DE903452C - Verfahren zur Herstellung von Polynitroparaffinen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Polynitroparaffinen

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DE903452C
DE903452C DES19735A DES0019735A DE903452C DE 903452 C DE903452 C DE 903452C DE S19735 A DES19735 A DE S19735A DE S0019735 A DES0019735 A DE S0019735A DE 903452 C DE903452 C DE 903452C
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DE
Germany
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nitropropane
nitric acid
polynitroparaffins
dinitropropane
temperature
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Expired
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DES19735A
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Richard Bernard Bishop
William Irwin Denton
Thomas Turley Noland
Edwin Marcus Nygaard
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ExxonMobil Oil Corp
Original Assignee
Socony Vacuum Oil Co Inc
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Description

  • Verfahren zur Herstellung von Polynitroparaffinen Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Polynitroparaffinen aus Nitroparaffinen mit einer geringeren Anzahl an Nitrogruppen bei erhöhten Temperaturen und Drücken.
  • In der letzten Zeit sind erhebliche Fortschritte in der Synthese von Nitroparaffinen gemacht #,#-orden, beispielsweise bei der Herstellung von Mononitroparaffinen durch Behandlung verschiedener Alkane mit Nitriermitteln in der Dampfphase. Hierüber liegen Veröffentlichungen von H. B. Haas und seinen Mitarbeitern vor. Dagegen sind kaum Fortschritte bei der Herstellung von Polynitroparaffinen, die von Alkanen mit verhältnismäßig kurzer Kette herrühren, (besonders mit 3 bis 5 Kohlenstoffatomen), gemacht worden.
  • Demgemäß betrifft die Erfindung die Herstellung von Polynitroparaffinen mit 3 bis 5 Kohlenstoffatomen, wobei wenigstens zwei Nitrogruppen an anderen als dem ersten Kohlenstoffatom hängen. Die Herstellung dieser Polynitroparaffine erfolgt nach der Erfindung dadurch, daß ein Mononitroparaffin oder ein Polynitroparaffin, letzteres mit mindestens einer Nitrogruppe weniger als das herzustellende Polynitroparaffin, als Ausgangsstoff dient, wobei diese Nitroparaffine 3 bis 5 Kohlenstoffatome enthalten und jede ihrer Nitrogruppen sowie wenigstens ein Wasserstoffatom an einein anderen als dem ersten Kohlenstoffatom hängen, und daß diese Nitroparaffine mit einem Nitriermittel bei einer Temperatur von i5o bis 250' und einem Druck von über 10,5 kg/'cm2 behandelt werden.
  • Mononitroparaffine, die als Ausgangsstoff verwendet werden können, sind 2-Nitropropan, 2-Nitrobutan, :z-Nitropentan und 3-Nitropentan. Bei diesen Paraffinen hat das Kohlenstoffatom, an dem die Nitr6gruppe hängt, gleichfalls noch wenigstens ein Wasserstoffatom. So enthält 2-Nitrobutan drei Wasserstoffatome an den mittelständigen Kohlenstoffatomen, und 2 Nitropentan sowie 3-Nitropentan haben je fünf derartige Wasserstoffatome. Zu den Mononitroparaffinen gehört auch :2-Methyl-3-Nitrobutan.
  • Polynitroparaffine, die als Ausgangsstoff verwendet werden können, sind beispielsweise 2, 3-Dinitrobutan und 2, 2, 3-Trinitropentan.
  • Die Polynitroparaffine, die von den als Ausgangsstoff verwendeten Mono- und Polynitroparaffinen erhalten werden, haben wenigstens eine Nitrogruppe mehr als die Ausgangsstoffe, und ihre Nitrogruppen hängen entweder am zweiten oder dritten Kohlenstoffatom, d. h. an anderen als dein ersten Kohlenstoffatom.
  • In der Hauptsache sollen nach der Erfindung Dinitroparaffine mit zwei Nitrogruppen an denselben Kohlenstoffatomen hergestellt werden, wobei also beide Nitrogruppen an einem anderen als dem ersten Kohlenstoffatom hängen. Tatsächlich vermittelt das vorliegende Verfahren die Möglichkeit zur wahlweisen Einführung zusätzlicher Nitrogruppen in Mono- oder Polynitroparaffine der eingangs erwähnten Art, wobei Nitrogruppen entweder an die zweiten oder dritten Kohlenstoffatome oder an beide treten. Die typische Eigenart des Verfahrens ergibt sich durch das Verhalten von i-Nitropropan, mit dem kein Dinitropropan erhalten wird; das vorherrschende Produkt in diesem Falle ist unverändertes i-Nitropropan oder dessen Zersetzungsprodukte.
  • Das vorliegende Verfahren ist besonders anwendbar zur Herstellung von 2,:z-Dinitropropan aus 2-Nitropropan und einem Nitriermittel. Aus diesem Grunde ist das Verfahren nachstehend irn einzelnen in der Darstellung von 2, 2-Dinitropropan beschrieben.
  • Als Nitriermittel können Salpetersäure, besonders 40- bis 7o0ii.ige Salpetersäure, wasserfreie Salpetersäure, höhere Stickstoffoxyde als N 0, z. B. N 0, N, 0, N,0,undN,0"verwendetwerden. GernischteSäuren, wie Mischungen von Salpetersäure und Schwefelsäure, die wahrscheinlich Nitrosylschwefelsäure enthalten, können ebenfalls verwendet werden; indessen sind diese Säuren auf solche Mischungen begrenzt, bei denen die Schwefelsäure in geringen Anteilen vorhanden ist. Es wurde gefunden, daß bei größeren Anteilen an Schwefelsäure in diesen Säuremischungen das reagierende Nitroparaffin (z. B. 2-Nitropropan) oxydiert, bevor es nitriert wird. Als Nitriermittel werden NO, N,0, und Salpetersäure bevorzugt, insbesondere 40-bis 7o011 " ige Salpetersäure (spez. Gewicht 1,25 bis 1,42).
  • Es ist wünschenswert, wenn auch nicht unbedingt erforderlich, ein Verdünnungsmittel, wie Wasser, Stickstoff, C 02 oder Paraffine, wie Butan, Propan usw. zu verwenden. Besonders wünschenswert ist Wasser in Mengen von etwa io bis etwa 8o Molprozent, bezogen auf die Summe der rnolaren Mengen von 2-Nitropropan, dem Nitriermittel und Wasser. Eine Verdünnung der verwendeten Salpetersäure im kontinuierlichen Prozeß durch Wasser ist nicht schädlich. Es wurde festgestellt, daß mit iool)/jger Salpetersäure die Umwandlung von 2-Nitropropan zu 2, 2-Dinitropropan und die Ausbeuten am letzteren gewöhnlich geringer sind, als wenn eine mehr verdünnte Säure verwendet wird.
  • Das molare Mengenverhältnis zwischen 2-Nitropropan und den verwendeten Nitriermitteln kann beträchtlich variiert werden. Wenn das Nitriermittel, die Salpetersäure, überwiegt, werden größere Umwandlungen von 2-Nitropropan zu 2,:ä-Dinitropropan erhalten. Im allgemeinen wird ein molares Verhältnis i : i von 2,-Nitropropan zu Salpetersäure (bezogen auf ioo % HN 0.) vorgezogen, obgleich dieses Verhältnis je nach den Erfordernissen erheblichvariiert werden kann.
  • Ein sehr kritischer Faktor des Verfahrens ist die Reaktionstemperatur. Es wurde gefunden, daß die Reaktion zwischen 2-Nitropropan und dem Nitriermittel (Salpetersäure) bei etwa i5o' beginnt und mit Zunahme der Temperatur steigende Mengen an ?, 2-Dinitropropan erhalten werden, bis ein Maximum im Bereich von etwa i:go bis 23o' erreicht wird. Darauf werden geringere Mengen von 2, ---Dinitropropan bis oberhalb 25o' erhalten, Explosionen treten auf und verminderte Ausbeute wird erzielt. Wenn Temperaturen von 26o bis 3oo' angewendet werden, entstehen heftige Explosionen, und das bei 3oo' erhaltene Produkt ist basisch. Dementsprechend sind Temperaturen oberhalb 26o' zu vermeiden. Der wirkungsvollste Temperaturbezirk liegt zwischen etwa 150 bis etwa 250' mit einem bevorzugten Bezirk von igo bis etwa 230'.
  • Der Druck ist ein weiteres wesentliches Merkmal des Verfahrens. Es wurde gefunden, daß bei Atmosphärendruck und den erwähnten Temperaturen 2-Nitropropan in 2, 2-Dinitropropan nur in sehr geringen Mengen umgewandelt wird. Wenn Drücke über 10,5 kg/cm' verwendet werden, tritt eine wesentliche Umsetzung ein, wobei zunehmende Umsetzung mit steigenden Drücken erreicht wird. Drücke von über etwa 21 kg/cm' sind besonders erwünscht, optimale Drücke liegen zwischen etwa 63 kg/CM2 und 84kg/CM2. Im allgemeinen nimmt die Größe der Umsetzung ab, wenn Drücke oberhalb etwa 84 kg/CM2 angewendet werden.
  • Die sogenannte Durchgangsgeschwindigkeit ist ein weiterer Faktor, der beachtet werden muß. Hierunter ist das Verhältnis der pro Stunde dem Reaktionsraum zugeführten Reagenzien zum Volumen des Reaktionsraumes zu verstehen. Bei verhältnismäßig niedrigen Drücken von etwa 10,5 kg/cm2 ist eine Raumgeschwindigkeit von etwa i das Optimum, und geringe Änderungen in der Geschwindigkeit haben eine verhältnismäßig große Wirkung in der Umwandlung. Oberhalb 422 kg/cm" kann die Geschwindigkeit ohne wesentliche Abnahme der Umwandlung von ---Nitropropan zu 2, 2-Dinitropropan zunehmen. Im allgemeinen werden Geschwindigkeiten über o,i verwendet. Die bevorzugten Geschwindigkeiten liegen bei etwa o,5 bis 2,5.
  • Der Reaktionsraum muß eine inerte innere Oberfläche besitzen. Beispielsweise wurde gefunden, daß ein eiserner Reaktionsbehälter in gewissem Maße die Zersetzung der Charge beschleunigt, wodurch die Erzeugung des gewünschten 2, ?,-Dinitropropans vermindert wird. Korrosionsbeständiger Stahl oder Nickelstähle sind geeignet, obgleich sie auch eine geringere beschleunigende Wirkung auf die Zersetzung der Stoffe ausüben. Aktivierte Tonerde, Holzkohle und verschiedene Stoffe aus Tonerde und Kieselsäure beschleunigen ebenfalls die Zersetzung. Infolgedessen werden Reaktionsbehälter mit korrosionsbeständigen Innenwänden benutzt, die gegebenenfalls mit Füllkörpern, wie Glasperlen, Porzellankörpern und dergleichen gefüllt sind.
  • Bei den folgenden Beispielen wurde ein Reaktionsbehälter aus einem 1/,-Zoll-Rohr (korrosionsfester Stahl) von i in Länge benutzt, das mit 350 ccm Glasperlen gefüllt war. Das Reaktionsrohr war zwecks Regelung der Temperatur in ein Salzbad (KNO3 -NaN0,-Mischung) eingetaucht. Eine 2-Nitropropan-Salpetersäure-,Mischung wurde unter Vermittlung einer inerten Flüssigkeit (z.B. Transformatorenöl) aus einem Vorratsbehälter abgepumpt. Die Mischung wurde durch einen Vorerhitzer ('/,-Zoll-Rohrauskorrosionsfestem Stahl) oben in dasReaktionsrohr eingeleitet, während das erhaltene Reaktionsprodukt unten in einen Kondenser abgezogen wurde. Aus diesem unter hohem Druck befindlichen System wurde es dann abgelassen. Die erhaltenen flüssigen und gasfönnigen Produkte wurden getrennt; das 2, 2-Dinitropropan wurde von den flüssigen Produkten durch Dampfdestillation oder durch Waschen mit Wasser und Destillation der erhaltenen Kohlenwasserstoffschicht abgeschieden. Die nicht zur Reaktion gekommenen Mengen an 2-Nitropropan und Nitriermittel können dann im Kreislauf mit oder ohne frischem 2-Nitropropan und/oder frischer Salpetersäure wieder eingesetzt werden. Beispiel i 301 g 2-Nitropropan (= 3,38 MO1) und 3019 700/,ige Salpetersäure (= 3,38 Mol H N 0,) wurden zusammen in das System eingebracht, da die beiden Flüssigkeiten mischbar sind. Die Reaktionsbedingungen waren: Temperatur 2oo bis 2o5', Druck 63,3 kg/cm', Raumgeschwindigkeit i,o, d. h. eine Gemischmenge pro Stunde, deren Volumen gleich dem Inhalt des Reaktionsrohres ist. Aus dem Reaktionsprodukt wurden 253 9 nichtumgesetzteS 2-Nitropropan Und 25,8 g 2, ?,-Nitropropan gewonnen, entsprechend wurden 48,o g 2-Nitropropan verbraucht. Dies entspricht einer Umwandlung pro Durchsatz von 5,7 0/0, bezogen auf 2-Nitropropan oder einer Ausbeute von 36 0/0, bezogen auf die theoretische Menge. Beispiel -- Es wurden 154,8 g (= 1,74 Mol), 2-Nitropropan und eine gleiche Menge 700/,iger Salpetersäure (= 1,74 MOI HNO,) unter folgenden Reaktionsbedingungen behandelt: Temperatur 2oo bis:zo5', Druck 63,3 kg/cm', Raumgeschwindigkeit 4 mit eine zusätzlichen Einlaufzeit von 35 Minuten, die die Kontaktzeit entsprechend erhöht. Von dem Reaktionsprodukt wurden 96,4 9 nicht umgesetztes 2-Nitropropan und 21,9 g 2, 2-Dinitropropan erhalten. Es wurden also 58,4 9 z-Nitropropan verbraucht. Demgemäß war die Ausbeute an 2, z-Dinitropropan 25,o0/, der theoretischen Menge. Beispiel 3 iio g 2-Nitropropan (= 1,25 Mol) und 1109 70%ige Salpetersäure (= 1,225 Mol HNOJ wurden unter den folgenden Bedingungen behandelt: Temperatur 225', Druck 63,3 kg/CM2, Raumgeschwindigkeit i,o. Das erhaltene Reaktionsprodukt enthielt 19,2 g 2, 2-Dinitropropan entsprechend einer Umwandlung pro Durchsatz von 11,6 0/" bezogen auf die eingebrachte Menge an 2-Nitropropan.
  • Beispiel 4 Ein Mol (90 g) 2-Nitropropan und i Mol Salpetersäure (go g 7o0/,iger HNO.) wurden unter folgenden Bedingungen behandelt: Temperatur 2oo', Druck 169 kg/cm', Raumgeschwindigkeit wie bei Beispiel 3. In dem erhaltenen Reaktionsprodukt waren 16,6 g, 2, 2-Dinitropropan; die Umwandlung war 2,30/" bezogen auf eingebrachtes 2-Nitropropan.
  • Die in diesem Verfahren erhaltenen Polynitroparaffine sind wertvoll als Zwischenprodukte und bilden Harze mit Alkalipolysulfiden. Sie sind besonders geeignet als Zündungsmittel für Dieselbrennstoffe, dies gilt besonders für 2, 2-Dinitropropan.

Claims (2)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Herstellung von Polynitroparaffinen, bei denen wenigstens zwei Nitrogruppen an anderen als dem ersten Kohlenstoffatom hängen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mononitroparaffin oder ein Polynitroparaffin, letzteres mit mindestens einer Nitrogruppe weniger als das herzustellende Polynitroparaffin, als Ausgangsstoff dient, wobei diese Nitroparaffine 3 bis 5 Kohlenstoffatome enthalten und jede ihrer Nitrogruppen sowie wenigstens ein Wasserstoffatom an einem anderen als dem ersten Kohlenstoffatom hängen, und daß diese Nitroparaffine mit einem Nitriermittel bei einer Temperatur von 15o bis 250' und einem Druck von über 10,5 kg/cm2 behandelt werden.
  2. 2. Verfahren nach Ansprach i, dadurch gekennzeichnet, daß Mononitroparaffin, beispielsweise ---Nitropropan, zur Herstellung von Dinitroparaffin verwendet wird. 3. Verfahren nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperatur zwischen igo und 23o' eingehalten wird. 4. Verfahren nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druck von über 21 kg/CM2 eingehalten wird. 5. Verfahren nach Ansprach i bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Durchgangsgeschwindigkeit zwischen 0,5 und 2,5 eingehalten wird. 6. Verfahren nach Anspruch i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß 700/,ige Salpetersäure als Nitriern-iittel verwendet wird. 7. Verfahren nach Anspruch i bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verdünnungsmittel verwendet wird, beispielsweise Wasser in einer Menge von io bis 8o Molprozent, bezogen auf die Summe der molaren Mengen von 2-Nitropropan, Nitriermittel und Wasser.
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