富马酸二甲酯制备条件探究

摘要 以马来酸酐为原料合成富马酸二甲酯，马来酸酐在酸性条件下异构化，并与甲醇酯化成富马酸二甲酯.采用三因素三水平正交实验法探讨催化剂，反应配比，反应时间对产率的影响.试验得出最优条件为：马来酸酐5g,与甲醇摩尔比1：4，回流1h ，1mL浓HCl作催化剂，产率79.3%. 关键词 马来酸酐；甲醇；正交法；富马酸二甲酯

前言 富马酸二甲酯（Dimethyl Fumarate ,DMF）， 分子式为C6H8O4，又称为反丁烯二酸二甲酯，白色结晶，略有酯香味， 熔点103-104℃，沸点193℃，溶于乙醇，乙酸乙酯，氯仿，微溶于水，常温下可以升华，对光和热稳定，在紫外线和阳光照射下72ｈ基本无变化，110℃加热2ｈ不分解.

富马酸二甲酯的合成方法主要有以下几种：1、马来酸和甲醇直接酯化合成 ；2、经盐酸-硫酸或盐酸-磷酸为催化剂 ,在马来酸或马来酸酐甲醇体系中进行异构酯化反应合成；

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3、以酸催化马来酸酐水解异构化合成富马酸 ,然后使用催化剂 ,富马酸和甲醇酯化合

成.

本实验采用以马来酸酐为原料 ,合成富马酸二甲酯的反应，反应如下：

通过正交实实验探究催化剂种类、反应时间和反应酸酯的配比对富马酸二甲酯的产率的影响，共设置了9个实验，探究各个因素对反应产率的影响，得出最佳反应条件，并在最佳反应条件下制备富马酸二甲酯.

1 实验

1.1实验仪器与试剂 1.1.1试剂及用量

马来酸酐45g；甲醇（Ar）120mL；三氯化铁(Ar) 3g；浓盐酸(Ar)3mL；浓硫酸(Ar)3mL；冰水.

1.1.2仪器

三颈烧瓶；温度计；蒸馏装置；抽滤瓶；布氏漏斗 1.2实验内容与步骤

在装有回流装置和温度计的三颈烧瓶中按正交实验表各组反应条件，加入马来酸酐与甲醇 ,以及催化剂 ,加热回流一定时间 ,温度保持在102℃左右.待反应结束后 ,蒸出过量的甲醇 , 在搅拌下，将剩余物倒入5 倍于剩余物的冰水烧杯中 ,外部用冰水冷却至 5 ℃左右 ,继续搅拌结晶 ,待结晶完全后抽滤,经洗涤和干燥得到产品，称重，计算产率.根据正交表选出最优反应条件.

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2 实验现象

浓硫酸做催化剂：试验号为1产物为浅棕色粉末，2、3号产物为乳白色粉末，并混有少量白色鳞片状晶体.

浓盐酸作催化剂：均为白色粉末，并混有少量白色鳞片状晶体. 氯化铁作催化剂：均为浅黄色粉末.

3 结果与讨论

3.1 通过正交试验选择最佳酯化条件

为了综合探讨反应时间，摩尔配比，及催化剂对反应产率的影响，采用L9(3)表进行实验.因素水平表见表1，实验结果分析见表2.

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4

表1 酯化反应正交试验因素水平表

水平 因素

1 2 3

注:马来酸酐用量5g.

催化剂类型

A H2SO4 HCl Fecl3

酸酐和醇的摩尔比

B 1:4（8.3mL） 1:6(12.4mL) 1:8(16.5mL)

反应时间（h）

C 0.5 1.0 2.0

表2 酯化反应正交试验结果分析表

实验号

水平组合 催化剂类型 摩尔比 时间

A B C

1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ⅰ Ⅱ Ⅲ K1 K2 K3 R

A1B1C1 A1B2C2 A1B3C3 A2B1C2 A2B2C3 A2B3C1 A3B1C3 A3B2C1 A3B3C2

H2SO4 H2SO4 H2SO4 HCl HCl HCl Fecl3 Fecl3 Fecl3 13.67 175.1 13.68 4.56 58.37 4.56 53.81

1:4 1:6 1:8 1:4 1:6 1:8 1:4 1:6 1:8 72.49 61.56 68.4 24.16 20.52 22.8 3.64

产率 (%)

负责人

0.5 2.73 1.0 5.47 2.0 1.0 2.0 0.5 2.0 0.5 1.0 56.08 80.78 65.66 18.69 26.93 21.89 8.24

5.47 65.66 56.09 53.35 4.10 0.00 9.58

陈玉玲 陈玉玲 陈玉玲 杨诗妮 杨诗妮 杨诗妮 黄沛敏 黄沛敏 黄沛敏

最优条件

A2B1C2

经极差分析，各因素对反应产率影响因素顺序为：催化剂类型>反应时间>摩尔配比.

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此反应最优条件为A2B1C2，既是浓盐酸催化、1h回流、摩尔配比1:4时反应最优.按最优条件进行实验，取5g马来酸酐，制的干燥的富马酸二甲酯5.8g,产率为79.3%，为全部试验中产率最高的.

3.2 催化剂对反应产率的影响

表3 催化剂类型对反应产率的影响

催化剂 H2SO4 HCl Fecl3

K值 4.56 58.37 4.56

由表3可知，HCl作催化剂催化时产率最高，不易形成油状物，且蒸出甲醇时温度要求不高，且产品外观好，白色粉末，并混有少量白色鳞片状晶体.H2SO4催化产率低，蒸出甲醇时，温度过高极易碳化，造成产品颜色加深，故需严格控制温度，此部分实验较麻烦且耗

时多，易形成油状物而得不到固体.Fecl3催化产物颜色偏黄，杂质较多，FeCl3易水解形成胶状物，极易形成油状物而得不到晶体.故实验得出结论，浓HCl为最优催化剂. 3.3 摩尔配比对反应产率影响

摩尔配比-K值曲线图 25 24 K值23 22 21 20 3 4 5 6 摩尔配比

图1 摩尔配比对反应产率影响

由图1可知酸酐、醇摩尔配比1:4时，K值最大，既产率最大，1:6时产率较低，而1:8时产率与1:4时相当，但蒸出甲醇时需要蒸出大量甲醇，造成药品浪费，三个配比均为醇过量，故选用1:4时产率较高且成本较低. 3.4 回流时间对反应产率的影响

回流时间-K值曲线图 30 20 K值 10 0 0 0.5 1 回流时间 图2 回流时间对反应产率影响

系列1 7 8 9 系列1 1.5 2 2.5

由图2可知，回流1小时产率最大，回流0.5小时反应尚未完全，产率较低，而回流

2小时产率变化不大，但耗时较长，故最优条件为回流1小时. 3.5 综合讨论 3.5.1

实验步骤设计回流温度为102℃，但实验时回流温度只有80-90℃，原因是甲醇与马来酸形成共沸物而导致回流温度上升不去，对实验探讨最优条件影响不大，控制全部反应温度基本一致即可. 3.5.2

在用冰水冷却产品时应将热的溶液倒入装有5倍冰水的烧杯中，而不可把冰水倒入热的溶液中，把冰水倒入热的溶液中会导致产品结块，产品粘在烧杯底部，造成产品损失. 3.5.3

实验过程蒸出甲醇应尽可能蒸的干净，且用浓硫酸作催化剂蒸出甲醇的过程要小心控制温度，甲醇是有机溶剂，甲醇残留过多会溶解部分产物，导致产率降低. 3.5.4

第8号实验产物为红棕色油状，得不到白色粉末，用力震荡后油状物消失，加入富马酸二甲酯晶体促进结晶也得不到固体产物，原因可能是FeCl3水解形成胶体导致无法形成固体产物.经讨论，可尝试将热的溶液直接静置冷却结晶，不用冰水进行冷却.

4 结果

通过正交试验得出数据进行极差分析，各因素对反应产率影响因素顺序为：催化剂类型>反应时间>摩尔配比，进行分析得出此反应最优条件为：浓盐酸催化、1h回流、摩尔配比1:4时反应最优.按最优条件进行实验，制取富马酸二甲产率为79.3%，与理论最佳条件相符.

参考文献:

[1] 石辉文,蔡 峰.富马酸二甲酯的合成[J].应用化工,2003(32):36-37

[2] 苏秋芳,陈少华.富马酸二甲酯的合成工艺研究[J].化学工程师,1999(71):9-11 [3] 范国枝. 富马酸二甲酯的合成工艺研究[J].应用化工,2004(33):44-46 [4] 马鸿飞. 富马酸二甲酯的合成研究[J].化工时刊,2005(19):18-19

[5] 岳志超,伍洲,宋维峰. 富马酸二甲酯的合成与应用[J].化工之友,2001(3):30 [6] 新型食品防腐剂富马酸二甲酯的合成[J].化学工程与装备,2008(7):27-28

富马酸二甲酯的制备

学生姓名：陈玉玲 学 号：20082401215 组员姓名：杨诗妮 黄沛敏 专 业：化学教育 年级班级：2008级化教5班 指导老师：陶敬奇