁二酸单甲酯的方法，其特征在于：所述第五步电化学还原中电化学还原反应器为普通平板型电化学反应器或三维电化学反应器，电化学还原反应器的阳极室和阴极室由隔离膜隔离，隔离膜优选阳离子膜。
8.根据权利要求1所述制备丁二酸单甲酯的方法，其特征在于：所述固-液分离装置是沉降式或过滤式或离心式或叶片式固-液分离装置中的任意一种。
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