CN114351171B - 一种电化学合成hmx的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电化学合成HMX的方法,具体为:在‑25~‑15℃下,将四氧化二氮或亚硝酸钠与硝酸铵、发烟硝酸、DPT混合,反应5~10min后再加入去离子水,去离子水加入过程保证体系温度为‑25~‑15℃,得到混合液;将混合液作为电解液在两极两室电解槽中进行电解;电解后溶液经析出、过滤、洗涤和干燥,可得HMX。本发明以DPT为原料,与发烟硝酸、硝酸铵、四氧化二氮混合后,采用电解方法得到HMX,制备方法操作简单、方便,成本较低,最终产品的收率可达75.1%;且得到的产品无需后处理,可直接满足国军标要求。
Description
技术领域
本发明属于火炸药合成技术领域,尤其是奥克托今(HMX)的合成,具体涉及一种电化学合成HMX的方法。
背景技术
奥克托今(HMX)是现今军事上使用的综合性能最好的高能炸药具有高密度、高能量及优良的热稳定性,在我国的国防建设中有广泛的应用前景。
目前以3,7-二硝基-1,3,5,7-四氮杂双环[3.3.1]壬烷(DPT)为原料合成奥克托今的研究比较多,例如:李全良等人在《DPT制备HMX工艺研究》《含能材料》2007年,第15卷,第5期,509-510,公开了一种以DPT为原料制备HMX的方法。以DPT为原料,用发烟硝酸、硝酸铵、氧化镁的溶液为硝化剂进行硝化,得到HMX,收率达到60.1%;
何志勇等人在《N2O5硝解DPT制备HMX》《火炸药学报》2010年,第33卷第2期1-4,公开了一种HMX制备方法,以DPT为原料,用发烟硝酸、硝酸铵、五氧化二氮的溶液硝化,得到HMX,收率达到58%;
Hui Zhen Zhi(《Chemical Letters》2009,20(4):379-382)公开了一种HMX制备方法,以DPT为原料,用发烟硝酸、硝酸铵、五氧化二氮、聚乙二醇的溶液进行硝化,得到HMX,收率达到64%;
虽然以DPT为原料合成HMX的方法比较多,但是收率均比较低,且产品需要经过后洗涤、重结晶等处理才能满足国军标的纯度、酸度和晶型等要求,因此提高HMX的收率是目前丞待解决的主要问题。因此提高HMX的收率是目前丞待解决的主要问题。
发明内容
针对以上技术需求,本发明提出了电化学合成HMX的方法,得到的产品无需后续处理,可直接满足国军标要求。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案予以实现:
一种电化学合成HMX的方法,包括以下步骤:在-25~-15℃下,将四氧化二氮或亚硝酸钠与硝酸铵、发烟硝酸、DPT混合,反应5~10min后再加入去离子水,去离子水加入过程保证体系温度为-25~-15℃,得到混合液;将混合液作为电解液在两极两室电解槽中进行电解;电解后溶液经析出、过滤、洗涤和干燥,可得HMX;
所述四氧化二氮或亚硝酸钠和DPT的摩尔比为1~2:1;所述硝酸铵和DPT的摩尔比为2.5~3.5:1;所述发烟硝酸和DPT的摩尔比为35~45:1;所述去离子水和DPT的摩尔比为30~60:1。
优选的,所述四氧化二氮、硝酸铵、发烟硝酸、DPT的混合方法为:先将硝酸铵与发烟硝酸溶液混合,得到硝酸铵的发烟硝酸溶液,再将四氧化二氮溶解到硝酸铵的发烟硝酸溶液中,最后分批将DPT加入到硝酸铵的发烟硝酸溶液中。
优选的,所述温度为-25~-20℃。
优选的,四氧化二氮或亚硝酸钠和DPT的摩尔比为1.1:1;所述硝酸铵和DPT的摩尔比为3:1;所述发烟硝酸和DPT的摩尔比为40:1;所述去离子水和DPT的摩尔比为42:1。
优选的,所述去离子水按照2~5s一滴的速度进行滴加。
优选的,电解时间为1~2h,电解温度5~10℃,电解电压为3~5V。
优选的,所述DPT通过以下方法制备:在-5~0℃下,将尿素加入到发烟硝酸溶液和发烟硫酸溶液的混合液中,在0~5℃搅拌60min,然后倒入冰水中水解,得到水解液;在温度不超过20℃下,向水解液中滴加甲醛溶液,加热至40℃,搅拌40min后冷却;冷却至20~25℃时用氨水调节溶液pH到7.5,搅拌,过滤、洗涤、干燥,得DPT。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明以DPT为原料,与发烟硝酸、硝酸铵、四氧化二氮混合后,采用电解方法得到HMX,制备方法操作简单、方便,成本较低,最终产品的收率可达75.1%;且得到的产品无需后处理,可直接满足国军标要求。
具体实施方式
本发明的电化学合成HMX的方法,包括以下步骤:在-25~-15℃下,将四氧化二氮或亚硝酸钠与硝酸铵、发烟硝酸、DPT(即3,7-二硝基-1,3,5,7-四氮杂双环[3.3.1]壬烷)混合,其中,四氧化二氮或亚硝酸钠提供亚硝基,起到亚消化作用。
四氧化二氮和DPT的摩尔比为1~2:1,优选1.1:1;硝酸铵和DPT的摩尔比为2.5~3.5:1,优选3:1;发烟硝酸和DPT的摩尔比为35~45:1,优选40:1;去离子水和DPT的摩尔比为30~60:1,优选42:1。
混合物反应5~10min后再加入去离子水,去离子水加入过程需保证体系温度为-25~-15℃,本发明优选的:将去离子水按照2~5s滴加一滴的速度滴加到混合物中。
最终得到混合液,然后将混合液作为电解液在两极两室电解槽中进行电解,本发明优选的:电解时间为1~2h,电解温度5~10℃,电解电压为3~5V;电解后溶液经析出、过滤、洗涤和干燥,可得HMX。
本发明优选的,四氧化二氮、硝酸铵、发烟硝酸、DPT的混合方法为:先将硝酸铵与发烟硝酸溶液混合,得到硝酸铵的发烟硝酸溶液,再将四氧化二氮溶解到硝酸铵的发烟硝酸溶液中,最后分批将DPT加入到硝酸铵的发烟硝酸溶液中,分批加入DPT的目的是保证体系温度处于-25~-15℃。
以下给出本发明的具体实施例,需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例中,凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
下述实施例采用的发烟硝酸、发烟硫酸、硝酸铵、四氧化二氮、亚硝酸钠、甲醛、氨水均为市售的分析纯级试剂。
实施例1
本实施例公开了一种3,7-二硝基-1,3,5,7-四氮杂双环[3.3.1]壬烷(DPT)的制备方法:
在-5~0℃下,分批将5g尿素加入到,11.5mL 95%的发烟硝酸和10.5mL 20%的发烟硫酸溶液中,加完后,在0~5℃搅拌60min.然后倒入30g冰水中水解90min,在温度不超过20℃下,滴加40.8mL 37%甲醛溶液.再加热到40℃,搅拌40min,冷却.在20~25℃时用25%的氨水中和至pH到7.5,在20℃下搅拌60min,过滤,水洗,室温干燥,得11.84g 3,7-二硝基-1,3,5,7-四氮杂双环[3.3.1]壬烷白色固体,产率65.2%。
实施例2
在-20℃,将2.6g硝酸铵和25.8g发烟硝酸溶液混合得到硝酸铵的发烟硝酸溶液,将0.9g四氧化二氮加入到硝酸铵的发烟硝酸溶液中,溶解后,再分批加入2.0g实施例1的DPT,加毕,反应10min,再往体系中缓慢滴加7ml去离子水,去离子水滴加速度为2~5s一滴,以保持体系温度小于-15℃,加毕后将混合液在两极两室电解槽中进行电解,电解时间为1h,电解温度8℃,电解电压为3.5V。
电解后的溶液倒入冰水中析出,经过滤、洗涤、干燥得HMX白色固体1.99g,收率74.2%。
实施例3
在-25℃,将2.6g硝酸铵和25.8g发烟硝酸溶液混合得到硝酸铵的发烟硝酸溶液,将0.7g亚硝酸钠加入到硝酸铵的发烟硝酸溶液中,溶解后,再分批加入2.0g实施例1的DPT,加毕,反应10min,往体系中缓慢滴加7ml水,去离子水滴加速度为2~5s一滴,以保持体系温度小于-15℃,加毕后将其在两极两室电解槽中进行电解,电解时间、温度、电压等同实施例2。
电解后的溶解倒入冰水中析出,经过滤、洗涤、干燥得HMX白色固体2.00g,收率74.6%。
实施例4
在-20℃,将2.6g硝酸铵和25.8g发烟硝酸溶液混合得到硝酸铵的发烟硝酸溶液,将3.3g四氧化二氮加入到硝酸铵的发烟硝酸溶液中,溶解后,再分批加入2.0g实施例1的DPT,加毕,反应10min,往体系中缓慢滴加7ml去离子水,去离子水滴加速度为2~5s一滴,以保持体系温度小于-15℃,加毕后将其在两极两室电解槽中进行电解,电解时间、温度、电压等同实施例2。
电解后的溶解倒入冰水中析出,经过滤、洗涤、干燥得HMX白色固体2.03g,收率75.1%。
实施例5
在-15℃,将2.6g硝酸铵和25.8g发烟硝酸溶液混合得到硝酸铵的发烟硝酸溶液,将3.3g四氧化二氮加入到硝酸铵的发烟硝酸溶液中,溶解后,再分批加入2.0g实施例1的DPT,加毕,反应10min,往体系中缓慢滴加10ml水,去离子水滴加速度为2~5s一滴,加毕后将其在两极两室电解槽中进行电解,电解时间、温度、电压等同实施例2。
电解后的溶解倒入冰水中析出,经过滤、洗涤、干燥得HMX白色固体1.80g,收率66.3%。
实施例6
本实施例与实施例2的区别在于:四氧化二氮质量为0.84g,DPT质量为2g,即四氧化二氮和DPT的摩尔比为1:1。
本实施例获得的HMX白色固体为1.72g,收率63.3%。
实施例7
本实施例与实施例2的区别在于:请问四氧化二氮质量为1.68g,DPT的质量为2g,即四氧化二氮和DPT的摩尔比为2:1。
本实施例获得的HMX白色固体为1.85g,收率68.1%。
实施例8
本实施例与实施例2的区别在于:硝酸铵和DPT的质量分别是1.8g和2g,即硝酸铵和DPT的摩尔比为2.5:1。
本实施例获得的HMX白色固体为1.68g,收率61.8%。
实施例9
本实施例与实施例2的区别在于:硝酸铵和DPT的质量分别为3.2g和2g,即硝酸铵和DPT的摩尔比为3.5:1。
本实施例获得的HMX白色固体为1.90g,收率70.0%。
实施例10
本实施例与实施例2的区别在于:去离子水和DPT的质量分别为5g和2g,即去离子水和DPT的摩尔比为30:1。
本实施例获得的HMX白色固体为1.84g,收率67.7%。
实施例11
本实施例与实施例2的区别在于:去离子水和DPT的质量分别是10g和2g,即去离子水和DPT的摩尔比为60:1。
本实施例获得的HMX白色固体为1.77g,收率65.2%。
对比例1
在-10℃,将2.6g硝酸铵和25.8g发烟硝酸溶液混合得到硝酸铵的发烟硝酸溶液,将3.3g四氧化二氮加入到硝酸铵的发烟硝酸溶液中,溶解后,再分批加入2.0g实施例1的DPT,加毕,反应10min,往体系中缓慢滴加10ml水,去离子水滴加速度为2~5s一滴,加毕后将其在两极两室电解槽中进行电解,电解时间、温度、电压等同实施例2。
电解后的溶解倒入冰水中析出,经过滤、洗涤、干燥得HMX白色固体1.55g,收率57.1%。
对比例2
在-20℃,将2.6g硝酸铵和25.8g发烟硝酸溶液混合得到硝酸铵的发烟硝酸溶液,将3.3g四氧化二氮加入到硝酸铵的发烟硝酸溶液中,溶解后,再分批加入2.0g实施例1的DPT,加毕,反应10min,往体系中缓慢滴加10ml水,去离子水滴加速度为2~5s一滴,加毕后将其在两极两室电解槽中进行电解,电解时间、温度、电压等同实施例2。
电解后的溶解倒入冰水中析出,经过滤、洗涤、干燥得HMX白色固体2.05g,收率75.5%。
与实施例4的结果比较发现,在较低温度下,反应收率增加并不明显,但是这会对降温设备要求较高,并增加能耗,从而导致成本较高。
Claims (7)
1.一种电化学合成HMX的方法,其特征在于,包括以下步骤:在-25~-15℃下,将四氧化二氮或亚硝酸钠与硝酸铵、发烟硝酸、DPT混合,反应5~10min后再加入去离子水,去离子水加入过程保证体系温度为-25~-15℃,得到混合液;将混合液作为电解液在两极两室电解槽中进行电解;电解后溶液经析出、过滤、洗涤和干燥,可得HMX;
所述四氧化二氮或亚硝酸钠和DPT的摩尔比为1~2:1;所述硝酸铵和DPT的摩尔比为2.5~3.5:1;所述发烟硝酸和DPT的摩尔比为35~45:1;所述去离子水和DPT的摩尔比为30~60:1。
2.如权利要求1所述的电化学合成HMX的方法,其特征在于,所述四氧化二氮、硝酸铵、发烟硝酸、DPT的混合方法为:先将硝酸铵与发烟硝酸溶液混合,得到硝酸铵的发烟硝酸溶液,再将四氧化二氮溶解到硝酸铵的发烟硝酸溶液中,最后分批将DPT加入到硝酸铵的发烟硝酸溶液中。
3.如权利要求1所述的电化学合成HMX的方法,其特征在于,所述温度为-25~-20℃。
4.如权利要求1所述的电化学合成HMX的方法,其特征在于,四氧化二氮或亚硝酸钠和DPT的摩尔比为1.1:1;所述硝酸铵和DPT的摩尔比为3:1;所述发烟硝酸和DPT的摩尔比为40:1;所述去离子水和DPT的摩尔比为42:1。
5.如权利要求1所述的电化学合成HMX的方法,其特征在于,所述去离子水按照2~5s一滴的速度进行滴加。
6.如权利要求1所述的电化学合成HMX的方法,其特征在于,电解时间为1~2h,电解温度5~10℃,电解电压为3~5V。
7.如权利要求1所述的电化学合成HMX的方法,其特征在于,所述DPT通过以下方法制备:在-5~0℃下,将尿素加入到发烟硝酸溶液和发烟硫酸溶液的混合液中,在0~5℃搅拌60min,然后倒入冰水中水解,得到水解液;在温度不超过20℃下,向水解液中滴加甲醛溶液,加热至40℃,搅拌40min后冷却;冷却至20~25℃时用氨水调节溶液pH到7.5,搅拌,过滤、洗涤、干燥,得DPT。
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