Безопасный способ получения 2-метил-5-нитротетразола и микрореактор для его осуществления
SAFE METHOD FOR PRODUCING 2-METHYL-5-NITROTHETRAZOLE AND A MICROREACTOR FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к химии тетразолов, конкретно к способу получения 2-метил-5-нитротетразола 1, имеющего применение в качестве легкоплавкого компонента (пластификатора) полимерной основы связующего энергонасыщенных систем и материалов [Ostrovskii V.A., Pevzner M.S., Kofman T.G. et al. Energetic 1,2,4-triazoles and tetrazoles. Synthesis, structure and properties. In Targets in Heterocyclic Systems. Chemistry and Properties/Eds. O. Attanasi, D. Spinelli. Ital. Soc. Chim. 1999, 3, 467-526], и устройству для его осуществления - микрореактору.
На фиг.1 и 2 показан известный способ получения 2-метил-5-нитротетразола 1 [Thomas М. Klapotke, Carles  and Jorg Stierstorfer, Neutral 5-nitrotetrazoles: easy initiation with low pollution. New J. Chem., 2009, 33, 136-147]: на фиг. 1 - в виде химических схем, на фиг. 2 - в виде блок-схемы процесса (операционной схемы).
На фиг. 3-5 показаны химические (фиг. 3) и операционные (фиг. 4) схемы, а также схема каталитического цикла Старкса (фиг. 5), по которым реализован способ-прототип [Pavlyukova, Yu. N.; Nesterova, О.M.; Ilyushin, М.A.; Ostrovskii, V.A., Chem. Heterocycl. Compd. 2017, 53, 733. [Khim. Geterotsikl. Soedin. 2017, 53, 733]. На фиг. 6. показана химическая схема, характеризующая потерю солью 6 при нарушении температурного и временного режима кристаллизационной воды, с ее превращением в безводную соль 5, обладающую свойствами инициирующего взрывчатого вещества, весьма чувствительного к начальным импульсам.
На фиг. 7 представлена схема предлагаемого устройства, на фиг. 8 - временная диаграмма сигналов, регистрируемых датчиками перемещения границы раздела водной и органической фаз, на фиг. 9 - схема снарядного (тейлоровского) течения в предлагаемом аппарате.
Известны следующие способы получения 2-метил-5-нитротетразола 1. 1. Алкилирование 5-аминотетразола 2 диметилсульфатом в водном растворе NaOH с разделением образующихся региоизомерных 1-метил-5-амино- 3 и 2-метил-5-аминотетразола 4 и последующим диазотированием 2-метил-5-аминотетразола 4 нитритом натрия в серной кислоте [Thomas М. Klapotke, Carles  and Jorg Stierstorfer, Neutral 5-nitrotetrazoles: easy initiation with low pollution. New J. Chem., 2009, 33, 136-147] (фиг. 1, 2).
Как следует из фиг. 1, 2, данный способ получения 2-метил-5-нитротетразола 1 имеет следующие недостатки:
- при алкилировании 5-аминотетразола 2 образуются два региоизомерных продукта: 1-метил-5-аминотетразол 3 и 2-метил-5-аминотеразол 4 в соотношении ~2:1.5 соответственно [Ф.Р. Бенсон, в кн. Гетероциклические соединения, т. 8. Ред. Р. Эльдерфильд, М.: 1969, с. 46]. Данное соотношение обусловлено электронодонорным эффектом заместителя у атома углерода тетразольного цикла (аминогруппа) [Ostrovskii V.A., Koren А.О., Heterocycles, 2000. N6, p. 1421-1448]. Отметим, что для получения целевого продукта 2-метил-5-нитротетразола 1 пригоден только один из двух региоизомеров, а именно - 2-метил-5-аминотетразол 4, который, как указано выше, образуется в ходе алкилирования в меньшем количестве, чем региоизомер 3. После разделения региоизомеров 3 и 4, 2-метил-5-аминотетразол 4 выделяют с низким выходом, не превышающим 15%. Очевидно, что выход целевого соединения - 2-метил-5-нитротетразола 1 не превышает 10% в расчете на исходный 5-аминотетразол 2.
2
3
Способ-прототип настоящего изобретения описан в работе [Pavlyukova, Yu.N.; Nesterova, О.M.; Ilyushin, М.A.; Ostrovskii, V.A., Chem. Heterocycl. Compd. 2017, 53, 733. [Khim. Geterotsikl. Soedin. 2017, 53, 733.]. Как следует из химических и операционных схем, а также каталитического цикла Старкса (фиг. 3-5), способ-прототип позволяет синтезировать соединение 1 в три стадии (А-Е): А - получение натриевой соли 5-нитротетразола 5, диазотированием 5-аминотетразола 2 нитритом натрия в водном растворе серной кислоты, с последующей нейтрализацией NaCO до рН=7.5-8.0. На стадии В, следуя методикам, приведенным в описании к патентам [von Herz, Е. (Jan 5, 1937). U.S. Patent 2,066,954; Renz, R.N.; Williams, M.D.; Fronabarger, J.W. (Aug 7, 2007). U.S. Patent 7,253,288 B2], a также в статье [Ilyushin, M.A.; Smimov, A.V.; Andreev, V.N.; Tselinskii, I.V.; Shugalei, I.V.; Nesterova, О.M. Russian J. General Chem. (Engl. Transl), 2015, 85, 2878], из водного реакционного раствора, содержащего растворенную натриевую соль 5-нитротетразола (Na-5-NT aq), (фиг. 2), выделяют соответствующую кристаллическую соль 5-нитротетразола 5 в форме тетрагидрата путем выпаривания досуха водного реакционного раствора А в токе воздуха на кипящей водяной бане. На стадии С растворяют тетрагидрат натриевой соли 5-нитротетразола (cryst) 5 в воде и используют водный раствор вновь образованной соли Na-5-NT aq для последующего алкилирования в условиях межфазного катализа (Стадия D). На стадии D алкилируют диметилсульфатом тетрагидрат натриевой соли 5-нитротетразола 5, в двухфазной системе вода - хлористый метилен в присутствии катализатора межфазного переноса - тетрабутиламмония бромистого (фиг. 3, 4). Как следует из цикла Старкса (фиг. 5), в результате равновесного обмена ионами в водной фазе из натриевой соли 5-нитротетразола 5aq образуется тетрабутиламмониевая соль 5-нитротетразола 7, которая, благодаря липофильному катиону, преодолевает границу раздела фаз. В органической фазе осуществляется процесс алкилирования соли 7 с образованием целевого 2-метил-5-нитротетразола 1.
2
1
2
Способ-прототип обладает очевидным достоинством. А именно: в этом способе исключена необходимость предварительного получения и последующего диазотирования 2-метил-5-аминотетразола 4 (фиг. 1). Алкилирование в этом случае осуществляется напрямую, в качестве субстрата выступает тетрабутиламмониевая соль 5-нитротетразола 7, образующаяся в результате обмена ионами (фиг. 3-5) натрия и тетрабутиламмония (фиг. 3, 4). При этом основным продуктом реакции является целевой региоизомер - 2-метил-5-нитротетразол 1. Преимущественное образование N-изомера является следствием сильного электроноакцепторного характера группы NO у атома углерода тетразольного цикла [Ostrovskii V.A., Koren А.О., Heterocycles, 2000. N6, p. 1421-1448]; в отличие от группы NH2, обладающей, как указано выше, электронодонорными свойствами, что и приводит к преимущественному образованию N-изомера. Выход целевого продукта, согласно условиям, приведенным в способе-прототипе, достаточно высокий (80%); после кристаллизации 61%.
Однако, представленный выше способ-прототип обладает и некоторыми существенными недостатками. Во-первых, данный способ потенциально взрывоопасен, т.к. на стадии (В) - выделяют тетрагидрат натриевой соли 5-нитротетразола 6, упариванием досуха реакционного раствора, содержащего в качестве основного компонента водную натриевую соль 5-нитротетразола 5aq. Соль 6, при нарушении температурного и временного режима, теряет кристаллизационную воду, превращаясь в безводную соль 5 (фиг. 3 и 6), обладающую свойствами инициирующего взрывчатого вещества, весьма чувствительного к начальным импульсам (удар, трение, луч огня, электрический разряд) [Koldobskii, G.I.; Soldatenko, D.S.; Gerasimova E.S.; Khokryakova, N.R.; Shcherbinin, M.B.; Lebedev, V.P.; Ostrovskii, V.A. Russian J. Org Chem. (Engl. Transl.) 1991, 33, 1771].
Очевидно, что для решения проблемы потенциальной взрывоопасности, обусловленной потерей кристаллизационной воды и превращения соли 6 в безводную соль 5 (фиг. 4), следует исключить стадию В (фиг. 3, 4) из процесса получения 2-метил-5-нитротетразола 1. Другой недостаток способа-прототипа заключается в том, что синтез 2-метил-5-нитротетразола 1 выполняют в емкостном реакторе (batch-reactor), в котором, из-за диффузионного контроля скорости, необходимо интенсивное перемешивание двухфазной системы «водная фаза - органический растворитель». Для этого в способе-прототипе предложено использовать высокоскоростной диспергатор (с частотой вращения 4000 об/мин). Несмотря на это, для проведения синтеза 2-метил-5-нитротетразола 1 в условиях межфазного катализа необходим катализатор - тетрабутиламмоний бромистый (ТБАБ) [Демлов, Э.; Демлов 3. Межфазный катализ. Пер. с англ. - М.: Мир, 1987. - 485 с.]
Предлагаемое изобретение позволяет устранить указанные выше недостатки способа-прототипа. С этой целью в процессе на стадии алкилирования (D) (фиг. 4) вместо емкостного реактора периодического действия и условий межфазного катализа предлагается использовать микрореактор проточного типа, имеющий общие технические элементы с микрореактором, описанном в патенте [Абиев, P.Ш; Попова, Е.А.; Светлов, С.Д.; Лаппалайнен, Л.А.; Трифонов, Р.Е.; Островский В.А. (10.08.2015, Бюл. №22). RU 2559369 С1], но отличающийся от него несколькими существенными признаками.
Известен микрореактор (устройство-аналог) проточного типа [Абиев, P.Ш; Попова, Е.А.; Светлов, С.Д.; Лаппалайнен, Л.А.; Трифонов, Р.Е.; Островский В.А. (10.08.2015, Бюл. №22). RU 2559369 С1] содержащий микроканал для проведения гетерофазной химической реакции, Y-образный микродиспергатор с штуцерами для ввода сплошной и дисперсной фаз, насосы для подачи реакционных растворов и сепарационное устройство.
К выходному патрубку микрореактора присоединены последовательно сепаратор для разделения жидких фаз и сепаратор для отделения газов и парообразных продуктов от жидкости. Известное устройство позволяет эффективно осуществлять массообмен с химической реакцией, однако при использовании дисперсной фазы, хорошо смачивающей поверхность микроканала, тейлоровский (снарядный) режим течения не возникает, а фазы образуют два слоя, движущихся друг над другом (стратифицированное, или слоистое, течение), либо дисперсная фаза движется в виде «ручейка» по поверхности капилляра. Это препятствует реализации преимуществ микроканалов, обусловленных тейлоровскими вихрями, возникающими между соседними каплями дисперсной среды (Бауэр Т., Шуберт М., Ланге Р., Абиев Р.Ш. Интенсификация гетерогенно-каталитических газожидкостных реакций в реакторах с многоканальным монолитным катализатором // Журн. прикл. химии, 2006., Т. 79, №7, С. 1057-1066; М.Т. Kreutzer, F. Kapteijn, J.А. Moulijn, J.J. Heiszwolf, Multiphase monolith reactors: Chemical reaction engineering of segmented flow in microchannels // Chemical Engineering Science. 2005. V. 60. P. 5895-5916). Как удельная поверхность, так и поверхностный коэффициент массоотдачи при этом резко снижаются, и процесс протекает в крайне неблагоприятных условиях.
Известно устройство (устройство-аналог) для проведения процесса получения замещенных тетразолов диазотированием 5-аминотетразола с использованием микрореакторов (WO 2006/029193 А2, 16.03.2006, C07D 257/04 (2006.01); US 7253288 В2, 07.08.2007, C07D 257/06 (2006.01), C07D 257/04 (2006.01) Renz, R.N., Williams, M.D., Fronabarger J.W.). Необходимость использования микрореакторов при проведении процесса в гомогенных условиях не является очевидной и приводит к неоправданному усложнению аппаратурного оформления процесса. Кроме того, в этом техническом решении используются микрореакторы, конструкция которых не позволяет осуществлять непрерывное измерение и корректировку длины капель дисперсной фазы и жидкостных снарядов сплошной фазы. В результате этого, за счет изменения структуры течения в ходе протекания реакции в устройстве по известному изобретению нарушается снарядный режим течения, что не позволяет реализовать преимущества снарядного режима течения и поддержать параметры двухфазного течения на протяжении всего процесса. Режим течения при этом сменяется на капельный, с каплями дисперсной фазы, размер которых меньше диаметра микроканала. Все это существенно ухудшает массообмен и в целом значительно понижает производительность устройства.
Известен микрореактор {устройство-прототип) проточного типа, содержащий микроканал для проведения гетерофазной химической реакции, микродиспергатор с корпусом в форме вытянутого эллипсоида и диспергирующим элементом в виде полой иглы для ввода дисперсной фазы, установленной с возможностью осевого перемещения относительно корпуса микродиспергатора, насосы для подачи реакционных растворов (патент РФ №2614283, B01J 8/04). Известное устройство обеспечивает возможность поддержания стабильных гидродинамических условий ведения процесса, достижение заданной интенсивности перемешивания, обеспечивающей, в свою очередь, высокие значения коэффициентов тепло- и массоотдачи.
Вместе с тем, в известном устройстве не предусмотрена возможность контроля за меняющимися характеристиками двухфазного течения. Как показали исследования, при протекании реакции в двухфазной системе, циркулирующей по замкнутому контуру микрореактора, происходит накопление продуктов реакции, что приводит к постепенному изменению физико-химических свойств фаз (вязкостей и межфазного натяжения), и, как следствие, изменяются параметры режима течения. Кроме того, меняется длина капель дисперсной фазы и жидкостных снарядов сплошной фазы: исходные сравнительно короткие капли сливаются в более длинные, в которых массоперенос существенно хуже из-за увеличения времени циркуляции внутри капли (Thulasidas Т.С., Abraham М.A., Cerro R.L. Bubble-train flow in capillaries of circular and square cross section // Chemical Engineering Science. 1995. V. 50, N 2. P. 183-199.). Чрезмерное и неконтролируемое удлинение капель приводит к срыву снарядного (тейлоровского) режима течения двухфазной смеси, обладающего наиболее благоприятными массообменными характеристиками для проведения процессов в гетерофазных системах. В итоге течение становится стратифицированным (слоистым) с очень слабо развитой поверхностью контакта фаз и практически отсутствующей конвективной диффузией, что приводит к существенному замедлению процесса в целом из-за резкого увеличения диффузионного сопротивления переносу.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение безопасности процесса за счет исключения необходимости работы с индивидуальной кристаллической натриевой солью 5-нитротетразола, обладающей в безводной форме высокой чувствительностью к механическим импульсам, непрерывное поддержание стабильных гидродинамических условий ведения процесса при накоплении продуктов реакции в двухфазной системе, а именно в формировании в микроканалах капель дисперсной фазы с заданными размерами, распределенными в достаточно узком диапазоне, а также непрерывное поддержание равного расстояния между соседними каплями (т.е. длины жидкостных снарядов сплошной фазы), что в итоге ведет к достижению заданной интенсивности перемешивания, обеспечивающей, в свою очередь, высокие значения коэффициентов тепло- и массоотдачи, даже при значительном изменении физико-химических свойств растворов.
Поставленная задача достигается тем, что в способе получения 2-метил-5-нитротетразола алкилированием натриевой соли 5-нитротетразола в двухфазной системе водная фаза - хлористый метилен, согласно изобретению, в качестве водной фазы используют реакционный раствор, полученный в результате диазотирования 5-аминотетразола нитритом натрия в среде разбавленной серной кислоты, с последующей нейтрализацией карбонатом натрия до рН=6,5-8,0, с проведением процесса алкилирования в микрореакторе проточного типа, причем в ходе процесса осуществляют непрерывное измерение длины капель дисперсной фазы и жидкостных снарядов сплошной фазы, подстраивая положение диспергирующего элемента микрореактора таким образом, чтобы обеспечить поддержание параметров двухфазного течения на протяжении всего процесса.
Поставленная задача достигается тем, что в микрореакторе проточного типа для реализации способа, содержащем микроканал для проведения гетерофазной химической реакции, микродиспергатор с корпусом сферической формы и диспергирующим элементом в виде полой иглы для ввода дисперсной фазы, установленной с возможностью осевого перемещения относительно корпуса микродиспергатора, насосы для подачи реакционных растворов, согласно изобретению, на микроканале установлены один или несколько датчиков для регистрации перемещения границы раздела водной и органической фаз, сигнал с которых подается на контроллер, подключенный к исполнительному устройству, управляющему осевым положением диспергирующего элемента относительно корпуса микродиспергатора.
Поставленная задача достигается также тем, что в микрореакторе проточного типа, согласно изобретению, диаметр микродиспергатора в 1,3-2 раза больше внутреннего диаметра микрореактора, а диаметр полой иглы составляет 0,25-0,5 от внутреннего диаметра микрореактора.
Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.
Заявляемые способ и устройство позволяют обеспечить стабильные (распределенные в достаточно узком диапазоне) во времени размеры капель дисперсной фазы, а также равные расстояния между соседними каплями - в каплях сплошной фазы (так называемых слагах, жидкостных снарядах), даже при изменении физико-химических свойств гетерогенной среды (вязкости водной и органической фаз - растворов реагентов, межфазного натяжения), обусловленных накоплением в системе продуктов реакции и изменением температуры. Это гарантирует в течение всего процесса синтеза продукта практически одинаковые гидродинамические условия во всех элементах как сплошной, так и дисперсной среды - пузырях или каплях и слагах: интенсивность тейлоровских вихрей, время циркуляции в каждом элементе, а значит, и равномерное распределение по длине микроканалов коэффициентов тепло- и массоотдачи. В результате предлагаемое изобретение позволяет более полно использовать возможности микроканалов, т.е. при равной длине микроканалов в них достигается более высокие значения тепловых и массовых потоков, увеличивается выход реакций.
Микрореактор проточного типа для реализации предлагаемого способа (фиг. 7) содержит микроканал 1 для проведения гетерофазной химической реакции, микродиспергатор с корпусом 2 сферической формы и диспергирующим элементом 3 в виде полой иглы для ввода дисперсной фазы, установленной с возможностью осевого перемещения относительно корпуса 2 микродиспергатора, насосы 4 для подачи реакционных растворов. На микроканале 1 установлены один или несколько датчиков 5 для регистрации перемещения границы раздела водной и органической фаз. Датчики 5 содержат излучатель 5а и приемник 5б могут быть инфракрасного типа, типа лазерного светодиода и светоприемника, либо иметь другой принцип действия. Вид сигнала, регистрируемого датчиком 5, изображен на фиг. 8. Сигнал с нескольких датчиков может обрабатываться контроллером для получения информации о средней величине длины капель 10 дисперсной фазы и жидкостных снарядов 11 сплошной фазы. Сигнал с датчиков 5 подается на контроллер 6, подключенный к исполнительному устройству 7, управляющему осевым положением диспергирующего элемента 3 относительно корпуса 2 микродиспергатора. Исполнительное устройство 7 может представлять собой электромагнитный, электромеханический, гидравлический, пневматический или иной привод, способный линейно перемещать диспергирующий элемент 3 относительно корпуса 2 микродиспергатора. На фиг. 7 представлен вариант исполнения исполнительного устройства 7, содержащего несколько гидравлических приводов, соединенных параллельно. Для обеспечения заданного времени пребывания с целью достижения высокого выхода реакции микроканал 1 с сепаратором 9 и шлангами насосов 4 по существу образуют замкнутое кольцо, по которому циркулирует двухфазная система.
Микродиспергатор включает также подвижное уплотнение 8 (сальниковое, сильфонное или другое), обеспечивающее герметичность сопряжения диспергирующего элемента 3 относительно корпуса 2 микродиспергатора.
Для разделения водной и органической фаз служит сепаратор 9, содержащий первую ступень 9а для отделения водной фазы и газов от хлористого метилена и вторую ступень 9б для отделения газов от водной фазы. В микроканале 1 образуются капли дисперсной фазы 10 и жидкостные снаряды (слаги) 11 сплошной фазы. В каплях дисперсной фазы 10 возникают вихри Тейлора 12, а в жидкостных снарядах (слагах) 11 сплошной фазы -аналогичные вихри Тейлора 13.
Устройство работает следующим образом. Микроканал 1 устройства заполняют сплошной фазой, включая соответствующий насос 4, затем включают другой насос 4 и начинают подавать дисперсную фазу с заданным расходом, расходы обеих фаз также непрерывно измеряются. При некорректном выборе положения диспергирующего элемента 3 в микроканале 1 формируется либо стратифицированное (слоистое) течение, в котором тяжелая фаза движется в нижнем слое, а легкая фаза - в верхнем слое, либо тейлоровское (снарядное) течение, но длина капель дисперсной фазы и жидкостных снарядов сплошной фазы находится на грани устойчивого движения двухфазной смеси.
кап
d
Для поддержания тейлоровского снарядного режима в ходе процесса осуществляют непрерывное измерение длины капель дисперсной фазы и жидкостных снарядов сплошной фазы при помощи датчиков 5. При известной скорости движения фаз путем умножения в контроллере 6 скорости движения капли на время ее прохождения t через зону регистрации датчика 5, в контроллере рассчитывается длина L капли дисперсной фазы 10:
д
Скорость капель может также определяться независимо - по сдвигу по времени сигнала Δt с двух датчиков 5 при известном расстоянии между соседними датчиками L как результат деления этого расстояния на сдвиг по времени Δt:
ж.сн
s
Аналогичным образом по времени t прохождения жидкостного снаряда 11 в контроллере рассчитывается его длина L:
tp
где U - скорость двухфазного течения, м/с.
Полученные в результате измерений значения длины капли дисперсной фазы 10 и жидкостного снаряда 11 сравниваются с величинами, хранящимися в базе данных контроллера 6. В случае отклонения измеренных величин от диапазона допустимых длин капель 10 и жидкостных снарядов 11 (далее будем называть этот диапазон «нормой») производится их корректировка путем подстройки положения диспергирующего элемента 3 микрореактора следующим образом.
Если длина капель 10 и жидкостных снарядов 11 выше нормы, контроллер 6 подает сигнал на исполнительное устройство 7, которое смещает диспергирующий элемент 3 вправо, ближе к зоне сужения корпуса 2 микродиспергатора. При этом генерируемые капли становятся короче, и параметры процесса восстанавливаются, приходя в норму.
Если длина капель 10 и жидкостных снарядов 11 ниже нормы, контроллер 6 подает сигнал на исполнительное устройство 7, которое смещает диспергирующий элемент 3 влево, ближе к зоне расширения корпуса 2 микродиспергатора. При этом генерируемые капли становятся длиннее, приходя в норму, и параметры процесса снова восстанавливаются.
Таким же образом система «датчики 5 - контроллер 6 - исполнительное устройство 7 - диспергирующий элемент 3» обеспечивают поддержание параметров двухфазного течения на протяжении всего процесса, в том числе в ходе проведения химической реакции, когда по мере накопления продуктов в водной и органической фазах меняются их физико-химические характеристики.
Пример конкретного выполнения 1. Получение натриевой соли 5-нитротетразола в емкостном реакторе по способу-прототипу (фиг. 2).
Натриевую соль 5-нитротетразола получают диазотированием 5-аминотетразола нитритом натрия в емкостном реакторе.
Синтез натриевой соли 5-нитротетразола включает в себя ряд операций:
2
4
а. Приготовление раствора гидрата 5-аминотетразола в 1.5%-ной HSO. В стакан вместимостью 200 мл, снабженный термометром, механической мешалкой и обогревом, заливают 152 мл дистиллированной воды и при перемешивании добавляют 1.3 мл (0.023 моль) концентрированной серной кислоты (98%), нагревают раствор кислоты до 70-75°С, присыпают 9.78 г (0.095 моль) моногидрата 5-аминотетразола и перемешивают до полного растворения.
2
б. Приготовление водного раствора нитрита натрия. В стакан вместимостью 500 мл, снабженный термометром, механической мешалкой и обогревом, засыпают 22 г (0.32 моль) NaNO, заливают 152 мл дистиллированной воды и нагревают до 60°С при перемешивании до полного растворения соли.
2
4
в. Проведение диазотирования 5-аминотетразола. При перемешивании и температуре 60°С к раствору нитрита натрия дозируют с помощью насоса-дозатора или обогреваемой капельной воронки в течение примерно 60 мин (скорость дозировки 2.5-3.5 мл/мин) раствор 5-аминотетразола в 1.5%-ной HSO с температурой 70-75°С (температура поддерживается не ниже 70°С, чтобы не началась кристаллизация 5-аминотетразола из раствора). Температуру в реакторе поддерживают в пределах 55-65°С.
2
4
г. Разложение соли диазония с контролем полноты разложения. Операцию выполняют в том же реакционном сосуде. После окончания дозировки сернокислотного раствора к реакционной массе при перемешивании добавляют по каплям с помощью капельной воронки в течение примерно 10 мин 6.8 мл 98%-ной HSO. При этом наблюдается бурное выделение азота в результате разложения соли диазония. При нормальном течении реакции после добавления концентрированной серной кислоты делают выдержку при температуре 80°С в течение 60 мин при перемешивании, по окончании ее производят контроль наличия диазосоединений в растворе. (Контроль осуществляют с помощью цветной качественной реакции на соли диазония, выполняемой с помощью насыщенного раствора β-нафтола в пропаноле-2. Реакцию проводят следующим образом: на бумажный фильтр наносят по капле реакционной массы и раствора β-нафтола, при наличии в реакционной массе диазосоединений по фронту соприкосновения растворов появляется красное окрашивание). В случае положительной реакции к реакционной массе добавляют еще 5.0 г нитрита натрия и реакционную массу выдерживают еще 1 час при 80°С с повторением контроля на наличие диазосоединения.
2
3
2
2
4
д. Нейтрализация реакционной массы до рН 6.5-8. Нейтрализацию реакционной массы осуществляют в том же стакане. При отсутствии в реакционном растворе солей диазония его охлаждают до 20°С и нейтрализуют при перемешивании тонко измельченным углекислым натрием до рН=6.5-8.0. Расход NaCO на эту операцию составляет примерно 57-63 г. При проведении синтеза в открытых стаканах за счет испарения воды объем реакционной массы в конце реакции уменьшается до 200-220 мл. Полученная реакционная масса содержит 5-6% натриевой соли 5-нитротетразола, 1-2% NaNO, 5-8% NaSO.
Пример конкретного выполнения 2. Получение натриевой соли 5-нитротетразола диазотированием 5-аминотетразола нитритом натрия с проведением реакции в двухфазной системе вода - хлористый метилен (схемы 3-5), с использованием на стадии алкилирования микрореактора-прототипа.
3
Установка для проведения процесса диазотирования натриевой соли 5-нитротетразола нитритом натрия состоит из двух микрореакторов, изготовленных по известному изобретению (устройство-прототип). Процесс в микрореакторе проводят в три стадии. Сначала в микрореактор подают два потока реагентов: первый поток состоит из водного раствора нитрита натрия, второй - из раствора 5-аминотетразола в азотной кислоте. После проведения первой стадии в микрореакторе-прототипе объединенный поток реагентов, состоящий из продуктов взаимодействия нитрита натрия и 5-аминотетразола в HNO, подают во второй микрореактор, вместе со вторым потоком, состоящим из водного раствора гидроокиси натрия. После прохождения потоками канала второй стадии в микрореакторе, поток с продуктами реакции выводят из реакционной зоны и собирают в отдельную емкость для последующего использования.
В результате того, что в микрореакторе-прототипе размер капель и жидкостных снарядов не контролируется, через 10-15 минут работы режим течения в микроканале микрореактора нарушается, капли дисперсной фазы (хлористого метилена) становятся короткими (длина меньше или равна диаметру микрореактора), их движение затормаживается, а затем они распадаются в сплошную пленку, движущуюся по нижней части микрореактора. Это ведет к прекращению перемешивания тейлоровскими вихрями и резкому снижению удельной поверхности контакта фаз. В конечном счете процесс приходится останавливать либо время от времени корректировать производительность насоса, подающего хлористый метилен.
2
2
Третью стадию - получение 2-метил-5-нитротетразола осуществляют следующим образом. В реактор емкостного типа помещают 15 мл дистиллированной воды и 15 мл CHCl. При интенсивном перемешивании с помощью диспергатора (4000 об/мин) добавляют 1.00 г (4.79 ммоль) тетрагидрата натриевой соли 5-нитротетразола, 0.15 г тетрабутиламмония бромистого (0.48 ммоль), затем по каплям добавляют 12.08 г (95.80 ммоль) диметилсульфата.
4
2
4
4
2
3
3
2
3
5
2
-1
1
13
Реакционную систему выдерживают при комнатной температуре и интенсивном перемешивании в течение 2.5 ч. Отделяют органический слой, промывают дистиллированной водой (2×15 мл). Органический слой сушат безв. MgSO, отфильтровывают осадок. Фильтрат упаривают досуха на роторном испарителе. Получают 0.5 г (81%) смеси 1-метил-5-нитротетразола и 2-метил-5-нитротетразола в соотношении 1:3. После перекристаллизации из смеси HO-EtOH, 1:1, получают 0.32 г (52%) бесцветных пластинчатых кристаллов 2-метил-5-нитротетразола (2), т.пл. 79-82°С. ИК спектр, ν, см: 1041 (CN, вал.-деф.); 1271, 1448, 1508 (CN, вал.); 1367, 1556 (NO, вал.). Спектр ЯМР Н, δ, м.д.: 4.55 (3Н, с, СН). Спектр ЯМР С, δ, м.д.: 166.4 (С-5); 41.9 (СН). Найдено, %: С 19.06; Н 2.29; N 53.75. CHNO. Вычислено, %: С 18.61; Н 2.34; N 54.26.
Пример конкретного выполнения 3. Получение натриевой соли 5-нитротетразола диазотированием 5-аминотетразола нитритом натрия в микрореакторе по предлагаемому изобретению.
Первые две стадии проводят так же, как описано в примере конкретного выполнения 2.
Третью стадию - получение 2-метил-5-нитротетразола осуществляют следующим образом. Процесс организован в микрореакторе периодического действия согласно предлагаемому изобретению (фиг. 7). Водная и органическая фазы насосами 4 подаются в корпус 2 микродиспергатора: сплошная фаза (вода) в кольцевой канал между диспергирующим элементом 3 и стенкой микроканале 1, дисперсная (хлористый метилен) - в диспергирующий элемент 3, установленный соосно по отношению к микроканалу 1. В микроканале 1 формируется требуемый, снарядный, режим течения. После прохождения микроканала 1 двухфазная система попадает в первую ступень сепаратора 9а, где происходит ее разделение. Легкая фаза -вода - скапливается в верхней части первой ступени сепаратора 9а и переливается во вторую ступень сепаратора 9б. Далее фазы вновь подаются в насосы 4 и в корпус 2 микродиспергатора и диспергирующий элемент 3.
Методика проведения процесса синтеза следующая: рабочие растворы помещаются в ступени сепаратора 9а и 9б в объеме 3,3 мл (полый объем сепаратора 9). Затем запускают насосы 4, которые подают рабочие растворы в корпус 2 микродиспергатора и диспергирующий элемент 3 с заданными расходами: 0,07 мл/с для органической фазы и 0,05 мл/с для водной фазы. Таким образом, в первой ступени сепаратора 9а граница раздела водной и органической фаз устанавливается на уровне нижней кромки переливного патрубка, а вторая ступень сепаратора 9б полностью заполнена водной фазой. Через определенные промежутки времени производят отбор пробы водной фазы через верхний патрубок сепаратора 9б. После окончания эксперимента и отбора последней пробы водной фазы содержимое первой ступени сепаратора 9а сливают в сборную емкость (на фиг. 7 не показана) для дальнейшего выделения целевого продукта в кристаллической форме. Полученные пробы водной фазы разбавляют и анализируют методом УФ-спектроскопии для определения остаточного содержания натриевой соли 5-нитротетразола.
4
2
4
4
2
3
3
2
3
5
2
-1
1
13
Отделяют органический слой, промывают дистиллированной водой. Органический слой сушат безв. MgSO, отфильтровывают осадок. Фильтрат упаривают досуха на роторном испарителе. Получают 0.661 г (80%) смеси 1-метил-5-нитротетразола и 2-метил-5-нитротетразола в соотношении 1:3. После перекристаллизации из смеси HO-EtOH, 1:1, получают 0.446 г (54%) бесцветных пластинчатых кристаллов 2-метил-5-нитротетразола, т.пл. 80-82°С. ИК спектр, ν, см: 1041 (CN, вал.-деф.); 1271, 1448, 1508 (CN, вал.); 1367, 1556 (NO, вал.). Спектр ЯМР Н, δ, м.д.: 4.55 (3Н, с, СН). Спектр ЯМР С, δ, м. д.: 166.4 (С-5); 41.9 (СН). Найдено, %: С 18.89; Н 2.21; N 54.05. CHNO. Вычислено, %: С 18.61; Н 2.34; N 54.26.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить безопасность процесса за счет исключения необходимость работы с индивидуальной кристаллической натриевой солью 5-нитротетразола, обладающей в безводной форме высокой чувствительностью к механическим импульсам, обеспечивает непрерывное поддержание стабильных гидродинамических условий ведения процесса при накоплении продуктов реакции в системе, а именно в формировании в жидкости в микроканалах капель дисперсной фазы с заданными размерами, распределенными в достаточно узком диапазоне, а также непрерывное поддержание равного расстояния между соседними каплями (т.е. длины жидкостных снарядов сплошной фазы), что в итоге ведет к достижению заданной интенсивности перемешивания, обеспечивающей, в свою очередь, высокие значения коэффициентов тепло- и массоотдачи, даже при значительном изменении физико-химических свойств растворов.