CN104030922A - 一种制备正丁基丙二酸二甲酯的方法 - Google Patents

一种制备正丁基丙二酸二甲酯的方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种制备正丁基丙二酸二甲酯的方法，包括一个称量丙二酸二甲酯、烷基化试剂、无机碱和溶剂的步骤，将丙二酸二甲酯和烷基化试剂加到反应器中，加入无机碱和溶剂，加完后，在加热回流下继续搅拌反应，补加氯代正丁烷，再加入相转移催化剂，继续回流反应，收集在110℃，8mmHg条件下蒸出来的产品即为正丁基丙二酸二甲酯。本发明采用分步添加氯代正丁烷的方式来提高丙二酸二甲酯的转化率，然后在回收氯代正丁烷后，通过分馏得到产品正丁基丙二酸二甲酯。该方法经济环保，成本低，操作简单，不会产生二取代的杂质，反应条件易于实现，便于工业化生产。

Description

一种制备正丁基丙二酸二甲酯的方法
技术领域
本发明化工领域，涉及一种正丁基丙二酸二甲酯，具体来说是一种制备正丁基丙二酸二甲酯的方法。
背景技术
正丁基丙二酸二甲酯（I），英文名为Dimethyl n-butylmalonate，
（I）
无色液体，具有水果香气。易溶于甲醇、乙醇、乙醚等有机溶剂溶，不溶于水。相对密度1.02，沸点219.6℃/760mmHg，折光率1.425。正丁基丙二酸二甲酯是一种重要的有机化工原料，与其同系物正丁基丙二酸二乙酯一样，它广泛用于电化学品、香料、医药、农药等行业，而且在使用中，当作反应中间体时其优越性远远大于正丁基丙二酸二乙酯，市场前景极其广阔。
目前，合成正丁基丙二酸二乙酯文献较多，而合成正丁基丙二酸二甲酯的文献并不多。Kristi M. Huntington等人报道了（Biochemistry 39, 4543-4551J; 2000）用丙二酸二甲酯和碘代正丁烷为原料，采用金属钠与无水甲醇生成的甲醇钠作碱来制备正丁基丙二酸二甲酯，产率为62%。这种方法使用的原料碘代正丁烷活性特别高，而且甲醇钠的碱性比较强，所以得到产物后还会继续发生烷基化得到杂质二丁基丙二酸二甲酯。这样给分离带来困难，同时也浪费了原料。 Javid Rzayev等人报道了（Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 44(7), 836-843; 2002）用丙二酸二甲酯和溴代正丁烷为原料，采用金属钠与无水甲醇生成的甲醇钠作碱来制备正丁基丙二酸二甲酯，产率为72%。这种方法使用的原料溴代正丁烷活性比较高，所以也有以上文献的缺点。M. Jones等人（Journal of the American Chemical Society, 94(21), 7469-7479, 1972）和 Mitsuhiro Okimoto等人报道了（Synthesis, (15), 2215-2219, 2002）同样也是采用丙二酸二甲酯和溴代正丁烷为原料，使用金属钠与无水甲醇生成的甲醇钠作碱来制备正丁基丙二酸二甲酯。他们这种方法使用的原料溴代正丁烷活性比较高，所以也有上述文献的缺点。AgnesCoulombeau等人报道了（Journal of Organometalic Chemistry, 643-644, 381-391, 2002）用正丁基丙二酸二乙酯和甲醇为原料，采用在氢氧化钾作用下进行酯交换反应，文献并未将产物分离出来而是直接进行了下一步反应。这种方法使用的原料正丁基丙二酸二甲酯价格比较高，致使产品成本较高，而且由于两种酯的沸点接近，如果反应不彻底，要想得到较纯的产品，分离比较困难。Kristina Neimert-Andersson等人报道了（Journal of Organic Chemistry, 69(11), 3746 - 3752, 2004）采用丙二酸二甲酯和溴代正丁烷为原料，用氢化钠与丙二酸二甲酯的无水THF和DMF混合溶液反应先生成的相应的钠盐，再与溴代正丁烷反应得到产物。这种方法虽然可以减少副产物的生成，但是由于采用了氢化钠，所以反应条件比较苛刻，而且使用的溶剂无法回收，也会造成产品的成本上升。总之，上述所有方法，要么容易产生副产物，给分离带来困难，要么反应过程的特殊性，使得其工业化不易实现。而寻找一条行之有效的工业化容易实现的合成正丁基丙二酸二乙酯的方法成为各国化学工作者的研究热点。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种制备正丁基丙二酸二甲酯的方法，所述的这种方法要解决现有技术中的制备方法工艺复杂，成本高，产物分离困难的技术问题。
本发明一种制备正丁基丙二酸二甲酯的方法，包括一个先称量丙二酸二甲酯、第一批烷基化试剂、第二批烷基化试剂、无机碱和有机溶剂的步骤，所述的丙二酸二甲酯、第一批烷基化试剂、无机碱和有机溶剂的摩尔比是为2：2－5：0.5－1.5：4－8，将丙二酸二甲酯和第一批烷基化试剂加到反应器中，加入无机碱和有机溶剂，加完后，在加热回流下进行搅拌反应，加热温度为110-125℃，反应2-2.5小时后补加第二批烷基化试剂，再加入相转移催化剂，继续回流反应2-4小时，同时采用GC分析跟踪反应，将反应混合物在110-125℃下将过量的烷基化试剂蒸出，冷却、过滤，滤液在减压下先分馏出未反应的丙二酸二甲酯和溶剂，再在110℃,8mmHg条件下收集蒸出来的产品即为正丁基丙二酸二甲酯。
进一步的，所述的烷基化试剂为氯代正丁烷。由于氯代正丁烷的反应活性比溴代（碘代）正丁烷弱，所以避免了过度烷基化反应发生。
进一步的，滤液在85－100℃,8mmHg下先分馏出未反应的丙二酸二甲酯和溶剂。
进一步的，所述的无机碱为无水碳酸钾粉末。使用过量的粉状的碳酸钾，一方面它起到碱的作用，另一方面在反应中充当吸水剂的作用，而且粉末状的无水碳酸钾由于与其它反应物的接触面积大，使反应更易进行。
进一步的，所述的丙二酸二甲酯、烷基化试剂、无机碱和溶剂的摩尔比为2：2.5：0.95：6。
进一步的，所述的第二批烷基化试剂的摩尔数等于或者大于丙二酸二甲酯的摩尔数，优选等于丙二酸二甲酯的摩尔数。
进一步的，所述的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺（DMF）。
进一步的，所述的相转移催化剂为四丁基溴化铵（TBAB）。
本发明的反应过程是一种β-二羰基化合物的烷基化反应，以市售的丙二酸二甲酯和氯代正丁烷为原料，用粉状的碳酸钾作碱，用DMF作溶剂，采用分步添加氯代正丁烷的方式来提高二酸二甲酯的转化率，然后在回收氯代正丁烷后，通过分馏得到产品正丁基丙二酸二甲酯，反应过程方程式为：
本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。该方法较为经济环保，成本低，而且使用活性相对较低的氯代正丁烷，不会产物二取代的杂质，操作简单，反应条件易于实现，便于工业化生产。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进一步详细描述， 制备正丁基丙二酸二甲酯的方法如下：
实施例1
264.22g(227.78ml, 2.0mol)丙二酸二甲酯， 231.43g(260.03ml, 2.5mol)氯代正丁烷，131.29g (0.95mol)无水碳酸钾粉末，438.55g(464.4ml,6.0mol) DMF，加到一个三口瓶中，装好冷凝回流器，温度计，加热搅拌，反应温度为110-120℃。反应2h后，为了维持反应中氯代正丁烷的浓度，再往反应液中加入185.14g (208.02 ml, 2.0mol)氯代正丁烷。继续回流反应3h，慢慢加入2.58g(0.008mol)的四丁基溴化铵TBAB，分半小时加完。
加完相转移催化剂继续反应并用GC跟踪反应，当丙二酸二甲酯的转化率可以达到90%（大约6小时后GC分析）。将反应混合物在110-120℃下将氯代正丁烷蒸出，冷却，过滤，滤液在减压分馏出未反应的丙二酸二甲酯和溶剂后，收集的在110℃,8mmHg条件下蒸出来的产品，纯度可达99%以上，产率可以达到82%。蒸馏出的未反应的丙二酸二甲酯，DMF，氯代正丁烷，可以用于下一锅继续反应。
1H NMR (400 MHz, CDCl3): δ3.78 ( s, 6H), 3.41 (t, J=7.6 Hz, 1H), 1.93(q, J=7.6 Hz, 2H) 1.42-1.30 (m, 4H), 0.93 (t, J=7.6 Hz, 3H)。
实施例 2
264.22g(227.78ml, 2.0mol)丙二酸二甲酯， 185.14g(208.02ml, 2.0mol)氯代正丁烷，165.84g (1.20mol)无水碳酸钾粉末，511.64g(541.3ml,7.0mol) DMF，加到一个三口瓶中，装好冷凝回流器，温度计，加热搅拌，反应温度为110-120℃。反应2h后，为了维持反应中氯代正丁烷的浓度，再往反应液中加入231.43g(260.03ml, 2.5mol)氯代正丁烷。继续回流反应3h，慢慢加入2.58g(0.008mol)的四丁基溴化铵TBAB，分半小时加完。
加完相转移催化剂继续反应并用GC跟踪反应，当丙二酸二甲酯的转化率可以达到90%（大约6小时后GC分析）。将反应混合物在110-120℃下将氯代正丁烷蒸出，冷却，过滤，滤液在减压分馏出未反应的丙二酸二甲酯和溶剂后，收集的在110℃,8mmHg条件下蒸出来的产品，纯度可达99%以上，产率可以达到80%。同实施例一样，蒸馏出的未反应的丙二酸二甲酯，DMF，氯代正丁烷，可以用于下一锅继续反应。

Claims (8)

1.一种制备正丁基丙二酸二甲酯的方法，其特征在于包括一个先称量丙二酸二甲酯、第一批烷基化试剂、第二批烷基化试剂、无机碱和有机溶剂的步骤，所述的丙二酸二甲酯、第一批烷基化试剂、无机碱和有机溶剂的摩尔比是为2：2－5：0.5－1.5：4－8，将丙二酸二甲酯和第一批烷基化试剂加到反应器中，加入无机碱和有机溶剂，加完后，在加热回流下进行搅拌反应，加热温度为110-125℃，反应2-2.5小时后补加第二批烷基化试剂，再加入相转移催化剂，继续回流反应2-4小时，同时采用GC分析跟踪反应，将反应混合物在110-125℃下将过量的烷基化试剂蒸出，冷却、过滤，滤液在减压下先分馏出未反应的丙二酸二甲酯和溶剂，再在110℃,8mmHg条件下收集蒸出来的产品即为正丁基丙二酸二甲酯。
2.如权利要求1所述的一种制备正丁基丙二酸二甲酯的方法，其特征在于：所述的烷基化试剂为氯代正丁烷。
3.如权利要求1所述的一种制备正丁基丙二酸二甲酯的方法，其特征在于：所述的丙二酸二甲酯、烷基化试剂、无机碱和溶剂的摩尔比为2：2－5：0.5－1.5：4－8。
4.如权利要求1所述的一种制备正丁基丙二酸二甲酯的方法，其特征在于：所述的第二批烷基化试剂的摩尔数等于或者大于丙二酸二甲酯的摩尔数。
5.如权利要求1所述的一种制备正丁基丙二酸二甲酯的方法，其特征在于：滤液在85－100℃,8mmHg下先分馏出未反应的丙二酸二甲酯和溶剂。
6.如权利要求1所述的一种制备正丁基丙二酸二甲酯的方法，其特征在于：所述的无机碱为无水碳酸钾粉末。
7.如权利要求1所述的一种制备正丁基丙二酸二甲酯的方法，其特征在于：所述的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺。
8.如权利要求1所述的一种制备正丁基丙二酸二甲酯的方法，其特征在于：所述的相转移催化剂为四丁基溴化铵。
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