CN109232578B - 用微反应技术连续制备四硝基苯吡啶四氮杂戊搭烯(bptap)的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用微反应技术连续制备四硝基苯吡啶四氮杂戊搭烯(BPTAP)的方法，本发明采用先进的微通道反应技术，以苯吡啶四氮杂戊搭烯(TAP)为起始原料，以浓硫酸和发烟硝酸为反应溶剂，在5～95℃实现BPTAP的连续制备。与传统的釜式反应相比，该方法在先进的微通道反应技术的支撑下，能实现工艺安全高效、可连续生产、产品质量稳定的批量制备，基本实现BPTAP的工业化生产。
Description
技术领域
本发明属于含能材料制备技术的领域，具体涉及一种用微反应技术连续制备四硝基苯吡啶四氮杂戊搭烯(BPTAP)的方法。
背景技术
四硝基苯吡啶四氮杂戊搭烯(BPTAP)，即2,4,8,10-四硝基-苯吡啶-1,3a,6,6a-四氮杂戊搭烯，是一种重要的高温耐热炸药。BPTAP是比利时Maquestiau所在的Belgian研究团队于上世纪80年代初发表的一类化合物中的一种。十多年后，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)系统合成了BPTAP，并完整地测试了它的物理参数及爆炸性能，综合性能优于六硝基氐(HNS)。BPTAP的详细合成文章发表于2004年的美国含能材料期刊上，而BPTAP的性能对比文章发表于2006年的美国核武器期刊上。此后，许多国家对BPTAP的前体、同系物及衍生物开展了相关的研究。国内，北理工较早地开展了BPTAP的同系物(TACOT)的研究，而2013年西安近代化学研究所开展了BPTAP前体的研究，但未见BPTAP的后续报道。
目前，国内随着深井油田的开采以及航天航空的发展，对耐热温度高于350℃以上的高温耐热炸药的需求非常迫切。到目前为止，作为性能优良的高温耐热炸药BPTAP化合物，仍未开展相关的工业化生产研究。本团队通过一系列的相关研究，改变了工艺方式，降低了酸的安全风险，提高了制备效率，可实现该产品的工业化生产和连续化制备。
发明内容
本发明的主要内容是一种用微反应技术连续制备BPTAP的方法。本发明采用先进的微通道连续反应技术，以苯吡啶四氮杂戊搭烯(TAP)为起始原料，以浓硫酸和发烟硝酸为反应溶剂，在5℃～95℃实现BPTAP的连续制备。与传统的釜式反应相比，该方法在先进的微通道反应技术的支撑下，实现质量稳定、安全高效、连续化的批量制备。本发明采用以下技术方案：
一种用微反应技术连续制备四硝基苯吡啶四氮杂戊搭烯的方法，主要包括以下步骤：
(1)将苯吡啶四氮杂戊搭烯(TAP)溶解于搅拌的浓硫酸中，形成溶液A；称取浓酸液作为溶液B；
(2)采用三块微通道反应器E、F、G串联作为微反应制备的载体，其中，微通道反应器E为低温混合反应区，通过夹套水浴控制温度在5-50℃；微通道反应器F为高温反应区，通过夹套水浴控制温度在50-95℃；微通道G为降温区，通过夹套连接室温自来水；
(3)用两个蠕动泵分别将溶液A和溶液B注入微通道反应器E中，溶液A和溶液B依次在微通道反应器E、F中强烈混合和连续反应，在这两个微通道反应器中的总反应时间不少于5min；
(4)反应液流入微通道反应器G中降温，再流入漏斗中过滤得到固体，洗涤，烘干，得到橙黄色的四硝基苯吡啶四氮杂戊搭烯。
所述的用微反应技术连续制备四硝基苯吡啶四氮杂戊搭烯的方法，其步骤(1)所述浓酸液是100％发烟硝酸或者含有体积含量为50％～80％浓硫酸的发烟硝酸液。
所述的用微反应技术连续制备四硝基苯吡啶四氮杂戊搭烯的方法，其步骤(1)所述溶液A中苯吡啶四氮杂戊搭烯的浓度为0.01-0.10g/mL。
所述的用微反应技术连续制备四硝基苯吡啶四氮杂戊搭烯的方法，其步骤(2)所述微通道反应器E、F、G的微通道孔径为0.6-1.0mm。
所述的用微反应技术连续制备四硝基苯吡啶四氮杂戊搭烯的方法，其步骤(3)所述将溶液A和溶液B注入微通道反应器E中时溶液A和溶液B的体积比为0.8-1:1。
所述的用微反应技术连续制备四硝基苯吡啶四氮杂戊搭烯的方法，其步骤(3)所述总反应时间为5-30min。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明的连续制备方法可以实现BPTAP的微通道连续批量化制备，反应安全可靠，制备快速高效，还可实现便捷的移动制备。
附图说明
图1为BPTAP的微反应连续制备流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
BPTAP的微反应连续制备流程如图1所示，三个微通道反应器E、F、G分别通过导管1和导管2串联，溶液A和溶液B分别通过泵C和泵D泵入微通道反应器E中，然后依次流入微通道反应器F和微通道反应器G中。微通道反应器E、F分别通过温控器1和温控器2控制温度，比如可以利用夹套水浴控制温度，微通道反应器G直接通过夹套连接自来水。反应液在微通道反应器E、F中混合和反应，然后在微通道反应器G中降温，最后经过漏斗过滤，得到固体，固体洗涤干燥后得到产品。
实施例1
将10gTAP溶解于搅拌中的120mL浓硫酸中，形成溶液A；量取150mL的100％发烟硝酸于250ml的夹套瓶中，形成溶液B；三块微通道反应器均采用0.6mm孔径，微通道反应器E的夹套水浴温度设定为40℃，微通道反应器F的夹套水浴温度设定为80℃；用蠕动泵C和D将溶液A和溶液B注入微通道反应器E中；混合液流出微通道反应器(E和F)和导出管，控制反应时间为30min，反应液再流过微通道反应器G，降温至室温，最后流入过滤器直接过滤，多次洗涤固体，烘干，得橙黄色的BPTAP，产率81.2％，纯度96.1％。
实施例2
将10g TAP溶解于搅拌中的200mL浓硫酸中，形成溶液A；量取200mL的发烟硝酸和浓硫酸(体积含量为50％)于250ml的夹套瓶中，形成溶液B；三块微通道反应器均采用1.0mm孔径，微通道反应器E的夹套水浴温度设定为30℃，微通道反应器F的夹套水浴温度设定为90℃；用蠕动泵C和D将溶液A和溶液B注入微通道反应器E中；混合液流出微通道反应器(E和F)和导出管，控制反应时间为20min，反应液再流过微通道反应器G，降温至室温，最后流入过滤器直接过滤，多次洗涤固体，烘干，得橙黄色的BPTAP，产率83.0％，纯度96.9％。
实施例3
将10g TAP溶解于搅拌中的200mL浓硫酸中，形成溶液A；量取200mL的发烟硝酸和浓硫酸(体积含量为80％)于250ml的夹套瓶中，形成溶液B；三块微通道反应器均采用1.0mm孔径，微通道反应器E的夹套水浴温度设定为40℃，微通道反应器F的夹套水浴温度设定为95℃；用蠕动泵C和D将溶液A和溶液B注入微通道反应器E中；混合液流出微通道反应器(E和F)和导出管，控制反应时间为5min，反应液再流过微通道反应器G，降温至室温，最后流入过滤器直接过滤，多次洗涤固体，烘干，得橙黄色的BPTAP，产率87.2％，纯度97.3％。
实施例4
将10g TAP溶解于搅拌中的200mL浓硫酸中，形成溶液A；量取200mL的发烟硝酸和浓硫酸(体积含量为80％)于250ml的夹套瓶中，形成溶液B；三块微通道反应器均采用0.8mm孔径，微通道反应器E的夹套水浴温度设定为50℃，微通道反应器F的夹套水浴温度设定为60℃；用蠕动泵C和D将溶液A和溶液B注入微通道反应器E中；混合液流出微通道反应器(E和F)和导出管，控制反应时间为30min，反应液再流过微通道反应器G，降温至室温，最后流入过滤器直接过滤，多次洗涤固体，烘干，得橙黄色的BPTAP，产率82.4％，纯度93.8％。
实施例5
将10g TAP溶解于搅拌中的200mL浓硫酸中，形成溶液A；量取200mL的发烟硝酸和浓硫酸(体积含量为60％)于250ml的夹套瓶中，形成溶液B；三块微通道反应器均采用1.0mm孔径，微通道反应器E的夹套水浴温度设定为50℃，微通道反应器F的夹套水浴温度设定为90℃；用蠕动泵C和D将溶液A和溶液B注入微通道反应器E中；混合液流出微通道反应器(E和F)和导出管，控制反应时间为5min，反应液再流过微通道反应器G，降温至室温，最后流入过滤器直接过滤，多次洗涤固体，烘干，得橙黄色的BPTAP，产率82.3％，纯度97.0％。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。
Claims (5)
1.一种用微反应技术连续制备四硝基苯吡啶四氮杂戊搭烯的方法，其特征在于主要包括以下步骤：
(1)将苯吡啶四氮杂戊搭烯溶解于搅拌的浓硫酸中，形成溶液A；称取浓酸液作为溶液B；
(2)采用三块微通道反应器E、F、G串联作为微反应制备的载体，其中，微通道反应器E为低温混合反应区，通过夹套水浴控制温度在30-50℃；
微通道反应器F为高温反应区，通过夹套水浴控制温度在50-95℃；微通道G为降温区，通过夹套连接室温自来水；
(3)用两个蠕动泵分别将溶液A和溶液B注入微通道反应器E中，溶液A和溶液B依次在微通道反应器E、F中强烈混合和连续反应，在这两个微通道反应器中的总反应时间为5-30min；
(4)反应液流入微通道反应器G中降温，再流入漏斗中过滤得到固体，洗涤，烘干，得到橙黄色的四硝基苯吡啶四氮杂戊搭烯。
2.根据权利要求1所述的用微反应技术连续制备四硝基苯吡啶四氮杂戊搭烯的方法，其特征在于步骤(1)所述浓酸液是100％发烟硝酸或者含有体积含量为50％～80％浓硫酸的发烟硝酸液。
3.根据权利要求1所述的用微反应技术连续制备四硝基苯吡啶四氮杂戊搭烯的方法，其特征在于步骤(1)所述溶液A中苯吡啶四氮杂戊搭烯的浓度为0.01-0.10g/mL。
4.根据权利要求1所述的用微反应技术连续制备四硝基苯吡啶四氮杂戊搭烯的方法，其特征在于步骤(2)所述微通道反应器E、F、G的微通道孔径为0.6-1.0mm。
5.根据权利要求1所述的用微反应技术连续制备四硝基苯吡啶四氮杂戊搭烯的方法，其特征在于步骤(3)所述将溶液A和溶液B注入微通道反应器E中时溶液A和溶液B的体积比为0.8-1:1。
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