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

（黃山學院 化學化工學院，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

（黃山學院 化學化工學院，安徽 黃山245041）

以硫酸氫鈉為催化劑，馬來酸酐和甲醇發(fā)生酯化反應，在光和Br2/CCl4條件下轉化成富馬酸二甲酯。考察了催化劑種類、催化劑用量、甲醇用量、反應溫度和反應時間對產(chǎn)率的影響。實驗結果表明，當催化劑硫酸氫鈉用量為1.5g，甲醇用量為30mL，反應時間為3h，反應的溫度為70℃，富馬酸二甲酯的產(chǎn)率最高可達58.6%。該方法具有操作方便、反應條件溫和、環(huán)境污染小、產(chǎn)品純度高等優(yōu)點。

富馬酸二甲酯；硫酸氫鈉；催化合成；防腐劑

富馬酸二甲酯化學名稱為反丁烯二酸二甲酯，簡稱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[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酸催化作用下合成的，但是該方法強酸腐蝕大，對環(huán)境污染嚴重，反應時間長，易引起副反應[10]。我國的馬來酸酐資源豐富，用馬來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，本實驗以馬來酸酐和甲醇為原料，在催化劑的作用下合成富馬酸二甲酯，通過單因素實驗和正交試驗對催化合成條件進行探究。其反應原理如下[11]：

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

DF-101S數(shù)顯自動恒溫磁力攪拌器（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全自動視頻熔點儀（濟南海能儀器股份有限公司）；Vario EL元素分析儀（德國elementar公司）；IRPrestige-21傅里葉變換紅外光譜儀（日本島津公司）。

馬來酸酐、無水甲醇、硫酸氫鈉、液溴、四氯化碳均為分析純；濃鹽酸，濃硫酸，濃磷酸均為化學純。

1.2 實驗方法

在圓底燒瓶中，加入一定量的馬來酸酐、甲醇和催化劑，在恒定溫度下加熱回流反應一定時間，稍冷卻后，加入質(zhì)量分數(shù)為0.5%的Br2/CCl4溶液1.5mL，再放入熱水浴中加熱，并用一定波長的光照射20-30min。反應結束后，將反應產(chǎn)物倒入適量冷水中，緩慢攪拌，白色片狀晶體大量析出，進行減壓抽濾、洗滌、干燥，計算產(chǎn)率。

2 結果與討論

2.1 單因素實驗

2.1.1 不同催化劑對富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響

加入一定量的馬來酸酐和甲醇，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，比較不同催化劑對富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響，其實驗結果見表1。

表1 不同催化劑對富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響

由表1可知，在無機酸和無機酸鹽中，硫酸、磷酸、硫酸氫鈉不用光照時不能反應生成富馬酸二甲酯，而鹽酸不用光照則能生成富馬酸二甲酯，這是因為鹽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，富馬酸二甲酯產(chǎn)率可達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 催化劑用量對富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響

加入一定量的馬來酸酐和甲醇，加熱回流3h，在Br2/CCl4和光照作用下反應，考察催化劑硫酸氫鈉的用量對富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響，其實驗結果見表2。

表2 催化劑用量對富馬酸二甲酯產(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，當催化劑硫酸氫鈉的質(zhì)量為1.5g時，富馬酸二甲酯產(chǎn)率最高為54.6%。當硫酸氫鈉的用量過多時，由于硫酸氫鈉不溶于反應體系中，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 甲醇的用量對富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響

加入一定量的馬來酸酐，1.5g硫酸氫鈉，加熱回流3h，在Br2/CCl4和光照作用下反應，考察甲醇的用量對富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響，其實驗結果見表3。

表3 甲醇用量對富馬酸二甲酯產(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，當甲醇用量為30mL時，富馬酸二甲酯產(chǎn)率達到最大為54.3%。甲醇在反應中既作為反應物，還作為帶水劑，因此甲醇的實際用量應大于理論用量[2]，因此甲醇的最佳用量為30mL。

2.1.4 反應時間對富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響

加入一定量的馬來酸酐和甲醇，1.5g硫酸氫鈉，經(jīng)過Br2/CCl4和光照處理，考察反應時間對富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響，其實驗結果見表4。

表4 反應時間對富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響

由表4可知，隨著反應時間的增加，富馬酸二甲酯產(chǎn)率逐漸升高，當反應時間超過4h時，富馬酸二甲酯產(chǎn)率逐漸降低，這是因為反應中生成的水沒有及時清除，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。因此加熱回流反應的最佳時間為3h。

2.2 正交試驗設計

2.2.1 正交試驗影響因素的選擇

以富馬酸二甲酯產(chǎn)率為指標，設計4因素3水平L9（34）正交試驗，考察催化劑硫酸氫鈉的用量、甲醇用量、反應溫度、反應時間對催化合成富馬酸二甲酯的影響，進一步確定催化合成富馬酸二甲酯的最佳工藝條件，其正交試驗和水平見表5，正交試驗表及結果見表6。

表5 正交試驗因素和水平

表6 L9（34）正交試驗表及結果

由表6的極差分析結果可知，4種因素對合成富馬酸二甲酯的影響程度大小順序為催化劑用量、反應時間、甲醇用量、反應溫度，其正交試驗最佳合成條件為A2D2B3C1，即催化劑硫酸氫鈉用量為1.5g，反應時間為3h，甲醇用量30mL，反應溫度為70℃，富馬酸二甲酯產(chǎn)率最高可達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實驗結果影響非常顯著；甲醇用量、反應時間和反應溫度對實驗結果影響不顯著。各實驗因素對富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響顯著性次序為：A催化劑用量＞D反應時間＞B甲醇用量＞C反應溫度。

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催化合成富馬酸二甲酯的影響最大，其中當催化劑硫酸氫鈉的用量為1.5g時產(chǎn)率最高。反應時間僅次于催化劑用量對催化合成富馬酸二甲酯的影響，且隨著反應溫度升高，富馬酸二甲酯產(chǎn)率逐漸升高。甲醇用量和反應溫度對合成富馬酸二甲酯也有影響，但影響不顯著，隨著反應時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 熔點分析

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

2.3.2 元素分析

經(jīng)過元素分析儀測定，富馬酸二甲酯（C6H8O4）測定值 （計算值）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

反應目標產(chǎn)物富馬酸二甲酯為白色片狀晶體，用KBr壓片法測定其紅外光譜，其結果見圖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）。上述各官能團的特征吸收峰位置和強度與文獻值[12]一致。

3 結 論

1.以硫酸氫鈉為催化劑，馬來酸酐和甲醇發(fā)生酯化反應，在光和Br2/CCl4條件下轉化成富馬酸二甲酯。實驗得出最佳反應條件為：催化劑硫酸氫鈉用量為1.5g，甲醇用量為30mL，反應時間為3h，反應的溫度為70℃，富馬酸二甲酯的產(chǎn)率可達58.6%，它包含了酸酐醇解、酯化和異構化3個步驟，其平均單程產(chǎn)率為82.3%。

2.通過單因素實驗和正交試驗考察催化劑種類、催化劑用量、甲醇用量、反應溫度和反應時間對富馬酸二甲酯產(chǎn)率的影響。該方法具有操作方便、反應條件溫和、環(huán)境污染小、產(chǎn)品純度高等優(yōu)點。

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

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

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[4]汪錦幫．食品保鮮技術的研究與應用[M]．北京：中國科學技術出版社，1989：5-6．

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

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[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研究項目（KJHS2016B06）；安徽省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201510375017）

黃飛（1983-），安徽碭山人，黃山學院助教，研究方向為食品防腐劑合成及應用。