黄 飞，陈 哲，吴家婷，徐东平，沈 斌，刘化良

（黄山学院 化学化工学院，安徽 黄山245041）

新型防腐剂富马酸二甲酯催化合成条件的研究

黄 飞，陈 哲，吴家婷，徐东平，沈 斌，刘化良

（黄山学院 化学化工学院，安徽 黄山245041）

以硫酸氢钠为催化剂，马来酸酐和甲醇发生酯化反应，在光和Br2/CCl4条件下转化成富马酸二甲酯。考察了催化剂种类、催化剂用量、甲醇用量、反应温度和反应时间对产率的影响。实验结果表明，当催化剂硫酸氢钠用量为1.5g，甲醇用量为30mL，反应时间为3h，反应的温度为70℃，富马酸二甲酯的产率最高可达58.6%。该方法具有操作方便、反应条件温和、环境污染小、产品纯度高等优点。

富马酸二甲酯；硫酸氢钠；催化合成；防腐剂

富马酸二甲酯化学名称为反丁烯二酸二甲酯，简称DMF[1-3]，是一种优良的新型防腐保鲜剂[4]，具有高效、广谱、低毒等特点[5-7]；最新研究表明，富马酸二甲酯是一种激活抑制剂，可用于治疗多发性硬化症[8]，它还具有潜在的解毒作用，可减少大脑损伤[9]。

富马酸二甲酯通常是由富马酸和甲醇在强酸催化作用下合成的，但是该方法强酸腐蚀大，对环境污染严重，反应时间长，易引起副反应[10]。我国的马来酸酐资源丰富，用马来酸酐和甲醇合成富马酸二甲酯，可以有效降低生产成本，节约资源，是合成富马酸二甲酯的较好方法。因此，本实验以马来酸酐和甲醇为原料，在催化剂的作用下合成富马酸二甲酯，通过单因素实验和正交试验对催化合成条件进行探究。其反应原理如下[11]：

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

DF-101S数显自动恒温磁力搅拌器（上海予申仪器有限公司）；SHB-3循环水多用真空泵（河南省泰斯特仪器有限公司）；MP470全自动视频熔点仪（济南海能仪器股份有限公司）；Vario EL元素分析仪（德国elementar公司）；IRPrestige-21傅里叶变换红外光谱仪（日本岛津公司）。

马来酸酐、无水甲醇、硫酸氢钠、液溴、四氯化碳均为分析纯；浓盐酸，浓硫酸，浓磷酸均为化学纯。

1.2 实验方法

在圆底烧瓶中，加入一定量的马来酸酐、甲醇和催化剂，在恒定温度下加热回流反应一定时间，稍冷却后，加入质量分数为0.5%的Br2/CCl4溶液1.5mL，再放入热水浴中加热，并用一定波长的光照射20-30min。反应结束后，将反应产物倒入适量冷水中，缓慢搅拌，白色片状晶体大量析出，进行减压抽滤、洗涤、干燥，计算产率。

2 结果与讨论

2.1 单因素实验

2.1.1 不同催化剂对富马酸二甲酯产率的影响

加入一定量的马来酸酐和甲醇，分别用浓磷酸、浓盐酸、浓硫酸和硫酸氢钠作催化剂，加热回流3.0h，在Br2/CCl4和光照作用下反应，比较不同催化剂对富马酸二甲酯产率的影响，其实验结果见表1。

表1 不同催化剂对富马酸二甲酯产率的影响

由表1可知，在无机酸和无机酸盐中，硫酸、磷酸、硫酸氢钠不用光照时不能反应生成富马酸二甲酯，而盐酸不用光照则能生成富马酸二甲酯，这是因为盐酸能加成到顺式丁烯二酸二甲酯双键上生成了离子中间体，再转位生成反式丁烯二酸二甲酯烯键[11]。以硫酸氢钠作催化剂时，富马酸二甲酯产率可达53.5%，且产品纯度高，因此选用硫酸氢钠作为最佳催化剂。

2.1.2 催化剂用量对富马酸二甲酯产率的影响

加入一定量的马来酸酐和甲醇，加热回流3h，在Br2/CCl4和光照作用下反应，考察催化剂硫酸氢钠的用量对富马酸二甲酯产率的影响，其实验结果见表2。

表2 催化剂用量对富马酸二甲酯产率的影响

由表2可知，硫酸氢钠的催化作用非常显著，富马酸二甲酯产率随着硫酸氢钠用量的增加先增大后减小，当催化剂硫酸氢钠的质量为1.5g时，富马酸二甲酯产率最高为54.6%。当硫酸氢钠的用量过多时，由于硫酸氢钠不溶于反应体系中，其产率反而下降。因此催化剂硫酸氢钠的最佳用量为1.5g。

2.1.3 甲醇的用量对富马酸二甲酯产率的影响

加入一定量的马来酸酐，1.5g硫酸氢钠，加热回流3h，在Br2/CCl4和光照作用下反应，考察甲醇的用量对富马酸二甲酯产率的影响，其实验结果见表3。

表3 甲醇用量对富马酸二甲酯产率的影响

由表3可知，富马酸二甲酯产率随着甲醇用量的增加先增大后减小，当甲醇用量为30mL时，富马酸二甲酯产率达到最大为54.3%。甲醇在反应中既作为反应物，还作为带水剂，因此甲醇的实际用量应大于理论用量[2]，因此甲醇的最佳用量为30mL。

2.1.4 反应时间对富马酸二甲酯产率的影响

加入一定量的马来酸酐和甲醇，1.5g硫酸氢钠，经过Br2/CCl4和光照处理，考察反应时间对富马酸二甲酯产率的影响，其实验结果见表4。

表4 反应时间对富马酸二甲酯产率的影响

由表4可知，随着反应时间的增加，富马酸二甲酯产率逐渐升高，当反应时间超过4h时，富马酸二甲酯产率逐渐降低，这是因为反应中生成的水没有及时清除，使富马酸二甲酯发生水解，造成富马酸二甲酯产率下降。因此加热回流反应的最佳时间为3h。

2.2 正交试验设计

2.2.1 正交试验影响因素的选择

以富马酸二甲酯产率为指标，设计4因素3水平L9（34）正交试验，考察催化剂硫酸氢钠的用量、甲醇用量、反应温度、反应时间对催化合成富马酸二甲酯的影响，进一步确定催化合成富马酸二甲酯的最佳工艺条件，其正交试验和水平见表5，正交试验表及结果见表6。

表5 正交试验因素和水平

表6 L9（34）正交试验表及结果

由表6的极差分析结果可知，4种因素对合成富马酸二甲酯的影响程度大小顺序为催化剂用量、反应时间、甲醇用量、反应温度，其正交试验最佳合成条件为A2D2B3C1，即催化剂硫酸氢钠用量为1.5g，反应时间为3h，甲醇用量30mL，反应温度为70℃，富马酸二甲酯产率最高可达58.6%。

2.2.2 方差分析

由表7方差分析可得出：催化剂硫酸氢钠用量对实验结果影响非常显著；甲醇用量、反应时间和反应温度对实验结果影响不显著。各实验因素对富马酸二甲酯产率的影响显著性次序为：A催化剂用量＞D反应时间＞B甲醇用量＞C反应温度。

表7 方差分析表

由极差和方差分析可以得出：催化剂硫酸氢钠的用量对催化合成富马酸二甲酯的影响最大，其中当催化剂硫酸氢钠的用量为1.5g时产率最高。反应时间仅次于催化剂用量对催化合成富马酸二甲酯的影响，且随着反应温度升高，富马酸二甲酯产率逐渐升高。甲醇用量和反应温度对合成富马酸二甲酯也有影响，但影响不显著，随着反应时间和催化剂用量的增加，富马酸二甲酯产率逐渐升高。

2.3 产品分析

2.3.1 熔点分析

合成的片状富马酸二甲酯晶体经熔点仪检测，其熔点为102-104℃，与文献值[12]相同。

2.3.2 元素分析

经过元素分析仪测定，富马酸二甲酯（C6H8O4）测定值 （计算值）为C 49.98%（50.00%），H 5.53%（5.55%），O 44.43%（44.45%）。

2.3.3 红外光谱图分析

反应目标产物富马酸二甲酯为白色片状晶体，用KBr压片法测定其红外光谱，其结果见图1。

图1 富马酸二甲酯的红外光谱图

由图1可知，富马酸二甲酯的红外特征吸收峰（cm-1）：3403.57（=C-H吸收峰），3235.94（脂肪族CH吸收峰），1720.62（C=C、C=O共轭吸收峰），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）。上述各官能团的特征吸收峰位置和强度与文献值[12]一致。

3 结 论

1.以硫酸氢钠为催化剂，马来酸酐和甲醇发生酯化反应，在光和Br2/CCl4条件下转化成富马酸二甲酯。实验得出最佳反应条件为：催化剂硫酸氢钠用量为1.5g，甲醇用量为30mL，反应时间为3h，反应的温度为70℃，富马酸二甲酯的产率可达58.6%，它包含了酸酐醇解、酯化和异构化3个步骤，其平均单程产率为82.3%。

2.通过单因素实验和正交试验考察催化剂种类、催化剂用量、甲醇用量、反应温度和反应时间对富马酸二甲酯产率的影响。该方法具有操作方便、反应条件温和、环境污染小、产品纯度高等优点。

[1]杨伯伦，胡龙飞，杨三八．阳离子交换树脂催化合成富马酸二甲酯[J]．化学世界，2001，42（5）：248-250，258．

[2]刘占荣，王娟，许保恩，等．复合催化剂一步催化合成富马酸二甲酯[J]．精细石油化工，2012，29（2）：17-20．

[3]唐柏彬，郗存显，邹芸，等．液相色谱法测定中药材中的富马酸单甲酯与富马酸二甲酯[J]．分析测试学报，2014，33（2）：156-160．

[4]汪锦帮．食品保鲜技术的研究与应用[M]．北京：中国科学技术出版社，1989：5-6．

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[6]董四平．气相色谱法测定化妆品中富马酸二甲酯[J]．中国卫生检验杂志，2012，2（10）：2338-2339，2341．

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[8]杜婷婷．富马酸二甲酯[J]．中国药物化学杂志，2013，2（5）：424．

[9]杨臻峥．富马酸二甲酯可显著降低多发性硬化症患者的复发率[J]．药学进展，2011，35（7）：335．

[10]曲小姝，王剑辉，杨艳艳，等．复配型杂多酸催化合成富马酸二甲酯 [J]．东北师范大学学报：自然科学版，2011，43（2）：96-99．

[11]文瑞明，俞善信，龙立平．从马来酸酐合成富马酸二甲酯[J]．海南大学学报：自然科学版，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.

责任编辑：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

安徽省教育厅自然科学研究项目（KJHS2016B06）；安徽省大学生创新创业训练计划项目（201510375017）

黄飞（1983-），安徽砀山人，黄山学院助教，研究方向为食品防腐剂合成及应用。