RU2739190C1 - Method of producing high-density and high-energy rocket and aviation fuel based on 2-vinyl norbornane (versions) - Google Patents

Method of producing high-density and high-energy rocket and aviation fuel based on 2-vinyl norbornane (versions) Download PDF

Info

Publication number
RU2739190C1
RU2739190C1 RU2019123424A RU2019123424A RU2739190C1 RU 2739190 C1 RU2739190 C1 RU 2739190C1 RU 2019123424 A RU2019123424 A RU 2019123424A RU 2019123424 A RU2019123424 A RU 2019123424A RU 2739190 C1 RU2739190 C1 RU 2739190C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
norbornanyl
norbornene
energy
density
rocket
Prior art date
Application number
RU2019123424A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Валерьевич Шорунов
Екатерина Сергеевна Пискунова
Вадим Олегович Самойлов
Вячеслав Геннадьевич Певгов
Александр Викторович Кулик
Константин Борисович Рудяк
Антон Львович Максимов
Максим Владимирович Бермешев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН)
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 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН)
Priority to RU2019123424A priority Critical patent/RU2739190C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2739190C1 publication Critical patent/RU2739190C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J31/00Catalysts comprising hydrides, coordination complexes or organic compounds
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C06EXPLOSIVES; MATCHES
    • C06DMEANS FOR GENERATING SMOKE OR MIST; GAS-ATTACK COMPOSITIONS; GENERATION OF GAS FOR BLASTING OR PROPULSION (CHEMICAL PART)
    • C06D5/00Generation of pressure gas, e.g. for blasting cartridges, starting cartridges, rockets
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C2/00Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms
    • C07C2/02Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms by addition between unsaturated hydrocarbons
    • C07C2/04Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing a smaller number of carbon atoms by addition between unsaturated hydrocarbons by oligomerisation of well-defined unsaturated hydrocarbons without ring formation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C5/00Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms
    • C07C5/22Preparation of hydrocarbons from hydrocarbons containing the same number of carbon atoms by isomerisation
    • C07C5/27Rearrangement of carbon atoms in the hydrocarbon skeleton
    • C07C5/31Rearrangement of carbon atoms in the hydrocarbon skeleton changing the number of rings

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: fuel industry.
SUBSTANCE: invention relates to a novel two-step method of synthesis of components of high-density and high-energy rocket and aviation fuel based on 2,2'-bis(norbornanyl), which can be used as high-energy fuel, particularly rocket fuel and for long-range aviation. Described is a method of producing a high-density and high-energy rocket and aviation fuel component based on 2- vinyl norbornane, involving a Diels—Alder thermal reaction of a mixture of exo-/endo-isomers of 2-vinyl norbornane with dicyclopentadiene while heating and subsequent hydrogenation of the obtained mixture of 5-(2'-norbornanyl)norbornene isomers in the presence of hydrogen and a hydrogenation catalyst taken in ratio of 0.5–10 wt %. in relation to 5-(2'-norbornanyl)-norbornene, at room temperature and hydrogen pressure of 30–60 atm (versions).
EFFECT: technical result is high output of obtained high-density and high-energy component of rocket and aviation fuel—2,2'-bis(norbornanyl)—up to 92 % with simplicity of method, which does not require large amounts of catalyst, inert atmosphere or anhydrous reagents.
4 cl, 3 dwg, 1 tbl, 8 ex

Description

Изобретение относится к новому способу синтеза 2,2'-бис(норборнанила), который может быть использован в различных отраслях народного хозяйства и, в частности, в качестве компонента высокоэнергоемкого ракетного или авиационного топлива в том числе для дальней авиации, обладающего комплексом полезных свойств (высокой объемной теплотой сгорания, плотностью и температурой кипения, низкой токсичностью).The invention relates to a new method for the synthesis of 2,2'-bis (norbornanyl), which can be used in various sectors of the national economy and, in particular, as a component of high-energy rocket or aviation fuel, including for long-range aviation, which has a set of useful properties ( high volumetric heat of combustion, density and boiling point, low toxicity).

В настоящее время продолжается активное развитие авиации и космонавтики. В первую очередь это связано, с необходимостью освоения дальних уголков Земли, создания перспективных видов вооружения, а также современных космических информационных комплексов - систем связи, метеорологии, навигации, системы контроля использования природных ресурсов и охраны окружающей среды и многое другое. При этом следует отметить, что развитие авиации и космонавтики невозможно без создания энергоемкого топлива с высоким уровнем эксплуатационных характеристик.At present, the active development of aviation and cosmonautics continues. First of all, this is due to the need to develop the far corners of the Earth, create advanced types of weapons, as well as modern space information systems - communication systems, meteorology, navigation, systems for monitoring the use of natural resources and environmental protection and much more. It should be noted that the development of aviation and astronautics is impossible without the creation of energy-intensive fuel with a high level of performance.

Жидкое топливо широко используется в различных аэрокосмических транспортных средствах, при этом мощность двигателя сильно зависит от свойств применяемого топлива, для которого наиболее важными характеристиками являются высокая плотность, энергетические характеристики, низкие температуры замерзания и вязкость. Воздушные и аэрокосмические транспортные средства сильно ограничены по объему, поэтому их топливные баки должны быть как можно меньше, чтобы оставить достаточно места для электроники, вооружения и других важных компонентов.Liquid fuels are widely used in various aerospace vehicles, and engine power is highly dependent on the properties of the fuel used, for which the most important characteristics are high density, energy characteristics, low freezing points and viscosity. Air and aerospace vehicles are highly limited in volume, so their fuel tanks should be as small as possible to leave enough room for electronics, weaponry, and other critical components.

Одним из наиболее широко используемых видов авиационного топлива, особенно в развитых странах, является экзо-тетрагидродициклопентадиен (JP-10) [Т.J. Bruno, М.L. Huber, A. Laesecke, Е.W. Lemmon, R.A. Perkins. Thermochemical and thermophysical properties of JP-10. National Institute of Standards and Technology Internal Report. June 2006.]. Низкая температура замерзания (-79°C), высокие температура вспышки (54°С) и плотность (0.92-0.93 г/см3) удовлетворяют требованиям к его применению как на малых, так и на больших высотах.One of the most widely used aviation fuels, especially in developed countries, is exo-tetrahydrodicyclopentadiene (JP-10) [T.J. Bruno, M.L. Huber, A. Laesecke, E. W. Lemmon, RA Perkins. Thermochemical and thermophysical properties of JP-10. National Institute of Standards and Technology Internal Report. June 2006.]. Low freezing point (-79 ° C), high flash point (54 ° C) and density (0.92-0.93 g / cm 3 ) satisfy the requirements for its use at both low and high altitudes.

Несмотря на значительное количество работ, посвященных методам синтеза экзо-тетрагидродициклопентадиена, поиск более эффективных и безопасных синтетических подходов по прежнему остается актуальной задачей.Despite a significant number of works devoted to methods for the synthesis of exo-tetrahydrodicyclopentadiene, the search for more efficient and safer synthetic approaches remains an urgent task.

Также остается актуальной задачей разработка новых высокоэнергоемких топлив, превосходящих JP-10 по плотности, теплоте сгорания, экономичности и безопасности получения и хранения.The development of new high-energy-consuming fuels that exceed JP-10 in density, heat of combustion, efficiency and safety of production and storage also remains an urgent task.

Одним из таких топлив может быть 2,2'-биснорборнанил, содержащий два напряженных бициклических фрагмента, обладающих высокой энергоемкостью (19-20 ккал/моль), лишь немного уступающей высоконапряженным малым циклам - циклопропану и циклобутану (26-28 ккал/моль), и обусловленной высвобождением дополнительной тепловой энергии при разрыве напряженных С-С связей в процессе горения.One of these fuels can be 2,2'-bisnorbornanyl, containing two strained bicyclic fragments with high energy content (19-20 kcal / mol), only slightly inferior to highly stressed small cycles - cyclopropane and cyclobutane (26-28 kcal / mol), and due to the release of additional thermal energy upon rupture of strained C-C bonds during combustion.

Figure 00000001
Figure 00000001

Кроме того, 2,2'-биснорборнанил может существовать в виде 3 структурных изомеров, и в случае получения смеси изомеров, последняя будет иметь более низкую температуру плавления, что является важным критерием для высокоэнергоемкого топлива.In addition, 2,2'-bisnorbornanyl can exist in the form of 3 structural isomers, and if a mixture of isomers is obtained, the latter will have a lower melting point, which is an important criterion for a high-energy fuel.

Описанные в настоящее время в литературе способы получения 2,2'-бис(норборнанила) используют реакции металлокомплексного катализа. Недостатками представленных в литературе подходов к синтезу 2,2'-бис(норборнанила) являются недостаточный выход целевого продукта, необходимость использования дорогостоящих катализаторов, содержащих сложные лиганды, высокие концентрации катализатора в смеси, проведение синтеза в инертной атмосфере, а также в некоторых случаях использование металлоорганических реагентов в стехиометрических количествах.Methods for producing 2,2'-bis (norbornanyl) currently described in the literature use metal complex catalysis reactions. The disadvantages of the approaches to the synthesis of 2,2'-bis (norbornanyl) presented in the literature are the insufficient yield of the target product, the need to use expensive catalysts containing complex ligands, high catalyst concentrations in the mixture, synthesis in an inert atmosphere, and in some cases the use of organometallic reagents in stoichiometric amounts.

Способы получения 2,2'-бис(норборнанила).Methods for preparing 2,2'-bis (norbornanyl).

В работе [A. Tenaglia, Е. Terranova, В. Waegell. Nickel-catalyzed dimerization of norbornene. // Journal of Molecular Catalysis. 1987. T. 40. C. 281-287] описан синтез (экзо-/эндо-2,2'-бис(норборнанила) гидрированием 2-(экзо-2'-норборнанил)норборнена. Последний был получен по двухстадийной схеме с суммарным выходом 38% димеризацией 2-норборнена в присутствии комплексов Ni и последующим гидрированием водородом на платиновом катализаторе. В предложенном методе используется большие загрузки никелевого катализатора, что ограничивает возможности этого подхода.In [A. Tenaglia, E. Terranova, B. Waegell. Nickel-catalyzed dimerization of norbornene. // Journal of Molecular Catalysis. 1987. T. 40. P. 281-287] describes the synthesis (exo / endo-2,2'-bis (norbornanyl) by hydrogenation of 2- (exo-2'-norbornanyl) norbornene. The latter was obtained according to a two-step scheme with a total 38% yield by dimerization of 2-norbornene in the presence of Ni complexes followed by hydrogenation with hydrogen on a platinum catalyst The proposed method uses large loads of nickel catalyst, which limits the possibilities of this approach.

Figure 00000002
Figure 00000002

В работе [А.В. Кучин, Р.А. Нурушев, Л.М. Халилов, Г.А. Толстиков. Сравнительное исследование стерео- и региоселективности гидроалюминирования различными реагентами олефинов норборнановой структуры. // Журнал общей химии. 1987. Т. 57. С. 1763-1768] описан синтез смеси экзо-/эндо- изомеров 2,2'-бис(норборнанила) гидроалюминированием 2-норборнена в присутствии ZrCl4, с последующим окислением полученного алана кислородом и гидролизом. Предложенный подход не позволяет получать 2,2'-бис(норборнанил) с приемлемыми выходами.In the work [A.V. Kuchin, R.A. Nurushev, L.M. Khalilov, G.A. Tolstikov. Comparative study of the stereo- and regioselectivity of hydroalumination with various reagents of olefins of norbornane structure. // Journal of General Chemistry. 1987. V. 57. S. 1763-1768] describes the synthesis of a mixture of exo / endo isomers of 2,2'-bis (norbornanyl) by hydroalumination of 2-norbornene in the presence of ZrCl 4 , followed by oxidation of the resulting alane with oxygen and hydrolysis. The proposed approach does not allow to obtain 2,2'-bis (norbornanyl) in acceptable yields.

Figure 00000003
Figure 00000003

В работе [J.Е. Corey, X.Н. Zhu. Reaction of hydrosilanes and olefins in the presence of Cp2MCl2/n-BuLi. // Organometallics. 1992. Т. 11. C. 672-683] описан синтез смеси экзо-/эндо- изомеров 2,2'-бис(норборнанила) димеризацией 2-норборнена в присутствии системы ди-н-пропилсилан/титаноцендихлорид/н-бутиллитий. Хотя данный метод является одностадийным, целевой продукт получается с очень низкими выходами и при этом используются большие загрузки катализатора и н-бутиллития.In [J.E. Corey, H.H. Zhu. Reaction of hydrosilanes and olefins in the presence of Cp 2 MCl 2 / n-BuLi. // Organometallics. 1992. T. 11. C. 672-683] describes the synthesis of a mixture of exo / endo isomers of 2,2'-bis (norbornanyl) by dimerization of 2-norbornene in the presence of a system of di-n-propylsilane / titanocene dichloride / n-butyllithium. Although this method is a one-step method, the target product is obtained in very low yields and at the same time, large loads of catalyst and n-butyllithium are used.

Figure 00000004
Figure 00000004

В работе [S. Derien, J.С. Clinet, Е. Dunach, J. Perichon. Electrochemical incorporation of carbon dioxide into alkenes by nickel complexes. // Tetrahedron. 1992. T. 48. C. 5235-5248] описано получение смеси экзо-/эндо- изомеров 2,2'-бис(норборнанила) при электролизе норборнена в присутствии CO2 и никелевых комплексов, вероятно по радикальному механизму. Предложенный авторами подход позволил получить целевой 2,2'-бис(норборнанил) в одну стадию со средним выходом, однако для достижения данного результата необходимо использовать катализатор практически как реагент (20 мол. %), что не представляет интерес для дальнейшего использования.In [S. Derien, J.C. Clinet, E. Dunach, J. Perichon. Electrochemical incorporation of carbon dioxide into alkenes by nickel complexes. // Tetrahedron. 1992. T. 48. C. 5235-5248] describes the preparation of a mixture of exo / endo isomers of 2,2'-bis (norbornanyl) by electrolysis of norbornene in the presence of CO 2 and nickel complexes, probably by a radical mechanism. The approach proposed by the authors made it possible to obtain the target 2,2'-bis (norbornanyl) in one stage with an average yield; however, to achieve this result, it is necessary to use the catalyst practically as a reagent (20 mol%), which is not of interest for further use.

Figure 00000005
Figure 00000005

В работе [Y.L. Chow, X.Е. Cheng. The reaction pattern of norbornene with excited states carbonyl compounds: photochemical preparations of norbornene derivatives. // Research on chemical intermediates. 1993. T. 19. C. 211-234] описано получение смеси жзо-/эндо- изомеров 2,2'-бис(норборнанила) при УФ фотолизе норборнена в гексане в присутствии триплетных сенсибилизаторов, например, бензофенон. Недостатками метода являются как низкие выходы продукта, так и необходимость использования ультрафиолета и специального кварцевого реактора.In [Y.L. Chow, X.E. Cheng. The reaction pattern of norbornene with excited states carbonyl compounds: photochemical preparations of norbornene derivatives. // Research on chemical intermediates. 1993. T. 19. C. 211-234] describes the preparation of a mixture of lzo- / endo-isomers of 2,2'-bis (norbornanyl) by UV photolysis of norbornene in hexane in the presence of triplet sensitizers, for example, benzophenone. The disadvantages of this method are both low product yields and the need to use ultraviolet radiation and a special quartz reactor.

Figure 00000006
Figure 00000006

В работе [U.М. Dzhemilev, R.М. Sultanov, R.G. Gaimaldinov. Catalytic synthesis and transformations of magnesacycloalkanes. 3. Cyclomagnesation of norbornenes catalyzed by Cp2ZrCl2. // Russian Chemical Bulletin. 1993. T. 42. C. 149-153] описано получение смеси экзо-/эндо-изомеров 2,2'-бис(норборнанила) реакцией 2-норборнена с дипропилмагнием, в присутствии Cp2ZrCl2, с последующим кислотным гидролизом. Данный метод позволяет получить 2,2'-бис(норборнанил) с хорошим выходом в две стадии, но для реакции требуются большие загрузки катализатора и реактива Гриньяра, а также реакцию необходимо проводить в инертной атмосфере и в сухих растворителях. Это существенно ограничивает потенциал данной схемы превращения.In the work [U.М. Dzhemilev, R. M. Sultanov, RG Gaimaldinov. Catalytic synthesis and transformations of magnesacycloalkanes. 3. Cyclomagnesation of norbornenes catalyzed by Cp 2 ZrCl 2 . // Russian Chemical Bulletin. 1993. T. 42. C. 149-153] describes the preparation of a mixture of exo / endo-isomers of 2,2'-bis (norbornanyl) by the reaction of 2-norbornene with dipropyl magnesium, in the presence of Cp 2 ZrCl 2 , followed by acid hydrolysis. This method allows to obtain 2,2'-bis (norbornanyl) in good yield in two stages, but the reaction requires large loads of catalyst and Grignard reagent, and the reaction must also be carried out in an inert atmosphere and in dry solvents. This significantly limits the potential of this transformation scheme.

Figure 00000007
Figure 00000007

В работе [D.J. Huang, С.Н. Cheng. [2+2] Dimerization of norbornadiene and its derivatives in the presence of nickel complexes and zinc metal. // Journal of organometallic chemistry. 1995. T. 490. C.C1-C7] описано получение смеси экзо-/эндо- изомеров 2,2'-бис(норборнанила) восстановительной димеризацией 2-норборнена цинком, в присутствии NiCl2(PPh3)2. Низкие выходы и большие загрузки катализатора заметно снижают возможности этого подхода.In the work [DJ Huang, S.N. Cheng. [2 + 2] Dimerization of norbornadiene and its derivatives in the presence of nickel complexes and zinc metal. // Journal of organometallic chemistry. 1995. T. 490. C. C1-C7] describes the preparation of a mixture of exo / endo isomers of 2,2'-bis (norbornanyl) by reductive dimerization of 2-norbornene with zinc, in the presence of NiCl 2 (PPh 3 ) 2 . Low yields and high catalyst loadings markedly reduce the possibilities of this approach.

Figure 00000008
Figure 00000008

В работе [A. Malinowska, I. Czelusniak, М. Gorski, Т. Szymanska-Buzar. W(II)-Catalyzed hydroarylation of bicycle[2.2.1]-hept-2-ene by simple arenes. // Tetrahedron Letters. 2005. T. 46. C. 1427-1431] описано получение смеси экзо-/эндо- изомеров 2,2'-бис(норборнанила) реакцией 2-норборнена с гетеробиметаллическим комплексом (CO)4W(Cl)3W(SnCl3)(CO)3 в хлорбензоле. Целевое соединение получено с хорошим выходом. Однако для достижения таких выходов необходимо использовать большие загрузки вольфрамового катализатора и олово-содержащего сокатализатора.In [A. Malinowska, I. Czelusniak, M. Gorski, T. Szymanska-Buzar. W (II) -Catalyzed hydroarylation of bicycle [2.2.1] -hept-2-ene by simple arenes. // Tetrahedron Letters. 2005. T. 46. C. 1427-1431] describes the preparation of a mixture of exo / endo isomers of 2,2'-bis (norbornanyl) by the reaction of 2-norbornene with a heterobimetallic complex (CO) 4 W (Cl) 3 W (SnCl 3 ) (CO) 3 in chlorobenzene. The target compound was obtained in good yield. However, to achieve such yields, it is necessary to use large loads of tungsten catalyst and tin-containing cocatalyst.

Figure 00000009
Figure 00000009

Получение 2,2'-бис(норборнанила) гидрированием смеси экзо/эндо изомеров 5-(2'-норборнанил)-норборненаPreparation of 2,2'-bis (norbornanyl) by hydrogenation of a mixture of exo / endo isomers of 5- (2'-norbornanyl) -norbornene

Общим недостатком всех описанных технических решений получения 2,2'-бис(норборнанила) является использование дорогостоящих ктатализаторов, магний- или литийорганических соединений, а в ряде случаев низкие выходы продукта. (3-5%).A common disadvantage of all the described technical solutions for obtaining 2,2'-bis (norbornanyl) is the use of expensive catalysts, magnesium or organolithium compounds, and in some cases low product yields. (3-5%).

Кроме того, синтез проводят в инертной атмосфере с использованием абсолютных (не содержащих воду и растворенный кислород) растворителей.In addition, the synthesis is carried out in an inert atmosphere using absolute (not containing water and dissolved oxygen) solvents.

Из представленного анализа научной и патентной литературы видно, что наиболее высокий выход 2,2'-бис(норборнанила) достигается при двухстадийном синтезе исходя из норборнена с использованием цирконоценового катализатора и магнийорганического соединения.From the presented analysis of scientific and patent literature, it can be seen that the highest yield of 2,2'-bis (norbornanyl) is achieved in a two-stage synthesis starting from norbornene using a zirconocene catalyst and an organomagnesium compound.

В работе [A. Bell, L. Langsdorf, О. Burtovyy. Cycloalkylnorbornene monomers, polymers derived therefrom and their use in pervaporation. // Patent. WO 2014/025735 A1] описано получение смеси изомеров 5-(2'-норборнанил)-норборнена по термической реакции Дильса-Альдера из смеси экзо-/эндо-томеров 2-винилнорборнана (далее ВНБа) с дициклопентадиеном с выходом продуктов 55%.In [A. Bell, L. Langsdorf, O. Burtovyy. Cycloalkylnorbornene monomers, polymers derived therefrom and their use in pervaporation. // Patent. WO 2014/025735 A1] describes the preparation of a mixture of isomers of 5- (2'-norbornanyl) -norbornene by the thermal Diels-Alder reaction from a mixture of exo / endotomers of 2-vinylnorbornane (hereinafter VNBa) with dicyclopentadiene with a product yield of 55%.

Однако, полученный продукт не может быть использован в качестве топлива или его компонента.However, the resulting product cannot be used as a fuel or its component.

Задача настоящего изобретения заключается в разработке экономичного и удобного способа получения 2,2'-бис(норборнанила) с высоким выходом и чистотой с возможностью применения его в качестве высокоплотного и высокоэнергоемкого и компонента авиационного и реактивного топлива.The objective of the present invention is to develop an economical and convenient method for producing 2,2'-bis (norbornanyl) with high yield and purity, with the possibility of using it as a high-density and high-energy component and a component of aviation and jet fuel.

Поставленная задача решается тем, что предложен способ получения компонента высокоплотного и высокоэнергоемкого ракетного и авиационного топлива на основе 2-винилнорборнана, (БНБА) включающий проведение термической реакции Дильса-Альдера смеси экзо-/эндо-томеров 2-винилнорборнана (далее ВНБа) с дициклопентадиеном при нагревании и последующее гидрирование полученной смеси изомеров 5-(2`-норборнанил)-норборнена (далее ВНБ-ВНБа) в присутствии водорода и катализатора гидрирования, взятом в соотношении 0,5-10% масс. по отношению к 5-(2`-норборнанил)-норборнену при комнатной температуре и давлении водорода 30-60 атм.The problem is solved by the fact that a method is proposed for producing a component of high-density and high-energy rocket and aviation fuel based on 2-vinylnorbornane (BNBA), which includes carrying out the thermal Diels-Alder reaction of a mixture of exo / endotomers of 2-vinylnorbornane (hereinafter VNBa) with dicyclopentadiene at heating and subsequent hydrogenation of the resulting mixture of isomers of 5- (2`-norbornanyl) -norbornene (hereinafter VNB-VNBa) in the presence of hydrogen and a hydrogenation catalyst, taken in a ratio of 0.5-10 wt%. in relation to 5- (2'-norbornanyl) -norbornene at room temperature and a hydrogen pressure of 30-60 atm.

По второму варианту осуществления изобретения предложен способ получения компонента высокоплотного и высокоэнергоемкого ракетного и авиационного топлива на основе 2- винилнорборнана, включающий проведение термической реакции Дильса-Альдера смеси экзо-/эндо-изомеров 2-винилнорборнана с дициклопентадиеном при нагревании и последующее гидрирование полученной смеси изомеров 5-(2`-норборнанил)-норборнена в присутствии гидразин-гидрата, воздуха, катализатора разложения гидразина и катализатора гидрирования, взятом в соотношении 0,5-10% масс. по отношению к 5-(2`-норборнанил)-норборнену при комнатной температуре и давлении водорода 30-60 атм.According to a second embodiment of the invention, a method for producing a component of a high-density and high-energy rocket and aviation fuel based on 2-vinylnorbornane is proposed, including carrying out a thermal Diels-Alder reaction of a mixture of exo / endo isomers of 2-vinylnorbornane with dicyclopentadiene upon heating and subsequent hydrogenation of the resulting mixture of isomers 5 - (2`-norbornanyl) -norbornene in the presence of hydrazine hydrate, air, hydrazine decomposition catalyst and hydrogenation catalyst, taken in a ratio of 0.5-10 wt%. in relation to 5- (2'-norbornanyl) -norbornene at room temperature and a hydrogen pressure of 30-60 atm.

В обоих вариантах в качестве катализатора гидрирования используют гетерогенный катализатор на основе переходного металла, нанесенного на носитель, в том числе выбранный из ряда палладий на углеродном носителе, платина на углеродном носителе, никель Ренея.In both embodiments, a heterogeneous catalyst based on a transition metal supported on a support, including palladium on a carbon support, platinum on a carbon support, and Raney nickel, is used as a hydrogenation catalyst.

Реакция протекает, как указано ниже. При проведении первой стадии выход ВНБ-ВНБа составил 55%. Анализ методом хромато-масс спектрометрии позволил установить, что продуктом реакции являются три изомера 5-(2`-норборнанил)-норборнена, образующиеся в соотношенииThe reaction proceeds as follows. During the first stage, the yield of VNB-VNB was 55%. Analysis by gas chromatography-mass spectrometry made it possible to establish that the reaction product is three isomers of 5- (2`-norbornanyl) -norbornene, formed in the ratio

спектрометрии позволил установить, что продуктом реакции являются три изомера 5-(2'-норборнанил)-норборнена, образующиеся в соотношении 33/47/20. Эти соединения имеют близкие времена удерживания и практически одинаковые масс-спектры. Мы предполагаем, что полученные изомеры являются смесью экзо/эндо, эндо/экзо и эндо/эндо изомеров, при этом экзо/экзо изомер, как наиболее напряженный, в процессе реакции не образуется.spectrometry made it possible to establish that the reaction product is three isomers of 5- (2'-norbornanyl) -norbornene, formed in a ratio of 33/47/20. These compounds have close retention times and almost identical mass spectra. We assume that the obtained isomers are a mixture of exo / endo, endo / exo, and endo / endo isomers, while the exo / exo isomer, as the most stressed, is not formed during the reaction.

При гидрировании полученной смеси изомеров 5-(2'-норборнил)-норборнена водородом в присутствии Pd на активированном угле при комнатной температуре, в гексане, с выходом 91% образуется смесь уже двух изомеров 2,2'-биснорборнана в соотношении 69/31 (ГЖХ).Hydrogenation of the resulting mixture of 5- (2'-norbornyl)-norbornene isomers with hydrogen in the presence of Pd on activated carbon at room temperature, in hexane, with a yield of 91%, gives a mixture of two 2,2'-bisnorbornane isomers in the ratio 69/31 ( GLC).

Figure 00000010
Figure 00000010

Технический результат - возможность получения высокоплотного и высокоэнергоемкого компонента ракетного и авиационного топлива - 2,2'-бис(норборнанила) с высоким выходом - до 92% при простоте способа.The technical result is the possibility of obtaining a high-density and high-energy component of rocket and aviation fuel - 2,2'-bis (norbornanyl) with a high yield - up to 92% with the simplicity of the method.

Следует отметить, что предложенный нами способ получения 2,2'-бис(норборнанила) не требует инертной атмосферы, использования металлоорганических соединений, дорогостоящих катализаторов. Синтез осуществляется в две стадии. Исходный 2-винилнорборнан (ВНБа) был получен по разработанной нами ранее методике [S.V. Shorunov, Е.S. Piskunova, V.A. Petrov, V.I. Bykov, M.V. Bermeshev. Selective hydrogenation of 5-vinyl-2-norbornene to 2-vinylnorbomane. // Petroleum Chemistry. 2018. T. 58. C. 1056-1063]. ВНБА состоит из смеси экзо-/эндо-изомеров с соотношением 30/70. При селективном гидрировании эндоциклической двойной связи образуется смесь экзо-/эндо-2-винилнорборнана с тем же соотношением изомеров. При введении смеси экзо-/эндо-2-винилнорборнана в реакцию Дильса-Альдера с дициклопентадиеном получается смесь трех изомеров 2-(2-норборнил)-5-норборнена, при гидрировании которой получается смесь 2 изомеров 2,2'-бис(норборнанила), имеющая более низкую температуру плавления, чем индивидуальные изомеры. Данная смесь может быть использована в качестве высокоэнергетического компонента ракетных и авиационных топлив.It should be noted that our proposed method for producing 2,2'-bis (norbornanyl) does not require an inert atmosphere, the use of organometallic compounds, or expensive catalysts. The synthesis is carried out in two stages. The original 2-vinylnorbornane (VNBa) was obtained by the previously developed method [S.V. Shorunov, E.S. Piskunova, V.A. Petrov, V.I. Bykov, M.V. Bermeshev. Selective hydrogenation of 5-vinyl-2-norbornene to 2-vinylnorbomane. // Petroleum Chemistry. 2018. T. 58. C. 1056-1063]. VNBA consists of a mixture of exo / endo isomers with a ratio of 30/70. Selective hydrogenation of the endocyclic double bond results in a mixture of exo / endo-2-vinylnorbornane with the same isomer ratio. When a mixture of exo / endo-2-vinylnorbornane is introduced into the Diels-Alder reaction with dicyclopentadiene, a mixture of three isomers of 2- (2-norbornyl) -5-norbornene is obtained, the hydrogenation of which gives a mixture of 2 isomers of 2,2'-bis (norbornanyl) having a lower melting point than the individual isomers. This mixture can be used as a high-energy component of rocket and aviation fuels.

Нижеследующие примеры иллюстрируют предлагаемое изобретение.The following examples illustrate the invention.

Получение 2,2’-бис(норборнанила)Getting 2,2'-bis (norbornanyl)

Материалы, подготовка реагентов и растворителейMaterials, preparation of reagents and solvents

Все используемые в работе растворители, а также сульфат меди(II) были закуплены в компании «Компонент-Реактив» и использовались без предварительной очистки.All solvents used in the work, as well as copper (II) sulfate, were purchased from Komponent-Reaktiv and were used without preliminary purification.

Методы исследованийResearch methods

ЯМР спектры регистрировали на ЯМР-спектрометрах Varian Inova 500, Bruker Avance DRX 400 и на BrukerMSL-300. Для 1Н-ЯМР-спектров частота регистрации 499.8 МГц, 400,1 МГц и 300 МГц соответственно. Сигналы в спектрах 1Н относили по остаточным протонам CDCl3 (7.24 м.д.).NMR spectra were recorded on Varian Inova 500, Bruker Avance DRX 400 and BrukerMSL-300 NMR spectrometers. For 1 H-NMR spectra, the recording frequencies are 499.8 MHz, 400.1 MHz and 300 MHz, respectively. The signals in the 1 H spectra were assigned to the residual protons of CDCl 3 (7.24 ppm).

Хромато-масс-спектрометрический анализ проводили на газовом хромато-масс-спектрометре Finnigan МАТ 95 XL (энергия ионизации 70 эВ, диапазон масс 20-800 а.е.м., разрешение 1000, температура источника 200°С, скорость сканирования 1 с/декада масс) и хроматографе HP 6890+ с капиллярной колонкой 30 м×0.25 мм с фазой DB-5 (полидиметилсилоксан, содержащий 5% фенильных групп), газ-носитель - гелий (деление потока 1:30).Chromato-mass spectrometric analysis was carried out on a Finnigan MAT 95 XL gas chromatography-mass spectrometer (ionization energy 70 eV, mass range 20-800 amu, resolution 1000, source temperature 200 ° C, scan rate 1 s / ten masses) and an HP 6890+ chromatograph with a 30 m × 0.25 mm capillary column with a DB-5 phase (polydimethylsiloxane containing 5% phenyl groups), carrier gas helium (flow division 1:30).

Газохроматографический анализ проводили на газовом хроматографе Кристалл 5000 с капиллярной колонкой SGE Analytical Science и пламенно-ионизационным детектором (ПИД). Длина колонки 25 м×0.32 мм, фаза - НТЕ8 (полисилоксанкарборан, содержащий 8% фенильных групп), газ-носитель - азот. Параметры ПИД: температура на детекторе - 200°С, расход водорода - 25 мл/мин, расход воздуха - 250 мл/мин, расход азота - 25 мл/мин. Параметры колонки: температура термостатирования колонки - 40°С, давление газа-носителя - 71.519 кПа, поток газа-носителя - 2.5 мл/мин, скорость газа-носителя - 39.7 см/с, сбросной расход 30 мл/мин. Температура на испарителе - 250°С.Gas chromatographic analysis was performed on a Kristall 5000 gas chromatograph with an SGE Analytical Science capillary column and a flame ionization detector (FID). Column length 25 m × 0.32 mm, phase HTE8 (polysiloxanecarborane containing 8% phenyl groups), carrier gas nitrogen. PID parameters: temperature at the detector - 200 ° С, hydrogen flow rate - 25 ml / min, air flow rate - 250 ml / min, nitrogen flow rate - 25 ml / min. Column parameters: column temperature control - 40 ° С, carrier gas pressure - 71.519 kPa, carrier gas flow - 2.5 ml / min, carrier gas velocity - 39.7 cm / s, discharge flow - 30 ml / min. Evaporator temperature - 250 ° С.

Пример 1.Example 1.

Этап отмеривания и смешения реагентов, проведения реакции Дильса-Альдера между дициклопентадиеном (ДЦПД) и 4-х кратным количеством ВНБа и отгонки непрореагироваешего ВНБа.The stage of measuring and mixing the reagents, carrying out the Diels-Alder reaction between dicyclopentadiene (DCPD) and a 4-fold amount of VNBa and distillation of unreacted VNBa.

Реакцию Дильса-Альдера между ДЦПД и ВНБа проводят аналогично ранее опубликованной процедуре [A. Bell, L. Langsdorf, О. Burtovyy. Cycloalkylnorbornene monomers, polymers derived therefrom and their use in pervaporation. // Patent. WO 2014/025735 А1]. В стальной автоклав объемом 2000 мл, снабженный магнитной мешалкой, завинчивающейся горловиной для ввода реагентов, нагревательной рубашкой, термопарой, манометром и патрубком для подсоединения баллона с водородом с редуктором (патрубок для водорода используют на следующей стадии гидрирования, на данной стадии его перекрывают) загружают 600 мл (504 г, 4.1 моль) ВНБа, 140 мл (137.2 г, 1.03 моль) ДЦПД и 10 г гидрохинона. Перемешивают реакционную массу со скоростью 50 об/мин и нагревают до 220°С. Нагревание продолжают в течение 4 часов. Спустя 4 часа прекращают нагревание, дают реакционной смеси остыть и отбирают через горловину шприцом, снабженным длинной иглой, аликвоту (~0.05 мл), выливают аликвоту в чистый пузырек емкостью 4-8 мл, с завинчивающейся крышкой, содержащий 3 мл гексана, закрывают пузырек крышкой, встряхивают, и вкалывают 1 мкл полученного раствора реакционной смеси в гексане в газовый хроматограф. Для газохроматографического анализа используют газовый хроматограф «Хроматэк-Кристалл-5000» исполнение 2 с капиллярной колонкой «SGE Analytical Science)) и пламенно-ионизационным детектором (ПИД). Длина колонки 25 м×0.32 мм, фаза - НТЕ8 (полисилоксанкарборан, содержащий 8% фенильных групп), газ-носитель - азот. Параметры ПИД: температура на детекторе - 200°С, расход водорода - 25 мл/мин, расход воздуха - 250 мл/мин, расход азота - 25 мл/мин. Параметры колонки: температура термостатирования колонки - 40°С, давление газа-носителя - 71.519 кПа, поток газа-носителя - 2.5 мл/мин, скорость газа-носителя - 39.7 см/с, сбросной расход 30 мл/мин. Температура на испарителе - 250°С. В реакционной смеси должны содержаться непрореагировавший ВНБа, этилнорборнан, продукт и незначительное количество примесей. Реакционную смесь передавливают сжатым воздухом из горловины для ввода реагентов в прибор для перегонки - колбу Кляйзена емкостью 1000 мл, снабженную дефлегматором, нисходящим холодильником, аллонжем и приемником и отгоняют непрореагировавший ВНБа и этилнорборнан при 50 мм, собирая фракцию, кипящую в интервале 60-80°С. Выход, как правило, составляет 270-300 г. Кубовый остаток (340-370 г) сохраняют вместе с колбой.The Diels-Alder reaction between DCPD and VNBa is carried out similarly to the previously published procedure [A. Bell, L. Langsdorf, O. Burtovyy. Cycloalkylnorbornene monomers, polymers derived therefrom and their use in pervaporation. // Patent. WO 2014/025735 A1]. In a steel autoclave with a volume of 2000 ml, equipped with a magnetic stirrer, a screw neck for introducing reagents, a heating jacket, a thermocouple, a pressure gauge and a pipe for connecting a hydrogen cylinder with a reducer (a pipe for hydrogen is used in the next stage of hydrogenation, at this stage it is closed) 600 ml (504 g, 4.1 mol) VNBa, 140 ml (137.2 g, 1.03 mol) DCPD and 10 g hydroquinone. The reaction mass is stirred at a speed of 50 rpm and heated to 220 ° C. Heating is continued for 4 hours. After 4 hours, the heating is stopped, the reaction mixture is allowed to cool, and an aliquot (~ 0.05 ml) is taken through the throat with a syringe equipped with a long needle, the aliquot is poured into a clean vial with a capacity of 4-8 ml, with a screw cap, containing 3 ml of hexane, close the vial with a lid , shake, and inject 1 μl of the resulting solution of the reaction mixture in hexane into the gas chromatograph. Gas chromatograph "Chromatek-Kristall-5000" version 2 with a capillary column "SGE Analytical Science") and a flame ionization detector (FID) are used for gas chromatographic analysis. Column length 25 m × 0.32 mm, phase HTE8 (polysiloxanecarborane containing 8% phenyl groups), carrier gas nitrogen. PID parameters: temperature at the detector - 200 ° С, hydrogen flow rate - 25 ml / min, air flow rate - 250 ml / min, nitrogen flow rate - 25 ml / min. Column parameters: column temperature control - 40 ° С, carrier gas pressure - 71.519 kPa, carrier gas flow - 2.5 ml / min, carrier gas velocity - 39.7 cm / s, discharge flow - 30 ml / min. Evaporator temperature - 250 ° С. The reaction mixture should contain unreacted VNBa, ethylnorbornane, the product and a small amount of impurities. The reaction mixture is squeezed with compressed air from the throat for introducing the reagents into the distillation apparatus - a 1000 ml Claisen flask equipped with a reflux condenser, a descending condenser, an allonge and a receiver and the unreacted VNBa and ethylnorbornane are distilled off at 50 mm, collecting the fraction boiling in the range 60-80 ° FROM. The yield is usually 270-300 g. Bottom residue (340-370 g) is kept together with the flask.

Этап повторного введения отогнавшегося ВНБа в реакцию с рассчитанным количеством ДЦПД и отгонки непрореагировавшего ВНБа.The stage of re-introduction of the distilled VNBa into the reaction with the calculated amount of DCPD and distillation of the unreacted VNBa.

Отогнанную смесь ВНБа и этилнорборнана помещают обратно в автоклав, добавляют новую порцию ДЦПД, объем которой рассчитывается по формуле МВНБа×0.27, где МВНБа масса отогнанного из реакции ВНБа и 5 г гидрохинона. Перемешивают реакционную массу со скоростью 50 об/мин и нагревают до 220°С. Нагревание продолжают в течение 4 часов. Спустя 4 часа прекращают нагревание, дают реакционной смеси остыть, отбирают аликвоту, анализируют, как это описано на этапе 4.1 и передавливают реакционную смесь сжатым воздухом из горловины для ввода реагентов в прибор для перегонки, использовавшийся ранее, снабженный колбой Кляйзена емкостью 500 мл, дефлегматором, нисходящим холодильником, аллонжем и приемником и отгоняют непрореагировавший ВНБа и этилнорборнан при 50 мм, собирая фракцию, кипящую в интервале 60-80°С. Выход, как правило, составляет около 150-160 г. Кубовый остаток (220-230 г) объединяют с кубовым остатком, полученным после первой реакции конденсации в колбе Кляйзена емкостью 1500 мл. Для перенесения кубовых остатков, обладающих большой вязкостью можно разбавить их небольшим количеством гексана до приемлемой консистенции.The distilled mixture of VNBa and ethylnorbornane is placed back into the autoclave, a new portion of DCPD is added, the volume of which is calculated by the formula M VNBa × 0.27, where M VNB is the mass of VNBa distilled from the reaction and 5 g of hydroquinone. The reaction mass is stirred at a speed of 50 rpm and heated to 220 ° C. Heating is continued for 4 hours. After 4 hours, the heating is stopped, the reaction mixture is allowed to cool, an aliquot is taken, analyzed as described in step 4.1, and the reaction mixture is squeezed with compressed air from the throat for introducing the reagents into the distillation apparatus used previously, equipped with a 500 ml Claisen flask, a reflux condenser, a descending condenser, an allonge and a receiver and unreacted VNBa and ethylnorbornane are distilled off at 50 mm, collecting a fraction boiling in the range of 60-80 ° C. The yield is usually about 150-160 g. The bottoms (220-230 g) are combined with the bottoms obtained after the first condensation reaction in a 1500 ml Claisen flask. To transfer bottoms with high viscosity, you can dilute them with a small amount of hexane to an acceptable consistency.

Этап заключительного введения отогнавшегося ВНБа в реакцию с рассчитанным количеством ДЦПД.The stage of the final introduction of the distilled VNB into the reaction with the calculated amount of DCPD.

Отогнанную смесь ВНБа и этилнорборнана помещают обратно в автоклав, добавляют новую порцию ДЦПД, объем которой рассчитывается по формуле МВНБа×0.27, где МВНБа масса отогнанного из реакции ВНБа и 5 г гидрохинона. Перемешивают реакционную массу со скоростью 50 об/мин и нагревают до 220°С. Нагревание продолжают в течение 4 часов. Спустя 4 часа прекращают нагревание, дают реакционной смеси остыть, отбирают аликвоту, анализируют, как это описано и приступают к следующей стадии.The distilled mixture of VNBa and ethylnorbornane is placed back into the autoclave, a new portion of DCPD is added, the volume of which is calculated by the formula M VNBa × 0.27, where M VNB is the mass of VNBa distilled from the reaction and 5 g of hydroquinone. The reaction mass is stirred at a speed of 50 rpm and heated to 220 ° C. Heating is continued for 4 hours. After 4 hours, the heating was stopped, the reaction mixture was allowed to cool, an aliquot was taken, analyzed as described, and proceeded to the next stage.

Этап разгонки реакционной смеси финальной конденсации и объединенных кубовых остатков и выделение ВНБ-ВНБа.The stage of distillation of the reaction mixture of the final condensation and combined bottoms and the isolation of VNB-VNBa.

Реакционную смесь, полученную после третьей конденсации (180-200 г), передавливают сжатым воздухом или азотом из горловины для ввода реагентов в колбу Кляйзена емкостью 1500 мл, содержащую объединенные кубовые остатки от первой и второй загрузок, снабженную дефлегматором, нисходящим холодильником, пауком и приемниками и разгоняют в вакууме при давлении 1 мм. Вначале отгоняются гексан (если использовался для перенесения кубовых остатков), остатки ВНБа, этилнорборнан и следовые количества ДЦПД. Собирают фракцию, кипящую в интервале 100-110°С. Получают 380-420 г (50-54%) ВНБ-ВНБа в виде бесцветной жидкости, с чистотой не менее 90%. По данным ГЖХ и ГХ-МС продукт представляет собой смесь трех изомеров в соотношении 33/47/20.The reaction mixture obtained after the third condensation (180-200 g) is squeezed with compressed air or nitrogen from the throat for introducing reagents into a Claisen flask with a capacity of 1500 ml, containing the combined bottoms from the first and second charges, equipped with a reflux condenser, a descending condenser, a spider and receivers and dispersed under vacuum at a pressure of 1 mm. First, hexane is distilled off (if it was used to transfer bottoms), VNBa residues, ethylnorbornane and trace amounts of DCPD. Collect the fraction boiling in the range of 100-110 ° C. Receive 380-420 g (50-54%) VNB-VNBa in the form of a colorless liquid, with a purity of at least 90%. According to GLC and GC-MS data, the product is a mixture of three isomers in a 33/47/20 ratio.

Этап гидрирования полученного ВНБ-ВНБа водородом в присутствии 2% по массе (10% палладия на активированном угле) в гексане.The stage of hydrogenation of the obtained VNB-VNBa with hydrogen in the presence of 2% by weight (10% palladium on activated carbon) in hexane.

В стальной автоклав объемом 2000 мл, снабженный магнитной мешалкой), завинчивающейся горловиной для ввода реагентов, манометром и патрубком для ввода водорода с редуктором загружают смесь 400 г (2.12 моль) изомеров ВНБ-ВНБа, 8.0 г (2% весовых) 10% Pd/C и 500 мл гексана. Подсоединяют баллон с водородом и перемешивают реакционную смесь 5 суток при комнатной температуре и давлении водорода 30 атм. По завершении 5 суток стравливают давление, отбирают аликвоту, анализируют, как это описано выше. Наличие ВНБ-ВНБА определяют с помощью газожидкостной хроматографии. При отсутствии ВНБ-ВНБа приступают к следующей стадии.A mixture of 400 g (2.12 mol) of VNB-VNBa isomers, 8.0 g (2% by weight) 10% Pd / is loaded into a steel autoclave with a volume of 2000 ml, equipped with a magnetic stirrer), a screw neck for introducing reagents, a pressure gauge and a nozzle for introducing hydrogen with a reducer. C and 500 ml of hexane. Connect a balloon with hydrogen and stir the reaction mixture for 5 days at room temperature and a hydrogen pressure of 30 atm. At the end of 5 days, the pressure is released, an aliquot is taken, and analyzed as described above. The presence of VNB-VNBA is determined using gas-liquid chromatography. In the absence of VNB-VNB, proceed to the next stage.

Этап фильтрования реакционной смеси от катализатора гидрирования.Stage of filtration of the reaction mixture from the hydrogenation catalyst.

По завершению процесса гидрирования реакционную смесь передавливают из автоклава сжатым воздухом (азотом) в плоскодонную колбу емкостью 2000 мл. Автоклав трижды промывают гексаном порциями по 200 мл и объединяют промывные экстракты с реакционной смесью. Фильтруют под вакуумом водоструйного насоса в колбу Бунзена емкостью 5000 мл через фильтр Шотта диаметром 10 см и высотой 6 см, заполненный на 3 см в высоту силикагелем 40-63 мкм. На верх подушки из силикагеля, в центр, помещают бумажный фильтр диаметром 5 см и при фильтровании стараются выливать реакционную смесь на бумажный фильтр, чтобы избежать деформации подушки из силикагеля. Важно включить вакуум до начала фильтрования. После фильтрования реакционной смеси силикагель промывают 1500 мл гексана. Получают примерно 3000 мл раствора БНБА в гексане, отфильтрованного от катализатора.Upon completion of the hydrogenation process, the reaction mixture is pushed from the autoclave with compressed air (nitrogen) into a flat-bottomed flask with a capacity of 2000 ml. The autoclave is washed three times with 200 ml portions of hexane and the wash extracts are combined with the reaction mixture. Filter under vacuum of a water-jet pump into a 5000 ml Bunsen flask through a Schott filter with a diameter of 10 cm and a height of 6 cm, filled 3 cm in height with silica gel 40-63 μm. A paper filter with a diameter of 5 cm is placed on the top of the silica gel pillow, in the center, and during filtration, try to pour the reaction mixture onto the paper filter to avoid deformation of the silica gel pillow. It is important to turn on the vacuum before starting filtration. After filtration of the reaction mixture, the silica gel is washed with 1500 ml of hexane. Approximately 3000 ml of a solution of BNBA in hexane, filtered from the catalyst, is obtained.

Этап отгонки гексана и разгонки реакционной смеси и выделения БНБА.The step of distilling off hexane and distilling the reaction mixture and isolating BNBA.

От полученного раствора отгоняют на роторном испарителе гексан в колбе емкостью 5000 мл до остаточного объема примерно 600 мл. Остаток переносят в колбу Кляйзена емкостью 1000 мл, снабженную дефлегматором, нисходящим холодильником, пауком и приемниками и разгоняют в вакууме при давлении 1 мм.рт.ст. Собирают фракцию с температурой кипения 82-84°С. Выход продукта составляет 360-370.0 г (89-92%). По данным ГЖХ полученное вещество представляет собой смесь двух изомеров БНБА в соотношении 69/31.From the resulting solution, hexane is distilled off on a rotary evaporator in a flask with a capacity of 5000 ml to a residual volume of about 600 ml. The residue is transferred into a 1000 ml Claisen flask equipped with a reflux condenser, a descending condenser, a spider and receivers and dispersed in a vacuum at a pressure of 1 mm Hg. A fraction with a boiling point of 82-84 ° C is collected. The product yield is 360-370.0 g (89-92%). According to GLC data, the resulting substance is a mixture of two BNBA isomers in a 69/31 ratio.

1Н ЯМР спектр (фиг.1: 1Н ЯМР спектр 2,2'-бис(норборнанила) в CDCl3). В спектре 1Н ЯМР 2,2'-бис(норборнанила) содержатся сигналы протонов норборнанового фрагмента в области 0,64-2,18 м.д. В спектре отсутствуют сигналы от протонов норборненовой двойной связи (область 6.0-6.2 м.д.), что свидетельствует об отсутствии исходного 5-(2'-норборнанил)-норборнена. 1 H NMR spectrum (Fig. 1 : 1 H NMR spectrum of 2,2'-bis (norbornanyl) in CDCl 3 ). The 1 H NMR spectrum of 2,2'-bis (norbornanyl) contains the signals of the protons of the norbornane fragment in the region of 0.64-2.18 ppm. The spectrum contains no signals from the protons of the norbornene double bond (region 6.0-6.2 ppm), which indicates the absence of the initial 5- (2'-norbornanyl) -norbornene.

13С ЯМР спектр (фиг.2: 13С ЯМР спектр 2,2'-бис(норборнанила) в CDCl3). В спектре 13С ЯМР 2,2'-бис(норборнанила) содержатся сигналы алифатических атомов углерода норборнанового фрагмента в области 22.8-46.0 м.д. В спектре отсутствуют сигналы алкенильных атомов углерода, что свидетельствует об отсутствии исходного 5-(2'-норборнанил)-норборнена. 13 C NMR spectrum (Fig. 2: 13 C NMR spectrum of 2,2'-bis (norbornanyl) in CDCl 3 ). The 13 C NMR spectrum of 2,2'-bis (norbornanyl) contains signals of aliphatic carbon atoms of the norbornane fragment in the range of 22.8-46.0 ppm. The spectrum lacks signals of alkenyl carbon atoms, which indicates the absence of the starting 5- (2'-norbornanyl) -norbornene.

Масс-спектр (фиг.3: масс-спектр 2,2'-бис(норборнанила).). Молекулярный ион М+ 190(22), 161(22), 121(38), 108(23), 95(60), 80(53), 67(100), 41(25).Mass Spectrum (Figure 3: Mass Spectrum of 2,2'-bis (norbornanyl).). Molecular ion М + 190 (22), 161 (22), 121 (38), 108 (23), 95 (60), 80 (53), 67 (100), 41 (25).

Измерение теплоты сгорания и плотности 2,2'-бис(норборнанила)Calorific value and density measurement of 2,2'-bis (norbornanyl)

Высшую удельную теплоту сгорания 2,2'-бис(норборнанила) измеряют при помощи калориметра IKA С200 по стандартной методике в соответствии с ГОСТ 21261-91. Низшую теплоту сгорания рассчитывают, исходя из массовой доли водорода в чистом веществе в соответствии с ГОСТ 21261-91.The highest specific heat of combustion of 2,2'-bis (norbornanyl) is measured using an IKA C200 calorimeter according to the standard procedure in accordance with GOST 21261-91. The lowest heat of combustion is calculated based on the mass fraction of hydrogen in the pure substance in accordance with GOST 21261-91.

Плотность 2,2'-бис(норборнанила) измеряют на вибрационном плотномере ВИП-2МР по стандартной методике в соответствии с ГОСТ Р 57037-2016.The density of 2,2'-bis (norbornanyl) is measured on a VIP-2MR vibration density meter according to the standard method in accordance with GOST R 57037-2016.

Температуру кристаллизации 2,2'-бис(норборнанила) измеряют при помощи аппарата Кристалл-20Э по стандартной методике в соответствии с ГОСТ 18995.5-73.The crystallization temperature of 2,2'-bis (norbornanyl) is measured using a Kristall-20E apparatus according to the standard procedure in accordance with GOST 18995.5-73.

Характеристики получаемого компонента высокоэнергоемкого ракетного или авиационного топлива приведены в табл. 1.The characteristics of the resulting component of high-energy rocket or aviation fuel are given in table. one.

Пример 2Example 2

Отличается от примера 1 тем, что на этапе гидрирования берут 0.5% (от массы ВНБ-ВНБа) 10% Pd/C.Differs from example 1 in that at the stage of hydrogenation take 0.5% (by weight of VNB-VNBa) 10% Pd / C.

Гидрирование проводят в течение 10 суток при комнатной температуре и давлении водорода 30 атм.The hydrogenation is carried out for 10 days at room temperature and a hydrogen pressure of 30 atm.

Получают компонент высокоэнергоемкого ракетного или авиационного топлива с выходом 90%.A component of high-energy rocket or aviation fuel is obtained with a yield of 90%.

Характеристики получаемого компонента высокоэнергоемкого ракетного или авиационного топлива приведены в табл. 1.The characteristics of the resulting component of high-energy rocket or aviation fuel are given in table. one.

Пример 3Example 3

Отличается от примера 1 тем, что на этапе гидрирования берут 2% (от массы ВНБ-ВНБа) 5% Pd/C.Differs from example 1 in that at the stage of hydrogenation take 2% (by weight of VNB-VNBa) 5% Pd / C.

Гидрирование проводят в течение 10 суток при комнатной температуре и давлении водорода 30 атм.The hydrogenation is carried out for 10 days at room temperature and a hydrogen pressure of 30 atm.

Получают компонент высокоэнергоемкого ракетного или авиационного топлива с выходом 88%.A high-energy rocket or aviation fuel component is obtained with a yield of 88%.

Характеристики получаемого компонента высокоэнергоемкого ракетного или авиационного топлива приведены в табл. 1.The characteristics of the resulting component of high-energy rocket or aviation fuel are given in table. one.

Пример 4Example 4

Отличается от примера 1 тем, что на этапе гидрирования вместо гексана используется пентан.Differs from example 1 in that pentane is used instead of hexane in the hydrogenation step.

Гидрирование проводят в течение 5 суток при комнатной температуре и давлении водорода 30 атм.The hydrogenation is carried out for 5 days at room temperature and a hydrogen pressure of 30 atm.

Получают компонент высокоэнергоемкого ракетного или авиационного топлива с выходом 91%.A high-energy rocket or aviation fuel component is obtained with a yield of 91%.

Характеристики получаемого компонента высокоэнергоемкого ракетного или авиационного топлива приведены в табл. 1.The characteristics of the resulting component of high-energy rocket or aviation fuel are given in table. one.

Пример 5Example 5

Отличается от примера 1 тем, что на этапе гидрирования растворитель не используется.Differs from example 1 in that no solvent is used in the hydrogenation step.

Гидрирование проводят в течение 5 суток при комнатной температуре и давлении водорода 30 атм.The hydrogenation is carried out for 5 days at room temperature and a hydrogen pressure of 30 atm.

Далее разбавляют реакционную смесь в два раза гексаном и далее фильтруют и перегоняют как это описано в примере 1.Next, the reaction mixture is diluted twice with hexane and then filtered and distilled as described in example 1.

Получают компонент высокоэнергоемкого ракетного или авиационного топлива с выходом 91%.A high-energy rocket or aviation fuel component is obtained with a yield of 91%.

Характеристики получаемого компонента высокоэнергоемкого ракетного или авиационного топлива приведены в табл. 1.The characteristics of the resulting component of high-energy rocket or aviation fuel are given in table. one.

Пример 6.Example 6.

Отличается от примера 1 тем, что на этапе гидрирования берут 2% (от массы ВНБ-ВНБа) 5% Pt/C.Differs from example 1 in that at the stage of hydrogenation take 2% (by weight of VNB-VNBa) 5% Pt / C.

Гидрирование проводят в течение 10 суток при комнатной температуре и давлении водорода 30 атм.The hydrogenation is carried out for 10 days at room temperature and a hydrogen pressure of 30 atm.

Получают компонент высокоэнергоемкого ракетного или авиационного топлива с выходом 92%.A high-energy rocket or aviation fuel component is obtained with a yield of 92%.

Характеристики получаемого компонента высокоэнергоемкого ракетного или авиационного топлива приведены в табл. 1.The characteristics of the resulting component of high-energy rocket or aviation fuel are given in table. one.

Пример 7.Example 7.

Отличается от примера 1 тем, что на этапе гидрирования берут 10% (от массы ВНБ-ВНБа) никеля Ренея.Differs from example 1 in that at the stage of hydrogenation take 10% (by weight of VNB-VNBa) Raney nickel.

Гидрирование проводят в течение 10 суток при комнатной температуре и давлении водорода 60 атм.Hydrogenation is carried out for 10 days at room temperature and a hydrogen pressure of 60 atm.

Получают компонент высокоэнергоемкого ракетного или авиационного топлива с выходом 92%.A high-energy rocket or aviation fuel component is obtained with a yield of 92%.

Характеристики получаемого компонента высокоэнергоемкого ракетного или авиационного топлива приведены в табл. 1.The characteristics of the resulting component of high-energy rocket or aviation fuel are given in table. one.

Пример 8.Example 8.

Реакцию проводят в термостатируемом, трехгорловом стеклянном реакторе с магнитной мешалкой, обратным холодильником и барботером для подачи воздуха. В смесь метанола (60 мл), гидразингидрата 12 мл (12.0 г, 0,24 моль, 3 эквивалента) и ВНБ-ВНБА (15 г. 0,08 моль) прикапывают раствор катализатора разложения гидразина - пентагидрата сульфата меди (0,21 г в 10 мл метанола) или 2% масс на гидразингидрат. Затем, при перемешивании, пропускают окислитель - воздух со скоростью 3,5 л/час. Следует отметить, что в отсутствии воздуха реакция не протекает. Через определенные промежутки времени отбирают пробы и анализировали методом ГЖХ.The reaction is carried out in a thermostated, three-necked glass reactor with a magnetic stirrer, reflux condenser and air bubbler. Into a mixture of methanol (60 ml), hydrazine hydrate 12 ml (12.0 g, 0.24 mol, 3 equivalents) and VNB-VNBA (15 g 0.08 mol) is added dropwise a solution of the catalyst for the decomposition of hydrazine - copper sulfate pentahydrate (0.21 g in 10 ml of methanol) or 2% of the mass for hydrazine hydrate. Then, with stirring, pass the oxidizing agent - air at a rate of 3.5 l / h. It should be noted that the reaction does not proceed in the absence of air. Samples are taken at regular intervals and analyzed by GLC.

Конверсия ВНБ-ВНБа 100% после 6 часов реакции. Для выделения целевого продукта водно-спиртовую фазу отделяют от органической, которую затем нейтрализуют поликислотой Dowex 50 и перегоняют в вакууме, как это описано в примере 1. Катализатор - соль меди (сульфат меди).Conversion VNB-VNBa 100% after 6 hours of reaction. To isolate the target product, the aqueous-alcoholic phase is separated from the organic phase, which is then neutralized with Dowex 50 polyacid and distilled under vacuum, as described in example 1. Catalyst — copper salt (copper sulfate).

Получают компонент высокоэнергоемкого ракетного или авиационного топлива с выходом 85%.A high-energy rocket or aviation fuel component is obtained with a yield of 85%.

Характеристики получаемого 2,2'-бис(норборнанила) - компонента высокоэнергоемкого ракетного или авиационного топлива приведены в табл. 1.The characteristics of the resulting 2,2'-bis (norbornanyl) - a component of high-energy rocket or aviation fuel are given in table. one.

Из полученных результатов по изучению свойств БНБА видно, что по ряду параметров этот углеводород превосходит известное ракетное топливо JP-10, родственное по строению полученному нами углеводороду.From the results obtained on the study of the properties of BNBA, it can be seen that in a number of parameters this hydrocarbon is superior to the known JP-10 rocket fuel, which is similar in structure to the hydrocarbon obtained by us.

Таким образом, предложен эффективный подход к синтезу 2,2'-бис(норборнанила) без дорогостоящих соединений и без использования специального оборудования с высокими выходами товарного продуктаThus, an effective approach to the synthesis of 2,2'-bis (norbornanyl) without expensive compounds and without the use of special equipment with high yields of a commercial product has been proposed.

- высокоплотного и высокоэнергоемкого компонента авиационного или реактивного топлива.- a high-density and high-energy component of aviation or jet fuel.

Впервые показано, что данный углеводород является перспективным компонентом для создания жидких ракетных и авиационных топлив с высокой плотностью и энергоемкостью. 2,2'-Бис(норборнанил) обладает большей плотностью и удельными теплотами сгорания по сравнению с родственным углеводородом - тетрагидро-экзо-дициклопентадиеном, активно используемого в настоящее время как основа топлива JP-10. Более высокие значения плотности и теплоты сгорания, найденные для 2,2'-бис(норборнанила), позволят существенно увеличить дальность и скорость полета аэрокосмических объектов при использовании 2,2'-бис(норборнанила) в качестве одного из компонентов топлив.It is shown for the first time that this hydrocarbon is a promising component for the creation of liquid rocket and aviation fuels with a high density and energy intensity. 2,2'-Bis (norbornanyl) has a higher density and specific heats of combustion than a related hydrocarbon - tetrahydro-exo-dicyclopentadiene, which is currently actively used as the basis of JP-10 fuel. Higher values of density and calorific value found for 2,2'-bis (norbornanyl) will significantly increase the range and speed of flight of aerospace objects when 2,2'-bis (norbornanyl) is used as one of the propellants.

Figure 00000011
Figure 00000011

Claims (4)

1. Способ получения компонента высокоплотного и высокоэнергоемкого ракетного и авиационного топлива на основе 2-винилнорборнана, включающий проведение термической реакции Дильса-Альдера смеси экзо-/эндо-изомеров 2-винилнорборнана с дициклопентадиеном при нагревании и последующее гидрирование полученной смеси изомеров 5-(2`-норборнанил)-норборнена в присутствии водорода и катализатора гидрирования, взятого в соотношении 0,5-10% масс. по отношению к 5-(2`-норборнанил)-норборнену, при комнатной температуре и давлении водорода 30-60 атм.1. A method of obtaining a component of high-density and high-energy rocket and aviation fuel based on 2-vinyl norbornane, including carrying out the thermal Diels-Alder reaction of a mixture of exo / endo isomers of 2-vinyl norbornane with dicyclopentadiene upon heating and subsequent hydrogenation of the resulting mixture of isomers 5- (2` -norbornanyl) -norbornene in the presence of hydrogen and a hydrogenation catalyst taken in a ratio of 0.5-10% of the mass. in relation to 5- (2`-norbornanyl) -norbornene, at room temperature and hydrogen pressure of 30-60 atm. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве катализатора гидрирования используют гетерогенный катализатор на основе переходного металла, нанесенного на носитель, в том числе выбранный из ряда палладий на углеродном носителе, платина на углеродном носителе, никель Ренея.2. The method according to claim 1, characterized in that a heterogeneous catalyst based on a transition metal supported on a carrier, including palladium on a carbon carrier, platinum on a carbon carrier, Raney nickel, is used as the hydrogenation catalyst. 3. Способ получения компонента высокоплотного и высокоэнергоемкого ракетного и авиационного топлива на основе 2-винилнорборнана, включающий проведение термической реакции Дильса-Альдера смеси экзо-/эндо-изомеров 2-винилнорборнана с дициклопентадиеном при нагревании и последующее гидрирование полученной смеси изомеров 5-(2`-норборнанил)-норборнена в присутствии гидразин-гидрата, воздуха, катализатора разложения гидразина и катализатора гидрирования, взятого в соотношении 0,5-10% масс. по отношению к 5-(2`-норборнанил)-норборнену, при комнатной температуре и давлении водорода 30-60 атм.3. A method for producing a component of high-density and high-energy rocket and aviation fuel based on 2-vinyl norbornane, including carrying out the thermal Diels-Alder reaction of a mixture of exo / endo isomers of 2-vinyl norbornane with dicyclopentadiene upon heating and subsequent hydrogenation of the resulting mixture of isomers 5- (2` -norbornanyl) -norbornene in the presence of hydrazine hydrate, air, a catalyst for the decomposition of hydrazine and a hydrogenation catalyst taken in a ratio of 0.5-10 wt%. in relation to 5- (2`-norbornanyl) -norbornene, at room temperature and hydrogen pressure of 30-60 atm. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве катализатора гидрирования используют гетерогенный катализатор на основе переходного металла, нанесенного на носитель, в том числе выбранный из ряда палладий на углеродном носителе, платина на углеродном носителе, никель Ренея.4. A method according to claim 3, characterized in that a heterogeneous catalyst based on a transition metal supported on a carrier, including palladium on a carbon carrier, platinum on a carbon carrier, Raney nickel, is used as the hydrogenation catalyst.
RU2019123424A 2019-07-25 2019-07-25 Method of producing high-density and high-energy rocket and aviation fuel based on 2-vinyl norbornane (versions) RU2739190C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019123424A RU2739190C1 (en) 2019-07-25 2019-07-25 Method of producing high-density and high-energy rocket and aviation fuel based on 2-vinyl norbornane (versions)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019123424A RU2739190C1 (en) 2019-07-25 2019-07-25 Method of producing high-density and high-energy rocket and aviation fuel based on 2-vinyl norbornane (versions)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2739190C1 true RU2739190C1 (en) 2020-12-21

Family

ID=74063086

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019123424A RU2739190C1 (en) 2019-07-25 2019-07-25 Method of producing high-density and high-energy rocket and aviation fuel based on 2-vinyl norbornane (versions)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2739190C1 (en)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2551684C1 (en) * 2013-10-31 2015-05-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтехимии и катализа Российской академии наук Method of producing polycyclic 3-alkyl(phenyl)phospholane-3-oxides
RU2665488C1 (en) * 2018-03-29 2018-08-30 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) Method for preparing 2-vinyl-norbornane

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2551684C1 (en) * 2013-10-31 2015-05-27 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтехимии и катализа Российской академии наук Method of producing polycyclic 3-alkyl(phenyl)phospholane-3-oxides
RU2665488C1 (en) * 2018-03-29 2018-08-30 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ордена Трудового Красного Знамени Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева Российской академии наук (ИНХС РАН) Method for preparing 2-vinyl-norbornane

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Neureiter Pyrolysis of 1, 1-Dichloro-2-vinylcyclopropane Synthesis of2-Chlorocyclopentadiene
Corey et al. New stereospecific synthesis of trisubstituted olefins. Stereospecific synthesis of farnesol
Hirsch et al. Base-catalyzed alkylation of cyclopentadiene rings with alcohols and amines
Paquette et al. . alpha.-Halo sulfones. XVIII. Ramberg-Baecklund rearrangement as a synthetic entry to unsaturated propellanes
ALLRED et al. Preparation of Homobenzyl and Homoallyl Alcohols by the Hydroboration Method1, 2
CN111039769B (en) Method for synthesizing methyl heptenone from methyl butynol
RU2665488C1 (en) Method for preparing 2-vinyl-norbornane
RU2739190C1 (en) Method of producing high-density and high-energy rocket and aviation fuel based on 2-vinyl norbornane (versions)
Taylor et al. Cyclodimerization of styrene
RU2739242C1 (en) Method of producing high-density and high-energy rocket and aviation fuel component based on methyl-substituted 2,2'-bis (norbornanyl) (versions)
Terunuma et al. A one-step synthesis of 2, 7-dimethyl-5-silaspiro [4.4] nona-2, 7-diene and the synthesis of its derivatives.
Yusupova et al. Development of technology for the production of acetylene diols and their vinyl ethers
Fujikura et al. Stereospecific Hydroformylation of endo-Dicyclopentadiene in the Presence of Rhodium Complex Catalysts. A Route to endo-Tricyclo [5.2. 1.02, 6] Dec-8-exo-Ylcarbinol, Precursor of 4-Homoisotwistane
CN110550993A (en) Preparation method of alkyl-substituted tetrahydrodicyclopentadiene dimer and application of alkyl-substituted tetrahydrodicyclopentadiene dimer as jet fuel
US2495521A (en) Method for the preparation of hydroquinone
US2587457A (en) Production of vitamin a and related compounds
Shabtai et al. Base-Catalyzed Reactions of α, β-Unsaturated Esters and Nitriles. I. Potassium-Catalyzed Dimerization of Ethyl Crotonate1a
Meng et al. SOLID‐STATE PHOTOCHEMISTRY OF INDOLES WITH NAPTHALENE AND PHENANTHRENE
Little et al. Asymmetric induction in the intramolecular 1, 3-diyl trapping reaction. Chirality on the linking chain
JPH0374651B2 (en)
Mandelt et al. Mono-and Bicyclic Cyclopentenes by Rearrangement of 1-Methylcyclobutylmethanols: Synthesis of (±)-Cuparene and Formal Syntheses of (±)-Laurene and (±)-Herbertene
US3576011A (en) Tetrahydropyran production
Ashby et al. Reactions of magnesium hydride. 4. Stereoslective reduction of cyclic and bicyclic ketones by lithium alkoxymagnesium hydrides
Klein et al. Mass spectrometric studies. I. Fragmentation of methyl cyclohexyl ether
Marvel et al. Pyrolytic Cleavage of 2, 6-Diphenyl-1, 7-diacetoxyheptane and 2, 6-Diphenylheptadiene1

Legal Events

Date Code Title Description
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20210908

Effective date: 20210908