CN112321525B - 一种一步法合成3,4-双(4’-氨基呋咱-3’-基)氧化呋咱的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于化学合成领域，具体公开了一种利用微通道反应器一步法合成3,4‑双(4’‑氨基呋咱‑3’‑基)氧化呋咱的方法，将3‑氨基‑4‑偕胺肟基呋咱溶液与亚硝酸钠水溶液分别同时泵入微通道反应器的微混合器中，混合后通入微反应器进行反应，即得含有3,4‑双(4’‑氨基呋咱‑3’‑基)氧化呋咱的反应液。本发明中反应工艺实现了从原料AAOF到目标产物DATF一步直接合成，反应时间短、原料转化率高以及目标产物收率高等优点，具有良好的工业应用前景。
Description
技术领域
本发明属于化学合成领域，具体涉及一种利用微通道反应器一步法合成3,4-双(4’-氨基呋咱-3’-基)氧化呋咱的方法。
背景技术
呋咱化合物是高能量密度化合物以及高含氮化合物的重要类型，它同时具有高能量密度、成烩、高氮含量等优点。呋咱环为一个含有2个碳原子、2个氮原子、1个氧原子的五元环平面结构，分子式为C2N2OH2，又称为恶二唑环，其含氮量为37％，含碳量为34％，含氧量为23％，环上六个电子形成一个共轭大π键，具有一定的芳香性，其能量来源是基于分子中含有大量的碳氮、氮氮键；对于设计含有C,H,O,N原子的高能量密度化合物，呋咱环是一种非常有效的结构单元。鉴于呋咱含能衍生物由于具有高能量密度、高标准生成焓(ΔHf)、高氮含量等优点，已成为国内外备受关注的研究方向之一。此外，研究表明氧化呋咱环为“潜硝基”内侧环结构，一个环内含有2个活性氧原子，含氧量和分子的结晶密度更高。
目前，DATF的主要合成方法：从3-氨基-4-氨基肟基呋咱(AAOF)出发，在盐酸溶液中对AAOF进行重氮化后脱氮生成3-氨基-4-酰氯肟基呋咱(ACOF)，之后稀碱作用下发生脱HCl反应，生成3-氨基-4-氧代腈基呋咱，3-氨基-4-氧代腈基呋咱发生1,3-偶极反应制的DATF。该方法中，由AAOF合成DATF的过程需要分离出中间体3-氨基-4-酰氯肟基呋咱(ACOF)，为两步反应，且每步反应都需要低温的反应条件，总得反应时间为8小时，总得收率只有50％左右。现有的合成DATF的方法中，都存在有大量废水排出，操作工艺繁杂，安全性不可控，设备占地面积过大，工业扩大困难，工业生产成本高等问题。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种一步法合成3,4-双(4’-氨基呋咱-3’-基)氧化呋咱的方法。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种利用微通道反应器一步法合成3,4-双(4’-氨基呋咱-3’-基)氧化呋咱的方法，其反应路径如下所示：
具体得，所述的方法为将3-氨基-4-偕胺肟基呋咱溶液与亚硝酸钠水溶液分别同时泵入微通道反应器的微混合器中，混合后通入微反应器进行反应，即得含有3,4-双(4’-氨基呋咱-3’-基)氧化呋咱(DATF)的反应液。
其中，所述的3-氨基-4-偕胺肟基呋咱溶液的溶剂为含有酸的混合溶液。
其中，所述的酸为硫酸、硝酸、甲酸、乙酸、磷酸、三氟乙酸、三氟甲磺酸和四氟硼酸中的任意一种或几种组合，优选为硫酸和硝酸。
其中，所述的混合溶液中，酸的浓度为5.0～18.0mol/L，优选为10.0～18.0mol/L。
其中，所述的含有酸的混合溶液的溶剂为水或有机溶剂。
其中，所述的有机溶剂为二氯甲烷、乙腈、丙酮、1,4-二氧六环、N-甲基吡咯烷酮、N,N-二甲酰亚胺、二甲基亚砜、四氢呋喃、乙酸乙酯、甲苯、氯仿、乙醚和乙醇中的任意一种或几种，优选为乙腈。
其中，所述的3-氨基-4-偕胺肟基呋咱(AAOF)溶液的浓度为0.1～5.0mol/L，优选为0.1～2.0mol/L。
进一步地，所述的3-氨基-4-偕胺肟基呋咱(AAOF)与酸的摩尔比为1:3.0～50.0，优选为1:3.0～20.0。
其中，所述的亚硝酸钠(NaNO2)水溶液的浓度为0.5～10.0mol/L，优选为0.5～5.0mol/L。
进一步地，所述的3-氨基-4-偕胺肟基呋咱(AAOF)与亚硝酸钠(NaNO2)的摩尔比为1:1.0～2.0，优选为1:1.0～1.5。
其中，所述的3-氨基-4-偕胺肟基呋咱溶液的泵入速率为0.1～10.0mL/min，优选为0.1～5.0mL/min。
其中，所述的亚硝酸钠水溶液的泵入速率为0.05～5.0mL/min，优选为0.05～2.0mL/min。
其中，所述反应的温度为10～40℃，优选为10～30℃。
其中，所述反应的停留时间为30s～30min，优选为1～30min。
其中，如图1所示，所述的微通道反应器包括第一进样模块、第二进样模块、混合模块、反应模块和收集模块；其中，第一进样模块和第二进样模块以并联的方式连接到混合模块，所述的混合模块与反应模块和收集模块依次串联。
其中，所述的反应模块的管路内径为0.5～5mm，盘管的长度为0.5～40m。
优选地，所述的反应模块的管路内径为0.6～1.5mm，优选为0.6～1.0mm，进一步优选为0.8～1.0mm。
其中，所述的反应模块为孔道结构，孔道材质为聚四氟乙烯。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优势：
(1)设备占地面积小，操作简单，可以减少操作用工，生产成本得以降低，生产经济性得到保障。
(2)微通道反应技术采用连续流的方式，物料混合效果好、返混极低，可有效提升反应选择性而提高产品质量。
(3)在线反应体系只有十几至几百毫升，在有安全保护的情况下可以大大降低反应爆炸的安全隐患。
(4)提升传质传热效率，产品质量稳定，连续性高有利于连续不间断放大生产，操作简单。
(5)不需要中间体的分离，简化了反应步骤，缩短反应时间。
(6)本发明的产物转化率为78.2％～98.6％，产率高达36.8％～75.6％。
(7)本发明所提供的DATF合成技术绿色且安全，其首次利用微通道反应器完成了由AAOF为原料一步法合成DATF的方法，同时也解决传统的合成方法过程中操作过程繁琐、反应剧烈、副反应多、安全性不可控、产生大量废水等问题。
(8)本发明所涉及的相关反应在室温下即可进行，无需低温操作，在简化操作步骤的基础上大大降低了反应能耗。
(9)本发明利用微通道反应器传热传质效率高的特点，有效地克服了传统合成工艺普遍存在的强放热的问题，大大提高了反应的安全性。
(10)本发明中涉及的新型微通道反应器具有价格便宜、便于运输、清洗方便、传热传质效率更高等特点。
(11)本发明中反应工艺实现了从原料AAOF到目标产物DATF一步直接合成，反应时间短、原料转化率高以及目标产物收率高等优点，具有良好的工业应用前景。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本发明反应流程示意图。
图2为3,4-双(4’-氨基呋咱-3’-基)氧化呋咱(DATF)氢谱图(400MHz,DMSO-d6)。
图3为3,4-双(4’-氨基呋咱-3’-基)氧化呋咱(DATF)碳谱图(400MHz,DMSO-d6)。
具体实施方式
下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1
称取3-氨基-4-偕胺肟基呋咱(AAOF)0.143g(1.0mmol,1.0equiv)，加入到乙腈中溶解，加入286μL乙酸(5.0mmol,5.0equiv)，配制成4.5mL溶液，作为物料Ⅰ；称取0.069gNaNO2(1.0mmol,1.0equiv)加入到水中，配制成1.5mL溶液，作为物料Ⅱ。进料泵同时泵入物料Ⅰ和物料Ⅱ，在混合器中进行混合后输送至微通道反应器(内径0.6mm，长度7m，体积2mL)中进行反应，反应温度为25℃。其中，物料Ⅰ的流速为0.2mL/min，物料Ⅱ的流速为0.066mL/min，反应停留时间为7.5min。收集反应流出液，通过高效液相检测分析，原料转化率为80.7％，产物收率为47.1％，其核磁如图1和图2所示。
实施例2
称取3-氨基-4-偕胺肟基呋咱(AAOF)0.143g(1.0mmol,1.0equiv)，加入到乙腈中溶解，加入278μL浓硫酸(5.0mmol,5.0equiv)，配制成4.5mL溶液，作为物料Ⅰ；称取0.069gNaNO2(1.0mmol,1.0equiv)加入到水中，配制成1.5mL溶液，作为物料Ⅱ。进料泵同时泵入物料Ⅰ和物料Ⅱ，在混合器中进行混合后输送至微通道反应器(内径0.6mm，长度7m，体积2mL)中进行反应，反应温度为25℃。其中，物料Ⅰ的流速为0.2mL/min，物料Ⅱ的流速为0.066mL/min，反应停留时间为7.5min。收集反应流出液，通过高效液相检测分析，原料转化率为86.7％，产物收率为54.1％。
实施例3
称取3-氨基-4-偕胺肟基呋咱(AAOF)0.143g(1.0mmol,1.0equiv)，加入到乙腈中溶解，加入333μL浓硝酸(5.0mmol,5.0equiv)，配制成4.5mL溶液，作为物料Ⅰ；称取0.069gNaNO2(1.0mmol,1.0equiv)加入到水中，配制成1.5mL溶液，作为物料Ⅱ。进料泵同时泵入物料Ⅰ和物料Ⅱ，在混合器中进行混合后输送至微通道反应器(内径0.6mm，长度7m，体积2mL)中进行反应，反应温度为25℃。其中，物料Ⅰ的流速为0.2mL/min，物料Ⅱ的流速为0.066mL/min，反应停留时间为7.5min。收集反应流出液，通过高效液相检测分析，原料转化率为82.6％，产物收率为50.3％。
实施例4
称取3-氨基-4-偕胺肟基呋咱(AAOF)0.143g(1.0mmol,1.0equiv)，加入到乙腈中溶解，加入371μL三氟乙酸(5.0mmol,5.0equiv)，配制成4.5mL溶液，作为物料Ⅰ；称取0.069gNaNO2(1.0mmol,1.0equiv)加入到水中，配制成1.5mL溶液，作为物料Ⅱ。进料泵同时泵入物料Ⅰ和物料Ⅱ，在混合器中进行混合后输送至微通道反应器(内径0.6mm，长度7m，体积2mL)中进行反应，反应温度为25℃。其中，物料Ⅰ的流速为0.2mL/min，物料Ⅱ的流速为0.066mL/min，反应停留时间为7.5min。收集反应流出液，通过高效液相检测分析，原料转化率为79.2％，产物收率为38.6％。
实施例5
称取3-氨基-4-偕胺肟基呋咱(AAOF)0.143g(1.0mmol,1.0equiv)，加入到乙腈中溶解，加入189μL甲酸(5.0mmol,5.0equiv)，配制成4.5mL溶液，作为物料Ⅰ；称取0.069gNaNO2(1.0mmol,1.0equiv)加入到水中，配制成1.5mL溶液，作为物料Ⅱ。进料泵同时泵入物料Ⅰ和物料Ⅱ，在混合器中进行混合后输送至微通道反应器(内径0.6mm，长度7m，体积2mL)中进行反应，反应温度为25℃。其中，物料Ⅰ的流速为0.2mL/min，物料Ⅱ的流速为0.066mL/min，反应停留时间为7.5min。收集反应流出液，通过高效液相检测分析，原料转化率为78.2％，产物收率为36.8％。
实施例6
称取3-氨基-4-偕胺肟基呋咱(AAOF)0.143g(1.0mmol,1.0equiv)，加入到乙腈中溶解，加入278μL浓硫酸(5.0mmol,5.0equiv)，配制成4.5mL溶液，作为物料Ⅰ；称取0.069gNaNO2(1.0mmol,1.0equiv)加入到水中，配制成1.5mL溶液，作为物料Ⅱ。进料泵同时泵入物料Ⅰ和物料Ⅱ，在混合器中进行混合后输送至微通道反应器(内径1.5mm，长度1.2m，体积2mL)中进行反应，反应温度为25℃。其中，物料Ⅰ的流速为0.2mL/min，物料Ⅱ的流速为0.066mL/min，反应停留时间为7.5min。收集反应流出液，通过高效液相检测分析，原料转化率为83.2％，产物收率为51.5％。
实施例7
称取3-氨基-4-偕胺肟基呋咱(AAOF)0.143g(1.0mmol,1.0equiv)，加入到乙腈中溶解，加入278μL浓硫酸(5.0mmol,5.0equiv)，配制成4.5mL溶液，作为物料Ⅰ；称取0.069gNaNO2(1.0mmol,1.0equiv)加入到水中，配制成1.5mL溶液，作为物料Ⅱ。进料泵同时泵入物料Ⅰ和物料Ⅱ，在混合器中进行混合后输送至微通道反应器(内径1.0mm，长度2.5m，体积2mL)中进行反应，反应温度为25℃。其中，物料Ⅰ的流速为0.2mL/min，物料Ⅱ的流速为0.066mL/min，反应停留时间为7.5min。收集反应流出液，通过高效液相检测分析，原料转化率为95.6％，产物收率为66.5％。
实施例8
称取3-氨基-4-偕胺肟基呋咱(AAOF)0.143g(1.0mmol,1.0equiv)，加入到乙腈中溶解，加入278μL浓硫酸(5.0mmol,5.0equiv)，配制成4.5mL溶液，作为物料Ⅰ；称取0.069gNaNO2(1.0mmol,1.0equiv)加入到水中，配制成1.5mL溶液，作为物料Ⅱ。进料泵同时泵入物料Ⅰ和物料Ⅱ，在混合器中进行混合后输送至微通道反应器(内径0.8mm，长度4m，体积2mL)中进行反应，反应温度为25℃。其中，物料Ⅰ的流速为0.2mL/min，物料Ⅱ的流速为0.066mL/min，反应停留时间为7.5min。收集反应流出液，通过高效液相检测分析，原料转化率为90.5％，产物收率为61.8％。
实施例9
称取3-氨基-4-偕胺肟基呋咱(AAOF)0.143g(1.0mmol,1.0equiv)，加入到乙腈中溶解，加入278μL浓硫酸(5.0mmol,5.0equiv)，配制成4.5mL溶液，作为物料Ⅰ；称取0.083gNaNO2(1.2mmol,1.2equiv)加入到水中，配制成1.5mL溶液，作为物料Ⅱ。进料泵同时泵入物料Ⅰ和物料Ⅱ，在混合器中进行混合后输送至微通道反应器(内径1.0mm，长度2.5m，体积2mL)中进行反应，反应温度为25℃。其中，物料Ⅰ的流速为0.2mL/min，物料Ⅱ的流速为0.066mL/min，反应停留时间为7.5min。收集反应流出液，通过高效液相检测分析，原料转化率为96.8％，产物收率为68.8％。
实施例10
称取3-氨基-4-偕胺肟基呋咱(AAOF)0.143g(1.0mmol,1.0equiv)，加入到乙腈中溶解，加入278μL浓硫酸(5.0mmol,5.0equiv)，配制成4.5mL溶液，作为物料Ⅰ；称取0.104gNaNO2(1.5mmol,1.5equiv)加入到水中，配制成1.5mL溶液，作为物料Ⅱ。进料泵同时泵入物料Ⅰ和物料Ⅱ，在混合器中进行混合后输送至微通道反应器(内径1.0mm，长度2.5m，体积2mL)中进行反应，反应温度为25℃。其中，物料Ⅰ的流速为0.2mL/min，物料Ⅱ的流速为0.066mL/min，，反应停留时间为7.5min。收集反应流出液，通过高效液相检测分析，原料转化率为98.6％，产物收率为75.6％。
实施例11
称取3-氨基-4-偕胺肟基呋咱(AAOF)0.143g(1.0mmol,1.0equiv)，加入到乙腈中溶解，加入278μL浓硫酸(5.0mmol,5.0equiv)，配制成4.5mL溶液，作为物料Ⅰ；称取0.138gNaNO2(2.0mmol,2.0equiv)加入到水中，配制成1.5mL溶液，作为物料Ⅱ。进料泵同时泵入物料Ⅰ和物料Ⅱ，在混合器中进行混合后输送至微通道反应器(内径1.0mm，长度2.5m，体积2mL)中进行反应，反应温度为25℃。其中，物料Ⅰ的流速为0.2mL/min，物料Ⅱ的流速为0.066mL/min，反应停留时间为7.5min。收集反应流出液，通过高效液相检测分析，原料转化率为98.6％，产物收率为66.8％。
对比例1
在装有电动搅拌的茄型瓶中加入3-氨基-4-偕胺肟基呋咱(AAOF)0.143g(1.0mmol,1.0equiv)、加入乙腈使其溶解，加入278μL浓硫酸(5.0mmol,5.0equiv)，加入0.069g NaNO2(1.0mmol,1.0equiv)的水溶液。将反应于室温条件下搅拌12小时，通过高效液相检测分析，原料转化率为85.6％，产物收率为55.6％。
对比例2
室温下将3-氨基-4-偕胺肟基呋咱(AAOF)0.143g(1.0mmol,1.0equiv)加到2mL水和0.6mL盐酸中，溶解后在0～2℃加入0.069g NaNO2(1.0mmol,1.0equiv)水溶液，然后在2～4℃反应2h，升温至20℃继续反应3h，过滤、水洗得3-氨基-4-偕肟基呋咱粗品；将纯化后的3-氨基-4-偕肟基呋咱加到2mL乙醚中，降温至0～3℃，加入质量分数3％的Na2CO3水溶液1.7mL，在2～10℃保温反应3h后除去乙醚，通过高效液相检测分析，原料转化率为82.3％，产物收率为47.2％。
通过以下实验说明本发明所获得的有益效果：
1、为了探究酸的种类对反应原料转化率和收率的影响，在实施例1(即反应溶剂为乙腈，物料Ⅰ流速为0.2mL/min、物料Ⅱ流速为0.066mL/min，反应停留时间为7.5min，使用的酸为乙酸)，在此基础上，分别采用不同的酸，进而探究酸的种类对反应原料转化率和收率的影响。具体设置如下：实施例2采用硫酸；实施例3采用硝酸；实施例4采用三氟乙酸；实施例5采用甲酸。结果如表1所示：
表1酸的种类对反应原料转化率和收率的影响
由表1可知，酸的种类对反应的原料转化率和收率都有较大影响，使用硫酸可获得最好的反应效果，反应的原料转化率可达到86.7％，收率可达到54.1％。
2、为了探究反应器规格对反应原料转化率和收率的影响，在实施例2(即反应溶剂为乙腈，物料Ⅰ流速为0.2mL/min、物料Ⅱ流速为0.066mL/min，反应停留时间为7.5min，使用的酸为硫酸，反应器规格选用0.6mm×7m)，在此基础上，分别采用不同的反应器规格，进而探究反应器规格对反应原料转化率和收率的影响。具体设置如下：实施例6采用反应器规格为1.5mm×1.2m；实施例7采用反应器规格为1.0mm×2.5m；实施例8采用反应器规格为0.8mm×4m。结果如表2所示：
表2反应器规格对反应原料转化率和收率的影响
| 实验组 | 反应器规格 | 转化率(％) | 收率(％) |
| 实施例2 | 0.6mm×7m | 86.7 | 54.1 |
| 实施例6 | 1.5mm×1.2m | 83.2 | 51.5 |
| 实施例7 | 1.0mm×2.5m | 95.6 | 66.5 |
| 实施例8 | 0.8mm×4m | 90.5 | 61.8 |
由表2可知，反应器的内径过大或过小对反应效果都不太友好，当反应器规格为1.0mm×2.5m(内径×长度)时，可获得最好的反应效果，反应的原料转化率达到了95.6％，收率达到了66.5％。
3、为了探究NaNO2加入量对反应原料转化率和收率的影响，在实施例7(即反应溶剂为乙腈，物料Ⅰ流速为0.2mL/min、物料Ⅱ流速为0.066mL/min，反应停留时间为7.5min，NaNO2加入量为1.0当量，反应器规格选用1.0mm×2.5m)，在此基础上，分别采用不同的NaNO2加入量，进而探究NaNO2加入量对对反应原料转化率和收率的影响。具体设置如下：实施例9NaNO2加入量为1.2当量；实施例10 NaNO2加入量为1.5当量；实施例11 NaNO2加入量为2.0当量。结果如表3所示：
表3 NaNO2加入量对反应原料转化率和收率的影响
由表3可知，NaNO2加入量对反应原料转化率和收率有较大影响，当NaNO2加入量增加时，反应的原料转化率和收率也会得到提高，但NaNO2的加入量超过1.5当量时，反应虽然可保持很高的转化率，但收率反而会下降，故NaNO2的最适加入量为1.5当量。
本发明提供了一种一步法合成3,4-双(4’-氨基呋咱-3’-基)氧化呋咱的方法的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (6)
1.一种利用微通道反应器一步法合成3,4-双（4’-氨基呋咱-3’-基）氧化呋咱的方法，其特征在于，将3-氨基-4-偕胺肟基呋咱溶液与亚硝酸钠水溶液分别同时泵入微通道反应器的微混合器中，混合后通入微反应器进行反应，即得含有3,4-双（4’-氨基呋咱-3’-基）氧化呋咱的反应液；
其中，所述的3-氨基-4-偕胺肟基呋咱溶液的溶剂为含有酸的混合溶液；所述的酸为硫酸、硝酸和乙酸中的任意一种或几种组合；
其中，所述反应的温度为10~40℃，停留时间为30 s~30 min。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的混合溶液中，酸的浓度为5.0~18.0mol/L。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的3-氨基-4-偕胺肟基呋咱溶液的浓度为0.1~5.0 mol/L。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的亚硝酸钠水溶液的浓度为0.5~10.0mol/L。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的3-氨基-4-偕胺肟基呋咱溶液的泵入速率为0.1~10.0 mL/min。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的亚硝酸钠水溶液的泵入速率为0.05~5.0 mL/min。
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