環狀離子鹽(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的合成反應熱效應

張 敏，劉紅利，許 誠，丁可偉,2，郭松松，屈晨曦，葛忠學,2

(1.西安近代化學研究所，陜西 西安 710065；2.氟氮化工資源高效開發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全自動反應量熱器，METTLER-TOLEDO公司；FP52低溫循環器，Julabo公司。

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

1.2 測定原理

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

圖1 反應釜熱流狀況Fig.1 The heat flow status of reactor

Qr+Qc+QStir=(Qa+Qi)+(Qf+Qdos+Qloss+…)

(1)

式中：Qr為化學或物理反應熱量產生的速率；Qc為校準功率 (插入物料內的量熱器在反應前后校準時放出的熱量)；QStir為由攪拌槳帶進的能量(在反應物質中產生的熱)；Qa為反應物質的儲存熱量(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為通過反應釜壁的熱流；Qdos為加料帶入的熱量；Qloss為通過反應釜蓋的熱流(輻射或傳導)；Qreflux為在回流冷凝器中散發的熱量；Qevap為蒸發的熱量。

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

(2)

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

(3)

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

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的反應路線如下：反應過程涉及芳胺的酸化-重氮化反應、環化反應及氧化切斷反應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質量分數為19.84%的NaNO2水溶液，滴畢，保溫反應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。

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冷至0℃的混合溶液(40mL甲醇和132mL石油醚)，溫度降至-32℃，滴加預冷的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3.5h；獲得含(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl溶液，出料后經過濾、旋蒸等后處理即可獲得(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl粗品，經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分析

通過4-氨基-2,6-二甲基苯酚的酸化-重氮化反應可獲得相應的苯基重氮鹽中間體用于下一步成環反應，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，該反應為典型的酸堿中和反應，反應時間為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定，基本不放熱，說明該反應的熱量釋放完全受加料控制；酸化反應完成后，待熱釋放速率曲線趨于穩定、反應時間為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，反應熱速率基本趨于穩定，可見重氮化反應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

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

由上述分析可見，反應體系在酸化-重氮化反應為放熱反應，屬于加料控制的放熱反應，加料完成后，反應基本不放熱。按照失控反應嚴重度評價標準，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分析

3,5-二甲基-4-羥基苯基重氮鹽與疊氮化鈉的反應為典型的[3+2]環加成反應，圖4為環化反應過程中，疊氮化鈉溶液的加入量、反應放熱速率及反應溫度隨時間的變化曲線。由圖4可見，環化反應2h后，反應熱釋放速率曲線趨于穩定，反應時間為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，反應熱釋放速率增大，于3680s時到達最大放熱速率12.34W。結合加料曲線和熱釋放速率曲線可知，該反應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，反應熱釋放速率也會在較短時間內下降；加料后期反應熱釋放速率較前期下降，這應該與加入的疊氮化鈉過量有關。在中試或大規模試驗時，可以通過改變加料速率和加料方式(連續加料或階梯加料)，控制反應熱釋放速率，從而確保反應工藝安全性。

圖4 環化反應熱釋放速率曲線Fig.4 Heat flow curves of cycloaddition reaction

從量熱數據得到環化反應過程的反應體系比熱容(Cpr)為3.2125J/(K·g)、反應總放熱量(ΔHr)為19.638kJ、單位質量放熱量(Q)為74.37J/g、最大放熱速率(Qrmax)為12.34W，利用公式(3)計算得到反應絕熱溫升(ΔTad)為23.15K。由此可見，反應體系在環化過程為放熱反應，為加料控制的放熱反應，加料完成后，反應基本不放熱。按照失控反應嚴重度評價標準，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合成過程熱效應分析

利用上述反應所得芳基五唑固體，首先與甘氨酸亞鐵形成絡合物，然后通過與間氯過氧苯甲酸的氧化反應，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。受限于反應量熱儀的工藝參數及客觀因素，將自動量熱儀夾套溫度設定為儀器的極限溫度時僅能使反應體系溫度降至-32℃，與文獻[8]中反應條件有所差異。因此，在該反應溫度-32℃下開展實驗，反應時間為5h，通過該過程反應熱力學參數的測定，獲得反應基本規律，為后續放大提供幫助。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，整體反應熱釋放速率基本持平，反應過程比較溫和，不涉及劇烈的放熱或吸熱過程。

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

從量熱數據得到氧化切斷反應過程的反應體系比熱容(Cpr)為1.2927J/(K·g)、反應總放熱量(ΔHr)為-0.8153kJ、單位質量放熱量(Q)為-10.46J/g、最大放熱速率(Qrmax)為2.77W，利用公式(3)計算得到反應絕熱溫升(ΔTad)為-8.08K。由此說明，整個氧化切斷反應過程基本無放熱，按照失控反應嚴重度評價標準，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致，加料完成后整個反應熱釋放速率曲線很平穩，基本沒有起伏變化。因此，在反應器設計時，主要考慮夾套、盤管、制冷裝置等的綜合冷卻能力滿足反應溫度要求，防止反應物料芳基五唑分解，同時，由于反應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 論

(1)利用RC1e全自動反應量熱儀，通過熱流法對3,5-二甲基-4羥基苯胺合成(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的過程進行反應熱效應研究。重氮化反應的總放熱量(ΔHr)、最大放熱速率(Qrmax)、單位質量放熱量(Q)及絕熱溫升(ΔTad)分別為5.624kJ、25.05W、72.85J/g及27.99K；環化反應的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、環化反應過程屬于典型的加料控制的放熱反應，可通過控制加料速率、改變加料方式的途徑進行反應過程熱量釋放控制。氧化切斷反應過程整體比較溫和，在反應器設計及工藝放大時，主要考慮夾套、盤管、制冷裝置等的綜合冷卻能力滿足反應溫度要求。結合失控反應嚴重度評價標準，三步反應均屬于低危險等級。

(3)合成(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的環化反應以及去芳基反應過程中，由于中間體芳基五唑對溫度敏感，需要警惕體系溫度突變導致的芳基五唑分解以及后續連鎖放熱反應，需要通過控制加料速率來達到反應可控的目標。同時，氧化切斷反應后處理過程中，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產物后處理過程的安全性。