CN115594634A - 一种连续化制备4-硝基吡唑的新工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连续化制备4‑硝基吡唑的新工艺，所述方法为：将吡唑溶解于硫酸溶液中作为物料A，硝酸作为物料B，两个物料分别通过第一计量泵和第二计量泵计量输送至混合器迅速混合，然后进入管式硝化反应器中，在一定温度和停留时间下进行硝化反应，反应完成后，硝化液与第三计量泵计量输送的水混合进行淬灭反应，淬灭液与第四计量泵计量输送的有机溶剂混合，再与第五计量泵计量输送的氢氧化钠溶液混合，进行中和反应并萃取，萃取液接收至连续分层装置，分层，有机相经蒸馏回收溶剂后，所得固体即为4‑硝基吡唑。本发明连续化操作，该方法原料成本低，收率高，操作简单安全，更适合工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种连续化制备4-硝基吡唑的新工艺。
背景技术
4-硝基吡唑是一种氮杂环类的化合物，其结构中含有键能较高的氮氮键、碳氮键和较大环张力，具有能量高、密度大、感度低、热稳定性好等优点，可作为医药、农药中间体，也是合成硝基吡唑类含能化合物的重要中间体。
目前，公开报道的制备4-硝基吡唑的方法主要包括：
(1)以吡唑为原料，与硫硝混酸在90℃下反应6h，收率为56％(Kurpet M K,Dbrowska A,Jarosz M M,et al.Coupling of C-nitro-NH-azoles with arylboronicacids.A route to N-aryl-C-nitroazoles[J].Beilstein Journal of OrganicChemistry,2013,9(1):1517-1525.)；或在98％发烟硝酸/20％发烟硫酸体系下，50℃反应1.5h，收率为85％(李永祥，党鑫，曹端林，等.4-硝基吡唑的一锅两步法合成及其晶体结构[J].含能材料,2018,026(005):404-409.)。该硝化方法所用原料价格低，但收率均偏低，且废酸量大，难回收。CN112939867A报道了以吡唑为起始原料，以N-硝基吡唑和H2SO4为硝化剂，在65℃下反应6h得到，但该方法收率低仅有65.3％。
(2)以N-硝基吡唑为原料，在浓硫酸条件下于90℃重排24h得到(Rudolf Hüttel,Friedrich Büchele.ber N-Nitro-pyrazole[J].Chemische Berichte,1955,88(10):1586-1590.)；或与硫酸在室温下重排24h得到，收率为98％(Nageswara Rao E,Ravi P,Tewari S P,et al.Experimental and theoretical studies on the structure andvibrational properties of nitropyrazoles[J].Journal of Molecular Structure,2013,1043(Complete):121-131.)。该方法所用原料N-硝基吡唑仍然需要由吡唑硝化制得，该路线本质上是将吡唑一步硝化反应直接制备变为了硝化、重排两步反应制备，化简为繁，步骤更多，成本更高。
(3)以4-碘代吡唑为原料，发烟硝酸为硝化剂，以二氧化硅或八面沸石为固体催化剂，在四氢呋喃溶液中制备了4-硝基吡唑(Ravi P,Tewari S P.Faujasite catalyzednitrodeiodination of iodopyrazoles[J].Catalysis Communications,2013,42:35-39；Ravi,P.Experimental and DFT studies on the structure,infrared and Ramanspectral properties of dinitropyrazoles[J].Journal ofMolecular Structure,2015.1079,433-447.)。该方法所用试剂较贵，成本高，不适合工业化。
综上所述，4-硝基吡唑现有合成方法存在反应收率偏低、成本高、废酸多且难回收、反应时间长等缺点。此外，上述方法反应和后处理分离都为间歇釜式操作，无法满足连续化生产需求。硝化反应属于危险化工工艺，间歇釜式操作安全隐患极大，批次生产效率低，产品质量稳定性差。因此，开发连续化、本质安全、高效环保的4-硝基吡唑合成方法，具有重要的应用价值。
本发明在传统釜式工艺基础上进行改进，采用连续管式反应技术进行硝化、淬灭、中和反应以及原位萃取，以克服现有工艺的不足，提供一种更加安全高效的生产途径。
发明内容
为解决现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种连续化制备4-硝基吡唑的方法，来克服现有工艺的不足。
本发明公开的一种连续化制备4-硝基吡唑的新工艺，以吡唑、硫酸、发烟硝酸为原料，具体为将吡唑溶于硫酸所得的吡唑硫酸溶液和发烟硝酸分别通过第一计量泵和第二计量泵精确计量输送至硝化管式反应器，在一定条件下进行硝化反应，得到的硝化液与经第三计量泵计量的水混合后进入淬灭管式反应器中进行淬灭反应，得到的淬灭液与经第四计量泵计量的有机溶剂混合后，再与第五计量泵计量的30％氢氧化钠溶液混合后进入中和管式萃取器，在中和的同时进行萃取，萃取液接收至连续分层器进行分层，所得有机相经蒸馏回收溶剂后，得到固体即为产品4-硝基吡唑。
进一步地，本发明还限定了硝化管式反应器中的吡唑硫酸溶液中硫酸浓度为70％-98％，吡唑、硫酸、硝酸的摩尔流量比为1：2～20：1～1.5。
进一步地，本发明还限定了硝化管式反应器的反应管直径为1～25mm；硝化反应温度为30～100℃，反应的停留时间为1～90min。
进一步地，本发明还限定了淬灭管式反应器中的硝化液与水的体积流量比为1：2～4。
进一步地，本发明还限定了萃取所用有机溶剂为二氯甲烷、乙酸乙酯、甲基叔丁基醚中的任意一种，硝化液：有机溶剂的体积流量比为1:1～4。
进一步地，本发明还限定了淬灭管式反应器的反应管直径为3～50mm；淬灭反应温度为10～70℃，反应停留时间为1～30s。
进一步地，本发明还限定了中和管式萃取器中和后反应液pH值为7.0±0.2，pH值由30％氢氧化钠溶液的流量和加入量控制。
进一步地，本发明还限定了中和萃取温度为10～70℃，中和萃取停留时间为0.5～5min。
进一步地，本发明还限定了中和管式萃取器的内管为中空状态或装有静态混合器，其管径为3～15mm。
进一步地，本发明还限定了回收溶剂作为萃取溶剂使用，返回至中和萃取步骤的第四计量泵重复使用。通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的优点主要体现在:
1)本发明利用管式反应器良好的传热传质效率等特点，将吡唑混入硫酸中作为第一原料液，发烟硝酸作为第二原料液，两者进入管式反应器中进行硝化反应，其工艺参数控制更加精准，收率较已有间歇釜式工艺有大幅提升；
2)本发明在硝化反应、淬灭、中和、萃取全过程采用管式反应器代替传统的釜式反应器进行反应，具有总持液量小、停留时间短、产量高、品质好等优点，实现了硝化反应、淬灭、中和、萃取全过程的连续化，更容易实现工艺自动化，生产过程安全性更高，操作方便，连续化程度高，适合工业化生产。
附图说明
图1为本发明的反应流程图。
图中：1-第一计量泵；2-第二计量泵；3-第三计量泵；4-第四计量泵；5-第五计量泵；6-硝化管式反应器；7-淬灭管式反应器；8-中和管式萃取器；9-连续分层器。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明连续化制备4-硝基吡唑的新工艺是基于图1所示的装置进行中，包括用于计量吡唑硫酸溶液的第一计量泵1、用于计量发烟硝酸的第二计量泵2、用于计量水的第三计量泵3、用于计量有机溶剂的第四计量泵4及用于计量30％氢氧化钠溶液的第五第五计量泵5，包括三个管式反应器，分别用于硝化反应、淬灭反应及中和反应的硝化管式反应器6、淬灭管式反应器7及中和管式萃取器8，硝化管式反应器6的反应管直径为1～25mm，淬灭管式反应器7的反应管直径为3～50mm，中和管式萃取器8的内管为中空状态或内部装有静态混合器，其管径为3～15mm；吡唑溶于硫酸所得的吡唑硫酸溶液和发烟硝酸分别通过第一计量泵1和第二计量泵2精确计量输送至硝化管式反应器6中，于30～100℃下停留1～90min，进行硝化反应，得到的硝化液与经第三计量泵3计量的水混合后进入淬灭管式反应器7中于10～70℃停留1～30s，进行淬灭反应，得到的淬灭液与经第四计量泵4计量的有机溶剂混合后，再与第五计量泵5计量的30％氢氧化钠溶液混合后进入中和管式萃取器8，于10～70℃下停留0.5～5min，在中和的同时进行萃取，萃取液接收至连续分层器9进行分层，所得有机相经蒸馏回收溶剂后，得到固体即为产品4-硝基吡唑。
实施例1
称取吡唑1kg(14.7mol)加入到2.94kg(29.4mol)硫酸(98wt％，以下实施例中，如无特殊说明，均为质量浓度)中，搅拌溶清后即为吡唑硫酸溶液，然后该溶液与发烟硝酸一起分别经第一计量泵1和第二计量泵2输送至反应管直径为1mm的硝化管式反应器6，控制两台计量泵的流量使吡唑：硫酸：发烟硝酸的摩尔流量比为1:2:1，通过水浴控制硝化管式反应器的温度为30℃，经过1min停留时间进行硝化反应，反应结束后，硝化液进入淬灭管式反应器7，同时水经第三计量泵3输送至反应管直径为3mm的淬灭管式反应器7，控制第三计量泵3的流量使硝化液：水的体积流量比为1:2，经过1s停留时间进行淬灭反应，淬灭液与经第四计量泵4输送至管路中的二氯甲烷以及经第五第五计量泵5输送的30％氢氧化钠溶液进入反应管直径为3mm的管式中和萃取器8，控制第四计量泵4的流量使硝化液：二氯甲烷的体积流量比为1:4，控制第五计量泵5的流量使中和液pH值为7.0±0.2，通过水浴控制淬灭管式反应器7和中和管式萃取器8的温度均为10℃，经过0.5min停留时间完成中和反应及萃取过程，萃取液接收至连续分层器9进行分层，取下层二氯甲烷层，经过蒸馏，回收的溶剂继续套用，经收集稳态段的反应物料计算得，4-硝基吡唑收率为99.4％，纯度为99.8％。
实施例2
称取吡唑1kg加入到23.4kg硫酸(80％)中，搅拌溶清后即为吡唑硫酸溶液，然后该溶液与发烟硝酸一起分别经第一计量泵1和第二计量泵2输送至反应管直径为15mm的硝化管式反应器6，控制两台计量泵的流量使吡唑：硫酸：发烟硝酸的摩尔流量比为1:13:1.13，通过水浴控制管式硝化反应器温度为50℃，经过40min停留时间进行硝化反应，反应结束后，硝化液进入管式淬灭反应器，同时水经第三计量泵3输送至反应管直径为25mm的淬灭管式反应器7，控制第三计量泵3的流量使硝化液：水的体积流量比为1:3，经过15s停留时间进行淬灭反应，淬灭液与经第四计量泵4输送至管路中的二氯甲烷(此溶剂为回收套用)以及经第五计量泵5输送的30％氢氧化钠溶液进入反应管直径为5mm的管式中和萃取器8，控制第四计量泵4的流量使硝化液：乙酸乙酯的体积流量比为1:4，控制第五计量泵5的流量使中和液pH值为7.0±0.2，通过水浴控制淬灭管式反应器7和中和萃取反应器8温度为25℃，经过3min停留时间完成中和反应及萃取过程，萃取液接收至连续分层器9进行分层，取下层二氯甲烷层，经过蒸馏，回收的溶剂继续套用，经收集稳态段的反应物料计算得，4-硝基吡唑收率为99.2％，纯度为99.9％。
实施例3
称取吡唑1kg加入到16.97kg硫酸(85％)中，搅拌溶清后即为吡唑硫酸溶液，然后该溶液与发烟硝酸一起分别经第一计量泵1和第二计量泵2输送至反应管直径为10mm的硝化管式反应器6，控制两台计量泵的流量使吡唑：硫酸：发烟硝酸的摩尔流量比为1:10:1.15，通过水浴控制管式硝化反应器温度为60℃，经过20min停留时间进行硝化反应，反应结束后，硝化液进入管式淬灭反应器，同时水经第三计量泵3输送至反应管直径为15mm的淬灭管式反应器7，控制第三计量泵3的流量使硝化液：水的体积流量比为1:3，经过30s停留时间进行淬灭反应，淬灭液与经第四计量泵4输送至管路中的乙酸乙酯以及经第五计量泵5输送的30％氢氧化钠溶液进入反应管直径为10mm、内含SK型混合器的中和管式萃取器8，控制第四计量泵4的流量使硝化液：乙酸乙酯的体积流量比为1:2，控制第五计量泵5的流量使中和液pH值为7.0±0.2，通过水浴控制淬灭管式反应器7和中和萃取反应器8温度为70℃，经过2min停留时间完成中和反应及萃取过程，萃取液接收至连续分层器9进行分层，取上层乙酸乙酯层，经过蒸馏，回收的溶剂继续套用，经收集稳态段的反应物料计算得，4-硝基吡唑收率为98.8％，纯度为99.7％。
实施例4
称取吡唑0.5kg加入到16.3kg硫酸(75％)中，搅拌溶清后即为吡唑硫酸溶液，然后该溶液与发烟硝酸一起分别经第一计量泵1和第二计量泵2输送至反应管直径为20mm的硝化管式反应器6，控制两台计量泵的流量使吡唑：硫酸：发烟硝酸的摩尔流量比为1:17:1.4，通过水浴控制管式硝化反应器温度为80℃，经过60min停留时间进行硝化反应，反应结束后，硝化液进入管式淬灭反应器，同时水经第三计量泵3输送至反应管直径为30mm的淬灭管式反应器7，控制第三计量泵3的流量使硝化液：水的体积流量比为1:2，经过20s停留时间进行淬灭反应，淬灭液与经第四计量泵4输送至管路中的乙酸乙酯(此溶剂为回收套用)以及经第五计量泵5输送的30％氢氧化钠溶液进入反应管直径为12mm、内含SK混合器的中和管式萃取器8，控制第四计量泵4的流量使硝化液：乙酸乙酯的体积流量比为1:3，控制第五计量泵5的流量使中和液pH值为7.0±0.2，通过水浴控制淬灭管式反应器7和中和萃取反应器8温度为55℃，经过4min停留时间完成中和反应及萃取过程，萃取液接收至连续分层器9进行分层，取上层乙酸乙酯层，经过蒸馏，回收的溶剂继续套用，经收集稳态段的反应物料计算得，4-硝基吡唑收率为98.9％，纯度为99.8％。
实施例5
称取吡唑0.5kg加入到20.6kg硫酸(70％)中，搅拌溶清后即为吡唑硫酸溶液，然后该溶液与发烟硝酸一起分别经第一计量泵1和第二计量泵2输送至反应管直径为25mm的硝化管式反应器6，控制两台计量泵的流量使吡唑：硫酸：发烟硝酸的摩尔流量比为1:20:1.5，通过水浴控制硝化管式反应器6温度为100℃，经过90min停留时间进行硝化反应，反应结束后，硝化液进入淬灭管式反应器7，同时水经第三计量泵3输送至反应管直径为50mm的淬灭管式反应器7，控制第三计量泵3的流量使硝化液：水的体积流量比为1:4，经过30s停留时间进行淬灭反应，淬灭液与经第四计量泵4输送至管路中的甲基叔丁基醚以及经第五计量泵5输送的30％氢氧化钠溶液进入反应管直径为15mm、内含SK混合器的中和管式萃取器8，控制第四计量泵4的流量使硝化液：乙酸乙酯的体积流量比为1:1，控制第五计量泵5的流量使中和液pH值为7.0±0.2，通过水浴控制淬灭管式反应器7和中和管式萃取器8温度为40℃，经过5min停留时间完成中和反应及萃取过程，萃取液接收至连续分层器9进行分层，取上层甲基叔丁基醚层，经过蒸馏，回收的溶剂继续套用，经收集稳态段的反应物料计算得，4-硝基吡唑收率为98.5％，纯度为99.6％。
Claims (10)
1.一种连续化制备4-硝基吡唑的新工艺，以吡唑、硫酸、发烟硝酸为原料，其特征在于将吡唑溶于硫酸所得的吡唑硫酸溶液和发烟硝酸分别通过第一计量泵(1)和第二计量泵(2)精确计量输送至硝化管式反应器(6)，在一定条件下进行硝化反应，得到的硝化液与经第三计量泵(3)计量的水混合后进入淬灭管式反应器(7)中进行淬灭反应，得到的淬灭液与经第四计量泵(4)计量的有机溶剂混合后，再与第五计量泵(5)计量的30％氢氧化钠溶液混合后进入中和管式萃取器(8)，在中和的同时进行萃取，萃取液接收至连续分层器(9)进行分层，所得有机相经蒸馏回收溶剂后，得到固体即为产品4-硝基吡唑。
2.如权利要求1所述的连续化制备4-硝基吡唑的新工艺，其特征在于硝化管式反应器(6)中的吡唑硫酸溶液中硫酸浓度为70％-98％，吡唑、硫酸、硝酸的摩尔流量比为1：2～20：1～1.5。
3.如权利要求1所述的连续化制备4-硝基吡唑的新工艺，其特征在于硝化管式反应器(6)的反应管直径为1～25mm；硝化反应温度为30～100℃，反应的停留时间为1～90min。
4.如权利要求1所述的连续化制备4-硝基吡唑的新工艺，其特征在于淬灭管式反应器(7)中的硝化液与水的体积流量比为1：2～4。
5.如权利要求1所述的连续化制备4-硝基吡唑的新工艺，其特征在于萃取所用有机溶剂为二氯甲烷、乙酸乙酯、甲基叔丁基醚中的任意一种，硝化液：有机溶剂的体积流量比为1:1～4。
6.如权利要求1所述的连续化制备4-硝基吡唑的新工艺，其特征在于淬灭管式反应器(7)的反应管直径为3～50mm；淬灭反应温度为10～70℃，反应停留时间为1～30s。
7.如权利要求1所述的连续化制备4-硝基吡唑的新工艺，其特征在于中和管式萃取器(8)中和后反应液pH值为7.0±0.2。
8.如权利要求1所述的连续化制备4-硝基吡唑的新工艺，其特征在于中和萃取温度为10～70℃，中和萃取停留时间为0.5～5min。
9.如权利要求1所述的连续化制备4-硝基吡唑的新工艺，其特征在于中和管式萃取器(8)的内管为中空状态或装有静态混合器，其管径为3～15mm。
10.如权利要求1-9任一项所述的连续化制备4-硝基吡唑的新工艺，其特征在于回收溶剂作为萃取溶剂使用，返回至中和萃取步骤的第四计量泵(4)重复使用。
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