Brevet FR2936521A1 — publié le 20100402

PROCEDE DE NITRATION DE 4,6-DIHYDROXY-2-METHYLPYRIMIDINE La présente invention concerne un procédé de nitration de 4,6-dihydroxy-2-méthylpyrimidine, qui est utilisée dans la synthèse de 4,6-dihydroxy-5,5-dinitro-2-(dinitrométhylène)-2,5-dihydropyrimidine qui est utilisée comme un précurseur de l,1-diamino-2,2-dinitroéthylène, un type d'explosifs. La présente invention concerne plus particulièrement un procédé amélioré de nitration de 4,6-dihydroxy-2-méthylpyrimidine, dans lequel un solvant organique est appliqué dans la nitration de 4,6- dihydroxy-2-méthylpyrimidine, résolvant ainsi le problème de sécurité tout en améliorant le rendement de nitration. La 4,6-dihydroxy-5,5-dinitro-2-(dinitrométhylène)- 2,5-dihydropyrimidine représentée par la formule 2 est utilisée comme un précurseur de 1,1-diamino-2,2- dinitroéthylène, qui est un type d'explosifs représenté par la formule 3, et est synthétisée par la nitration de 4,6-dihydroxy-2-méthylpyrimidine représentée par la formule 1. [Formule 1] NNH 2 [Formule 2] NO2 O, ./\ O N.. NH 02N NO2 [Formule 3] NH2 NH2 Dans de plus amples détails, la 4,6-dihydroxy-2-méthylpyrimidine représentée par la formule 1 est nitrée pour donner la 4,6-dihydroxy-5,5-dinitro-2- (dinitrométhylène)-2,5-dihydropyrimidine (précurseur) représentée par la formule 2, et le précurseur est ensuite hydrolysé pour donner du 1,1-diamino-2,2-dinitroéthylène représenté par la formule 3. Le processus de nitration de la 4,6-dihydroxy-2- méthylpyrimidine est généralement effectué par reflux avec de l'acide sulfurique concentré et de l'acide nitrique concentré, et le procédé le plus largement utilisé est celui proposé par A. A. Astrat'ev dans le Russian Journal of Organic Chemistry, Vol. 37, n°5, 2001, p 729-733. Dans ce procédé, du 4,6-dihydroxy-2-méthylpyrimidine est tout d'abord dissous dans un acide sulfurique concentré à 15-20 °C, la solution obtenue est refroidie à 5-10 °C et de l'anhydride d'acide nitrique est lentement ajouté à la solution tout en contrôlant la 5 température pour synthétiser la 4,6-dihydroxy-5,5-dinitro-2-(dinitrométhylène)-2,5-dihydropyrimidine, comme le montre le schéma de réaction 1. Le rendement est rapporté comme étant de l'ordre de 75 [Schéma de réaction 1] 0%,/,.N40 H2SO4 N ~/ NH HNO3 O2N NO2 Le procédé classique tel que décrit plus haut a 10 cependant comme inconvénient de générer une chaleur de réaction excessive dans le processus d'ajout d'acide nitrique. Dans le processus avec un échantillon de laboratoire de 50 ml environ de liquide de réaction, il est possible de collecter une chaleur de réaction en 15 définissant la vitesse du mélangeur à plus de 500 trs/min. Dans le processus avec un échantillon de plus de 1 L de liquide de réaction, cependant, le temps d'ajout d'anhydride d'acide nitrique tend à devenir plus long afin de maintenir la température dans une plage 20 prédéterminée suite à la génération d'une chaleur de réaction excessive, et il existe un risque d'explosion lié à la chaleur de réaction lorsque la régulation de température n'est pas suffisamment précise. La présente invention a été conçue pour résoudre les 25 problèmes de l'art antérieur et a pour objectif de fournir un procédé de nitration du 4,6-dihydroxy-2- méthylpyrimidine qui est sûr et permet d'améliorer le rendement de nitration. A cette fin, la présente invention propose un procédé de nitration de 4,6-dihydroxy-2-méthylpyrimidine dans lequel un solvant organique est appliqué dans le processus de nitration. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description non limitative qui va suivre et au regard des dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 est un graphique montrant le changement de la chaleur de réaction lorsque de l'acide nitrique concentré est ajouté dans l'exemple 1. - la figure 2 est un graphique montrant le changement de la chaleur de réaction lorsque de l'acide nitrique concentré est ajouté dans l'exemple comparatif 1. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés ci-dessous, à partir desquels on pourra prévoir d'autres modes et d'autres formes de réalisation, sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Le procédé de nitration de 4,6-dihydroxy-2-méthylpyrimidine selon la présente invention comprend les étapes consistant à : (1) dissoudre de la 4,6-dihydroxy-2-méthylpyrimidine dans un acide sulfurique concentré ; (2) ajouter un solvant organique halogéné à la solution obtenue par l'étape (1) ; et (3) ajouter de l'acide nitrique concentré à la solution obtenue par l'étape (2) et agiter la solution. Le procédé de nitration de 4,6-dihydroxy-2-méthylpyrimidine de la présente invention peut être représenté comme dans le schéma de réaction 2. [Schéma de réaction 2] 02N NO2 0 0 HN NH 2. solvant organique 3. HNO3 1. H2 SO 4 L'acide sulfurique concentré utilisé dans l'étape (1) a de préférence une concentration de 95-98 % et la 4,6- dihydroxy-2-méthylpyrimidine a de préférence une pureté de 95 % ou plus. Dans l'étape (1), il est préférable de dissoudre la 4,6-dihydroxy-2-méthylpyrimidine dans l'acide sulfurique concentré tout en mélangeant pendant 30 minutes de sorte que la 4,6-dihydroxy-2-méthylpyrimidine soit suffisamment dissoute en considérant l'importante chaleur de réaction initiale du processus de nitration. La température de dissolution de la 4,6-dihydroxy-2-méthylpyrimidine dans l'acide sulfurique concentré n'est pas particulièrement limitée, mais une température avoisinant la température ambiante est préférable. La température du réacteur, si elle n'est pas contrôlée de façon externe, augmente à plus de 60 °C pendant la dissolution et puis diminue jusqu'à la température ambiante. Le rapport équivalent de la 4,6-dihydroxy-2-méthylpyrimidine et de l'acide sulfurique concentré dans la solution obtenue est de préférence 4,6-dihydroxy-2-méthylpyrimidine : acide sulfurique concentré = 1 : 6 - 8, et plus préférablement, 1 : 7. Si l'équivalent de l'acide sulfurique concentré est inférieur à 6, le rendement du processus de nitration diminue, ce qui n'est pas préférable, et si l'équivalent de l'acide sulfurique concentré est supérieur à 8, la quantité de l'acide sulfurique concentré résiduaire augmente, ce qui n'est également pas préférable. Le solvant organique halogéné utilisé dans l'étape (2) doit être un solvant qui n'est pas nitré dans l'acide mixte, et peut être une ou plusieurs substances choisies parmi dichlorométhane, chloroforme, tétrachlorure de carbone, 1,2-dichloroéthane, trichloroéthylène, dibromométhane, bromochlorométhane, bromoforme et 1,2-dibromoéthane. La quantité d'utilisation du solvant organique, calculée par le rapport en volume par rapport à la solution obtenue dans l'étape (1), est de préférence le rapport en volume de la solution obtenue dans l'étape (1) : solvant organique halogéné = 1 : 0,5 - 1,5. Si le rapport d'utilisation du solvant organique est inférieur à 0,5, l'effet de l'utilisation du solvant organique est très faible, ce qui n'est pas préférable, et si le rapport d'utilisation du solvant organique est supérieur à 1,5, le coût du réacteur et de l'équipement est accru en raison du volume total accru par le solvant organique, ce qui n'est également pas préférable. L'acide nitrique concentré utilisé dans l'étape (3) a de préférence une concentration supérieure à 98 et la quantité d'utilisation de l'acide nitrique concentré est de préférence le rapport en poids de la solution obtenue dans l'étape (2) : acide nitrique concentré = 1 : 0,8 - 1,2. Si le rapport d'utilisation de l'acide nitrique concentré est inférieur à 0,8, le rendement de réaction est réduit et s'il est supérieur à 1,2, une émanation nitrique trop importante est générée après la réaction et l'amélioration du rendement est faible, ce qui n'est pas préférable. Dans l'étape (3), le temps d'ajout de l'acide nitrique concentré dépend du type du solvant organique, mais est de préférence de 3 minutes à 1 heure, ou plus préférablement, de 15-30 minutes. Lorsque le temps est inférieur à 3 minutes, la réaction peut ne pas être suffisante, et lorsque le temps est supérieur à 1 heure, cette longue durée peut créer des problèmes dans le processus de réaction et il existe un danger d'auto-explosion lié à l'interaction entre la 4,6-dihydroxy-5,5- dinitro-2-(dinitrométhylène)-2,5-dihydropyrimidine, un intermédiaire de réaction avant l'hydrolyse, et l'eau dans l'acide mixte. La température de réaction dans l'étape (3) est de préférence de 10 °C-40 °C. Lorsque la température est inférieure à 10 °C, il existe un problème d'augmentation du temps de synthèse et lorsque la température est supérieure à 40 °C, il existe également le problème de difficulté de régulation de la vitesse de réaction. Après ajout d'acide nitrique concentré comme décrit plus haut, la réaction est achevée par une agitation de 1 à 5 heures. Lorsque le temps d'agitation est inférieur à 1 heure, le rendement de réaction diminue, et lorsque le temps dépasse 5 heures, il existe un risque d'explosion du dinitrométhane produit pendant l'hydrolyse, ce qui n'est pas préférable. De la 4,6-dihydroxy-5,5-dinitro-2-(dinitrométhylène)-2,5-dihydropyrimidine est obtenue sous la forme d'un solide jaune dans un état légèrement humide avec le rendement d'environ 85 %, et elle peut ensuite être hydrolysée sans autre raffinage pour produire du 1,1-diamino-2,2-dinitroéthylène. Nous allons décrire la présente invention dans de plus amples détails en référence à un exemple spécifique. L'exemple, cependant, est fourni à titre d'illustration de la présente invention et ne doit pas être considéré comme limitant la portée de l'invention. Exemple 1 Une nitration est effectuée avec la matière et la quantité indiquées dans le tableau 1. Tableau 1 Réactif utilisé Mole Quantité Equivalent 4,6-Dihydroxy-2- 0,75 95 g 1 méthylpyrimidine Acide sulfurique concentré 5,35 285 ml 7,13 (95 %) (524,4 g) Acide nitrique concentré 5,09 321 g 6,79 (98 %) Dichlorométhane 2 250 ml 3,73 Tout d'abord, de l'acide sulfurique (95 %, 524,4 g) a été introduit dans un réacteur (2 L) avec une 15 température de chemise de 25 °C, et de la 4,6-dihydroxy-2-méthylpyrimidine (95 g) a été ajoutée et dissoute pendant 30 minutes avec une vitesse d'agitateur de 300 trs/min. 250 ml de dichlorométhane ont été ajoutés à la même température, et de l'acide nitrique (98 %, 321 g) a 20 ensuite été ajouté. Une fois l'ajout d'acide nitrique terminé, la même température a été maintenue jusqu'à ce que le processus de nitration soit achevé. Dans le processus ci-dessus, une fluidité améliorée a été obtenue en utilisant du dichlorométhane, un solvant10 organique halogéné, dans la réaction de nitration, et la différence entre la température interne du réacteur et la température de la chemise du réacteur ne dépassait pas 10 °C. La génération de chaleur de réaction lorsque l'acide nitrique a été introduit dans cet exemple est présentée sur la figure 1. Comme le montre le graphique de la figure 1, lorsque la chaleur de réaction est représentée par la ligne solide en gras et la quantité d'acide nitrique introduit par la ligne en pointillés, le changement de chaleur de réaction n'est pas important, ce qui peut être interprété par le fait que la chaleur de réaction est absorbée comme chaleur latente de vaporisation de dichlorométhane. Aucune chaleur de réaction supplémentaire n'a été observée 15 minutes après l'ajout d'acide nitrique. La température du réacteur est devenue identique à celle de la chemise, indiquant que la chaleur de réaction n'a plus été générée. La température du réacteur a été maintenue pendant 45 minutes pour stabilisation, et la réaction de nitration a été achevée. La 4,6-dihydroxy-5,5-dinitro-2-(dinitrométhylène)-2,5-dihydropyrimidine produite par la réaction de nitration de la 4,6-dihydroxy-2-méthylpyrimidine dans cet exemple a été hydrolysée pour donner du 1,1-diamino-2,2- dinitroéthylène avec le rendement combiné de 85 %. Exemple comparatif 1 La nitration de 4,6-dihydroxy-2-méthylpyrimidine a été effectuée comme dans l'exemple 1, mis à part que la température de la chemise du réacteur a été réduite à - 7 °C et que 500 g d'acide nitrique ont été utilisés sans ajouter de dichlorométhane. De l'acide sulfurique (95 %, 524,4 g) a été introduit dans le réacteur de 2 L avec une température de chemise de -7 °C, et de la 4,6-dihydroxy-2- méthylpyrimidine (95 g) a été ajoutée et dissoute pendant 30 minutes avec une vitesse d'agitateur de 300 trs/min. La 4,6-dihydroxy-2-méthylpyrimidine n'a pas été suffisamment dissoute dans l'acide sulfurique, et une fois que la température interne du réacteur a été abaissée à 5 °C tout en maintenant la solution idéale, de l'acide nitrique a été introduit à une vitesse de 10 g/min. Mais lorsque la température interne du réacteur a augmenté au-delà de 20 °C au début de l'introduction d'acide nitrique, la fourniture d'acide nitrique a été stoppée et a repris à une vitesse d'introduction réduite de 5 g/min une fois que la température du réacteur est tombée à 5 °C, stabilisant ainsi la température de réacteur autour de 6 °C. la quantité d'acide nitrique utilisé était de 500 g (7,93 mol) et la température de chemise de réacteur a été maintenue à environ -7 °C. Une fois l'ajout d'acide nitrique terminé, la température du réacteur a été stabilisée autour de 0 °C, et la température de la chemise de réacteur a été stabilisée autour de -10 °C. Bien que la température du réacteur ait été stabilisée jusqu'à la fin de la réaction, le problème résidait dans l'état du mélangeur et dans l'état de bouillie de la solution de réaction. Lors de la poursuite de la réaction, la bouillie de réaction n'a pas été suffisamment mélangée par l'agitateur de type à hélices, et en conséquence, seule la solution de réaction dans la partie inférieure du réacteur a été mélangée avec une accumulation de bouillie non mélangée sur la partie supérieure du réacteur. Le problème est devenu plus sérieux au fur et à mesure du processus de réaction. Une fois que l'absence de chaleur de réaction a été confirmée, la réaction a été achevée, la température interne du réacteur a été abaissée et le produit obtenu a été déchargé du réacteur. Mais la sortie du réacteur était si petite que la bouillie n'a été que très peu déchargée. Etant donné le risque présenté par le processus, la température du réacteur a dû être encore abaissée, une quantité d'eau suffisante a été introduite et la bouillie a été dissoute par l'eau et déchargée. La génération de chaleur de réaction lorsque l'acide nitrique a été introduit dans cet exemple comparatif est représentée sur la figure 2. Comme sur la figure 1, la chaleur de réaction est représentée par la ligne continue en gras et la quantité d'acide nitrique introduite par la ligne en pointillés. La réaction pourrait être effectuée à température ambiante en raison de l'absence de solvant organique et la réaction devait être effectuée à une température très basse. Comme le montre la figure 2, la chaleur de réaction a fortement varié par rapport à la figure 1 lorsque de l'acide nitrique a été introduit. La 4,6-dihydroxy-5,5-dinitro-2-(dinitrométhylène)-2,5-dihydropyrimidine produite par la réaction de nitration de la 4,6-dihydroxy-2-méthylpyrimidine dans cet exemple comparatif, a été hydrolysée pour donner du 1,1-diamino-2,2-dinitroéthylène avec le rendement combiné de 50 %. Exemple comparatif 2 La nitration du 4,6-dihydroxy-2-méthylpyrimidine a été effectuée comme dans l'exemple 1, mis à part que la température de la chemise de réacteur a été définie à 5 °C et que 500 g d'acide nitrique ont été utilisés sans ajouter de dichlorométhane. De l'acide nitrique a été introduit aussi lentement que possible afin de minimiser la génération de chaleur de réaction et de maintenir la température de réaction de façon constante. Une fois que 50 g d'acide nitrique ont été ajoutés, la température de la chemise du réacteur a été augmentée à 10 °C et maintenue à la même température jusqu'à ce que la réaction soit terminée. La température du réacteur a été augmentée jusqu'à 39 °C, et le temps de la réaction de nitration était de 3,5 heures. La 4,6-dihydroxy-5,5-dinitro-2-(dinitrométhylène)-2,5-dihydropyrimidine produite par la réaction de nitration de 4,6-dihydroxy-2-méthylpyrimidine dans cet exemple comparatif a été hydrolysée pour donner du 1,1-diamino-2,2-dinitroéthylène avec le rendement combiné de 70 %. En utilisant le procédé de nitration de 4,6- dihydroxy-2-méthylpyrimidine selon la présente invention, la température est facilement régulée et le processus de nitration est effectué de façon sûre puisque la chaleur de réaction n'est pas générée rapidement, et de la 4,6-dihydroxy-5,5-dinitro-2-(dinitrométhylène)-2,5-dihydro- pyrimidine peut être produite avec un fort rendement en un temps raccourci. REVENDICATIONS1. Procédé de nitration de 4,6-dihydroxy-2- méthylpyrimidine comprenant les étapes consistant à : (1) dissoudre de la 4,6-dihydroxy-2-méthylpyrimidine dans de l'acide sulfurique concentré ; (2) ajouter un solvant organique halogéné à la solution obtenue par l'étape (1) ; et (3) ajouter de l'acide nitrique concentré à la solution obtenue par l'étape (2) et agiter la solution. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le solvant organique halogéné est au moins un solvant choisi dans le groupe comprenant dichlorométhane, chloroforme, tétrachlorure de carbone, 1,2-dichloroéthane, trichloroéthylène, dibromométhane, bromochlorométhane, bromoforme et 1,2-dibromoéthane.