劉 璇,堯超群,廉應(yīng)江,韓 梅,陳光文
(1.中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所, 遼寧 大連116023; 2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)
1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)是一種新型的高能鈍感炸藥,具有含氮量大、爆轟性能優(yōu)良、分子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、與聚合物相容性好等優(yōu)點(diǎn),成為國內(nèi)外炸藥合成領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1-3]。FOX-7 主要通過氮雜化合物的硝化和開環(huán)反應(yīng)進(jìn)行合成[4-8],常用的合成路線有3 種:(1)以2-甲基咪唑?yàn)樵希群蠼?jīng)硝硫混酸硝化和氨水水解開環(huán)得到FOX-7。該方法步驟簡潔,但由于硝化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生2-甲基-4-硝基咪唑、乙二酰脲等副產(chǎn)物,需先將中間體提純再水解,因此總產(chǎn)率低,僅有13%~40%[9-11]。(2)以鹽酸乙脒和乙二酸二乙酯為原料,先通過縮合反應(yīng)生成2-甲氧基-2-甲基-4,5-咪唑烷二酮和2-甲基-4,5-咪唑烷二酮,將后者分離后再進(jìn)行硝化和水解開環(huán)合成FOX-7[9-10]。由于中間體分離需經(jīng)減壓濃縮、萃取等繁雜過程,不利于工業(yè)化生產(chǎn)。(3)以2-甲基-4,6-嘧啶二酮(2-methyl-4,6-pyrimidinedione,MPO)為原料經(jīng)硝化生成2-(二硝基亞甲基)-5,5-二硝基嘧啶-4,6-二酮(TNMPO),再經(jīng)過水解反應(yīng)生成FOX-7。第3 種路線合成步驟簡單且收率較高(文獻(xiàn)最高為83%)[12-13],備受關(guān)注。
目前,2-甲基-4,6-嘧啶二酮硝化和水解過程主要通過間歇釜式反應(yīng)器進(jìn)行。硝化反應(yīng)放熱量大(375.22 kJ·mol-1)[14-15],生成的中間體2-(二硝基亞甲基)-5,5-二硝基嘧啶-4,6-二酮(TNMPO)穩(wěn)定性差,初始分解溫度僅為95.1 ℃[16],極易發(fā)生分解爆炸[17],故需要嚴(yán)格控制反應(yīng)溫度。實(shí)際生產(chǎn)中,需將2-甲基-4,6-嘧啶二酮溶解在濃硫酸溶液中并降溫至0~5 ℃后,緩慢滴加硝硫混酸使反應(yīng)溫度維持在10oC 以下,之后繼續(xù)低溫反應(yīng)數(shù)小時(shí)[13-14,17]。顯然,釜式硝化工藝存在反應(yīng)時(shí)間長、效率低和能耗高等缺點(diǎn),尤其是反應(yīng)器內(nèi)持液量大、控溫難、混合慢等問題也使反應(yīng)器內(nèi)極易產(chǎn)生局部熱點(diǎn)引發(fā)爆炸,存在嚴(yán)重安全隱患。因此,改進(jìn)現(xiàn)有工藝,實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn),提高過程效率和安全性,是FOX-7 及其它含能材料合成過程亟待解決的重大問題。
微反應(yīng)器作為一種新型的反應(yīng)設(shè)備,在化學(xué)化工領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注[18-19]。微反應(yīng)器具有獨(dú)特的優(yōu)勢[20-24]:(1)比表面積大,傳質(zhì)傳熱效率高;(2)精準(zhǔn)控制停留時(shí)間和反應(yīng)溫度,降低副產(chǎn)物的形成,提高產(chǎn)品收率;(3)特征尺寸小、持液量少、過程安全性高;(4)易于集成放大等。因此微反應(yīng)器特別適用于硝化、氟化、烷基化等[25-27]強(qiáng)放熱反應(yīng)過程。含能材料的合成過程中伴有劇烈的放熱反應(yīng),傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器即使采用滴加的方式進(jìn)料,依舊存在混合慢、控溫難等問題。采用微反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)含能材料安全高效合成是重要的發(fā)展趨勢之一[28-29]。德國ICT 研究院利用玻璃微反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)了硝酸酯類產(chǎn)品的公斤級合成,提高了過程安全性和生產(chǎn)效率[30]。大連化物所通過微反應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了硝酸異辛酯的安全合成,原料轉(zhuǎn)化率高于99.9%,產(chǎn)品純度高于99.5%[31]。唐杰等[32]通過自主設(shè)計(jì)的混沌式微混合器,實(shí)現(xiàn)了硝化甘油的連續(xù)合成,硝化甘油產(chǎn) 率 為50.9%,純 度 為98.9%。Zukerman 等[33]以DAPO 為原料在微反應(yīng)器中一步合成LLM-105。侯躍輝等[34]采用直接接觸式超聲微反應(yīng)器解決了微通道中固體產(chǎn)物的堵塞難題,實(shí)現(xiàn)了三硝基間苯三酚的連續(xù)合成,產(chǎn)品收率超過80%,純度大于98%。
目前,國內(nèi)外尚無在微反應(yīng)器中連續(xù)合成FOX-7的報(bào)道?;诖耍狙芯块_展微反應(yīng)器內(nèi)2-甲基-4,6-嘧啶二酮硝化反應(yīng),并探討其規(guī)律。由于硝化中間體TNMPO 難溶于混酸體系,引入正辛烷作為惰性溶劑與反應(yīng)相形成彈狀流,使反應(yīng)發(fā)生于分散液滴內(nèi)部并有效防止固體產(chǎn)物在壁面沉積和堵塞管道,實(shí)現(xiàn)了過程連續(xù)運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上,研究了反應(yīng)溫度、停留時(shí)間、物料配比、水解反應(yīng)等參數(shù)對FOX-7 產(chǎn)品收率的影響,為FOX-7 的安全可控和連續(xù)化生產(chǎn)提供技術(shù)支持。
實(shí)驗(yàn)試劑:2-甲基-4,6-嘧啶二酮(98%,上海源葉生物科技有限公司);濃硫酸(≥95%,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司);正辛烷(≥95%,天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司);發(fā)煙硝酸(≥95%,廣州化學(xué)試劑廠);無水乙醇(95%,天津富宇精細(xì)化工有限公司)。
儀器:電子分析天平,ME-204T,梅特勒-托利多有限公司;注射泵,TYD-01-01,保定雷弗流體科技有限公司;不銹鋼注射器,50 mL,南京潤澤流體控制設(shè)備有限公司;安捷倫LC1260 型高效液相色譜儀;電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,DGG-9070A,上海森信實(shí)驗(yàn)儀器有限公司;恒溫加熱磁力攪拌器,C-MAG HS7,艾卡(廣州)儀器設(shè)備有限公司。
1.2.1 FOX-7 的微反應(yīng)器連續(xù)制備
實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示,由進(jìn)料系統(tǒng)、微反應(yīng)器、控溫系統(tǒng)、反應(yīng)攪拌釜以及水解系統(tǒng)組成。將2-甲基-4,6-嘧啶二酮(MPO)的濃硫酸溶液(A 相)、硝硫混酸溶液(B 相)和正辛烷(C 相)分別通過注射泵輸送進(jìn)入內(nèi)徑為2 mm 的聚四氟乙烯(PTFE)四通微混合器中。將進(jìn)料管、四通微混合器和反應(yīng)通道(內(nèi)徑2 mm、管長2 m 的PTFE 管)置于恒溫水浴中,A、B 兩相在微混合器內(nèi)混合,并與正辛烷形成彈狀流。反應(yīng)液從反應(yīng)通道流出后直接進(jìn)入間歇釜內(nèi),其中接樣時(shí)間為15 min,攪拌時(shí)間為30 min,之后加入冰水(20 倍混酸體積)繼續(xù)攪拌2 小時(shí)水解開環(huán),抽濾固體產(chǎn)物,用冰水和乙醇洗滌,干燥后得到最終產(chǎn)品進(jìn)行分析檢測。具體過程如圖1 所示。
圖1 微反應(yīng)器連續(xù)合成FOX -7 示意圖Fig.1 Schematic diagram of the continuous synthesis of FOX-7 in the microreactor
1.2.2 FOX-7 微反應(yīng)器連續(xù)制備的工藝研究(反應(yīng)規(guī)律研究)
(1)微反應(yīng)器內(nèi)溫度與時(shí)間對產(chǎn)率的影響實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)具體流程為:將MPO 溶于濃硫酸(MPO 與濃硫酸摩爾比為1∶9)配制成連續(xù)相A,A 相流速Q(mào)A為0.25 mL·min-1,B 相(發(fā) 煙 硝 酸 與 濃 硫 酸 摩 爾 比 為1∶1)流速Q(mào)B為0.2 mL·min-1,C 相正辛烷流速Q(mào)C為0.45 mL·min-1,硝酸與MPO 摩爾比為4.4。通過恒溫水浴控制反應(yīng)溫度,并通過微通道管長來控制停留時(shí)間。出口處反應(yīng)液直接用冰水淬滅,然后攪拌2 h 進(jìn)行水解開環(huán)反應(yīng)。抽濾,洗滌,干燥后得到最終產(chǎn)品進(jìn)行分析檢測。
(2)微反應(yīng)器與攪拌釜集成對產(chǎn)率的影響實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)具體流程為:原料配比與上述實(shí)驗(yàn)條件相同,改變硝酸與MPO 的摩爾比,同時(shí)恒定微反應(yīng)器溫度為30 ℃,停留時(shí)間3 min,接樣時(shí)間為15 min,在攪拌釜內(nèi)于30 ℃下繼續(xù)攪拌不同的反應(yīng)時(shí)間,用冰水淬滅,然后攪拌2 h 進(jìn)行水解開環(huán)反應(yīng)。抽濾,洗滌,干燥后得到最終產(chǎn)品進(jìn)行分析檢測。
(3)水解溫度和水解時(shí)間對產(chǎn)率的影響實(shí)驗(yàn)
實(shí)驗(yàn)具體流程為:原料配比與上述實(shí)驗(yàn)條件相同,在硝酸與MPO 的摩爾比為4.4 的條件下,恒定微反應(yīng)器溫度為30 ℃,停留時(shí)間3 min,接樣時(shí)間為15 min,在攪拌釜內(nèi)于30 ℃下繼續(xù)反應(yīng)30 min,使用不同溫度的水進(jìn)行水解開環(huán),并研究水解時(shí)間對產(chǎn)品收率的影響。
產(chǎn)物純度通過液相色譜檢測:安捷倫LC1260 型高效液相色譜儀,C18 正相色譜柱(Φ4.6 mm×150 mm,5 μm),柱溫25 ℃,紫外檢測器波長254 nm,流動(dòng)相為水∶乙腈(30∶70),總流速1.0 mL·min-1,進(jìn)樣量10 μL。產(chǎn)品收率通過稱重計(jì)算。
漿料的固含量采用烘干法測量:稱取1 g 的TNMPO 置于稱重過的稱量瓶中,放入設(shè)定溫度為60 ℃的電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱中,加熱4 h 后取出稱重,再一次放入干燥箱中加熱1 h 后稱重,兩次質(zhì)量差小于1 mg 視為恒重,加熱后試樣質(zhì)量與加熱前試樣質(zhì)量的百分比即為漿料的固含量。
首先在微通道反應(yīng)器中開展了2-甲基-4,6-嘧啶二酮(MPO)混酸硝化過程研究,結(jié)果如圖2a 所示,由于硝化中間體TNMPO 為淡黃色的漿狀固體,采用烘干法測得漿料固含量為15%,其難溶于混酸體系,極易堵塞微通道,難以實(shí)現(xiàn)連續(xù)化操作。為此本研究引入正辛烷作為惰性溶劑與反應(yīng)相形成如圖2b 所示的彈狀流(正辛烷為連續(xù)相、混酸為分散相)[35],由于MPO 溶于混酸體系,因此,反應(yīng)發(fā)生于分散液滴內(nèi)部并有效防止TNMPO 在壁面沉積,解決了硝化中間體在微通道反應(yīng)器中的堵塞難題,實(shí)現(xiàn)了過程強(qiáng)化和連續(xù)化操作。并進(jìn)一步對該體系的運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行研究,實(shí)驗(yàn)過程中連續(xù)運(yùn)行數(shù)小時(shí)(>3 h)均未出現(xiàn)堵塞情況,有效保證了該體系長時(shí)間運(yùn)行的穩(wěn)定性。
圖2 正辛烷對反應(yīng)的影響圖Fig.2 Effect of n-octane on the reaction
研究了微反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)規(guī)律,即出口處反應(yīng)液直接用冰水淬滅,然后攪拌2 h 進(jìn)行水解開環(huán)反應(yīng)。首先考察反應(yīng)溫度對產(chǎn)品收率的影響,反應(yīng)結(jié)果如圖3a所示:當(dāng)反應(yīng)溫度由10 ℃提升至35 ℃時(shí),產(chǎn)品收率由45.2%增加至73.3%,這是由于隨著反應(yīng)溫度的升高,反應(yīng)速度加快,所以產(chǎn)品收率也隨之增加。但繼續(xù)升高溫度至40 ℃時(shí),收率反而下降至67.2%,分析認(rèn)為可能是中間體發(fā)生了部分分解[16]。據(jù)此,可見硝化反應(yīng)和中間體分解過程劇烈放熱,繼續(xù)增加反應(yīng)溫度極易導(dǎo)致溫度失控,甚至發(fā)生爆炸。因此要選擇合適的硝化溫度,溫度過高降低產(chǎn)物收率且不利于反應(yīng)安全,溫度過低則不利于反應(yīng)的進(jìn)行。
圖3 反應(yīng)溫度和停留時(shí)間對FOX-7 收率的影響曲線(QA=0.25 mL·min-1,QB=0.2 mL·min-1,QC=0.45 mL·min-1,MHNO3∶MMPO=4.4∶1)Fig.3 Effects of the reaction temperature and residence time on the yield of FOX-7.(QA=0.25 mL·min-1,QB=0.2 mL·min-1,QC=0.45 mL·min-1, MHNO3∶MMPO=4.4∶1)
進(jìn)一步研究不同反應(yīng)溫度(15,25,35 ℃)下產(chǎn)品收率隨停留時(shí)間的變化規(guī)律,停留時(shí)間的控制均通過改變反應(yīng)器的管長來實(shí)現(xiàn),結(jié)果如圖3b 所示。當(dāng)反應(yīng)溫度為15 ℃,停留時(shí)間為1 min 時(shí),沒有獲得產(chǎn)物,原因可能是溫度過低導(dǎo)致反應(yīng)速率太慢,原料未轉(zhuǎn)化為硝化中間體或少量產(chǎn)物溶解于水中未析出;繼續(xù)增加停留時(shí)間至4 min,收率可達(dá)到58.5%。增加反應(yīng)溫度至35 ℃,停留時(shí)間為1 min 時(shí),產(chǎn)品收率為67.3%;停留時(shí)間為3 min 時(shí),產(chǎn)品收率可達(dá)73.3%。繼續(xù)增加停留時(shí)間,產(chǎn)品收率變化不大,這是由于在反應(yīng)后期,酸含量降低導(dǎo)致反應(yīng)速率降低,短時(shí)間內(nèi)難以產(chǎn)生硝化中間體。此外,硝化后物料是粘稠的漿狀固體,在低流速下(長停留時(shí)間)以層流為主的流動(dòng)難以使硝鎓離子與2-甲基-4,6-嘧啶二酮高效混合,產(chǎn)物收率很難進(jìn)一步提升。
為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品收率,采用微反應(yīng)器與攪拌釜串聯(lián)的方式增加反應(yīng)時(shí)間。這一反應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)勢是:微反應(yīng)器內(nèi)物料充分混合并轉(zhuǎn)化大部分原料,便于移除熱量使安全性提高,利用攪拌釜延長反應(yīng)時(shí)間使剩余原料進(jìn)一步轉(zhuǎn)化。首先確定最優(yōu)的硝酸用量。合成FOX-7 時(shí),硝酸與MPO 的化學(xué)計(jì)量比為4。間歇反應(yīng)工藝中,硝酸與MPO 的摩爾比一般控制在4.0~5.0之間[5,13,17]。恒定微反應(yīng)器反應(yīng)溫度30 ℃,停留時(shí)間為3 min,研究不同摩爾比下,產(chǎn)品收率隨攪拌時(shí)間的變化情況。由圖4 可見,硝酸與MPO 的摩爾比為4.0時(shí),攪拌時(shí)間60 min 時(shí),產(chǎn)品收率只有85.8%;摩爾比增大至4.4 時(shí),在反應(yīng)釜中攪拌30 min 產(chǎn)品收率即可達(dá)到90.1%。繼續(xù)增加硝酸量,收率基本不變。硝硫混酸的硝化反應(yīng)過程中,硝酸在硫酸作用下發(fā)生質(zhì)子化產(chǎn)生硝鎓離子,其含量直接影響原料的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)品的收率。硝酸用量太少,硝化能力不夠,硝酸用量過多則造成不必要的廢酸。硝酸與MPO 的摩爾比為4.4 時(shí),可以兼顧反應(yīng)速率和控制廢酸量的需求。其次研究反應(yīng)釜中攪拌時(shí)間對收率的影響規(guī)律。仍由圖4 可見,當(dāng)硝酸與MPO 的摩爾比為4.4 時(shí),攪拌時(shí)間低于30 min 時(shí),產(chǎn)物收率隨攪拌時(shí)間增加而升高。繼續(xù)增加攪拌時(shí)間,產(chǎn)品收率變化不大,維持在90%附近,說明此時(shí)原料已接近完全轉(zhuǎn)化為中間體。
圖4 不同硝硫比下反應(yīng)釜內(nèi)攪拌時(shí)間對FOX-7 收率的影響(QA=0.25 mL·min-1,QB=0.2 mL·min-1,QC=0.45 mL·min-1,τ=3 min, T=30 ℃)Fig.4 Effect of stirring time in the reaction kettle on the yield of FOX-7 under different molar ratios of HNO3 to MPO.(QA=0.25 mL·min-1,QB=0.2 mL·min-1,QC=0.45 mL·min-1,τ=3 min,T=30 ℃)
水解反應(yīng)是將硝化中間體TNMPO 進(jìn)行水解開環(huán)產(chǎn)生FOX-7,并產(chǎn)生二硝基甲烷和二氧化碳的過程。對水解反應(yīng)進(jìn)行深入研究,可以保證反應(yīng)過程的安全性,防止中間體發(fā)生分解,提高產(chǎn)品的收率和純度。如圖5a 所示,當(dāng)水解溫度由0 ℃提高至30 ℃時(shí),產(chǎn)品收率由90.1%降低至52.6%。這是因?yàn)樗夥磻?yīng)為放熱反應(yīng)[15],水解溫度較高時(shí),熱量不易散出,可能會(huì)抑制硝化中間體的開環(huán)[13],同時(shí)高溫還會(huì)使中間體發(fā)生分解。許誠等[15]對TNMPO 水解反應(yīng)的工藝熱危險(xiǎn)性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)反應(yīng)體系超過29.1 ℃后,中間體將會(huì)發(fā)生分解。此外,水解溫度過高時(shí),反應(yīng)生成的大量二氧化碳?xì)馀輹?huì)在液層表面形成泡沫堆積,不利于氣體排出,使水解開環(huán)速度變慢,產(chǎn)率降低,而低溫會(huì)使氣體均勻釋放,不會(huì)產(chǎn)生泡沫堆積現(xiàn)象。因此采用20 倍混酸體積的冰水作為開環(huán)試劑并充分?jǐn)嚢?,散熱變快,水解徹底,沒有副產(chǎn)物產(chǎn)生,產(chǎn)品收率和純度得到提高。
圖5 水解溫度和水解時(shí)間對FOX-7 收率的影響(QA=0.25 mL·min-1, QB=0.2 mL·min-1, QC=0.45 mL·min-1, τ=3 min, T=30 ℃,反應(yīng)30 min)Fig.5 Effects of the hydrolysis temperature and hydrolysis time on the yield of FOX-7(QA=0.25 mL·min-1, QB=0.2 mL·min-1,QC=0.45 mL·min-1, τ=3 min, T=30 ℃, insulation reaction for 30 minutes)
水解開環(huán)的時(shí)間也會(huì)對收率產(chǎn)生很大的影響。如圖5b 所示,由于水解反應(yīng)是慢反應(yīng),因此需要足夠的水解時(shí)間來保證中間體完全開環(huán)生成FOX-7 產(chǎn)品。當(dāng)水解時(shí)間2 h 時(shí),產(chǎn)率達(dá)到最大值90.1%,繼續(xù)增加水解時(shí)間對收率影響不大。
化工生產(chǎn)過程中的重復(fù)性和穩(wěn)定性不可忽視。采用最佳的工藝條件,即硝酸與MPO 的摩爾比為4.4、微反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間3 min、反應(yīng)溫度30 ℃,串聯(lián)攪拌釜保溫反應(yīng)30 min,冰水水解開環(huán)反應(yīng)2 h,進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果如表1 所示:多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)后,產(chǎn)品收率均在90%左右,反應(yīng)過程穩(wěn)定,實(shí)驗(yàn)重復(fù)性好。
表1 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of repeated experiments %
嘗試進(jìn)行實(shí)驗(yàn)放大,將原料流速提高至3 mL·min-1,混酸流速提高至2.4 mL·min-1,正辛烷流速為1.0 mL·min-1,停留時(shí)間3 min,反應(yīng)溫度30 ℃,釜中攪拌30 min,固體收率90.1%,純度99.9%。表明放大以后,固體產(chǎn)品收率和純度并沒有降低,顯示出以后進(jìn)一步工業(yè)應(yīng)用的潛力。
(1)在微反應(yīng)器中開展了2-甲基-4,6-嘧啶二酮混酸硝化過程研究,引入正辛烷作為惰性溶劑與反應(yīng)相形成彈狀流,使反應(yīng)發(fā)生于分散液滴內(nèi)部,不僅可以防止固體沉積和通道堵塞,還可以強(qiáng)化傳質(zhì)傳熱,實(shí)現(xiàn)了過程強(qiáng)化和連續(xù)化操作;
(2)在微反應(yīng)器中系統(tǒng)研究了反應(yīng)溫度、停留時(shí)間、物料配比、水解條件等變量對FOX-7 收率的影響,在最佳工藝條件下(硝酸與MPO 的摩爾比為4.4,微反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間3 min,反應(yīng)溫度30 ℃,之后用冰水水解開環(huán)2 h),產(chǎn)品固體收率達(dá)到73.3%;
(3)采用微反應(yīng)器與攪拌釜串聯(lián)的模式,利用微反應(yīng)器強(qiáng)化硝化反應(yīng)過程和移出大部分反應(yīng)熱,然后在攪拌釜中延長反應(yīng)時(shí)間得到較高的產(chǎn)品收率。在前述優(yōu)化條件下,攪拌時(shí)間為30 min,產(chǎn)品收率提高至90.1%。本研究證實(shí)了FOX-7 連續(xù)合成的潛力,為實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。