超聲連續流合成2-甲基-4,6-嘧啶二酮

王棟嶸，張圣龍，廉 鵬，王錫杰，陳 松，王伯周

(西安近代化學研究所，陜西 西安 710065)

引 言

2-甲基-4,6-嘧啶二酮(MPO)是一種重要的有機化工原料和中間體，被廣泛應用于醫藥、精細化學品、軍事工業等行業，同時也是合成不敏感含能材料1,1-二氨基-2,2-二硝基乙烯(FOX-7)的重要中間體[1-4]。FOX-7自發現以來由于其多樣化的應用而成為一種備受關注的高爆炸性化合物，其DSC放熱峰溫度為238℃，密度為1.878g/cm3，爆速為8871m/s，撞擊感度為4%，摩擦感度為4%，H50為72.4cm[5-7]。其能量水平與RDX相當，但是具有更高的安全性能，被公認是一種熱穩定性好且具有較高能量水平的重要含能化合物[8-11]，目前2-甲基-4,6-嘧啶二酮的硝化是大規模生產FOX-7的最佳途徑。

超聲強化反應方法是一種新型的高效、環保的化學反應方法，不僅能夠提高反應速率和轉化率，還能夠減少反應副產物，提高反應的選擇性，具有很高的應用價值。近年來，超聲強化反應方法在火炸藥領域得到了廣泛的應用。楊鑰等[12]用超聲法制備了穩定分散的微米FOX-7噴霧干燥前驅體懸浮液，研究了超聲功率和時間對懸浮液分散穩定性的影響；米登峰等[13]采用冷卻結晶結合超聲輔助法制備了球形化TKX-50，研究了超聲時間對TKX-50晶體形貌的影響；侯聰花等[14]在超聲輔助下，采用溶劑/非溶劑法制備了TATB/HMX共晶炸藥，對比了超聲輔助溶劑/非溶劑法與超聲輔助噴霧法，發現超聲輔助噴霧法制備的晶體球形化較好，為亞微米級的球形顆粒，但由于其顆粒細小，團聚現象嚴重。

根據以往文獻的研究可以發現，在固液兩相反應體系中，超聲輔助可以維持溶液中固體顆粒的懸浮，從而顯著地穩定懸浮溶液體系。此外，超聲也有助于晶體形貌的改善和顆粒粒度的控制。本研究在文獻的基礎上[15-17]，介紹了一種以鹽酸乙脒和丙二酸二乙酯為原料、在甲醇鈉催化作用下連續合成MPO的新方法。利用超聲輔助維持懸浮液穩定的特點，將超聲應用在含固體系連續流反應中，驗證了超聲作用下含固體系進行連續流反應的可行性；基于超聲強化化學反應基本原理，研究了原料摩爾比、反應液濃度、超聲功率、反應溫度及停留時間對MPO收率的影響，在最佳工藝條件下，反應時間由傳統釜式工藝的7.5h縮短至9min，大大提高了反應效率；通過超聲連續流制得的MPO產品粒徑小于100μm，粒徑均勻、分散性好，該超聲反應器連續制備效率高，有大規模應用前景。

1 實 驗

1.1 試劑與儀器

鹽酸乙脒、丙二酸二乙酯、甲醇、甲醇鈉(甲醇溶液，濃度為5.4mol/L)、濃鹽酸(質量分數36.5%)、無水乙醇等均為分析純；去離子水。

KQ5200ADE型數控超聲清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；NEXUS 870型傅里葉變換紅外光譜儀，美國Nicolet公司；AV 500 型(500MHz)超導核磁共振儀，瑞士Bruker公司；Vario EL Ⅲ型自動微量有機元素分析儀，德國Elementar公司；SYNAPT型UPLC-Q-TOFMS液質聯用儀，美國Waters公司；DSC-204差示掃描量熱儀，德國Netzsch公司；GC-2010型高效液相色譜儀，日本島津公司；S-3400 N型掃描電子顯微鏡，日本Hitachi公司；MS2000 Hydro2000 Mu型激光粒度儀，上海思百吉公司。

MPO的合成路線如下：

1.2 不同方法下MPO的合成

1.2.1 傳統釜式法合成MPO

向三口瓶中加入48g鹽酸乙脒，再加入400mL甲醇緩慢攪拌至完全溶解，然后加入250mL甲醇鈉的甲醇溶液(5.4mol/L)，攪拌，升溫至60℃，加入93g丙二酸二乙酯，并用240mL甲醇洗滌，洗滌液一并加入三口瓶中。加料完畢后在室溫下分別反應9min和450min，反應完成后析出白色固體，加入1500mL蒸餾水，攪拌至固體完全溶解，加熱至55℃，加入100mL鹽酸，在室溫下反應6h，析出白色固體產物，過濾洗滌后，在60℃下真空干燥2h，得到MPO產物，收率分別為18.8%和87.3%。

1.2.2 超聲釜式法合成MPO

向三口瓶中加入48g鹽酸乙脒，再加入400mL甲醇緩慢攪拌至完全溶解，然后加入250mL甲醇鈉的甲醇溶液(5.4mol/L)，將反應體系置于超聲中，開啟超聲，設置超聲功率150W，升溫至60℃，加入93g丙二酸二乙酯，并用240mL甲醇洗滌，洗滌液一并加入三口瓶中。加料完畢后反應混合物在室溫下反應9min析出白色固體，加入1500mL蒸餾水，固體完全溶解，加熱至55℃，加入100mL鹽酸，在室溫下反應9min，析出白色固體產物，過濾洗滌后，在60℃下真空干燥2h，得到MPO產物，收率為87.6%。

1.2.3 無超聲連續法合成MPO

將5.4mol/L甲醇鈉甲醇溶液250mL(1.35mol)裝入燒瓶中，用甲醇定容至500mL并混合均勻，將48g鹽酸乙脒(0.5mol)和93g丙二酸二乙酯(0.58mol)裝入另一個燒瓶中，用甲醇定容至500mL并混合均勻。將PTFE盤管置于恒溫水浴槽中，升溫至60℃，使用活塞泵將反應物引入PTFE盤管中進行反應，甲醇鈉溶液的流速為6.0mL/min，鹽酸乙脒和丙二酸二乙酯溶液的流速為6.0mL/min，反應進行一段時間后，管路出現堵塞情況。

1.3 超聲連續法合成MPO

將5.4mol/L甲醇鈉甲醇溶液250mL(1.35mol)裝入燒瓶中，用甲醇定容至500mL并混合均勻，將48g鹽酸乙脒(0.5mol)和93g丙二酸二乙酯(0.58mol)裝入另一個燒瓶中，用甲醇定容至500mL并混合均勻。將超聲反應器升溫至60℃，開啟超聲，設置超聲功率150W；使用活塞泵將反應物引入置于超聲反應器中的PTFE盤管中進行反應，甲醇鈉溶液的流速為6.0mL/min，鹽酸乙脒和丙二酸二乙酯溶液的流速為6.0mL/min。

1.4 MPO的酸化及后處理

將1500mL去離子水和100mL質量分數為36.5%的濃鹽酸混合均勻。將超聲反應器升溫至55℃，開啟超聲，設置超聲功率150W；將縮合反應液及鹽酸水溶液用高精度活塞泵引入PTFE盤管中，鹽酸溶液的流速為16.0mL/min，酸化后反應液流入產品收集瓶，靜置12h析出固體，過濾洗滌后在60℃下真空干燥2h，單周期樣品可得到5.888g白色MPO固體，收率86.6%，純度為99.7%(HPLC)。IR(KBr),ν(cm-1)：3088, 2800, 1892, 1686, 1573, 1453, 1378, 816, 532；HRMS (ESI-TOF) C5H6N2O2[M+Na]+: 計算值: 149.0321, 實測值: 149.0315; [M-H]-: 計算值：125.0357, 實測值: 125.0363；元素分析(C5H6N2O2,%): 計算值, C 47.62，N 22.21，H 4.80; 實測值, C 47.35, N 22.18, H 4.82。

1.5 MPO鈉鹽的制備

由于 MPO難以溶解于常規溶劑，本研究利用其酸性，與NaOH反應生成MPO的鈉鹽，易溶于水，可進行核磁共振氫譜(1H NMR)、核磁共振碳譜(13C NMR)等結構分析，進一步確定MPO的結構。

25℃下開啟攪拌，將0.8g (0.02mol) NaOH分批加入到32mL去離子水中，待其全部溶解后，再分批加入1.26g (0.01mol) MPO，加料完畢后，將反應液加熱至30℃反應10min，過濾除掉固體，將反應液旋轉蒸發干，用乙醇淋洗3次，過濾，干燥后得到1.55g MPO鈉鹽，收率91.18%，純度為99.7% (HPLC)；紅外光譜：IR(KBr),ν(cm-1): 3623，3126，1644，1565, 1452， 1380，825，530；1H NMR (DMSO-d6, 500MHz),δ：7.25，2.31；13C NMR (DMSO-d6, 125 MHz)，δ： 167.12，157.33，116.12，24.56；元素分析(Na2(C5H4N2O2)2-, %): 計算值, C 35.31, N 16.47, H 2.37; 實測值, C 35.27, N 16.23, H 2.44。

1.6 性能測試

采用差式掃描量熱儀(DSC)法，研究了MPO的熱性能，DSC的操作條件：試樣量0.860mg，試樣皿為鋁盤，氣氛為流動氮氣，流量為50.0mL/min，采用10.0℃/min的升溫速率從25℃升至500℃。

采用熱重分析(TG)及差熱重量分析(DTG)法研究了MPO的熱性能，TG及DTG的操作條件：試樣量5.400mg，試樣皿為鋁盤，氣氛為流動氮氣，流量為50.0mL/min，采用10.0℃/min的升溫速率從30℃升至600℃。

2 結果與討論

2.1 縮合環化反應機理的探討

在此反應體系下，鹽酸乙脒首先與甲醇鈉反應脫去鹽酸得到游離的乙脒，然后乙脒上的兩個氮原子分別進攻丙二酸二乙酯的兩個羰基碳原子，脫去兩分子乙醇后得到含有兩個羥基的中間體Ⅰ。在甲醇鈉提供的堿性環境下，形成中間體Ⅰ的負離子Ⅱ，Ⅱ經過分子內重排并在鹽酸提供的酸性環境下結合氫離子得到2-甲基-4,6-嘧啶二酮。機理推測見圖1。

圖1 MPO的合成反應機理Fig.1 The reaction mechanism of MPO

2.2 不同方法合成MPO的對比

表1為不同方法合成MPO的收率對比。由表1可知，相同反應條件下(60 ℃, 9min)，傳統釜式合成法合成的MPO收率只有18.8%，約為超聲釜式法及超聲連續法的1/5。這表明超聲作用極大地強化了反應效果，促進了縮合環化，將原來傳統MPO合成工藝中的環化反應時間由7.5h縮短至9min，大大減少了反應時間，提高了反應效率。同時在連續流反應過程中，含固體系運行時由于顆粒聚集造成管路堵塞，超聲作用可以將顆粒粒徑有效控制在微米尺度，不會產生大顆粒堵塞管道，同時顆粒懸浮在反應液中，通過管路時不會沉積堵塞管道，從而實現產物的連續制備。

表1 不同方法合成MPO的對比Table 1 Comparison of MPO synthesized by different methods

2.3 縮合環化反應條件優化

2.3.1 超聲功率的影響

在反應溫度60℃、停留時間為9min、鹽酸乙脒與丙二酸二乙酯摩爾比為1∶1.15、反應液濃度為1mol/L(以鹽酸乙脒計)的條件下，研究了超聲功率對MPO收率的影響，結果見表2。

表2 超聲功率對MPO收率的影響Table 2 Effects of ultrasonic power on the yield of MPO

由表2可看出，超聲功率對反應收率的影響較大，功率在90～150W范圍內時，功率越大，收率越高，當功率進一步加大時，收率和純度并沒有明顯的提高。可能的原因是當超聲功率為150W時，反應器內反應物已經充分混合，繼續提高功率對反應收率不會有明顯的提高。因此，為了減少能量消耗，選擇150W作為反應最佳功率。

2.3.2 反應溫度的影響

在超聲功率為150W、停留時間為9min、鹽酸乙脒與丙二酸二乙酯摩爾比為1∶1.15、反應液濃度為1mol/L(以鹽酸乙脒計)的條件下，研究了反應溫度對MPO收率的影響，結果見表3。

表3 反應溫度對MPO收率的影響Table 3 Effects of reaction temperature on the yield of MPO

由表3可看出，反應溫度對反應收率的影響較大。在60℃以下時，溫度越高，收率越高；而當反應溫度超過60℃時，反應收率明顯下降，這是因為甲醇的沸點為64.7℃，反應溫度超過60℃時，甲醇氣化現象明顯，導致實際反應體系中的停留時間和試劑配比出現偏差，因此最佳的反應溫度為60℃。

2.3.3 反應原料摩爾比的影響

在反應溫度為60℃、超聲功率為150W、停留時間為9min、反應液濃度為1mol/L(以鹽酸乙脒計)的條件下，研究了反應原料摩爾比對MPO收率的影響，結果見表4。

表4 反應原料摩爾比對MPO收率的影響Table 4 Effects of reactant ratios on the yield of MPO

由表4可看出，反應原料摩爾比對反應收率有一定影響，當鹽酸乙脒與丙二酸二乙酯摩爾比為1∶1時，TLC監測產品收集裝置中鹽酸乙脒反應不完全；當鹽酸乙脒與丙二酸二乙酯摩爾比為1∶1.15時，收率最高達到86.6%，純度為99.7%；繼續增加丙二酸二乙酯的量，收率未見提高。因此，為了減少物料的消耗，選擇鹽酸乙脒與丙二酸二乙酯摩爾比為1∶1.15作為最適宜反應投料摩爾比。

2.3.4 停留時間的影響

在反應溫度為60℃、超聲功率150W、鹽酸乙脒與丙二酸二乙酯摩爾比為1∶1.15、反應液濃度為1mol/L(以鹽酸乙脒計)的條件下，研究了停留時間對MPO收率的影響，結果見表5。

表5 停留時間對MPO收率的影響Table 5 Effects of residence time on the yield of MPO

由表5可看出，停留時間為6min時，TLC監測產品收集裝置中鹽酸乙脒反應不完全；停留時間為9min時，收率最高達到了86.6%；而繼續延長停留時間，發現產物的收率緩慢下降，考慮可能的原因是停留時間為9min時，已經完全反應，隨著停留時間的延長，盤管內產生的產物不能及時流出到產品收集裝置中，導致盤管內產物濃度逐漸升高，抑制了反應的進行，反應結束后將盤管內產物沖洗出來，進行酸化后處理，初步證實了該想法。因此，反應最佳停留時間為9min。

2.3.5 反應體系濃度的影響

在反應溫度為60℃、超聲功率150W、停留時間為9min、鹽酸乙脒與丙二酸二乙酯摩爾比為1∶1.15的條件下，研究了反應體系濃度(以鹽酸乙脒計)對MPO收率的影響，結果見表6。

表6 反應體系濃度對MPO收率的影響Table 6 Effects of reaction system concentration on the yield of MPO

由表6可看出，反應體系濃度(以鹽酸乙脒計)對反應收率影響較大，濃度越高，收率越高，當反應體系濃度(以鹽酸乙脒計)為反應原料-鹽酸乙脒的飽和濃度1.0mol/L時，反應收率最高達到86.6%，純度達到了99.7%，因此最適宜的反應體系濃度(以鹽酸乙脒計)為1.0mol/L。

2.4 熱性能分析

MPO的DSC及TG-DTG曲線結果如圖2所示。

圖2 MPO的DSC和TG-DTG曲線Fig.2 DSC and TG-DTG curves of MPO

由圖2(a)可知，MPO的DSC曲線呈現兩個吸熱峰：第一個吸熱峰峰值溫度為337.9℃；第二個吸熱峰峰型尖銳，峰值溫度為370.2℃；由圖2(b)可知，MPO的TG曲線在323～373℃范圍內持續失重；DTG曲線有兩個明顯的峰，與DSC圖像相對應，表明MPO在323～373℃范圍內吸熱分解，分解過程分兩步進行：推測在323～345℃發生第一步分解，分解產物為NH3；在345～373℃發生第二步分解，分解產物為NH3和乙腈。TG曲線顯示在373～600℃緩慢失重，表明分解剩余部分持續揮發。

2.5 MPO粒度分析

一般來說，傳統釜式工藝反應得到的是長針狀晶體。為了進一步應用，需要將晶體研磨成平均粒徑小于100μm的粉末。MPO產品的粒度分布如圖3所示，根據Mastersizer 2000激光粒度儀的測量結果，本法合成MPO的平均粒徑約為30μm，最大粒徑小于70μm，而在同樣條件下傳統釜式反應所得MPO粒徑大于500μm。這是由于在超聲反應器中，超聲空化的動態剪切阻止了產品顆粒的團聚。此外，產物的掃描電子顯微鏡圖像(SEM)顯示產物是小于70μm的清晰長菱方形顆粒(見圖4)，這與激光粒度儀的分析測量結果一致。

圖3 MPO的粒度分布圖Fig.3 The particle size distribution of MPO

圖4 MPO的SEM圖像Fig.4 SEM images of MPO

3 結 論

(1)將超聲輻射應用于單質含能材料中間體MPO的合成中，開發了一種連續制備2-甲基-4,6-嘧啶二酮(MPO)的新穎、實用、高效的方法，以商品化的鹽酸乙脒和丙二酸二乙酯為原料，經過縮合環化、酸化的方法合成了MPO，連續制備收率可達86.6%，在保證收率與釜式工藝沒有明顯差別的基礎上，有效地將縮合環化時間由7.5h縮短至9min，大大縮短了反應時間，提高了反應效率。

(2)探討了縮合反應及連續化的關鍵影響因素，確定了最佳的反應條件為：反應溫度為60℃，超聲功率為150W，停留時間為9min，鹽酸乙脒與丙二酸二乙酯摩爾比為1∶1.15，反應體系濃度為1.0mol/L(以鹽酸乙脒計)，收率可達到86.6%，純度可達到99.7%。

(3)通過激光粒度儀檢測表明，經超聲反應器反應得到的產物粒度分布均勻。因此，使用該反應器合成2-甲基-4,6-嘧啶二酮可以避免產品后期使用時還需要額外的研磨步驟，也為其他需要控制產物顆粒尺寸的產品提供了新的思路。此外，該超聲反應器連續制備效率高，有大規模應用的前景。