環(huán)狀離子鹽(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的合成反應(yīng)熱效應(yīng)

張 敏，劉紅利，許 誠，丁可偉,2，郭松松，屈晨曦，葛忠學(xué),2

(1.西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065；2.氟氮化工資源高效開發(fā)與利用國家重點實驗室，陜西 西安 710065)

引 言

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

RC1e全自動反應(yīng)量熱器，METTLER-TOLEDO公司；FP52低溫循環(huán)器，Julabo公司。

4-氨基-2,6-二甲基苯酚(質(zhì)量分數(shù)98%)，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；濃鹽酸(質(zhì)量分數(shù)36%～38%)，西安福晨化學(xué)試劑有限公司；亞硝酸鈉，分析純，天津天正精細化學(xué)試劑廠；疊氮化鈉，分析純，鄭州派尼化學(xué)試劑廠；甘氨酸亞鐵(質(zhì)量分數(shù)98%)，間氯過氧苯甲酸(質(zhì)量分數(shù)85%)，北京伊諾凱科技有限公司；四氫呋喃，乙腈，均為分析純，成都科隆化學(xué)品有限公司；甲醇，分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 測定原理

圖1為反應(yīng)釜的熱量流動狀況。依據(jù)能量衡算，反應(yīng)釜遵循熱流平衡：流入=累積+流出的熱量，即：

圖1 反應(yīng)釜熱流狀況Fig.1 The heat flow status of reactor

Qr+Qc+QStir=(Qa+Qi)+(Qf+Qdos+Qloss+…)

(1)

式中：Qr為化學(xué)或物理反應(yīng)熱量產(chǎn)生的速率；Qc為校準功率 (插入物料內(nèi)的量熱器在反應(yīng)前后校準時放出的熱量)；QStir為由攪拌槳帶進的能量(在反應(yīng)物質(zhì)中產(chǎn)生的熱)；Qa為反應(yīng)物質(zhì)的儲存熱量(累積)；Qi為通過插入件(溫度傳感器、pH傳感器等)儲存的熱量；Qf為通過反應(yīng)釜壁的熱流；Qdos為加料帶入的熱量；Qloss為通過反應(yīng)釜蓋的熱流(輻射或傳導(dǎo))；Qreflux為在回流冷凝器中散發(fā)的熱量；Qevap為蒸發(fā)的熱量。

通過熱流法測定上述各種類型的熱量，可計算出反應(yīng)放熱速率Qr，通過式(2)積分，即可獲得反應(yīng)過程的總放熱量ΔHr：

(2)

絕熱溫升(ΔTad)表示冷卻失效狀況下反應(yīng)理論上能夠升高的溫度，是反應(yīng)過程安全評估必不可少的因素，ΔTad依據(jù)式(3)計算[16]:

(3)

式中：Qr為放熱速率；t為時間；Mr為反應(yīng)物料總質(zhì)量；Cpr為反應(yīng)體系的比熱容。由此可計算出加料完畢后反應(yīng)體系的絕熱溫升。

1.3 實驗過程

按照文獻[9]中報道的投料比開展實驗，(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的反應(yīng)路線如下：反應(yīng)過程涉及芳胺的酸化-重氮化反應(yīng)、環(huán)化反應(yīng)及氧化切斷反應(yīng)3個步驟。

圖2 (N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的合成路線Fig.2 Synthetic route of (N5)6(H3O)3(NH4)4Cl

1.3.1 3,5-二甲基-4-羥基苯基重氮鹽的合成

向500mL玻璃釜中加入7.5g 4-氨基-2,6-二甲基苯酚和40mL的THF，攪拌，降溫至0℃，滴加12mL濃HCl，滴畢后控溫-5～0℃，滴加19.98g質(zhì)量分數(shù)為19.84%的NaNO2水溶液，滴畢，保溫反應(yīng)40min；獲得3,5-二甲基-4-羥基苯基重氮鹽溶液。該溶液不進行過濾操作，直接用于下一步反應(yīng)。

1.3.2 3,5-二甲基-4-羥基苯基五唑的合成

向上述3,5-二甲基-4-羥基苯基重氮鹽溶液中加入預(yù)冷至0℃的混合溶液(40mL甲醇和132mL石油醚)，溫度降至-32℃，滴加預(yù)冷的68.06g NaN3溶液(7.48g NaN3、40mL水與26mL甲醇的混合溶液)；滴畢，保溫反應(yīng)2h，出料后低溫過濾，洗滌，獲得3,5-二甲基-4-羥基苯基五唑固體6.3g，收率60.3%。1H NMR(CD3OD,500MHz):7.75 (2H,s)，2.30(6H，s)。

1.3.3 (N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的合成

向500mL玻璃釜中加入40mL甲醇和40mL乙腈，降至-32℃，將3,5-二甲基-4-羥基苯基五唑固體加入反應(yīng)瓶中，攪拌，分批加入5.6g甘氨酸亞鐵(Fe(Gly)2)，加畢，恒溫攪拌40min；分批加入7.5g間氯過氧苯甲酸(m-CPBA)；加畢，保溫反應(yīng)3.5h；獲得含(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl溶液，出料后經(jīng)過濾、旋蒸等后處理即可獲得(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl粗品，經(jīng)柱層析純化后獲得樣品0.575g，收率17.9%。

IR(ATR)，ν(cm-1):3209，1643，1429，1219；15N NMR(DMSO-d6，500MHz)：5.51；熱分解峰溫(升溫速率10K/min)：113.8℃、243.5℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 3,5-二甲基-4-羥基苯基重氮鹽合成過程熱效應(yīng)分析

通過4-氨基-2,6-二甲基苯酚的酸化-重氮化反應(yīng)可獲得相應(yīng)的苯基重氮鹽中間體用于下一步成環(huán)反應(yīng)，其熱釋放速率曲線如圖3所示。首先是4-氨基-2,6-二甲基苯酚的酸化，該反應(yīng)為典型的酸堿中和反應(yīng)，反應(yīng)時間為840s時，隨著濃鹽酸的加入，熱量瞬間開始釋放，1480s時，濃鹽酸加畢，則熱釋放速率曲線趨于穩(wěn)定，基本不放熱，說明該反應(yīng)的熱量釋放完全受加料控制；酸化反應(yīng)完成后，待熱釋放速率曲線趨于穩(wěn)定、反應(yīng)時間為1800s時，開始滴加亞硝酸鈉溶液，同時，隨著亞硝酸鈉溶液的加入，反應(yīng)熱釋放速率瞬間增大，達到最大放熱速率25.05W，直至亞硝酸鈉溶液滴畢，反應(yīng)熱速率基本趨于穩(wěn)定，可見重氮化反應(yīng)的熱量釋放也屬于典型的加料控制。

圖3 4-氨基-2,6-二甲基苯酚重氮化反應(yīng)過程熱釋放速率曲線Fig.3 Heat flow curves of diazotization reaction of 4-amino-2,6-dimethylphenol

從量熱數(shù)據(jù)得到芳胺酸化-重氮化反應(yīng)過程的反應(yīng)體系比熱容(Cpr)為2.6027J/(K·g)，反應(yīng)總放熱量(ΔHr)為5.624kJ，單位質(zhì)量放熱量(Q)為72.85J/g，最大放熱速率(Qrmax)為25.05W，利用公式(3)計算得到反應(yīng)絕熱溫升(ΔTad)為27.99K。結(jié)合圖3可知該反應(yīng)放熱僅受加料控制，對于工業(yè)放大后的反應(yīng)器設(shè)計，夾套、盤管的綜合冷卻能力必須能夠滿足出現(xiàn)最大放熱速率時的換熱要求[16]，因此，在中試或大規(guī)模試驗中，可通過改變濃鹽酸、亞硝酸鈉溶液的加料速率來控制反應(yīng)放熱速率，從而保證反應(yīng)過程安全性。

由上述分析可見，反應(yīng)體系在酸化-重氮化反應(yīng)為放熱反應(yīng)，屬于加料控制的放熱反應(yīng)，加料完成后，反應(yīng)基本不放熱。按照失控反應(yīng)嚴重度評價標準，其絕熱溫升<50K且無壓力影響，則屬于低危險等級[15]。

2.2 3,5-二甲基-4-羥基苯基五唑合成過程熱效應(yīng)分析

3,5-二甲基-4-羥基苯基重氮鹽與疊氮化鈉的反應(yīng)為典型的[3+2]環(huán)加成反應(yīng)，圖4為環(huán)化反應(yīng)過程中，疊氮化鈉溶液的加入量、反應(yīng)放熱速率及反應(yīng)溫度隨時間的變化曲線。由圖4可見，環(huán)化反應(yīng)2h后，反應(yīng)熱釋放速率曲線趨于穩(wěn)定，反應(yīng)時間為1180s時開始滴加疊氮化鈉溶液，隨著疊氮化鈉溶液的逐漸加入，反應(yīng)熱釋放速率增大，于3680s時到達最大放熱速率12.34W。結(jié)合加料曲線和熱釋放速率曲線可知，該反應(yīng)過程熱量釋放也屬于典型的加料控制型，在進行階梯加料時，停止加料后，反應(yīng)熱釋放速率也會在較短時間內(nèi)下降；加料后期反應(yīng)熱釋放速率較前期下降，這應(yīng)該與加入的疊氮化鈉過量有關(guān)。在中試或大規(guī)模試驗時，可以通過改變加料速率和加料方式(連續(xù)加料或階梯加料)，控制反應(yīng)熱釋放速率，從而確保反應(yīng)工藝安全性。

圖4 環(huán)化反應(yīng)熱釋放速率曲線Fig.4 Heat flow curves of cycloaddition reaction

從量熱數(shù)據(jù)得到環(huán)化反應(yīng)過程的反應(yīng)體系比熱容(Cpr)為3.2125J/(K·g)、反應(yīng)總放熱量(ΔHr)為19.638kJ、單位質(zhì)量放熱量(Q)為74.37J/g、最大放熱速率(Qrmax)為12.34W，利用公式(3)計算得到反應(yīng)絕熱溫升(ΔTad)為23.15K。由此可見，反應(yīng)體系在環(huán)化過程為放熱反應(yīng)，為加料控制的放熱反應(yīng)，加料完成后，反應(yīng)基本不放熱。按照失控反應(yīng)嚴重度評價標準，其絕熱溫升小于50K且無壓力影響，則屬于低危險等級[15]。

2.3 (N5)6(H3O)3(NH4)4Cl合成過程熱效應(yīng)分析

利用上述反應(yīng)所得芳基五唑固體，首先與甘氨酸亞鐵形成絡(luò)合物，然后通過與間氯過氧苯甲酸的氧化反應(yīng)，使得C—N鍵斷裂，獲得(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl，合成路線如下：

圖5 以芳基五唑為原料合成(N5)6(H3O)3(NH4)4ClFig.5 Synthetic route of (N5)6(H3O)3(NH4)4Cl with aryl-pentaazole as raw material

反應(yīng)過程的熱釋放速率曲線及加料曲線如圖6所示。受限于反應(yīng)量熱儀的工藝參數(shù)及客觀因素，將自動量熱儀夾套溫度設(shè)定為儀器的極限溫度時僅能使反應(yīng)體系溫度降至-32℃，與文獻[8]中反應(yīng)條件有所差異。因此，在該反應(yīng)溫度-32℃下開展實驗，反應(yīng)時間為5h，通過該過程反應(yīng)熱力學(xué)參數(shù)的測定，獲得反應(yīng)基本規(guī)律，為后續(xù)放大提供幫助。由圖6中熱釋放速率曲線可見，波動較大的兩處為加料過程，由于所加料為室溫，剛加入體系時，反應(yīng)熱釋放速率增大，進而溶解則引起熱釋放速率減少，從而形成以加料時間為起始的明顯波動；加料完成后，整體反應(yīng)熱釋放速率基本持平，反應(yīng)過程比較溫和，不涉及劇烈的放熱或吸熱過程。

圖6 氧化切斷反應(yīng)過程的反應(yīng)量熱曲線Fig.6 Heat flow curves of oxidative cleavage reaction

從量熱數(shù)據(jù)得到氧化切斷反應(yīng)過程的反應(yīng)體系比熱容(Cpr)為1.2927J/(K·g)、反應(yīng)總放熱量(ΔHr)為-0.8153kJ、單位質(zhì)量放熱量(Q)為-10.46J/g、最大放熱速率(Qrmax)為2.77W，利用公式(3)計算得到反應(yīng)絕熱溫升(ΔTad)為-8.08K。由此說明，整個氧化切斷反應(yīng)過程基本無放熱，按照失控反應(yīng)嚴重度評價標準，絕熱溫升小于50K，也屬于低危險等級[15]。ΔTad為負的主要原因應(yīng)是加入的間氯過氧苯甲酸及甘氨酸亞鐵兩種固體的溶解吸熱導(dǎo)致，加料完成后整個反應(yīng)熱釋放速率曲線很平穩(wěn)，基本沒有起伏變化。因此，在反應(yīng)器設(shè)計時，主要考慮夾套、盤管、制冷裝置等的綜合冷卻能力滿足反應(yīng)溫度要求，防止反應(yīng)物料芳基五唑分解，同時，由于反應(yīng)過程中加入過量的間氯過氧苯甲酸，在后處理過濾過程中，濾餅中含有未反應(yīng)完全的間氯過氧苯甲酸與甘氨酸亞鐵，可能會自燃起火，在工業(yè)放大過程中需要進一步考慮后處理過程的安全性問題，探索相對安全的后處理工藝。

3 結(jié) 論

(1)利用RC1e全自動反應(yīng)量熱儀，通過熱流法對3,5-二甲基-4羥基苯胺合成(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的過程進行反應(yīng)熱效應(yīng)研究。重氮化反應(yīng)的總放熱量(ΔHr)、最大放熱速率(Qrmax)、單位質(zhì)量放熱量(Q)及絕熱溫升(ΔTad)分別為5.624kJ、25.05W、72.85J/g及27.99K；環(huán)化反應(yīng)的ΔHr、Qrmax、Q及ΔTad分別為19.638kJ、12.34W、74.37J/g及23.15K；氧化切斷反應(yīng)的ΔHr、Qrmax、Q及ΔTad分別為-0.8153kJ、2.77W、-10.46J/g、-8.08K。

(2)合成(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的酸化-重氮化反應(yīng)、環(huán)化反應(yīng)過程屬于典型的加料控制的放熱反應(yīng)，可通過控制加料速率、改變加料方式的途徑進行反應(yīng)過程熱量釋放控制。氧化切斷反應(yīng)過程整體比較溫和，在反應(yīng)器設(shè)計及工藝放大時，主要考慮夾套、盤管、制冷裝置等的綜合冷卻能力滿足反應(yīng)溫度要求。結(jié)合失控反應(yīng)嚴重度評價標準，三步反應(yīng)均屬于低危險等級。

(3)合成(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的環(huán)化反應(yīng)以及去芳基反應(yīng)過程中，由于中間體芳基五唑?qū)囟让舾校枰梵w系溫度突變導(dǎo)致的芳基五唑分解以及后續(xù)連鎖放熱反應(yīng)，需要通過控制加料速率來達到反應(yīng)可控的目標。同時，氧化切斷反應(yīng)后處理過程中，由于后處理過濾過程中，濾餅中過量的間氯過氧苯甲酸與甘氨酸亞鐵易自燃起火，需要進一步考慮反應(yīng)產(chǎn)物后處理過程的安全性。