CN109796411B - 采用微通道反应器制备4,5-二硝基咪唑的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用微通道反应器制备4,5‑二硝基咪唑的方法。所述方法利用微混合器强化了原料混合，区别于传统反应器中调匀度受限于由搅拌所产生的不均匀流场，HPIMM微混合器采用的流聚焦技术可迫使两股流体薄层流经会聚室从而产生高效均匀的薄层接触反应，精控反应物的化学计量比，从根源降低了强酸的用量，及传统釜式反应器中该反应进行时受酸量及温度变化而造成的多硝化副产物的生成，消除了传质阻力从而避免了过热点的产生，解决了4,5‑二硝基咪唑在常规反应器中因放热剧烈而带来的巨大安全问题。本发明利用微体系进行4‑硝基咪唑和4,5‑二硝基咪唑的合成可取得96.1％和92.4％的高产率。

Description

采用微通道反应器制备4,5-二硝基咪唑的方法

技术领域

本发明属于含能化合物的制备技术领域，涉及的一种采用微通道反应器制备4,5-二硝基咪唑的方法。

背景技术

4,5-二硝基咪唑(4,5-DNI)因其结构中含有的N-N，C-N，N-O高能化学键，具有高氮低碳氢的特点，而氮原子的电负性较高，使其形成了类似苯环结构的独特分子，是一种优良的高能低感化合物。4,5-DNI类属的富氮新型含能化合物主要以高生成热产能，显著优于传统含能材料的碳骨架氧化产能。由于杂环分子结构的稳性性较好，可进一步在其基础上进行修饰和改性，增加其他附属基团以获得更优的性能，因此4,5-DNI不仅可在含能材料中用作推进剂，还可对其进行硝化、胺化及氧化从而得到高能量高密度的多氮唑类化合物。

在常规釜式反应器中制备4,5-二硝基咪唑，原料与硝化剂混合的瞬间即会释放出大量的热，无法根据所需对温度进行精确调节，且过量的热若不能及时移除，即会造成巨大的安全问题。反应时间在釜式反应器中也不能很好的得到控制，增加了副反应及过反应的几率。由于反应在传统容器中是通过对流调控其进程，调匀度受限于由搅拌所产生的不均匀流场，当流体接近搅拌器时会引起对流，导致湍流和混沌流，而使物料混合不均，会造成产品产率及纯度的降低。

文献1(Marcin Smiglak,et al.Ionic Liquids Based on Azolate Anions[J].Chem.Eur.J.2010,16,1572–1584)以4-硝基咪唑为原料在发烟硝酸和浓硫酸硝化体系中制备了4,5-DNI。但4-硝基咪唑的价格昂贵，故此方法不适宜大规模生产，且反应时间长达5.5小时，产率仅为55％。该方法高耗能，低产，需进一步对4,5-DNI的合成改进及工艺优化。文献2(Yang Guochen,et al.Prepration of 4,5-nitroimidazole[J].Chinese Journalof Energetic Materials(Han neng Cai liao),2006,14(5):349－351.)以价格较低的咪唑为原料，改进了4,5-DNI的合成工艺条件，通过氮气保护，硝硫混酸为硝化剂，咪唑为原料，采用正加料、二次加料的方式合成了4,5-DNI。但二次加料时,在90℃的高温下滴加浓硝酸不仅极大地增加了操作的安全隐患，且加料时的温度不宜控制，易造成副产物的生成，5.5小时的反应时间依旧为长耗能过程，增加了生产成本。专利CN200910263938.1，公开了一种在常规釜式反应器中制备4,5-二硝基咪唑的方法，然而这种方法因反应的强放热会产生过程安全问题，反应结束后大量的废酸也会造成环境污染。

由于微反应器加强了传质传热特性，实现了安全使用有害危险试剂，并具有放大潜能，目前已为有机合成反应提供了新型化过程平台，但利用微反应器合成4,5-二硝基咪唑还未见报道。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种采用微通道反应器制备4,5-二硝基咪唑的方法，该方法使用微反应器，其微米级的特征尺寸可令反应物在极短的时间内快速均一混合，其高效的传质传热的能力也可实现对热量的快速输入输出，从而维持恒定的反应温度，在提高目标产物4,5-DNI产率的同时可消除生产过程中的安全隐患。

实现本发明目的的技术解决方案为：

采用微通道反应器制备4,5-二硝基咪唑的方法，以咪唑为原料，不使用任何惰性溶剂及添加剂，物料在常压下于微通道反应器中进行反应，具体步骤如下：

步骤1，4-硝基咪唑合成：

按摩尔比为2～3:1将浓硫酸和98％的硝酸在30℃以下混合配制硝化剂，调节硝酸与咪唑的硫酸溶液的总体积流速0.5～1mL/min，控制硝酸与咪唑的摩尔比为1.1～1.2:1，将硝化剂和咪唑的硫酸溶液分别经由高压恒流泵输送至微通道反应器的两个入口；恒温换热器的温度稳定在60～70℃，HPIMM混合器及停留线圈浸没在超声浴中，以避免咪唑硫酸盐的析出堵塞微通道，两股液体在微通道反应器中瞬间混合接触发生反应后流经一段停留线圈，进入内含碎冰的接收瓶，将接收瓶内的白色沉淀过滤，真空干燥得到4-硝基咪唑白色固体；

步骤2，4,5-二硝基咪唑的合成：

调节硝酸与4-硝基咪唑的硫酸溶液的总体积流速为0.17～0.5mL/min，调节混酸与4-硝基咪唑的摩尔比为1～2:1，HPIMM混合器及停留线圈浸没在100～140℃油浴中，两股液体在微通道反应器中瞬间混合接触发生反应后流经一段停留线圈，进入内含碎冰的接收瓶，用乙酸乙酯萃取接收瓶中的溶液，干燥有机相，过滤，除去乙酸乙酯，用水重结晶，真空干燥得到4,5-二硝基咪唑的黄色晶体。

优选地，步骤1中，咪唑的硫酸的流速为0.3mL/min，硝酸与咪唑的硫酸溶液的总体积流速为0.76mL/min。

优选地，步骤2中，油浴温度为120℃，4-硝基咪唑的流速为0.15mL/min，硝酸与4-硝基咪唑的硫酸溶液的总体积流速为0.25m/min，硝酸与4-硝基咪唑的摩尔比为1.6：1。

传统的咪唑类化合物硝化通常采用间歇式或半间歇式生产，反应试剂的混合以及反应过程都进行的十分缓慢。

微反应器内部结构体积小，传热面积大，停留时间分布精确，将其应用于4,5-二硝基咪唑的制备，可使反应物料快速混合，且无热点产生造成局部过热，消除了生产过程中潜在的危险。精准的反应时间掌控，温度调节显著优化了产品产率和品质。

本发明采用在微通道反应器中制备4,5-二硝基咪唑的工艺方法，与传统的生产方式相比，其关键技术在于采用了特殊结构的微通道反应器，采用了较少的底物用量和不同的硝化剂配比，且无需添加任何惰性溶剂或催化剂，具有以下优点：

(1)由于微反应器的通道尺寸微小，流体薄层的相互接触面积极大，传热传质优势巨大，可以达到毫秒级的瞬间混合且不会造成局部过热，解决了传统批次生产反应时间冗长，物料混合不匀，生产操作危险等问题。

(2)在微通道反应器中采用连续流动的方式进行反应，可以通过调节物料流速，微通道的长度，精确控制它们在微通道反应器中的反应时间。

(3)微反应器的连续化操作，不会造成类似传统批次与批次间生产产物的转化程度，产率和选择性的差异。

(4)微混合器设备安装和拆除方便、能耗低、可灵活改变操作方式、分散式生产等优势，可以在商业化应用中做到因地制宜。

(5)利用微反应器可以在实验药品用量极少的条件下进行快速反应，降低实验成本，提高实验效率。

(6)在该微反应体系中所合成的4-硝基咪唑收率可达96.1％，最终产物4,5-二硝基咪唑收率可达92.4％，总收率为88.8％，较常规反应最终所得55％的产率，提升了33个百分点。

附图说明

图1为本发明采用微通道反应器制备4,5-二硝基咪唑的方法的微系统流程图。

图2为咪唑硝化的微体系流程图。

图3为4-硝基咪唑硝化的微体系流程图。

图4为实施例1中温度对4-硝基咪唑合成的影响结果图。

图5为实施例2中硝酸与咪唑摩尔比对4-硝基咪唑合成的影响结果图。

图6为实施例3中硫酸和硝酸摩尔比对4-硝基咪唑合成的影响结果图。

图7为实施例4中停留时间对4-硝基咪唑合成的影响结果图。

图8为实施例5中温度对4,5-二硝基咪唑合成的影响结果图。

图9为实施例6中硝酸与4-硝基咪唑摩尔比对4,5-二硝基咪唑合成的影响结果图。

图10为实施例7中停留时间对4,5-二硝基咪唑合成的影响结果图。

具体实施方式

为进一步说明本发明，给出以下实施例，但并不限制本发明的范围。

如图2和图3所示，用于实现本方法的装置包括：

(1)两台耐酸型高压恒流泵

(2)一个HPIMM高压内交叉趾型微混合器，两条进口通道，一条反应通道。

(3)恒温水浴，油浴，超声浴。

(4)烧杯，烧瓶，接收瓶等实验辅助仪器

(5)连接微体系模块的PTFE管线。

如图2所示，两股原料液分别经由可精确控制流量的高压恒流泵输送至HPIMM微混合器的两个入口处，由内置结构充分混合后流经后续停留线圈继而反应猝灭于内置碎冰的接受容器内。

实施例1

采用98％的浓硫酸和98％的硝酸配制摩尔比为2:1的混酸，调节混酸与咪唑硫酸溶液的体积流速，控制硝酸与咪唑的摩尔比为1.1，在总流速为0.76mL/min(咪唑硫酸溶液的流速为0.3mL/min)的条件下进行温度影响实验探究，4-硝基咪唑产率见表1和图4。

表1

实施例2

过程同实施例1，固定温度为60℃，仅改变混酸的流速，对硝酸与咪唑的摩尔比对4-硝基咪唑的产率进行了相关实验，结果见表2和图5。

表2

实施例3

过程同实施例1，仅改变混酸中硫酸与硝酸的摩尔比，4-硝基咪唑产率见表3和图6。

表3

实施例4

过程同实施例1，仅改变流速，4-硝基咪唑产率见表4和图7。

表4

实施例5

采用98％的浓硫酸和98％的硝酸配制摩尔比为2:1的混酸。控制总流速为0.25mL/min(4-硝基咪唑的流速为0.15mL/min)，硝酸与4-硝基咪唑的摩尔比为1.6的条件下，温度对微通道中4,5-DNI合成的影响产率见表5图8。

表5

实施例6

过程同实施例5，固定温度为120℃，仅改变混酸的流速，对硝酸与4-硝基咪唑的摩尔比对4，5-二硝基咪唑的产率进行了相关实验，结果见表6和图9。

表6

实施例7

过程同实施例5，仅改变流速，4,5-二硝基咪唑产率见表7和图10。

表7

对比例1

采用常规容器制备4-硝基咪唑：

采用98％的浓硫酸和98％的硝酸配制摩尔比为2:1的混酸，固定温度为60℃，硝酸与咪唑的摩尔比为1.1，在常规容器中反应时间2小时，所得4-硝基咪唑的收率为72％，实施例1的最高收率96.1％较之显著提高。

对比例2

采用常规容器制备4,5-二硝基咪唑：

采用98％的浓硫酸和98％的硝酸配制摩尔比为2:1的混酸，固定反应温度为120℃，硝酸与4-硝基咪唑的摩尔比为1.6的条件下，在常规容器中反应2.5小时，所得4,5-二硝基咪唑的收率为19％。

对比例3

采用98％的浓硫酸和98％的硝酸配制摩尔比为2:1的混酸，控制硝酸与咪唑的摩尔比为1，在总流速为0.25mL/min(咪唑硫酸溶液的流速为0.1mL/min)，40℃的条件下，4-硝基咪唑的收率为22％。

对比例4

采用98％的浓硫酸和98％的硝酸配制摩尔比为2:1的混酸。控制总流速为0.25mL/min(4-硝基咪唑的流速为0.15mL/min)，硝酸与硫酸的摩尔比为0.5，硝酸与4-硝基咪唑的摩尔比为1.6，60℃的条件下，4,5-二硝基咪唑的收率为15％。

对比例5

采用98％的浓硫酸和98％的硝酸配制摩尔比为2:1的混酸。控制总流速为0.1～1mL/min，硝酸与4，5-二硝基咪唑的摩尔比为2～6，120～160℃的条件下，所得产物均为黄褐色油状混合物，无法得到三硝化产物2,4,5-三硝基咪唑。

即使同为咪唑氮杂环，但利用微反应器并不能继续硝化合成2,4,5-三硝基咪唑。

对比例6

采用2.13mol/L的8羟基喹啉的硫酸溶液与体积比为1:1的硝硫混酸溶液室温下在该微反应体系中反应，最终仅得到极少量褐色沉淀，但于常规反应容器中室温下5,7-硝基-8-羟基喹啉的收率为80％。

虽然同为含氮杂环化合物，但利用该微反应体系无法进行8-羟基喹啉的硝化反应，此微反应体系并不具有化合物合成的通用性。

Claims (3)

1.采用微通道反应器制备4,5-二硝基咪唑的方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1，4-硝基咪唑合成：

按摩尔比为2~3:1将浓硫酸和98%的硝酸在30℃以下混合配制硝化剂，调节硝酸与咪唑的硫酸溶液的总体积流速0.5~1mL/min，控制硝酸与咪唑的摩尔比为1.1~1.2:1，将硝化剂和咪唑的硫酸溶液分别经由高压恒流泵输送至微通道反应器的两个入口；恒温换热器的温度稳定在60~70℃，HPIMM混合器及停留线圈浸没在超声浴中，以避免咪唑硫酸盐的析出堵塞微通道，两股液体在微通道反应器中瞬间混合接触发生反应后流经一段停留线圈，进入内含碎冰的接收瓶，将接收瓶内的白色沉淀过滤，真空干燥得到4-硝基咪唑白色固体；

步骤2，4,5-二硝基咪唑的合成：

调节硝酸与4-硝基咪唑的硫酸溶液的总体积流速为0.17~0.5mL/min，调节硝酸与4-硝基咪唑的摩尔比为1~2:1，HPIMM混合器及停留线圈浸没在100~140℃油浴中，两股液体在微通道反应器中瞬间混合接触发生反应后流经一段停留线圈，进入内含碎冰的接收瓶，用乙酸乙酯萃取接收瓶中的溶液，干燥有机相，过滤，除去乙酸乙酯，用水重结晶，真空干燥得到4,5-二硝基咪唑的黄色晶体。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，咪唑的硫酸的流速为0.3 mL/min，硝酸与咪唑的硫酸溶液的总体积流速为0.76mL/min。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，油浴温度为120℃，4-硝基咪唑的流速为0.15mL/min，硝酸与4-硝基咪唑的硫酸溶液的总体积流速为0.25m/min，硝酸与4-硝基咪唑的摩尔比为1.6：1。

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