新型防腐劑富馬酸二甲酯催化合成條件的研究

黃 飛，陳 哲，吳家婷，徐東平，沈 斌，劉化良

（黃山學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，安徽 黃山245041）

新型防腐劑富馬酸二甲酯催化合成條件的研究

黃 飛，陳 哲，吳家婷，徐東平，沈 斌，劉化良

（黃山學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，安徽 黃山245041）

以硫酸氫鈉為催化劑，馬來(lái)酸酐和甲醇發(fā)生酯化反應(yīng)，在光和Br2/CCl4條件下轉(zhuǎn)化成富馬酸二甲酯?？疾炝舜呋瘎┓N類、催化劑用量、甲醇用量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)催化劑硫酸氫鈉用量為1.5g，甲醇用量為30mL，反應(yīng)時(shí)間為3h，反應(yīng)的溫度為70℃，富馬酸二甲酯的產(chǎn)率最高可達(dá)58.6%。該方法具有操作方便、反應(yīng)條件溫和、環(huán)境污染小、產(chǎn)品純度高等優(yōu)點(diǎn)。

富馬酸二甲酯；硫酸氫鈉；催化合成；防腐劑

富馬酸二甲酯化學(xué)名稱為反丁烯二酸二甲酯，簡(jiǎn)稱DMF[1-3]，是一種優(yōu)良的新型防腐保鮮劑[4]，具有高效、廣譜、低毒等特點(diǎn)[5-7]；最新研究表明，富馬酸二甲酯是一種激活抑制劑，可用于治療多發(fā)性硬化癥[8]，它還具有潛在的解毒作用，可減少大腦損傷[9]。

富馬酸二甲酯通常是由富馬酸和甲醇在強(qiáng)酸催化作用下合成的，但是該方法強(qiáng)酸腐蝕大，對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，易引起副反應(yīng)[10]。我國(guó)的馬來(lái)酸酐資源豐富，用馬來(lái)酸酐和甲醇合成富馬酸二甲酯，可以有效降低生產(chǎn)成本，節(jié)約資源，是合成富馬酸二甲酯的較好方法。因此，本實(shí)驗(yàn)以馬來(lái)酸酐和甲醇為原料，在催化劑的作用下合成富馬酸二甲酯，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交試驗(yàn)對(duì)催化合成條件進(jìn)行探究。其反應(yīng)原理如下[11]：

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

DF-101S數(shù)顯自動(dòng)恒溫磁力攪拌器（上海予申儀器有限公司）；SHB-3循環(huán)水多用真空泵（河南省泰斯特儀器有限公司）；MP470全自動(dòng)視頻熔點(diǎn)儀（濟(jì)南海能儀器股份有限公司）；Vario EL元素分析儀（德國(guó)elementar公司）；IRPrestige-21傅里葉變換紅外光譜儀（日本島津公司）。

馬來(lái)酸酐、無(wú)水甲醇、硫酸氫鈉、液溴、四氯化碳均為分析純；濃鹽酸，濃硫酸，濃磷酸均為化學(xué)純。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在圓底燒瓶中，加入一定量的馬來(lái)酸酐、甲醇和催化劑，在恒定溫度下加熱回流反應(yīng)一定時(shí)間，稍冷卻后，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的Br2/CCl4溶液1.5mL，再放入熱水浴中加熱，并用一定波長(zhǎng)的光照射20-30min。反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)產(chǎn)物倒入適量冷水中，緩慢攪拌，白色片狀晶體大量析出，進(jìn)行減壓抽濾、洗滌、干燥，計(jì)算產(chǎn)率。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 不同催化劑對(duì)富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響

加入一定量的馬來(lái)酸酐和甲醇，分別用濃磷酸、濃鹽酸、濃硫酸和硫酸氫鈉作催化劑，加熱回流3.0h，在Br2/CCl4和光照作用下反應(yīng)，比較不同催化劑對(duì)富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同催化劑對(duì)富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響

由表1可知，在無(wú)機(jī)酸和無(wú)機(jī)酸鹽中，硫酸、磷酸、硫酸氫鈉不用光照時(shí)不能反應(yīng)生成富馬酸二甲酯，而鹽酸不用光照則能生成富馬酸二甲酯，這是因?yàn)辂}酸能加成到順式丁烯二酸二甲酯雙鍵上生成了離子中間體，再轉(zhuǎn)位生成反式丁烯二酸二甲酯烯鍵[11]。以硫酸氫鈉作催化劑時(shí)，富馬酸二甲酯產(chǎn)率可達(dá)53.5%，且產(chǎn)品純度高，因此選用硫酸氫鈉作為最佳催化劑。

2.1.2 催化劑用量對(duì)富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響

加入一定量的馬來(lái)酸酐和甲醇，加熱回流3h，在Br2/CCl4和光照作用下反應(yīng)，考察催化劑硫酸氫鈉的用量對(duì)富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 催化劑用量對(duì)富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響

由表2可知，硫酸氫鈉的催化作用非常顯著，富馬酸二甲酯產(chǎn)率隨著硫酸氫鈉用量的增加先增大后減小，當(dāng)催化劑硫酸氫鈉的質(zhì)量為1.5g時(shí)，富馬酸二甲酯產(chǎn)率最高為54.6%。當(dāng)硫酸氫鈉的用量過(guò)多時(shí)，由于硫酸氫鈉不溶于反應(yīng)體系中，其產(chǎn)率反而下降。因此催化劑硫酸氫鈉的最佳用量為1.5g。

2.1.3 甲醇的用量對(duì)富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響

加入一定量的馬來(lái)酸酐，1.5g硫酸氫鈉，加熱回流3h，在Br2/CCl4和光照作用下反應(yīng)，考察甲醇的用量對(duì)富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 甲醇用量對(duì)富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響

由表3可知，富馬酸二甲酯產(chǎn)率隨著甲醇用量的增加先增大后減小，當(dāng)甲醇用量為30mL時(shí)，富馬酸二甲酯產(chǎn)率達(dá)到最大為54.3%。甲醇在反應(yīng)中既作為反應(yīng)物，還作為帶水劑，因此甲醇的實(shí)際用量應(yīng)大于理論用量[2]，因此甲醇的最佳用量為30mL。

2.1.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響

加入一定量的馬來(lái)酸酐和甲醇，1.5g硫酸氫鈉，經(jīng)過(guò)Br2/CCl4和光照處理，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響

由表4可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，富馬酸二甲酯產(chǎn)率逐漸升高，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過(guò)4h時(shí)，富馬酸二甲酯產(chǎn)率逐漸降低，這是因?yàn)榉磻?yīng)中生成的水沒(méi)有及時(shí)清除，使富馬酸二甲酯發(fā)生水解，造成富馬酸二甲酯產(chǎn)率下降。因此加熱回流反應(yīng)的最佳時(shí)間為3h。

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.2.1 正交試驗(yàn)影響因素的選擇

以富馬酸二甲酯產(chǎn)率為指標(biāo)，設(shè)計(jì)4因素3水平L9（34）正交試驗(yàn)，考察催化劑硫酸氫鈉的用量、甲醇用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)催化合成富馬酸二甲酯的影響，進(jìn)一步確定催化合成富馬酸二甲酯的最佳工藝條件，其正交試驗(yàn)和水平見(jiàn)表5，正交試驗(yàn)表及結(jié)果見(jiàn)表6。

表5 正交試驗(yàn)因素和水平

表6 L9（34）正交試驗(yàn)表及結(jié)果

由表6的極差分析結(jié)果可知，4種因素對(duì)合成富馬酸二甲酯的影響程度大小順序?yàn)榇呋瘎┯昧俊⒎磻?yīng)時(shí)間、甲醇用量、反應(yīng)溫度，其正交試驗(yàn)最佳合成條件為A2D2B3C1，即催化劑硫酸氫鈉用量為1.5g，反應(yīng)時(shí)間為3h，甲醇用量30mL，反應(yīng)溫度為70℃，富馬酸二甲酯產(chǎn)率最高可達(dá)58.6%。

2.2.2 方差分析

由表7方差分析可得出：催化劑硫酸氫鈉用量對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響非常顯著；甲醇用量、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響不顯著。各實(shí)驗(yàn)因素對(duì)富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響顯著性次序?yàn)椋篈催化劑用量＞D反應(yīng)時(shí)間＞B甲醇用量＞C反應(yīng)溫度。

表7 方差分析表

由極差和方差分析可以得出：催化劑硫酸氫鈉的用量對(duì)催化合成富馬酸二甲酯的影響最大，其中當(dāng)催化劑硫酸氫鈉的用量為1.5g時(shí)產(chǎn)率最高。反應(yīng)時(shí)間僅次于催化劑用量對(duì)催化合成富馬酸二甲酯的影響，且隨著反應(yīng)溫度升高，富馬酸二甲酯產(chǎn)率逐漸升高。甲醇用量和反應(yīng)溫度對(duì)合成富馬酸二甲酯也有影響，但影響不顯著，隨著反應(yīng)時(shí)間和催化劑用量的增加，富馬酸二甲酯產(chǎn)率逐漸升高。

2.3 產(chǎn)品分析

2.3.1 熔點(diǎn)分析

合成的片狀富馬酸二甲酯晶體經(jīng)熔點(diǎn)儀檢測(cè)，其熔點(diǎn)為102-104℃，與文獻(xiàn)值[12]相同。

2.3.2 元素分析

經(jīng)過(guò)元素分析儀測(cè)定，富馬酸二甲酯（C6H8O4）測(cè)定值 （計(jì)算值）為C 49.98%（50.00%），H 5.53%（5.55%），O 44.43%（44.45%）。

2.3.3 紅外光譜圖分析

反應(yīng)目標(biāo)產(chǎn)物富馬酸二甲酯為白色片狀晶體，用KBr壓片法測(cè)定其紅外光譜，其結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 富馬酸二甲酯的紅外光譜圖

由圖1可知，富馬酸二甲酯的紅外特征吸收峰（cm-1）：3403.57（=C-H吸收峰），3235.94（脂肪族CH吸收峰），1720.62（C=C、C=O共軛吸收峰），1617.83（C=C吸收峰），1442.47（=C-H吸收峰），1317.38（-CH3吸收峰），1177.77cm-1（C-O吸收峰）。上述各官能團(tuán)的特征吸收峰位置和強(qiáng)度與文獻(xiàn)值[12]一致。

3 結(jié) 論

1.以硫酸氫鈉為催化劑，馬來(lái)酸酐和甲醇發(fā)生酯化反應(yīng)，在光和Br2/CCl4條件下轉(zhuǎn)化成富馬酸二甲酯。實(shí)驗(yàn)得出最佳反應(yīng)條件為：催化劑硫酸氫鈉用量為1.5g，甲醇用量為30mL，反應(yīng)時(shí)間為3h，反應(yīng)的溫度為70℃，富馬酸二甲酯的產(chǎn)率可達(dá)58.6%，它包含了酸酐醇解、酯化和異構(gòu)化3個(gè)步驟，其平均單程產(chǎn)率為82.3%。

2.通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交試驗(yàn)考察催化劑種類、催化劑用量、甲醇用量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對(duì)富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響。該方法具有操作方便、反應(yīng)條件溫和、環(huán)境污染小、產(chǎn)品純度高等優(yōu)點(diǎn)。

[1]楊伯倫，胡龍飛，楊三八．陽(yáng)離子交換樹(shù)脂催化合成富馬酸二甲酯[J]．化學(xué)世界，2001，42（5）：248-250，258．

[2]劉占榮，王娟，許保恩，等．復(fù)合催化劑一步催化合成富馬酸二甲酯[J]．精細(xì)石油化工，2012，29（2）：17-20．

[3]唐柏彬，郗存顯，鄒蕓，等．液相色譜法測(cè)定中藥材中的富馬酸單甲酯與富馬酸二甲酯[J]．分析測(cè)試學(xué)報(bào)，2014，33（2）：156-160．

[4]汪錦幫．食品保鮮技術(shù)的研究與應(yīng)用[M]．北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，1989：5-6．

[5]李善吉．富馬酸二甲酯的催化合成[J]．日用化學(xué)工業(yè)，2011，41（4）：275-277．

[6]董四平．氣相色譜法測(cè)定化妝品中富馬酸二甲酯[J]．中國(guó)衛(wèi)生檢驗(yàn)雜志，2012，2（10）：2338-2339，2341．

[7]朱恩俊，孫健，王舉兵，等．富馬酸二甲酯對(duì)貯藏期間毛葉棗品質(zhì)的影響[J]．食品工業(yè)科技，2011，32（5）：363-366．

[8]杜婷婷．富馬酸二甲酯[J]．中國(guó)藥物化學(xué)雜志，2013，2（5）：424．

[9]楊臻崢．富馬酸二甲酯可顯著降低多發(fā)性硬化癥患者的復(fù)發(fā)率[J]．藥學(xué)進(jìn)展，2011，35（7）：335．

[10]曲小姝，王劍輝，楊艷艷，等．復(fù)配型雜多酸催化合成富馬酸二甲酯 [J]．東北師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，43（2）：96-99．

[11]文瑞明，俞善信，龍立平．從馬來(lái)酸酐合成富馬酸二甲酯[J]．海南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，19（2）：126-128，131．

[12]Grasselli J G,Ritchey W.M.Atlas of spectral data and physical constants for organic compounds[M].2th Ed. Cleveland：CRC Press Inc,1975:342.

責(zé)任編輯：胡德明

A Study on Catalytic Synthesis Conditions of a New Type of Preservative Dimethyl Fumarate

Huang Fei,Chen Zhe,Wu Jiating,Xu Dongping,Shen Bin,Liu Hualiang
(School of Chemistry and Chemical Engineering,Huangshan University,Huangshan 245041,China)

By using sodium bisulfate as catalyst,esterification reaction takes place between maleic anhydride and methanol.Dimethyl maleate is isomerized into dimethyl fumarate under light and in bromine/ tetrachloromethane.The effects of the type of catalyst and its dosage,the dosage of methanol,the reaction temperature and time on the yield rate are explored.The results show that when sodium bisulfate serves as catalyst with a dosage of 1.5 g,the methanol dosage is 30 mL,the reaction time is 3.0 hours,and reaction temperature is 70℃,the dimethyl fumarate yield is up to 58.6%.The method has the advantages of simple operation,mild reaction conditions,lesser environment pollution and higher product purity.

dimethyl fumarate;sodium bisulfate;catalytic synthesis;preservative

O622.1

A

1672-447X(2016)05-0025-04

2016-02-27

安徽省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目（KJHS2016B06）；安徽省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201510375017）

黃飛（1983-），安徽碭山人，黃山學(xué)院助教，研究方向?yàn)槭称贩栏瘎┖铣杉皯?yīng)用。