EP4448496A1 - Procede de preparation du 3,5-dinitropyrazole - Google Patents

Procede de preparation du 3,5-dinitropyrazole

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Publication number
EP4448496A1
EP4448496A1 EP22847558.8A EP22847558A EP4448496A1 EP 4448496 A1 EP4448496 A1 EP 4448496A1 EP 22847558 A EP22847558 A EP 22847558A EP 4448496 A1 EP4448496 A1 EP 4448496A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
carried out
approximately
process according
nitric acid
nitration
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22847558.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
John EYMANN
Nicolas VANDECANDELAERE
Sébastien COMTE
Angeline AUMELAS
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Eurenco SA
ArianeGroup SAS
Eurenco France SA
Original Assignee
Eurenco SA
ArianeGroup SAS
Eurenco France SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Eurenco SA, ArianeGroup SAS, Eurenco France SA filed Critical Eurenco SA
Publication of EP4448496A1 publication Critical patent/EP4448496A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D231/00—Heterocyclic compounds containing 1,2-diazole or hydrogenated 1,2-diazole rings
    • C07D231/02—Heterocyclic compounds containing 1,2-diazole or hydrogenated 1,2-diazole rings not condensed with other rings
    • C07D231/10—Heterocyclic compounds containing 1,2-diazole or hydrogenated 1,2-diazole rings not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C07D231/14—Heterocyclic compounds containing 1,2-diazole or hydrogenated 1,2-diazole rings not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members with hetero atoms or with carbon atoms having three bonds to hetero atoms with at the most one bond to halogen, e.g. ester or nitrile radicals, directly attached to ring carbon atoms
    • C07D231/16—Halogen atoms or nitro radicals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D231/00—Heterocyclic compounds containing 1,2-diazole or hydrogenated 1,2-diazole rings
    • C07D231/02—Heterocyclic compounds containing 1,2-diazole or hydrogenated 1,2-diazole rings not condensed with other rings
    • C07D231/10—Heterocyclic compounds containing 1,2-diazole or hydrogenated 1,2-diazole rings not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
    • C07D231/14—Heterocyclic compounds containing 1,2-diazole or hydrogenated 1,2-diazole rings not condensed with other rings having two or three double bonds between ring members or between ring members and non-ring members with hetero atoms or with carbon atoms having three bonds to hetero atoms with at the most one bond to halogen, e.g. ester or nitrile radicals, directly attached to ring carbon atoms
    • C07D231/38—Nitrogen atoms

Definitions

  • the invention relates to the field of energetic molecules capable of being used in the manufacture of pyrotechnic charges. More particularly, the invention relates to a process for the preparation of 3,4,5-trinitropyrazole precursors.
  • Energetic molecules such as 3,4,5-trinitropyrazole (hereinafter, "3,4,5-TNP") or derivatives of this compound (such as those described in EP-A-2 130 821) are suitable for the manufacture of pyrotechnic charges due to their advantageous properties in terms of performance and sensitivity, while maintaining a high level of thermal stability, compatible with their use in the fields of propulsion and explosives.
  • 3,4,5-TNP 3,4,5-trinitropyrazole
  • derivatives of this compound such as those described in EP-A-2 130 821
  • 3,4,5-TNP 3,5-dinitropyrazole
  • application FR-A-2 917 409 Another method of preparation of 3,4,5-TNP from 3,5-DNP is described in application CN105669557.
  • Operating conditions for the sigmatropic rearrangement of N-nitropyrazole are described, for example, in J. Org. Chem. 1973, 38(10), 1777-1782. These operating conditions (6 hours at 160° C.) are considered limiting for considering development on an industrial scale. This results in poor efficiency and yield of the reaction for obtaining 3,4,5-TNP from N-nitropyrazole.
  • Application FR-A-3 085 377 describes a process for the synthesis of 3,5-DNP from pyrazole; this method involves two stages of sigmatropic rearrangement by microwave heating.
  • microwaves is limiting for considering development on an industrial scale.
  • the inventors have demonstrated the fact that it is possible to simplify the synthesis of 3,5-DNP by passing through a specific intermediate, namely N-acetyl-3-nitropyrazole.
  • the invention relates to a process for the preparation of 3,5-dinitropyrazole of formula (I):
  • Figures 1 and 2 illustrate the use of a continuous flow assembly to perform certain steps of the method according to the invention.
  • the invention relates to a process for the preparation of 3,5-dinitropyrazole of formula (I): which comprises: a) the nitration of pyrazole using nitric acid and an excess of acetic anhydride relative to nitric acid; b) heat treatment, at a temperature of 160 to 240° C., of the mixture obtained in step a) to obtain a mixture containing the compound of formula (II):
  • step c) nitration of the mixture obtained in step c) in the presence of acetic anhydride to obtain a mixture containing the compound of formula (IV):
  • Step a) of the process comprises the nitration of the pyrazole. This step is carried out by reacting the pyrazole with nitric acid in the presence of acetic anhydride. The presence of any other reagent and/or solvent is excluded during this nitration step.
  • the nitration is carried out at a temperature of about 0 to about 40°C, for example, about 10 to about 30°C. So advantageousously, the nitration is carried out at a temperature in the range of 20 to 30°C.
  • the duration of the nitration step is from approximately 5 minutes to approximately 1 hour, for example from approximately 5 minutes to approximately 50 minutes, or even from approximately 10 minutes to approximately 40 minutes, in particular about 10 minutes, about 15 minutes, about 20 minutes, about 25 minutes or about 30 minutes.
  • the nitration is carried out with an excess of acetic anhydride with respect to nitric acid, for example with approximately 2 to approximately 5 equivalents, in particular approximately 3 equivalents of acetic anhydride, for 1 equivalent of nitric acid.
  • step a) The mixture obtained at the end of step a) is used as it is in the next step.
  • Step b) of the process comprises the heat treatment of the mixture obtained in step a) to obtain a mixture containing the compound of formula (II).
  • this mixture always and predominantly contains N-acetyl-3-nitropyrazole (compound of formula (II)), and may also contain N-acetylpyrazole.
  • the term "predominantly” means that the mixture contains more than 50%, in particular more than 60%, of compound of formula (II). This mixture is used as it is for the implementation of the next step of the process.
  • the heat treatment is carried out at a temperature of approximately 160 to approximately 240°C, for example approximately 180 to approximately 220°C, in particular approximately 200°C.
  • the heat treatment is carried out using conventional heating means.
  • heating by microwaves is not considered as a conventional means of heating. It is therefore excluded that the heat treatment is carried out by microwaves.
  • the duration of the heat treatment is from approximately 5 minutes to approximately 1 hour, for example from approximately 5 minutes to approximately 45 minutes, in particular approximately 10 minutes, approximately 20 minutes, approximately 30 minutes or approximately 40 minutes.
  • steps a) and b) are carried out in batch mode.
  • steps a) and b) are carried out in continuous flow.
  • Continuous flow chemistry consists in carrying out the syntheses in devices through which the reaction medium flows in which all the reactions are carried out. and physico-chemical transformations without isolating the intermediates.
  • FIG. 1 illustrates a flow chemistry assembly used in the examples below to couple steps a) and b).
  • Step c) of the process comprises the hydrolysis of the mixture obtained in step b) to obtain a mixture containing the compound of formula (III). This mixture is used as it is for the implementation of the next step of the process.
  • the hydrolysis of the mixture is carried out at a temperature of about 60 to about 120°C, for example about 70 to about 110°C, in particular about 80°C.
  • the duration of the hydrolysis step is approximately 30 minutes to approximately 2 hours, for example approximately 45 minutes to approximately 90 minutes, in particular approximately 1 hour.
  • the hydrolysis is carried out with an excess of water with respect to the pyrazole species present in the mixture, for example approximately 2 to approximately 5 equivalents, in particular approximately 3 equivalents of water, for 1 equivalent of pyrazole species.
  • Step d) comprises the nitration of the mixture obtained in step c) in the presence of acetic anhydride to obtain a mixture containing the compound of formula (IV).
  • This mixture mainly contains 1,3-dinitropyrazole (compound of formula (IV)), as well as /N-nitropyrazole, 3-nitropyrazole (III) and N-acetyl-3-nitropyrazole (II). It is used as it is for the implementation of the next step of the method.
  • the stage of nitration of the mixture obtained in stage c) is advantageously implemented by reacting said mixture with nitric acid in the presence of acetic anhydride.
  • the nitration is carried out with an excess of acetic anhydride with respect to nitric acid, for example about 2 to about 5 equivalents, in particular about 3 or about 4 equivalents of acetic anhydride, for 1 equivalent of 'nitric acid.
  • the reaction between the mixture obtained in step c), nitric acid and acetic anhydride is advantageously carried out in the absence of any other reagent and/or solvent.
  • the nitration is carried out at a temperature of about 20 to about 40°C, for example, about 20 to about 30°C.
  • the nitration is carried out at room temperature which will be comprised, within the scope of the present invention, in the range of about 20 to about 25°C.
  • the duration of this second nitration step is from approximately 2 hours to approximately 24 hours, for example from approximately 5 hours to approximately 20 hours, or even from approximately 10 hours to approximately 20 hours, in particular about 6 p.m.
  • steps c) and d) are carried out in continuous flow. In certain embodiments, steps c) and d) are carried out discontinuously and, advantageously, consecutively.
  • Step e) comprises the heat treatment of the mixture containing the compound of formula (IV) to obtain 3,5-DNP.
  • the conditions indicated for stage b) also apply for stage e), namely that it is excluded that the heat treatment is carried out by microwaves.
  • this second heat treatment step is carried out at a temperature of approximately 160 to approximately 240°C, for example approximately 180 to approximately 220°C, in particular approximately 200°C.
  • the duration of this second heat treatment step is approximately 5 minutes to approximately 1 hour, for example approximately 5 minutes to approximately 50 minutes, in particular approximately 10 minutes, approximately 20 minutes, approximately 30 minutes or about 40 minutes.
  • step e) is carried out in continuous flow.
  • the invention relates to a process for the preparation of 3,4,5-trinitropyrazole which comprises: a) the preparation of 3,5-dinitropyrazole by the process as defined above, and b) the nitration of 3,5-dinitropyrazole thus obtained.
  • the 3,5-DNP nitration step is implemented in a manner known to those skilled in the art, typically by reacting the 3,5-DNP with fuming nitric acid in the presence of pure sulfuric acid and sulfuric oleum.
  • steps b) to e) of the process in accordance with the invention are carried out directly from the "raw" mixture obtained in the previous step, that is to say that the mixture is used as it is. which, without being purified, which in the end reduces the total number of stages of the process, with a clear economic advantage, in particular in terms of productivity on an industrial scale, and consequently improves the safety of the process taken as a whole .
  • This is all the more true when the stages of the process are carried out in continuous flow, which allows the reduction of the volumes of the mixture for the stages of nitration, and the control of the temperature during the heat treatments.
  • BPR back pressure regulator
  • thermocouples (1 in line and two for the double envelope);
  • the solutions were prepared cold (0°C) then adjusted with volumetric flasks in order to obtain a precise concentration.
  • the pyrazole solutions were injected at ambient temperature.
  • the acetonitric solutions nitric acid + acetic anhydride (Ac 2 O)
  • the mass flow rates of solution are monitored using two scales, and the density of the solutions can be traced back to the volume flow rates.
  • Corning microreactor jacket temperature 28°C; Reaction loop temperature (nitration): T.A;
  • Reaction loop temperature 200°C;
  • thermocouple (T) 1 thermocouple (T);
  • Reaction loop temperature (thermal rearrangement): 200°C; Residence time: 10 minutes;
  • DSC (40 ⁇ L aluminum crucible with pierced lid, 35 to 400°C, 5°C.min -1 ): 170.4°C (endo, -149.7 J.g -1 , melting), 240.3°C (endo, -315.5 J.g -1 , evaporation).

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Nitrogen Condensed Heterocyclic Rings (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Abstract

La présente invention concerne un procédé de préparation du 3,5-dinitropyrazole qui comprend une étape d'obtention du N-acétyl-3-nitropyrazole à partir du pyrazole, et une étape de réarrangement sigmatropique du composé obtenu.

Description

Procédé de préparation du 3,5-dinitropyrazole
Domaine technique de l'invention
L'invention concerne le domaine des molécules énergétiques susceptibles d'être utilisées dans la fabrication de charges pyrotechniques. Plus particulièrement, l'invention concerne un procédé de préparation de précurseurs du 3,4,5- trinitropyrazole.
Etat de la technique
Les molécules énergétiques comme le 3,4,5-trinitropyrazole (ci-après, « 3,4,5-TNP ») ou les dérivés de ce composé (tels que ceux décrits dans EP-A-2 130 821) sont adaptées pour la fabrication de chargements pyrotechniques du fait de leurs propriétés intéressantes en termes de performance et de sensibilité, tout en conservant un niveau de stabilité thermique élevé, compatible avec leur utilisation dans les domaines de la propulsion et des explosifs.
Une voie de synthèse du 3,4,5-TNP à partir du 3,5-dinitropyrazole (ci-après, « 3,5- DNP ») est décrite dans la demande FR-A-2 917 409. Un autre procédé de préparation de 3,4,5-TNP, à partir du 3,5-DNP est décrit dans la demande CN105669557. Des conditions opératoires pour le réarrangement sigmatropique du N-nitropyrazole sont décrites par exemple dans J. Org. Chem. 1973, 38(10), 1777-1782. Ces conditions opératoires (6h à 160°C) sont considérées comme limitantes pour envisager un développement à l'échelle industrielle. Il en résulte une efficacité et un rendement médiocres de la réaction d'obtention de 3,4,5-TNP à partir de N-nitropyrazole. La demande FR-A-3 085 377 décrit un procédé de synthèse du 3,5-DNP à partir du pyrazole ; ce procédé fait intervenir deux étapes de réarrangement sigmatropique par chauffage par micro-ondes. L'utilisation de micro-ondes est toutefois limitante pour envisager un développement à l'échelle industrielle.
Ce constat a conduit les inventeurs à rechercher des solutions pour améliorer les conditions opératoires de la synthèse du 3,5-DNP à l'échelle industrielle.
Résumé de l'invention
Les inventeurs ont mis en évidence le fait qu'il est possible de simplifier la synthèse du 3,5-DNP en passant par un intermédiaire spécifique, à savoir le N-acétyl-3- nitropyrazole.
Ainsi, selon un aspect, l'invention concerne un procédé de préparation du 3,5- dinitropyrazole de formule (I) :
qui comprend : a) la nitration du pyrazole à l'aide d'acide nitrique et d'un excès d'anhydride acétique par rapport à l'acide nitrique ; b) le traitement thermique, à une température de 160 à 240°C, du mélange obtenu à l'étape a) pour obtenir un mélange contenant le composé de formule (II) :
(II) ; c) l'hydrolyse du mélange obtenu à l'étape b) pour obtenir un mélange contenant le composé de formule (III) : (III) ; d) la nitration du mélange obtenu à l'étape c) en présence d'anhydride acétique pour obtenir un mélange contenant le composé de formule (IV) :
(IV) ; et e) le traitement thermique du mélange obtenu à l'étape d).
Brève description des dessins
Les figures 1 et 2 illustrent l'utilisation d'un montage en flux continu pour effectuer certaines étapes du procédé conforme à l'invention.
Description de l'invention
Selon un premier aspect, l'invention concerne un procédé de préparation du 3,5- dinitropyrazole de formule (I) : qui comprend : a) la nitration du pyrazole à l'aide d'acide nitrique et d'un excès d'anhydride acétique par rapport à l'acide nitrique ; b) le traitement thermique, à une température de 160 à 240°C, du mélange obtenu à l'étape a) pour obtenir un mélange contenant le composé de formule (II) :
(il) ; c) l'hydrolyse du mélange obtenu à l'étape b) pour obtenir un mélange contenant le composé de formule (III) :
(ni) ; d) la nitration du mélange obtenu à l'étape c) en présence d'anhydride acétique pour obtenir un mélange contenant le composé de formule (IV) :
(IV) ; et e) le traitement thermique du mélange obtenu à l'étape d).
L'étape a) du procédé comprend la nitration du pyrazole. Cette étape est mise en oeuvre en faisant réagir le pyrazole avec de l'acide nitrique en présence d'anhydride acétique. La présence de tout autre réactif et/ou solvant est exclue lors de cette étape de nitration.
Dans certains modes de réalisation, la nitration est effectuée à une température d'environ 0 à environ 40°C, par exemple d'environ 10 à environ 30°C. De manière avantageuse, la nitration est effectuée à une température comprise dans la plage allant de 20 à 30°C.
Dans certains modes de réalisation, la durée de l'étape de nitration est d'environ 5 minutes à environ 1 heure, par exemple d'environ 5 minutes à environ 50 minutes, ou encore d'environ 10 minutes à environ 40 minutes, en particulier environ 10 minutes, environ 15 minutes, environ 20 minutes, environ 25 minutes ou environ 30 minutes.
La nitration est effectuée avec un excès d'anhydride acétique par rapport à l'acide nitrique, par exemple avec environ 2 à environ 5 équivalents, en particulier environ 3 équivalents d'anhydride acétique, pour 1 équivalent d'acide nitrique.
Le mélange obtenu à l'issue de l'étape a) est utilisé tel quel à l'étape suivante.
L'étape b) du procédé comprend le traitement thermique du mélange obtenu à l'étape a) pour obtenir un mélange contenant le composé de formule (II). Comme cela a été démontré expérimentalement (l'exemple 1 en est une illustration), ce mélange contient toujours et majoritairement du N-acétyl-3-nitropyrazole (composé de formule (II)), et peut également contenir du N-acétylpyrazole. On entend par « majoritairement » le fait que le mélange contient plus de 50%, en particulier plus de 60%, de composé de formule (II). Ce mélange est utilisé tel quel pour la mise en œuvre de l'étape suivante du procédé.
Le traitement thermique est effectué à une température d'environ 160 à environ 240°C, par exemple d'environ 180 à environ 220°C, en particulier environ 200°C. Dans le cadre de la présente invention, le traitement thermique est effectué à l'aide de moyens de chauffage conventionnels. A toutes fins utiles, il sera précisé que le chauffage par micro-ondes n'est pas considéré comme un moyen de chauffage conventionnel. Il est donc exclu que le traitement thermique soit effectué par microondes.
Dans certains modes de réalisation, la durée du traitement thermique est d'environ 5 minutes à environ 1 heure, par exemple d'environ 5 minutes à environ 45 minutes, en particulier environ 10 minutes, environ 20 minutes, environ 30 minutes ou environ 40 minutes.
Dans certains modes de réalisation, les étapes a) et b) sont effectuées en mode discontinu (« batch »).
Dans certains modes de réalisation, les étapes a) et b) sont effectuées en flux continu. La chimie en flux continu consiste à réaliser les synthèses dans des dispositifs traversés par le milieu réactionnel en écoulement dans lesquels on effectue toutes les réactions et les transformations physico-chimiques sans isoler les intermédiaires. La figure 1 illustre un montage de chimie en flux utilisé dans les exemples ci-après pour coupler les étapes a) et b).
L'étape c) du procédé comprend l'hydrolyse du mélange obtenu à l'étape b) pour obtenir un mélange contenant le composé de formule (III). Ce mélange est utilisé tel quel pour la mise en œuvre de l'étape suivante du procédé.
Dans certains modes de réalisation, l'hydrolyse du mélange est effectuée à une température d'environ 60 à environ 120°C, par exemple d'environ 70 à environ 110°C, en particulier environ 80°C.
Dans certains modes de réalisation, la durée de l'étape d'hydrolyse est d'environ 30 minutes à environ 2 heures, par exemple d'environ 45 minutes à environ 90 minutes, en particulier environ 1 heure.
Dans certains modes de réalisation, l'hydrolyse est effectuée avec un excès d'eau par rapport aux espèces pyrazoles présentes dans le mélange, par exemple environ 2 à environ 5 équivalents, en particulier environ 3 équivalents d'eau, pour 1 équivalent d'espèces pyrazoles.
L'étape d) comprend la nitration du mélange obtenu à l'étape c) en présence d'anhydride acétique pour obtenir un mélange contenant le composé de formule (IV). Ce mélange contient majoritairement le 1,3-dinitropyrazole (composé de formule (IV)), ainsi que du /V-nitropyrazole, du 3-nitropyrazole (III) et du N-acétyl-3-nitropyrazole (II). Il est utilisé tel quel pour la mise en œuvre de l'étape suivante du procédé.
L'étape de nitration du mélange obtenu à l'étape c) est avantageusement mise en œuvre en faisant réagir ledit mélange avec de l'acide nitrique en présence d'anhydride acétique. Dans certains modes de réalisation la nitration est effectuée avec un excès d'anhydride acétique par rapport à l'acide nitrique, par exemple environ 2 à environ 5 équivalents, en particulier environ 3 ou environ 4 équivalents d'anhydride acétique, pour 1 équivalent d'acide nitrique. La réaction entre le mélange obtenu à l'étape c), l'acide nitrique et l'anhydride acétique est avantageusement mise en œuvre en l'absence de tout autre réactif et/ou solvant.
Dans certains modes de réalisation, la nitration est effectuée à une température d'environ 20 à environ 40°C, par exemple d'environ 20 à environ 30°C. De manière avantageuse, la nitration est effectuée à température ambiante qui sera comprise, dans le cadre de la présente invention, dans la plage d'environ 20 à environ 25°C. Dans certains modes de réalisation, la durée de cette seconde étape de nitration est d'environ 2 heures à environ 24 heures, par exemple d'environ 5 heures à environ 20 heures, ou encore d'environ 10 heures à environ 20 heures, en particulier environ 18 heures.
Dans certains modes de réalisation, les étapes c) et d) sont effectuées en flux continu. Dans certains modes de réalisation, les étapes c) et d) sont effectuées en mode discontinu et, avantageusement, consécutivement.
L'étape e) comprend le traitement thermique du mélange contenant le composé de formule (IV) pour obtenir le 3,5-DNP. Les conditions indiquées pour l'étape b) s'appliquent également pour l'étape e), à savoir qu'il est exclu que le traitement thermique soit effectué par micro-ondes.
Dans certains modes de réalisation, cette seconde étape de traitement thermique est effectué à une température d'environ 160 à environ 240°C, par exemple d'environ 180 à environ 220°C, en particulier environ 200°C.
Dans certains modes de réalisation, la durée de cette seconde étape de traitement thermique est d'environ 5 minutes à environl heure, par exemple d'environ 5 minutes à environ 50 minutes, en particulier environ 10 minutes, environ 20 minutes, environ 30 minutes ou environ 40 minutes.
Dans certains modes de réalisation, l'étape e) est effectuée en flux continu.
Selon un autre aspect, l'invention concerne un procédé de préparation du 3,4,5- trinitropyrazole qui comprend : a) la préparation de 3,5-dinitropyrazole par le procédé tel que défini ci-dessus, et b) la nitration du 3,5-dinitropyrazole ainsi obtenu.
L'étape de nitration du 3,5-DNP est mise en œuvre de façon connue de l'homme du métier, typiquement en faisant réagir le 3,5-DNP avec de l'acide nitrique fumant en présence d'acide sulfurique pur et d'oléum sulfurique.
Le procédé de préparation du 3,5-DNP conforme à l'invention présente les avantages suivants :
- réduction du nombre d'étape de synthèse ;
- réduction du temps de synthèse et des effluents ;
- élimination des solvants, notamment des solvants toxiques, tels que le bromobenzène, de la synthèse ;
- utilisation d'un chauffage classique pour une facilité de mise en œuvre ; - sécurité accrue (résultant de l'utilisation de la chimie en flux) et montée en échelle facilitée.
Il sera noté en particulier que les étapes b) à e) du procédé conforme à l'invention sont effectuées directement à partir du mélange « brut » obtenu à l'étape précédente, c'est-à- dire que le mélange est utilisé tel quel, sans être purifié, ce qui au final réduit le nombre total d'étapes du procédé, avec un avantage économique évident, en particulier en termes de productivité à l'échelle industrielle, et améliore en conséquence la sécurité du procédé pris dans son intégralité. Ceci est d'autant plus vrai lorsque les étapes du procédé sont effectuées en flux continu, qui permet la réduction des volumes de mélange pour les étapes de nitration, et le contrôle de la température lors des traitements thermiques.
L'invention sera mieux comprise à l'aide des exemples ci-après, donnés à titre purement illustratif.
Exemples
Matériel 1
Le montage utilisé pour les étapes a) et b) du procédé de préparation du 3,5-DNP est représenté en Figure 1. Le matériel utilisé est le suivant :
2 pompes à piston (FLOM Intelligent Pump UI-22) ;
3 microréacteurs Corning (lx LFSHH + 2x LFR*H) ;
1 plaque chauffante ;
1 régulateur de contre-pression (« Back Pressure Regulator » - BPR) (Zaiput BPR-10) ;
3 vannes deux voies manuelles ;
1 vanne trois voies manuelle ;
1 cryostat (Huber ministat 240) ;
3 thermocouples (1 en ligne et deux pour la double enveloppe) ;
1 capteur de pression ;
Tubes PFA résistant à 200°C / 10 bar ;
Connectique plastique résistante à 18 bars ;
2 balances ;
1 arrivée d'azote gaz.
L'arrivée d'azote gaz permet de maintenir la consigne du BPR à 10 bars, ce qui est nécessaire pour contenir les gaz formés lors du réarrangement thermique. Elle permet également de purger le montage en cas d'urgence.
Les solutions ont été préparées à froid (0°C) puis ajustées avec des fioles jaugées afin d'obtenir une concentration précise. Les solutions de pyrazole ont été injectées à température ambiante. A contrario, les solutions d'acétonitrique (acide nitrique + anhydride acétique (Ac2O)) ont été conservées à 0°C, et ce même lors de l'injection, pour éviter leur dégradation. Les débits massiques de solution sont suivis au moyen de deux balances, et la densité des solutions permet de remonter aux débits volumiques. Conditions opératoires 1 (pour les étapes a) et b)) Pression du montage : 10 bars ;
Concentration de l'acide nitrique dans l'anhydride acétique (acide nitrique 99%) : 317 g/L ;
Concentration du pyrazole dans l'anhydride acétique : 342 g/L ;
Débits des solutions (égaux pour les deux solutions) : 1 à 6 mL/min ;
Température de la double enveloppe des microréacteurs Corning : 28 °C ; Température de la boucle de réaction (nitration) : T.A ;
Température de la boucle de réaction (réarrangement thermique) : 200 °C ;
Temps de séjour (nitration) : 15 minutes ;
Temps de séjour (réarrangement thermique) : 10 minutes ;
Temps mort avant collecte : 1 heure.
Matériel 2
Le montage utilisé pour l'étape e) du procédé de préparation du 3,5-DNP est représenté en Figure 2. Le matériel utilisé est le suivant :
1 pompe à piston (FLOM Intelligent Pump UI-22) ;
1 thermocouple (T) ;
1 capteur de pression (P) ;
3 vannes deux voies manuelles ;
1 vanne trois voies manuelle ;
1 régulateur de contre-pression (Zaiput BPR-10) ;
Tubes PFA résistant à 200°C / 10 bar ;
Connectique plastique résistante à 18 bars ;
1 plaque chauffante ;
1 arrivée d'azote gaz ;
1 balance.
Conditions opératoires 2 (pour /'étape e))
Pression du montage : 10 bars ;
Débits de solution : 1 à 6 mL/min ;
Température de la boucle de réaction (réarrangement thermique) : 200 °C ; Temps de séjour : 10 minutes ;
Temps mort avant collecte : 30 minutes.
Exemple 1 : N-acétyl-3-nitropyrazole
En référence à la Figure 1 et aux matériel et conditions opératoires 1, on a introduit en parallèle, dans un premier microréacteur de mélange, d'une part 2,15 mL/min de solution de pyrazole dans l'anhydride acétique (342 g de pyrazole par litre), et d'autre part 2,15 mL/min de solution d'acétonitrique (317 g d'acide nitrique fumant par litre). On a ensuite fait réagir le mélange réactionnel dans un second microréacteur, pendant 15 min à 28°C. Le mélange réactionnel a ensuite été transféré dans un troisième microréacteur pour y subir un traitement thermique (200°C pendant 10 min). A la suite de ce traitement thermique, on a obtenu un mélange réactionnel sous la forme d'un liquide orangé limpide contenant le composé du titre (508 g de mélange réactionnel) qui a été utilisé tel quel. L'analyse par RMN XH de ce milieu a révélé la présence du composé (II) à hauteur de 67% et de /V-Acétylpyrazole à hauteur de 33%.
RMN 1H (N-acétyl-3-nitropyrazole, CD3NO2, 400 MHz, 21°C) : S (ppm) = 8.39 (d, 1H, NC(NO2)CHCHN (Ac), 3JHH = 3.0 Hz), 7.11 (d, 1H, NC(NO2)CHCHN(Ac), 3JHH = 2.9 Hz), 2.76 (s, 3H, CH3).
RMN 1H (N-Acétylpyrazole, CD3NO2, 400 MHz, 21°C) : S (ppm) = 8.26 (d, 1H, N(Ac)C/£HCHN, 3JHH = 2.8 Hz), 7.76 (s(b), 1H, N(Ac)CHCHCflN), 6.52 (dd, 1H, N(Ac)CHC/£HN, 3JHH = 2.8 Hz, 3JHH = 1.6 Hz), 2.65 (s, 3H, CH3).
Exemple 2 : 3-nitropyrazole
Dans un ballon de 2 L, on a placé l'intégralité du mélange réactionnel contenant le N- acétyl-3-nitropyrazole obtenu à l'exemple 1, soit 508 g de solution. On y a ajouté 65 mL d'eau par portions (3,15 équivalents par rapport aux espèces pyrazoles présentes dans le mélange) et le mélange a été chauffé durant lh à 80°C. On a obtenu un mélange réactionnel sous la forme d'un liquide jaune contenant le composé du titre, qui a été utilisé tel quel. Une analyse de celui-ci par RMN JH a révélé une conversion complète du N-acétyl-3-nitropyrazole en 3-nitropyrazole.
RMN XH (3-Nitropyrazole, CD3NO2, 400 MHz, 21°C) : S (ppm) = 7.84 (d, 1H, NC(NO2)CHCHNH, 3JHH = 2.6 Hz), 6.98 (d, 1H, NC(NO2)C/£HNH, 3JHH = 2.6 Hz).
Exemple 3 : 1,3-dinitropyrazole
A l'intégralité du mélange réactionnel obtenu à l'exemple 2, on a ajouté de l'anhydride acétique (430 mL) puis de l'acide nitrique fumant (47,6 mL, 1 équivalent par rapport aux espèces pyrazoles présentes dans le mélange), et on a laissé le mélange réactionnel à température ambiante durant 18 heures. On a obtenu un nouveau mélange réactionnel sous la forme d'un liquide jaune limpide contenant le composé du titre, qui a été utilisé tel quel. Une analyse par RMN du proton a révélé la présence de plusieurs espèces pyrazoles ainsi que leurs proportions relatives :
1,3-Dinitropyrazole (IV) : 52%
/V-Nitropyrazole : 32%
3-Nitropyrazole (III) : 9%
N-acétyl-3-nitropyrazole (II) : 7%
RMN XH (1,3-Dinitropyrazole, CD3NO2, 400 MHz, 21°C) : S (ppm) = 8.64 (d, 1H, NC(NO2)CHCflN(NO2), 3JHH = 3.1 Hz), 7.21 (d, 1H, NC(NO2)CHCHN(NO2), 3JHH = 3.1 Hz).
RMN XH (/V-Nitropyrazole, CD3NO2, 400 MHz, 21°C) : S (ppm) = 8.47 (dd, 1H, N(NO2)CHCHCHN, 3JHH = 3.0 Hz, 4JHH = 0.8 Hz), 7.71 (s(b), 1H, N(NO2)CHCHCflN), 6.61 (dd, 1H, N(NO2)CHC/£HN, 3JHH = 3.0 Hz, 3JHH = 1.7 Hz).
Exemple 4 : 3,5-dinitropyrazole
En référence à la Figure 2 et aux matériel et conditions opératoires 2, on a introduit
4.3 mL/min du mélange réactionnel obtenu à l'exemple 3 contenant le 1,3- dinitropyrazole dans un microréacteur pour effectuer un traitement thermique (200°C pendant 10 min). A la suite de ce traitement thermique, on a obtenu un mélange réactionnel sous la forme d'un liquide orange foncé limpide contenant le composé du titre qui a été évaporé à sec. Le solide récupéré a été broyé dans 130 mL de dichlorométhane. Une filtration suivie de lavages au dichlorométhane (2 x 50 mL) a permis d'isoler le composé du titre pur sous la forme d'un solide blanc (35,9 g, rendement de 27% par rapport au pyrazole de départ).
Caractérisation du produit final :
RMN 1H (3,5-Dinitropyrazole, Acétone d6, 400 MHz, 21°C) : (ppm) = 7.82 (s, 1H, CH). RMN 13C (3,5-Dinitropyrazole, Acétone d6, 100 MHz, 21°C) : (ppm) = 152.4 (CNO2),
100.3 (CH).
DSC (Creuset aluminium 40 pL à couvercle percé, 35 à 400°C, 5°C.min-1) : 170, 4°C (endo, -149.7 J. g-1, fusion), 240.3°C (endo, -315.5 J. g-1, évaporation).

Claims

REVENDICATIONS
Procédé de préparation du 3,5-dinitropyrazole de formule (I) : qui comprend : a) la nitration du pyrazole à l'aide d'acide nitrique et d'un excès d'anhydride acétique par rapport à l'acide nitrique ; b) le traitement thermique, à une température de 160 à 240°C, du mélange obtenu à l'étape a) pour obtenir un mélange contenant le composé de formule (II) : c) l'hydrolyse du mélange obtenu à l'étape b) pour obtenir un mélange contenant le composé de formule (III) : d) la nitration du mélange obtenu à l'étape c) en présence d'anhydride acétique pour obtenir un mélange contenant le composé de formule (IV) :
(IV) ; et e) le traitement thermique du mélange obtenu à l'étape d).
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape a) est effectuée à une température de 0 à 40°C, avantageusement de 20 à 30°C.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel l'étape a) est effectuée pendant une durée de 5 min à lh, avantageusement de 10 min à 40 min.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape a) est effectuée avec 2 à 5 équivalents d'anhydride acétique, pour 1 équivalent d'acide nitrique.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape b) est effectuée pendant une durée de 5 min à lh.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape c) est effectuée à une température de 60 à 120°C.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'étape c) est effectuée pendant une durée de 30 min à 2h.
8. Procédé selon la revendication 6 ou la revendication 7, dans lequel l'étape c) est effectuée avec un excès d'eau par rapport aux espèces pyrazoles présentes dans le mélange obtenu à l'étape b).
9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel l'étape c) est effectuée avec 2 à 5 équivalents d'eau pour 1 équivalent d'espèces pyrazoles.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape d) est effectuée à une température de 20 à 40°C.
11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel l'étape d) est effectuée pendant une durée de 2h à 24h.
12. Procédé selon la revendication 10 ou la revendication 11, dans lequel l'étape d) est effectuée à l'aide d'acide nitrique, avec un excès d'anhydride acétique par rapport à l'acide nitrique.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape e) est effectuée à une température de 160 à 240°C.
14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel dans lequel l'étape e) est effectuée pendant une durée de 5 min à lh.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les étapes a), b) et e), et éventuellement les étapes c) et d), sont effectuées en flux continu.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la nitration est mise en œuvre dans les étapes a) et d) en l'absence de tout réactif et/ou solvant autres que l'anhydride acétique et l'acide nitrique.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le traitement thermique des étapes b) et e) n'est pas effectué par micro-ondes.
18. Procédé de préparation du 3,4,5-trinitropyrazole qui comprend : a) la préparation de 3,5-dinitropyrazole par le procédé tel que défini dans l'une quelconque des revendications 1 à 17, et b) la nitration du 3,5-dinitropyrazole ainsi obtenu.
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