克莱森缩合
病退的28种病种及标准-夏普2008d
2023年2月21日发(作者：载重吨)碳酸二甲酯和乙酸甲酯合成丙二酸二甲酯的研究
王轩;李伟;沈荣春
【摘要】研究了以碳酸二甲酯(DMC)和乙酸甲酯(MA)为原料合成丙二酸二甲酯,评
价了叔丁醇钾(C4H9OK)、叔丁醇钠(C4H9ONa)、甲醇钠(CH3ONa)和氢化钠
(NaH)等催化剂对该克莱森酯缩合反应的催化活性,考察了物料配比、反应温度、
反应时间、催化剂用量和溶剂等因素对反应的影响.结果表明,当
n(DMC):n(MA):n(CH3ONa)=5:1:3.6,反应温度90℃,反应时间2h时和无溶剂时
乙酸甲酯的转化率达到70％,丙二酸二甲酯(DMM)的选择性为99.0％.
【期刊名称】《天然气化工》
【年(卷),期】2016(041)002
【总页数】4页(P38-40,89)
【关键词】丙二酸二甲酯;合成;碳酸二甲酯;乙酸甲酯
【作者】王轩;李伟;沈荣春
【作者单位】华东理工大学化工学院,上海市200237;华东理工大学化工学院,上海
市200237;华东理工大学化工学院,上海市200237
【正文语种】中文
【中图分类】TQ225.242
丙二酸二甲酯（DMM）是染料、农药和医药的中间体，同时也可作为合成聚酯工
业中的1,3-丙二醇的原料。国内目前主要采用氰化酯化法生产，以氯乙酸、氰化
钠和甲醇等为原料，经中和、氰化、酸化和酯化而得，总收率仅65%，工艺流程
长，成本高[1,2]，且使用剧毒的氰化钠，给操作和废液处理带来极大困难[3]。国
外近年开发的新工艺大多为催化羰化法，即以氯代乙酯、一氧化碳和甲醇为原料，
在催化剂作用下催化气相羰基化一步合成。相比于氰化酯化法，催化羰基化法收率
高，但工艺复杂，反应条件苛刻，要实现工业化有很多困难[4]。
随着碳酸二甲酯（DMC）生产技术的进步，以及合成气经草酸酯合成乙二醇工业
的发展副（联）产DMC的增加，DMC生产成本将会下降[5,6]。研究开发以
DMC为原料合成DMM的绿色工艺具有重要意义和价值。文献[7,8]报道了以碳酸
二乙酯和乙酸乙酯为原料制备丙二酸二乙酯的工艺条件，但DMC和乙酸甲酯通过
克莱森酯缩合合成DMM的工艺条件还未见报道。
克莱森酯缩合反应是含有α-活泼氢的酯类在醇钠、三苯甲基钠等碱性试剂的作用
下，失去一分子醇而缩合为一分子β-羰基羧酸酯的反应。凡是α碳上有氢原子的
酯，在醇钠或其他碱性催化剂存在下，都能进行克莱森酯缩合反应。其核心步骤是
一个亲核取代反应，具体步骤如下[9]：
（1）一分子羧酸酯在强碱的进攻下失去一个α-氢原子，并得到碳负离子。
（2）碳负离子对另一分子羧酸酯的羰基进行亲核进攻，得到中间体，中间体脱去
醇负离子而得到产物β-羰基羧酸酯。
（3）产物的α-氢与两个羰基临近，因而有较强的酸性，会与反应物中的强碱反应
而以共轭碱的形式存在。
反应可在不同的酯之间进行，称为交叉酯缩合；此时缩合可依多种不同方式发生，
这就大大增加了副产物的数量。
由DMC和乙酸甲酯进行克莱森酯缩合反应合成DMM的反应机理如图1所示。
2.1试剂和仪器
碳酸二甲酯，乙酸甲酯，甲醇钠，氢化钠，叔丁醇钾，叔丁醇钠均为国药试剂分析
纯试剂。
GC-9560型气相色谱仪（上海华爱色谱分析技术有限公司）；伍豪色谱工作站
（上海伍豪信息科技有限公司）。
2.2实验步骤
在三颈圆底烧瓶中加入DMC和催化剂，开启搅拌、加热，50℃下活化1h后，升
温至反应温度，滴加乙酸甲酯（约0.5h）。反应结束后，将产物酸化。分析产物
中DMM的含量。
3.1催化剂研究
考察了C4H9OK、CH3ONa、C4H9ONa、NaH等有机碱催化剂对反应的影响，
结果见图2。从图2可知，4种有机碱的催化效果为C4H9OK>CH3ONa>
C4H9ONa>NaH。克莱森反应是一个先亲核加成再消除的反应，催化剂的碱性强
度的不同导致反应差异，碱性越强，反应越容易进行。在所选有机碱催化剂中，叔
丁醇钾具有较高的催化活性，甲醇钠和叔丁醇钠的活性次之，氢化钠最差。叔丁醇
钾和甲醇钠不仅具有较强的催化活性，且几乎不生成副产物乙酰乙酸甲酯，故目标
产物的选择性较高。然而，以叔丁醇盐为催化剂，反应体系中的有机碱和各反应物、
产物酯之间均可能发生酯交换，从而生成多种酯类副产物，随着反应进行有叔丁醇
生成，使反应体系复杂及后续分离困难。因此，选择甲醇钠作为催化性剂进行反应
研究。
3.2物料配比的影响
乙酸甲酯失去α-氢原子生成碳负离子进攻DMC的羰基进行亲核加成的同时，也
会对另一乙酸甲酯分子的羰基进行亲核进攻，并最终生成乙酰乙酸甲酯。因此，选
择合适的物料配比，降低乙酸甲酯浓度，对于减少副反应、提高DMM的选择性
具有重要作用。以CH3ONa为催化剂，改变DMC和MA的物质的量比，考察其
对反应的影响，结果如图3所示。
从图3可见，乙酸甲酯的转化率和DMM的选择性均随n(DMC)/n(MA)比的增加
而升高，但增加趋势在n(DMC)/n(MA)为5后趋于平缓。n(DMC)/n(MA)为8时
乙酸甲酯转化率仅比n(DMC)/n(MA)为5时提高3.7%。虽然DMC过量有利于减
少副产物乙酰乙酸甲酯的生成，但过多的DMC不仅增加成本，还会增加系统后续
分离的能耗。因此，n(DMC)/n(MA)为5较佳。
3.3反应温度的影响
由于本反应体系存在平行副反应，需要考察反应温度对平行反应选择性的影响。因
此，本文以CH3ONa为催化剂研究了反应温度的影响，结果见图4。
乙酸甲酯的转化率和DMM的选择性均随温度升高而升高。由于DMC与乙酸甲
酯的酯缩合反应为吸热反应，升高温度有利于乙酸甲酯的转化，使反应向生成
DMM的方向移动。从DMM的选择性随温度的升高可以知道，主反应的活化能
大于副反应的活化能。
3.4催化剂用量的影响
何广科等[10]以乙醇钠为催化剂，催化乙酸乙酯克莱森缩合反应生成乙酰乙酸乙酯。
研究了乙醇钠加入量对乙酸乙酯克莱森酯缩合反应产物乙酰乙酸乙酯收率的影响。
研究发现，当采用催化剂量（所需碱当量的1/3）的乙醇钠进行反应时，乙酰乙酸
乙酯的产率只有22%（少于1/3）；而当采用稍过量的碱（所需碱当量的1.4倍）
进行反应时，反应的产率高达73%。
改变甲醇钠用量，研究其对该克莱森反应的影响，结果如图5所示。
甲醇钠含量增多，乙酸甲酯转化率升高。根据反应机理第4步，在实际的反应过
程中，碱性试剂和酯缩合产物DMM不可能共存于反应体系中，此时，碱性试剂
成为一种反应试剂。所以，尽管反应体系中的乙酸甲酯负离子浓度很低，但一形成
后，就不断反应。由于DMM和甲醇钠生成烯醇盐，致使部分甲醇钠失去催化活
性，甲醇钠过量时，反应体系内可始终保持一定的催化剂浓度，使反应不断进行。
因此，甲醇钠加入量越多，对反应越有利。
3.5反应时间的影响
反应时间对反应的影响考察结果见图6。当反应时间小于2h时，乙酸甲酯转化率
随反应时间增加而提高。反应2h时，DMC和乙酸甲酯的反应已接近平衡，再延
长反应时间，转化率和选择性都基本不再变化。因此，适宜的反应时间为2h。
3.6溶剂的选择及影响
碳氢化合物的酸性是由其结构所决定，外界因素如溶剂对羰基烯醇负离子形成、反
应性、选择性也有重要的影响。对于克莱森酯缩合反应，反应体系中烯醇负离子浓
度越高，理论上越有利于反应的进行。溶剂的选择首先是非质子性溶剂，其次是极
性溶剂。考察二甲基亚砜（DMSO）、四氢呋喃（THF）、对二甲苯（PX）对反
应的影响，实验结果见图7。
从图7可以看出，溶剂的加入降低了乙酸甲酯的转化率。虽然非质子性溶剂的加
入有利于烯醇负离子形成，但该反应中加入的3种溶剂均无法溶解甲醇钠，无法
实现均相反应，相反溶剂的加入降低了反应物浓度，使反应变得困难，从而降低了
反应速率。
（1）由DMC和乙酸甲酯合成DMM的克莱森酯缩合反应中，不同碱性催化剂的
选择对反应物的转化率和产物的选择性影响较大。碱性越强越有利于反应的进行，
同时有利于提高反应的选择性。
（2）增加催化剂的用量可显著提高反应物转化率。
（3）本合成方法由于原料易得，反应条件温和，因而具有较好的开发前景。
【相关文献】
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