基金项目:国家自然科学基金(No.22178282,No.22305187)
作者简介:李冬(1992-),男,博士,助理研究员。E-mail:406929369@qq.com
通信作者:汪营磊(1983-),男,博士,研究员。E-mail:wangyl204@163.com
(西安近代化学研究所,陕西 西安 710065)
(Xi'an Modern Chemistry Research Institute, Xi'an 710065, China)
organic chemistry; N-nitromethylamine; NMA; micro reaction; nitration reaction; 1,3-dimethylurea; energetic plasticizer; DNDAs
DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.202404009
环境温度一直是制约身管武器发展的重要因素之一,其影响发射药的燃烧速度,随着温度的增加,发射药的燃速呈指数规律上升。虽然火炮的装填条件相同,但在不同地区不同季节甚至在白天和晚上,火炮的弹道性能都不同甚至相差很大,最高的膛压差可达40~80MPa,明显地降低了武器效率和武器的使用安全性[1]。火炮初速膛压受环境温度影响小的装药,称为低温度系数装药或称低温感装药。为了适应现代战争环境的需求,如何改善初温对火炮弹道性能的影响成为国内外火药装药工作者的重要研究课题之一,而采用增塑剂是调节发射药温度系数简便而有效的技术途径。
研究发现[2,3],线状硝胺类含能增塑剂(DNDAs)是一种新型的低温度系数含能增塑剂。将线状硝胺含能增塑剂应用于发射药配方,并应用于身管武器装药,可使发射药在较宽的温度范围内(-50~+70℃)展现出良好的低温感效果,同时可以使身管武器的弹道性能提高10%~20%[4]。因此,线状硝胺含能增塑剂是实现身管武器低温度系数的关键因素之一。近年来,许多国家的研究者也相继开展了线状硝胺含能增塑剂的合成及在新型发射药和推进剂中的应用研究,证明了线状硝胺含能增塑剂的应用潜力[5-8]。
甲硝胺(NMA)是合成线状硝胺含能增塑剂过程中的关键中间体,甲硝胺的合成需要通过1,3-二甲基脲依次经过硝化反应和水解反应进行合成。其中,硝化反应采用传统的釜式硝化法,反应过程在线量大,反应放热剧烈,极易发生喷料,安全隐患较大。因此,亟需开发新的烷基脲硝化方法,以实现甲硝胺的安全高效制备,提升线状硝胺含能增塑剂制备的效率和安全性。
微反应技术是一种利用结构上的微尺度特征来强化反应过程的传质、传热的新型合成技术[9-11],目前已在生物医药、染料、农药等民用化工领域实现了广泛的应用,技术较为成熟,取得了卓越成效[12-16]。由于微反应技术具有反应速度快、物料利用率高、停留时间短、在线量小等特点,能够显著提升反应过程的安全性,非常适合用于强放热、易燃易爆等危险性较高的反应过程,与含能化合物的合成需求十分契合[11,17-21]。近年来,微反应技术在含能材料领域引起了越来越多的关注,研究人员已采用微反应技术合成了硝酸酯、硝基、叠氮、氮杂环等多种含能化合物[22-25],同时微反应技术在复合含能材料制备中也得到了应用[26-28]。目前,微反应技术在火炸药相关领域的应用仍处于发展之中[29-30],且国内尚未有将其应用于甲硝胺类化合物合成方面的报道。
鉴于此,本研究利用微反应技术,以1,3-二甲基脲为原料,使用微反应器对其进行硝化,并进一步通过水解反应合成了甲硝胺,表征了其结构,并对其反应条件进行了优化,以期为线状硝胺含能增塑剂的工业化安全高效生产和应用奠定基础。
1,3-二甲基脲,分析纯,上海阿拉丁生化科技股份有限公司; 硫酸(质量分数98%)、二氯甲烷,均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司; 多聚甲醛、碳酸钠、硫酸镁,均为分析纯,成都科龙化工试剂厂; 硝酸(质量分数98%),工业品,中国石油兰州石化公司。
NEXUS870型傅里叶变换红外光谱仪,美国Nicolet公司; AV500型(500 MHz)超导核磁共振波谱仪,德国Bruker公司; GC-2010型高效液相色谱仪,日本岛津公司; VARIO EL III型元素分析仪,德国Elementar公司; RC1e型反应量热仪,瑞士Mettler Toledo公司; SIMM-V2-Lasab45200-HC微反应器,材质为哈氏合金,上海科升仪器有限公司。
以1,3-二甲基脲为原料,依次经过硝化、水解两步反应合成甲硝胺。合成路线如下:

采用全自动反应量热仪对硝化反应的反应热进行测量。反应过程为Tr控温模式,采用传统釜式合成工艺。常温常压下,向反应釜中加入硝酸,开启搅拌,将反应液降温至-5℃,控温于-5℃条件下,滴加硫酸,滴加完毕,控温于-10℃,滴加1,3-二甲基脲的二氯甲烷溶液,滴加完毕,反应30min,反应结束,仪器自动得到反应过程热效应曲线。
甲硝胺合成需要经历两步反应:硝化与水解。其中,硝化反应采用微反应器进行,反应所用的原料硝硫混酸和1,3-二甲基脲的二氯甲烷溶液需要提前配制好并进行澄清、过滤,再通过计量泵输送至微反应器中进行硝化。硝化液经稀释、处理后,经水解反应得到产物甲硝胺。其工艺流程如图1所示。
在搅拌下,将硫酸缓慢滴入硝酸中,硝酸与硫酸的体积比为1:1,混合过程中用冰水浴冷却,控制混酸的温度不超过20℃,混合完成后进行过滤,得到硝硫混酸溶液备用。将100g(1.14mol)1,3-二甲基脲加入200mL二氯甲烷中,配制成溶液。将配制好的硝硫混酸和1,3-二甲基脲的二氯甲烷溶液通过计量泵同时加入微反应器中,流速分别为3.20mL/min和2.00mL/min,反应过程中控制体系温度为15℃。反应液收集至装有冰水的烧杯中,分离出有机相,水相用二氯甲烷萃取,合并有机相,用质量分数5%的碳酸钠水溶液和水分别洗涤2次后得到硝化产物的二氯甲烷溶液。
将200mL质量分数为20%的硫酸水溶液加入反应瓶中,加热至93~95℃,将滴加上步反应得到的二氯甲烷溶液进行水解反应,滴加完毕后保温30min,停止加热,反应液用二氯甲烷萃取3次,无水硫酸镁干燥后,除去溶剂得白色固体157g,收率90.7%,纯度99.2%(HPLC)。
IR(KBr),υ(cm-1):3367(N—H),2939(—CH3),1601,1306(—NO2); 1H NMR(DMSO-d6),δ:2.99(s,3H),11.86(s,1H,—NH—); 13C NMR(DMSO-d6),δ:32.67(—CH3); 元素分析(CH4N2O2,%):计算值,C 15.79,H 5.263,N 36.84; 实测值,C 16.16,H 5.312,N 37.28。
甲硝胺的高效液相色谱图和红外光谱图如图2(a)和(b)所示,核磁谱图如图3所示,TG-DSC曲线及在1MPa下的DSC曲线如图4(a)和(b)所示。
图2 甲硝胺的高效液相色谱图和红外光谱图
Fig.2 High performance liquid chromatography and fourier transform infrared spectrum of NMA
图3 甲硝胺的核磁谱图
Fig.3 1H NMR and 13C NMR spectra of NMA
由于1,3-二甲基脲的硝化反应为强放热反应,首先通过全自动反应量热仪对硝化反应的反应热进行了测量,反应量热数据如图5所示。
由图5可知,滴加1,3-二甲基脲溶液过程中,体系有明显的放热现象。滴加完毕后反应速率曲线迅速下降,表明反应为加料控制的放热反应。至反应结束时,放热速率仍略大于零,推测反应液可能在保温阶段同时存在分解反应。加料阶段的平均放热速率为34.1W/kg,保温阶段的平均放热速率为19.7W/kg,由反应量热实验可知,该工艺阶段的总放热量为19.9kJ。在-10℃下该反应液的比热容为1.3J/(g·K),反应液的总质量为296.39g,经计算可知,该反应的比放热量为67.14J/g,反应的绝热温升ΔTad为51.5K。该阶段的工艺操作温度为-10℃,代入公式MTSR=Tp+ΔTad,得到该反应可达到的温度最高值MTSR为41.5℃。反应体系设计温度MTT为体系的沸点39.8℃,则MTSR>MTT,可能会引起反应物料沸腾,导致冲料危险。
对于甲硝胺合成过程中的硝化反应,温度会直接影响反应过程的安全性和稳定性,同时也会对后续产品收率和纯度产生显著的影响。研究过程中,固定硝化反应中1,3-二甲基脲与硝酸的摩尔比为1:1.50,探究微反应器硝化反应温度对产物甲硝胺收率的影响,结果见表1。
从表1中可以看出,在硝化反应温度较低时,产物甲硝胺的收率非常低; 伴随着温度逐步升高,收率出现明显的提升; 当温度提升至15℃时,甲硝胺的收率达到90.7%,纯度为99.2%; 而温度继续升高时,收率反而会略微下降。这主要是由于低温时硝化反应速率较低,1,3-二甲基脲硝化不完全,导致收率降低。而反应温度过高时,硝化产物在强酸性环境下稳定性较差,容易发生分解,导致收率有所降低。因此,确定较佳的硝化反应温度为15℃。
固定硝化反应温度为15℃,探究硝化反应中1,3-二甲基脲与硝酸的摩尔比对甲硝胺产物收率的影响,结果见表2。
从表2中可以看出,增加硝硫混酸中硫酸的含量可以提升甲硝胺产物的收率,当硝酸与硫酸的摩尔比由1:0.65变为1:0.78时,甲硝胺的收率显著提高。这一方面是由于混酸中硫酸可以促进NO+2的生成,从而提高硝酸的硝化能力; 另一方面,硫酸也是一种强脱水剂,可与硝化反应生成的水结合,能够促进反应进行,同时也能避免生成的水稀释硝酸而降低硝化能力。而继续提高硫酸含量至硝酸与硫酸摩尔比为1:0.90时,甲硝胺的收率并没有明显提升。
同时,随着硝酸与1,3-二甲基脲摩尔比由1:0.72变为1:0.67,甲硝胺的收率得到了较为明显的提升,收率达到90.7%,纯度为99.2%。然而,继续增加硝酸比例时,甲硝胺收率并没有明显变化。这主要是由于硝酸是实际与原料发生反应的物料,当硝酸与1,3-二甲基脲摩尔比为1:0.72时,硝酸用量不足,导致1,3-二甲基脲未被完全硝化; 而摩尔比为1:0.67时,原料1,3-二甲基脲已基本完全反应,甲硝胺收率达到最高。当继续增加硝酸用量时,过量的硝酸不能提升甲硝胺产品的收率,且过量的酸可能会导致产物分解,使产品收率降低,同时过多废酸也会增加三废处理成本。因此,综合考虑,确定较佳的硝酸、硫酸与1,3-二甲基脲的摩尔比为1:0.78:0.67。
平均停留时间是微通道反应器的一个重要特征参数,用于表示反应物料在反应器通道中混合及反应的平均时长。在本研究中,通过调节1,3-二甲基脲溶液与硝硫混酸的流速,探究不同的停留时间对甲硝胺收率的影响,结果见表3。
从表3中可以看出,当停留时间较短时,甲硝胺产物的收率及纯度均相对较低; 而随着停留时间逐渐延长,收率及纯度均逐步增加,在平均停留时间为22.5s时达到最高,收率为90.7%,纯度为99.2%; 而进一步延长停留时间后,甲硝胺的收率及纯度基本稳定,没有发生明显的增加。这主要是由于反应时间是影响反应程度的主要因素,停留时间的延长可使原料更为充分地反应,使反应更加彻底,因此收率和纯度均会增加。而当停留时间增加至一定程度时,反应已达到平衡,且停留时间仅为几十秒,生成的产物也不会发生明显分解,因此产物的收率和纯度基本保持稳定,较佳的停留时间为22.5s。
目前在合成甲硝胺的过程中,硝化反应由于存在传热、传质效率低等不足,需要严格控制加料时的速度,同时体系温度也较低,导致反应时间较长,副反应较多,产物收率低,安全风险大等问题。而微反应合成过程中物料的混合效率较高,传质传热较好,副反应较少。同时物料在线量较小,也会提高硝化反应的安全性和稳定性。微反应器硝化与传统硝化工艺比较结果[31-32]见表4。
由表4可知,传统硝化工艺需要严格控制体系温度低于0℃,以防止反应失控; 而使用微反应器进行硝化则可在15℃下进行反应,反应速率较高,反应停留时间可以显著缩短,反应更为彻底。同时,使用微反应器进行硝化可以显著提高甲硝胺的收率,表明了微反应器硝化的优越性。
(1)采用微反应器替代传统反应器制备出新型线状硝胺含能增塑剂合成的关键中间体甲硝胺,对其结构进行了表征,解决了甲硝胺合成过程中硝化反应放热量大、在线量大等导致的反应难以控制、安全风险高的问题。
(2)对使用微反应器硝化反应的反应条件进行了优化,确定了最佳的硝化反应温度为15℃,较佳的硝酸、硫酸与1,3-二甲基脲的摩尔比为1:0.78:0.67,平均停留时间为22.5s。通过微反应技术,提高了硝化反应的温度,提升了硝化反应的效率,增强了硝化反应的安全性,为甲硝胺微反应器合成工艺放大与线状硝胺含能增塑剂的安全高效合成奠定了基础。