CN111072518B - 乙氧基亚甲基丙二腈的连续合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种乙氧基亚甲基丙二腈的连续合成方法。该方法包括以下步骤:将丙二腈、原甲酸三乙酯和乙酸酐连续地通入连续反应设备中进行取代反应,得到乙氧基亚甲基丙二腈,且在取代反应的过程中,生成的乙氧基亚甲基丙二腈连续地排出;其中,丙二腈、原甲酸三乙酯和乙酸酐的摩尔比为1:(0.9~6.0):(2.0~6.0)。本发明通过采用连续反应设备,由于单位时间内参与反应的物料量大大减少,高温危险区域减小,安全风险得到极大地降低。且通过连续反应器可将原料瞬间加热到反应温度,避免长时间升温过程造成原料分解,收率得到显著提高。而且,本发明反应过程中无需甲苯这样的二类毒性溶剂。
Description
技术领域
本发明涉及有机合成技术领域,具体而言,涉及一种乙氧基亚甲基丙二腈的连续合成方法。
背景技术
乙氧基亚甲基丙二腈呈白色至类白色结晶性粉末,不溶于水,溶于甲醇、乙醇等有机溶剂,熔点65~67℃,沸点160℃(12mmHg),常用于制备工业化学品、医药化学品的中间体,如用作制备米利农的中间体。因此,乙氧基亚甲基丙二腈具有极其广阔的领域和非常广阔的开发前景,开发一种高效益、低成本的乙氧基亚甲基丙二腈合成工艺具有重要意义。
目前,乙氧基亚甲基丙二腈的制备方法包括如下步骤:原甲酸三乙酯与丙二腈在有机溶剂和催化剂存在的条件下,回流至反应完全,其中,所述的有机溶剂通常为甲苯等高沸点有毒溶剂。根据国际人用药品协调会(ICH)的规定,甲苯属于限制使用的二类溶剂。
刘启明等(刘启明,苏玉永,陈邦银,张汉萍.磷酸二酯酶抑制剂米利农的合成和结构鉴定[J].华中科技大学学报(医学版),2005,34(1):74-75)公开了一种乙氧基亚甲基丙二腈的制备方法,该方法大量使用有毒的甲苯作溶剂,所用催化剂氯化锌不溶于有机溶剂(甲苯)而难与反应物质进行充分接触,导致催化效果不理想,影响反应速度和反应效果,收率仅为79%(以丙二腈计),故存在不利于环保、生产成本高、溶剂回收困难、收率低等缺陷。
中国专利(CN102584626)提供了一种制备乙氧基亚甲基丙二腈的方法,该方法以丙二腈和原甲酸三乙酯为初始原料,氯化锌为催化剂,所用催化剂氯化锌不溶于有机溶剂,而难与反应物质进行充分接触,导致催化效果不理想,影响反应速度和反应效果,原料算三乙酯用量较大,收率仅为85%(以丙二腈计),该方法仍然存在收率较低、成本高、反应速度慢、生产效率低的问题。
另外,国外专利(WO2014/2111,2014)提供了一种制备乙氧基亚甲基丙二腈的新方法,使用乙酸酐为试剂进行反应,反应温度为110~140℃,但工艺建议的安全操作温度为T<107℃(Td24),该反应的Stoessel等级为5,危险等级较高,使用传统釜式反应器进行放大生产,具有很高的安全风险,无法进行规模化生产。
基于以上原因,有必要提供一种操作更安全、污染少、收率高的乙氧基亚甲基丙二腈生产工艺。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种乙氧基亚甲基丙二腈的连续合成方法,以解决现有技术中制备乙氧基亚甲基丙二腈时收率低、有毒溶剂污染环境及安全性差的问题。
为了实现上述目的,根据本发明的一个方面,提供了一种乙氧基亚甲基丙二腈的连续合成方法,其包括以下步骤:将丙二腈、原甲酸三乙酯和乙酸酐连续地通入连续反应设备中进行取代反应,得到乙氧基亚甲基丙二腈,且在取代反应的过程中,生成的乙氧基亚甲基丙二腈连续地排出;其中,丙二腈、原甲酸三乙酯和乙酸酐的摩尔比为1:(0.9~6.0):(2.0~6.0)。
进一步地,丙二腈、原甲酸三乙酯和乙酸酐的摩尔比为1:(1.1~1.5):(2.1~2.5)。
进一步地,取代反应的反应温度为110~150℃,反应压力为0.3~10MPa。
进一步地,取代反应的反应温度为110~120℃,反应压力为0.3~10MPa。
进一步地,取代反应在无溶剂或有溶剂的条件下进行。
进一步地,且当采用溶剂时,溶剂选自乙酸乙酯、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,4-二氧六环、乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、苯、甲苯、二甲苯、丙酮、乙腈、甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇的一种或多种。
进一步地,取代反应的过程中,丙二腈、原甲酸三乙酯和乙酸酐在连续反应设备中的停留时间为30~400min。
进一步地,取代反应的过程中,丙二腈、原甲酸三乙酯和乙酸酐在连续反应设备中的停留时间为90~120min。
进一步地,连续反应设备为管式连续反应器或柱状连续反应器。
进一步地,取代反应的过程中,通过泵将丙二腈、原甲酸三乙酯、乙酸酐和可选地溶剂泵入连续反应设备,且总的泵入速度为20ml/min~5L/min。
本发明通过采用连续反应设备,以丙二腈、原甲酸三乙酯和乙酸酐的连续化取代反应实现了乙氧基亚甲基丙二腈的连续化生产。相比于传统釜式反应,由于单位时间内参与反应的物料量大大减少,高温危险区域减小,安全风险得到极大地降低。且通过连续反应器可将原料瞬间加热到反应温度,避免长时间升温过程造成原料分解,收率得到显著提高。而且,本发明反应过程中无需甲苯这样的二类毒性溶剂。此外,因采用连续性工艺和连续性反应设备可显著降低该工艺的安全风险,可实现放大生产。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
正如背景技术部分所描述的,现有技术中制备乙氧基亚甲基丙二腈时存在收率低、有毒溶剂污染环境及安全性差的问题。
为了解决上述问题,本发明提供了一种乙氧基亚甲基丙二腈的连续合成方法,其包括以下步骤:将丙二腈、原甲酸三乙酯和乙酸酐连续地通入连续反应设备中进行取代反应,得到乙氧基亚甲基丙二腈,且在取代反应的过程中,生成的乙氧基亚甲基丙二腈连续地排出;其中,丙二腈、原甲酸三乙酯和乙酸酐的摩尔比为1:(0.9~6.0):(2.0~6.0)。
本发明通过采用连续反应设备,以丙二腈、原甲酸三乙酯和乙酸酐的连续化取代反应实现了乙氧基亚甲基丙二腈的连续化生产。相比于传统釜式反应,由于单位时间内参与反应的物料量大大减少,高温危险区域减小,安全风险得到极大地降低。且通过连续反应器可将原料瞬间加热到反应温度,避免长时间升温过程造成原料分解,收率得到显著提高(最高能够达到98.5%以上)。而且,本发明反应过程中无需甲苯这样的二类毒性溶剂。此外,因采用连续性工艺和连续性反应设备可显著降低该工艺的安全风险,可实现放大生产。
除了上述有益效果,本发明相比于传统的釜式生产工艺,还具有成本低和三废量小等优点,且因连续化反应大大缩短了反应时间,从而显著提高了生产效率高。同时,后处理简单,产品纯度较高,甚至能够达到99.5%以上。
为了进一步提高反应效率,提高产物收率,在一种优选的实施方式中,丙二腈、原甲酸三乙酯和乙酸酐的摩尔比为1:(1.1~1.5):(2.1~2.5)。
如前文所述,通过连续反应器可将原料瞬间加热到反应温度,避免长时间升温过程造成原料分解,收率得到显著提高。为了进一步提高反应效率和产物收率,同时避免过高温度造成原料,在一种优选的实施方式中,取代反应的反应温度为110~150℃,反应压力为0.3~10MPa。更优选地,取代反应的反应温度为110~120℃,反应压力为0.3~10MPa。
因连续化取代反应的安全性较高,上述丙二腈、原甲酸三乙酯和乙酸酐可以在无溶剂中的状态下直接进行反应。当然,也可以在有溶剂的条件下反应,这些溶剂为非二类毒性溶剂。优选且当采用溶剂时,溶剂选自乙酸乙酯、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,4-二氧六环、乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、苯、甲苯、二甲苯、丙酮、乙腈、甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇的一种或多种。优选地,溶剂相对于丙二腈的用量为1~50mg/g。
在一种优选的实施方式中,取代反应的过程中,丙二腈、原甲酸三乙酯和乙酸酐在连续反应设备中的停留时间为30~400min,更优选为90~120min。该停留时间下,取代反应更为充分,有利于进一步提高反应收率。
在一种优选的实施方式中,取代反应的过程中,通过泵将丙二腈、原甲酸三乙酯、乙酸酐和可选地溶剂泵入连续反应设备,且总的泵入速度为20ml/min~5L/min,优选为100~300mL/min。需说明的是,上述泵入速度是指所有原料的总的泵入速度,本领域技术人员可以根据所需各原料的用量比换算各原料的进料速度,在此不再赘述。
具体的进液方式可以有多种:方式一、无溶剂条件下,将丙二腈和乙酸酐混合形成原料A,将原甲酸三乙酯作为原料B,通过泵A和泵B分别将原料A和原料B同时泵入连续反应器中进行反应;方式二、有溶剂参与时,将丙二腈和乙酸酐化合物溶解在一部分溶剂中,形成原料A,将原甲酸三乙酯溶解在另一部分溶剂中,形成原料B;然后通过泵A和泵B分别将原料A和原料B同时泵入连续反应器中进行反应。
上述连续反应器可以优选为管式连续反应器或柱状连续反应器。更优选地,连续反应器为盘管式反应器,其内部的盘管特殊结构有助于增加反应效果。更优选地,连续反应器包括盘管、换热设备、温度检测设备、压力检测设备、液体流量控制器、在线PAT设备、自动化控制***;盘管用于提供反应场所;换热设备用于调节盘管内部的温度;温度检测设备用于监测盘管中的反应温度;压力检测设备用于监测盘管中的反应压力;液体流量控制器连接在泵和盘管的进料口之间,用于调节控制进料量;在线PAT设备用于检测盘管内的产物组成;自动化控制***与泵、液体流量控制器、换热设备、温度检测设备、压力检测设备和在线PAT设备电连接。采用自动化控制***,可对反应的相关参数例如温度、压力、流速等进行精确的控制和实时的反馈。
生成的乙氧基亚甲基丙二腈连续地排出后,上述合成方法还包括对其进行提纯的步骤,优选地,提纯步骤包括:将排出的产物真空浓缩,然后向体系中滴加正庚烷以使乙氧基亚甲基丙二腈析出,过滤,得到乙氧基亚甲基丙二腈产物。
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述,这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
实施例1
投料量为1.0kg,室温下将丙二腈(1.0kg,15.14mol)和乙酸酐(3.25kg,31.79mol)混合均匀,记为物料A;原甲酸三乙酯(2.47kg,16.65mol)记为物料B。泵A速度为:248g/min,泵B速度为:157g/min,分别用泵将物料A和物料B泵入连续管道反应器(体积为50L)中,控温120℃,连续反应器出口备压0.3~0.5MPa,停留时间为100min,出口取样GC分析,原料剩余为0.0~0.5%。将从连续反应器中流出的体系于真空下浓缩至6V,控温20~30℃,向上述体系中滴加4V正庚烷,滴毕,体系析出大量固体。过滤,固体烘干得到产物乙氧基亚甲基丙二腈1.83kg,GC纯度:99.7%,收率98.69%。
实施例2
泵A体系为丙二腈(100g,1.51mol)+乙酸酐(325g,3.18mol),泵B为原甲酸三乙酯(247g,1.67mol),泵A速度为:24.8g/min,泵B速度为:15.7g/min。同时开启泵A和泵B将两股原料泵入到连续反应器(体积为5L)中,控温130℃,连续反应器出口备压0.3~0.5MPa,停留时间为100min,出口取样GC分析,原料剩余为0.0~0.5%,流出的体系进行浓缩,浓缩至6V,滴加4V正庚烷进行析晶,过滤,得到产物乙氧基亚甲基丙二腈165.0g,GC纯度:97.2%,收率79.8%。
与实施例1的区别:反应温度为130℃。
实施例3
泵A体系为丙二腈(100g,1.51mol)+乙酸酐(325g,3.18mol)+乙醇(100ml),泵B为原甲酸三乙酯(247g,1.67mol)+乙醇(100ml),泵A速度为:24.8g/min,泵B速度为:15.7g/min,同时开启泵A和泵B将两股原料泵入到连续反应器(体积为5L)中,控温120℃,连续反应器出口备压0.3~0.5MPa,停留时间为100min,出口取样GC分析,原料剩余为0.0~0.5%,流出的体系进行浓缩,浓缩至6V,滴加4V正庚烷进行析晶,过滤,得到产物乙氧基亚甲基丙二腈175.0g,GC纯度:75.3%,收率66.15%。
与实施例1的区别:使用乙醇作溶剂。
实施例4
泵A体系为丙二腈(100g,1.51mol)+乙酸酐(618.14g,6.05mol),泵B为原甲酸三乙酯(201.9g,1.36mol),泵A速度为:24.8g/min,泵B速度为:15.7g/min,同时开启泵A和泵B将两股原料泵入到连续反应器(体积为5L)中,控温120℃,连续反应器出口备压0.3~0.5MPa,停留时间为100min,出口取样GC分析,原料剩余为1.6~2.5%,流出的体系进行浓缩,浓缩至6V,滴加4V正庚烷进行析晶,过滤,得到产物乙氧基亚甲基丙二腈173.0g,气相纯度:91.1%,收率83.7%。
与实施例1的区别:按摩尔比丙二腈:原甲酸三乙酯:乙酸酐=1:0.9:4.0
实施例5
泵A体系为丙二腈(100g,1.51mol)+乙酸酐(386.3g,3.78mol),泵B为原甲酸三乙酯(336.5g,2.27mol),泵A速度为:24.8g/min,泵B速度为:15.7g/min。同时开启泵A和泵B将两股原料泵入到连续反应器(体积为5L)中,控温120℃,连续反应器出口备压0.3~0.5MPa,停留时间为100min,出口取样GC分析,原料剩余为0.0~0.5%,流出的体系进行浓缩,浓缩至6V,滴加4V正庚烷进行析晶,过滤,得到产物乙氧基亚甲基丙二腈181.0g,GC纯度:99.6%,收率98.52%。
与实施例1的区别:按摩尔比丙二腈:原甲酸三乙酯:乙酸酐=1:1.5:2.5。
实施例6
泵A体系为丙二腈(100g,1.51mol)+乙酸酐(3091g,3.03mol),泵B为原甲酸三乙酯(1350g,9.08mol),泵A速度为:24.8g/min,泵B速度为:15.7g/min。同时开启泵A和泵B将两股原料泵入到连续反应器(体积为5L)中,控温120℃,连续反应器出口备压0.3~0.5MPa,停留时间为100min,出口取样GC分析,原料剩余为0.0~0.5%,流出的体系进行浓缩,浓缩至6V,滴加4V正庚烷进行析晶,过滤,得到产物乙氧基亚甲基丙二腈141.0g,GC纯度:91.2%,收率69.6%。
与实施例1的区别:按摩尔比丙二腈:原甲酸三乙酯:乙酸酐=1:6.0:2.0。
实施例7
泵A体系为丙二腈(100g,1.51mol)+乙酸酐(3091g,3.03mol),泵B为原甲酸三乙酯(1350g,9.08mol),泵A速度为:24.8g/min,泵B速度为:15.7g/min。同时开启泵A和泵B将两股原料泵入到连续反应器(体积为5L)中,控温120℃,连续反应器出口备压0.3~0.5MPa,停留时间为100min,出口取样GC分析,原料剩余为0.0~0.5%,流出的体系进行浓缩,浓缩至6V,滴加4V正庚烷进行析晶,过滤,得到产物乙氧基亚甲基丙二腈140.1g,GC纯度:91.6%,收率68.7%。
与实施例1的区别:按摩尔比丙二腈:原甲酸三乙酯:乙酸酐=1:0.9:6.0。
实施例8
泵A体系为丙二腈(100g,1.51mol)+乙酸酐(325g,3.18mol),泵B为原甲酸三乙酯(247g,1.67mol),泵A速度为:24.8g/min,泵B速度为:15.7g/min,同时开启泵A和泵B将两股原料泵入到连续反应器(体积为2.5L)中,控温120℃,连续反应器出口备压0.3~0.5MPa,停留时间为45min,出口取样GC分析,原料剩余为16~17%,流出的体系进行浓缩,浓缩至6V,滴加4V正庚烷进行析晶,过滤,得到产物乙氧基亚甲基丙二腈143.1g,气相纯度:72.3%,收率67.96%。
与实施例1的区别:保留时间为45min。
实施例9
泵A体系为丙二腈(100g,1.51mol)+乙酸酐(325g,3.18mol),泵B为原甲酸三乙酯(247g,1.67mol),泵A速度为:24.8g/min,泵B速度为:15.7g/min,同时开启泵A和泵B将两股原料泵入到连续反应器(体积为5L)中,控温120℃,连续反应器出口备压0.3~0.5MPa,停留时间为90min,出口取样GC分析,原料剩余为0.0~0.5%,流出的体系进行浓缩,浓缩至6V,滴加4V正庚烷进行析晶,过滤,固体烘干得到产物乙氧基亚甲基丙二腈182.3g,GC纯度:99.5%,收率98.12%。
与实施例1的区别:保留时间为90min。
实施例10
泵A体系为丙二腈(100g,1.51mol)+乙酸酐(325g,3.18mol),泵B为原甲酸三乙酯(247g,1.67mol),泵A速度为:24.8g/min,泵B速度为:15.7g/min,同时开启泵A和泵B将两股原料泵入到连续反应器(体积为5L)中,控温120℃,连续反应器出口备压0.3~0.5MPa,停留时间为120min,出口取样GC分析,原料剩余为0.0~0.5%,流出的体系进行浓缩,浓缩至6V,滴加4V正庚烷进行析晶,过滤,固体烘干得到产物乙氧基亚甲基丙二腈182.7g,GC纯度:99.5%,收率98.33%。
与实施例1的区别:保留时间为120min。
实施例11
泵A体系为丙二腈(100g,1.51mol)+乙酸酐(325g,3.18mol),泵B为原甲酸三乙酯(247g,1.67mol),泵A速度为:24.8g/min,泵B速度为:15.7g/min,同时开启泵A和泵B将两股原料泵入到连续反应器(体积为2.5L)中,控温120℃,连续反应器出口备压0.3~0.5MPa,停留时间为30min,出口取样GC分析,原料剩余为19~22%,流出的体系进行浓缩,浓缩至6V,滴加4V正庚烷进行析晶,过滤,得到产物乙氧基亚甲基丙二腈139.4g,气相纯度:70.8%,收率53.39%。
与实施例1的区别:保留时间为30min。
实施例12
泵A体系为丙二腈(100g,1.51mol)+乙酸酐(325g,3.18mol),泵B为原甲酸三乙酯(247g,1.67mol),泵A速度为:24.8g/min,泵B速度为:15.7g/min,同时开启泵A和泵B将两股原料泵入到连续反应器(体积为5L)中,控温120℃,连续反应器出口备压0.3~0.5MPa,停留时间为400min,出口取样GC分析,原料剩余为0~0.5%,流出的体系进行浓缩,浓缩至6V,滴加4V正庚烷进行析晶,过滤,得到产物乙氧基亚甲基丙二腈180.0g,气相纯度:61.2%,收率59.59%。
与实施例1的区别:保留时间为400min。
实施例13
泵A体系为丙二腈(100g,1.51mol)+乙酸酐(325g,3.18mol),泵B为原甲酸三乙酯(247g,1.67mol),泵A速度为:24.8g/min,泵B速度为:15.7g/min,同时开启泵A和泵B将两股原料泵入到连续反应器(体积为5L)中,控温110℃,连续反应器出口备压10MPa,停留时间为100min,出口取样GC分析,原料剩余为0.0~0.5%,流出的体系进行浓缩,浓缩至6V,滴加4V正庚烷进行析晶,过滤,固体烘干得到产物乙氧基亚甲基丙二腈180.4g,GC纯度:98.9%,收率96.51%。
与实施例1的区别:反应温度为110℃,压力为10MPa。
实施例14
泵A体系为丙二腈(100g,1.51mol)+乙酸酐(325g,3.18mol),泵B为原甲酸三乙酯(247g,1.67mol),泵A速度为:24.8g/min,泵B速度为:15.7g/min,同时开启泵A和泵B将两股原料泵入到连续反应器(体积为5L)中,控温150℃,连续反应器出口备压0.9MPa,停留时间为100min,出口取样GC分析,原料剩余为0.0~0.5%,流出的体系进行浓缩,浓缩至6V,滴加4V正庚烷进行析晶,过滤,得到产物乙氧基亚甲基丙二腈185.6g,气相纯度:59.4%,收率59.64%。
与实施例1的区别:反应温度为150℃,压力为0.9MPa。
需说明的是,上述实施例中,连续反应设备持续运行24x7 h,反应柱等配备了相应的备用设备和零部件,可以实现不停机在线更换设备,做到全过程不中断的全连续反应。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种乙氧基亚甲基丙二腈的连续合成方法,其特征在于,包括以下步骤:将丙二腈、原甲酸三乙酯和乙酸酐连续地通入连续反应设备中进行取代反应,得到所述乙氧基亚甲基丙二腈,且在所述取代反应的过程中,生成的所述乙氧基亚甲基丙二腈连续地排出;其中,所述丙二腈、所述原甲酸三乙酯和所述乙酸酐的摩尔比为1:(0.9~6.0):(2.0~6.0);所述取代反应的反应温度为110~150℃,反应压力为0.3~10MPa;所述丙二腈、所述原甲酸三乙酯和所述乙酸酐在所述连续反应设备中的停留时间为30~400min。
2.根据权利要求1所述的乙氧基亚甲基丙二腈的连续合成方法,其特征在于,所述丙二腈、所述原甲酸三乙酯和所述乙酸酐的摩尔比为1:(1.1~1.5):(2.1~2.5)。
3.根据权利要求1所述的乙氧基亚甲基丙二腈的连续合成方法,其特征在于,所述取代反应的反应温度为110~120℃,反应压力为0.3~10MPa。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的乙氧基亚甲基丙二腈的连续合成方法,其特征在于,所述取代反应在无溶剂或有溶剂的条件下进行。
5.根据权利要求4所述的乙氧基亚甲基丙二腈的连续合成方法,其特征在于,且当采用所述溶剂时,所述溶剂选自乙酸乙酯、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、1,4-二氧六环、乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚、苯、甲苯、二甲苯、丙酮、乙腈、甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇的一种或多种。
6.根据权利要求5所述的乙氧基亚甲基丙二腈的连续合成方法,其特征在于,所述取代反应的过程中,所述丙二腈、所述原甲酸三乙酯和所述乙酸酐在所述连续反应设备中的停留时间为90~120min。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的乙氧基亚甲基丙二腈的连续合成方法,其特征在于,所述连续反应设备为管式连续反应器或柱状连续反应器。
8.根据权利要求4所述的乙氧基亚甲基丙二腈的连续合成方法,其特征在于,所述取代反应的过程中,通过泵将所述丙二腈、原甲酸三乙酯、所述乙酸酐和可选地所述溶剂泵入所述连续反应设备,且总的泵入速度为20ml/min~5L/min。
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Non-Patent Citations (1)
Title |
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乙氧基甲叉丙二腈的合成研究;龙志成;《四川化工与腐蚀控制》;19991231;第2卷(第4期);第2-4页 * |
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