微反應器內FOX-7 的連續合成工藝

劉 璇，堯超群，廉應江，韓 梅，陳光文

（1.中國科學院大連化學物理研究所， 遼寧 大連116023； 2.中國科學院大學， 北京 100049）

0 引 言

1，1-二氨基-2，2-二硝基乙烯（FOX-7）是一種新型的高能鈍感炸藥，具有含氮量大、爆轟性能優良、分子結構穩定、與聚合物相容性好等優點，成為國內外炸藥合成領域的研究熱點［1-3］。FOX-7 主要通過氮雜化合物的硝化和開環反應進行合成［4-8］，常用的合成路線有3 種：（1）以2-甲基咪唑為原料，先后經硝硫混酸硝化和氨水水解開環得到FOX-7。該方法步驟簡潔，但由于硝化反應會產生2-甲基-4-硝基咪唑、乙二酰脲等副產物，需先將中間體提純再水解，因此總產率低，僅有13%～40%［9-11］。（2）以鹽酸乙脒和乙二酸二乙酯為原料，先通過縮合反應生成2-甲氧基-2-甲基-4，5-咪唑烷二酮和2-甲基-4，5-咪唑烷二酮，將后者分離后再進行硝化和水解開環合成FOX-7［9-10］。由于中間體分離需經減壓濃縮、萃取等繁雜過程，不利于工業化生產。（3）以2-甲基-4，6-嘧啶二酮（2-methyl-4，6-pyrimidinedione，MPO）為原料經硝化生成2-（二硝基亞甲基）-5，5-二硝基嘧啶-4，6-二酮（TNMPO），再經過水解反應生成FOX-7。第3 種路線合成步驟簡單且收率較高（文獻最高為83%）［12-13］，備受關注。

目前，2-甲基-4，6-嘧啶二酮硝化和水解過程主要通過間歇釜式反應器進行。硝化反應放熱量大（375.22 kJ·mol-1）［14-15］，生成的中間體2-（二硝基亞甲基）-5，5-二硝基嘧啶-4，6-二酮（TNMPO）穩定性差，初始分解溫度僅為95.1 ℃［16］，極易發生分解爆炸［17］，故需要嚴格控制反應溫度。實際生產中，需將2-甲基-4，6-嘧啶二酮溶解在濃硫酸溶液中并降溫至0～5 ℃后，緩慢滴加硝硫混酸使反應溫度維持在10oC 以下，之后繼續低溫反應數小時［13-14，17］。顯然，釜式硝化工藝存在反應時間長、效率低和能耗高等缺點，尤其是反應器內持液量大、控溫難、混合慢等問題也使反應器內極易產生局部熱點引發爆炸，存在嚴重安全隱患。因此，改進現有工藝，實現連續化生產，提高過程效率和安全性，是FOX-7 及其它含能材料合成過程亟待解決的重大問題。

微反應器作為一種新型的反應設備，在化學化工領域受到了廣泛關注［18-19］。微反應器具有獨特的優勢［20-24］：（1）比表面積大，傳質傳熱效率高；（2）精準控制停留時間和反應溫度，降低副產物的形成，提高產品收率；（3）特征尺寸小、持液量少、過程安全性高；（4）易于集成放大等。因此微反應器特別適用于硝化、氟化、烷基化等［25-27］強放熱反應過程。含能材料的合成過程中伴有劇烈的放熱反應，傳統釜式反應器即使采用滴加的方式進料，依舊存在混合慢、控溫難等問題。采用微反應器實現含能材料安全高效合成是重要的發展趨勢之一［28-29］。德國ICT 研究院利用玻璃微反應器實現了硝酸酯類產品的公斤級合成，提高了過程安全性和生產效率［30］。大連化物所通過微反應技術實現了硝酸異辛酯的安全合成，原料轉化率高于99.9%，產品純度高于99.5%［31］。唐杰等［32］通過自主設計的混沌式微混合器，實現了硝化甘油的連續合成，硝化甘油產 率 為50.9%，純 度 為98.9%。Zukerman 等［33］以DAPO 為原料在微反應器中一步合成LLM-105。侯躍輝等［34］采用直接接觸式超聲微反應器解決了微通道中固體產物的堵塞難題，實現了三硝基間苯三酚的連續合成，產品收率超過80%，純度大于98%。

目前，國內外尚無在微反應器中連續合成FOX-7的報道?；诖?，本研究開展微反應器內2-甲基-4，6-嘧啶二酮硝化反應，并探討其規律。由于硝化中間體TNMPO 難溶于混酸體系，引入正辛烷作為惰性溶劑與反應相形成彈狀流，使反應發生于分散液滴內部并有效防止固體產物在壁面沉積和堵塞管道，實現了過程連續運行。在此基礎上，研究了反應溫度、停留時間、物料配比、水解反應等參數對FOX-7 產品收率的影響，為FOX-7 的安全可控和連續化生產提供技術支持。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

實驗試劑：2-甲基-4，6-嘧啶二酮（98%，上海源葉生物科技有限公司）；濃硫酸（≥95%，天津市科密歐化學試劑有限公司）；正辛烷（≥95%，天津市科密歐化學試劑有限公司）；發煙硝酸（≥95%，廣州化學試劑廠）；無水乙醇（95%，天津富宇精細化工有限公司）。

儀器：電子分析天平，ME-204T，梅特勒-托利多有限公司；注射泵，TYD-01-01，保定雷弗流體科技有限公司；不銹鋼注射器，50 mL，南京潤澤流體控制設備有限公司；安捷倫LC1260 型高效液相色譜儀；電熱恒溫鼓風干燥箱，DGG-9070A，上海森信實驗儀器有限公司；恒溫加熱磁力攪拌器，C-MAG HS7，艾卡（廣州）儀器設備有限公司。

1.2 實驗過程

1.2.1 FOX-7 的微反應器連續制備

實驗裝置如圖1 所示，由進料系統、微反應器、控溫系統、反應攪拌釜以及水解系統組成。將2-甲基-4，6-嘧啶二酮（MPO）的濃硫酸溶液（A 相）、硝硫混酸溶液（B 相）和正辛烷（C 相）分別通過注射泵輸送進入內徑為2 mm 的聚四氟乙烯（PTFE）四通微混合器中。將進料管、四通微混合器和反應通道（內徑2 mm、管長2 m 的PTFE 管）置于恒溫水浴中，A、B 兩相在微混合器內混合，并與正辛烷形成彈狀流。反應液從反應通道流出后直接進入間歇釜內，其中接樣時間為15 min，攪拌時間為30 min，之后加入冰水（20 倍混酸體積）繼續攪拌2 小時水解開環，抽濾固體產物，用冰水和乙醇洗滌，干燥后得到最終產品進行分析檢測。具體過程如圖1 所示。

圖1 微反應器連續合成FOX -7 示意圖Fig.1 Schematic diagram of the continuous synthesis of FOX-7 in the microreactor

1.2.2 FOX-7 微反應器連續制備的工藝研究（反應規律研究）

（1）微反應器內溫度與時間對產率的影響實驗

實驗具體流程為：將MPO 溶于濃硫酸（MPO 與濃硫酸摩爾比為1∶9）配制成連續相A，A 相流速QA為0.25 mL·min-1，B 相（發 煙 硝 酸 與 濃 硫 酸 摩 爾 比 為1∶1）流速QB為0.2 mL·min-1，C 相正辛烷流速QC為0.45 mL·min-1，硝酸與MPO 摩爾比為4.4。通過恒溫水浴控制反應溫度，并通過微通道管長來控制停留時間。出口處反應液直接用冰水淬滅，然后攪拌2 h 進行水解開環反應。抽濾，洗滌，干燥后得到最終產品進行分析檢測。

（2）微反應器與攪拌釜集成對產率的影響實驗

實驗具體流程為：原料配比與上述實驗條件相同，改變硝酸與MPO 的摩爾比，同時恒定微反應器溫度為30 ℃，停留時間3 min，接樣時間為15 min，在攪拌釜內于30 ℃下繼續攪拌不同的反應時間，用冰水淬滅，然后攪拌2 h 進行水解開環反應。抽濾，洗滌，干燥后得到最終產品進行分析檢測。

（3）水解溫度和水解時間對產率的影響實驗

實驗具體流程為：原料配比與上述實驗條件相同，在硝酸與MPO 的摩爾比為4.4 的條件下，恒定微反應器溫度為30 ℃，停留時間3 min，接樣時間為15 min，在攪拌釜內于30 ℃下繼續反應30 min，使用不同溫度的水進行水解開環，并研究水解時間對產品收率的影響。

1.3 分析方法

產物純度通過液相色譜檢測：安捷倫LC1260 型高效液相色譜儀，C18 正相色譜柱（Φ4.6 mm×150 mm，5 μm），柱溫25 ℃，紫外檢測器波長254 nm，流動相為水∶乙腈（30∶70），總流速1.0 mL·min-1，進樣量10 μL。產品收率通過稱重計算。

漿料的固含量采用烘干法測量：稱取1 g 的TNMPO 置于稱重過的稱量瓶中，放入設定溫度為60 ℃的電熱恒溫鼓風干燥箱中，加熱4 h 后取出稱重，再一次放入干燥箱中加熱1 h 后稱重，兩次質量差小于1 mg 視為恒重，加熱后試樣質量與加熱前試樣質量的百分比即為漿料的固含量。

2 結果與討論

2.1 微反應器內反應規律

首先在微通道反應器中開展了2-甲基-4，6-嘧啶二酮（MPO）混酸硝化過程研究，結果如圖2a 所示，由于硝化中間體TNMPO 為淡黃色的漿狀固體，采用烘干法測得漿料固含量為15%，其難溶于混酸體系，極易堵塞微通道，難以實現連續化操作。為此本研究引入正辛烷作為惰性溶劑與反應相形成如圖2b 所示的彈狀流（正辛烷為連續相、混酸為分散相）［35］，由于MPO 溶于混酸體系，因此，反應發生于分散液滴內部并有效防止TNMPO 在壁面沉積，解決了硝化中間體在微通道反應器中的堵塞難題，實現了過程強化和連續化操作。并進一步對該體系的運行穩定性進行研究，實驗過程中連續運行數小時（＞3 h）均未出現堵塞情況，有效保證了該體系長時間運行的穩定性。

圖2 正辛烷對反應的影響圖Fig.2 Effect of n-octane on the reaction

研究了微反應器內反應規律，即出口處反應液直接用冰水淬滅，然后攪拌2 h 進行水解開環反應。首先考察反應溫度對產品收率的影響，反應結果如圖3a所示：當反應溫度由10 ℃提升至35 ℃時，產品收率由45.2%增加至73.3%，這是由于隨著反應溫度的升高，反應速度加快，所以產品收率也隨之增加。但繼續升高溫度至40 ℃時，收率反而下降至67.2%，分析認為可能是中間體發生了部分分解［16］。據此，可見硝化反應和中間體分解過程劇烈放熱，繼續增加反應溫度極易導致溫度失控，甚至發生爆炸。因此要選擇合適的硝化溫度，溫度過高降低產物收率且不利于反應安全，溫度過低則不利于反應的進行。

圖3 反應溫度和停留時間對FOX-7 收率的影響曲線（QA=0.25 mL·min-1，QB=0.2 mL·min-1，QC=0.45 mL·min-1，MHNO3∶MMPO=4.4∶1）Fig.3 Effects of the reaction temperature and residence time on the yield of FOX-7.（QA=0.25 mL·min-1，QB=0.2 mL·min-1，QC=0.45 mL·min-1， MHNO3∶MMPO=4.4∶1）

進一步研究不同反應溫度（15，25，35 ℃）下產品收率隨停留時間的變化規律，停留時間的控制均通過改變反應器的管長來實現，結果如圖3b 所示。當反應溫度為15 ℃，停留時間為1 min 時，沒有獲得產物，原因可能是溫度過低導致反應速率太慢，原料未轉化為硝化中間體或少量產物溶解于水中未析出；繼續增加停留時間至4 min，收率可達到58.5%。增加反應溫度至35 ℃，停留時間為1 min 時，產品收率為67.3%；停留時間為3 min 時，產品收率可達73.3%。繼續增加停留時間，產品收率變化不大，這是由于在反應后期，酸含量降低導致反應速率降低，短時間內難以產生硝化中間體。此外，硝化后物料是粘稠的漿狀固體，在低流速下（長停留時間）以層流為主的流動難以使硝鎓離子與2-甲基-4，6-嘧啶二酮高效混合，產物收率很難進一步提升。

2.2 微反應器與攪拌釜集成

為了進一步提高產品收率，采用微反應器與攪拌釜串聯的方式增加反應時間。這一反應系統的優勢是：微反應器內物料充分混合并轉化大部分原料，便于移除熱量使安全性提高，利用攪拌釜延長反應時間使剩余原料進一步轉化。首先確定最優的硝酸用量。合成FOX-7 時，硝酸與MPO 的化學計量比為4。間歇反應工藝中，硝酸與MPO 的摩爾比一般控制在4.0～5.0之間［5，13，17］。恒定微反應器反應溫度30 ℃，停留時間為3 min，研究不同摩爾比下，產品收率隨攪拌時間的變化情況。由圖4 可見，硝酸與MPO 的摩爾比為4.0時，攪拌時間60 min 時，產品收率只有85.8%；摩爾比增大至4.4 時，在反應釜中攪拌30 min 產品收率即可達到90.1%。繼續增加硝酸量，收率基本不變。硝硫混酸的硝化反應過程中，硝酸在硫酸作用下發生質子化產生硝鎓離子，其含量直接影響原料的轉化率和產品的收率。硝酸用量太少，硝化能力不夠，硝酸用量過多則造成不必要的廢酸。硝酸與MPO 的摩爾比為4.4 時，可以兼顧反應速率和控制廢酸量的需求。其次研究反應釜中攪拌時間對收率的影響規律。仍由圖4 可見，當硝酸與MPO 的摩爾比為4.4 時，攪拌時間低于30 min 時，產物收率隨攪拌時間增加而升高。繼續增加攪拌時間，產品收率變化不大，維持在90%附近，說明此時原料已接近完全轉化為中間體。

圖4 不同硝硫比下反應釜內攪拌時間對FOX-7 收率的影響（QA=0.25 mL·min-1，QB=0.2 mL·min-1，QC=0.45 mL·min-1，τ=3 min， T=30 ℃）Fig.4 Effect of stirring time in the reaction kettle on the yield of FOX-7 under different molar ratios of HNO3 to MPO.（QA=0.25 mL·min-1，QB=0.2 mL·min-1，QC=0.45 mL·min-1，τ=3 min，T=30 ℃）

2.3 水解反應對產品收率的影響規律

水解反應是將硝化中間體TNMPO 進行水解開環產生FOX-7，并產生二硝基甲烷和二氧化碳的過程。對水解反應進行深入研究，可以保證反應過程的安全性，防止中間體發生分解，提高產品的收率和純度。如圖5a 所示，當水解溫度由0 ℃提高至30 ℃時，產品收率由90.1%降低至52.6%。這是因為水解反應為放熱反應［15］，水解溫度較高時，熱量不易散出，可能會抑制硝化中間體的開環［13］，同時高溫還會使中間體發生分解。許誠等［15］對TNMPO 水解反應的工藝熱危險性進行了研究，發現反應體系超過29.1 ℃后，中間體將會發生分解。此外，水解溫度過高時，反應生成的大量二氧化碳氣泡會在液層表面形成泡沫堆積，不利于氣體排出，使水解開環速度變慢，產率降低，而低溫會使氣體均勻釋放，不會產生泡沫堆積現象。因此采用20 倍混酸體積的冰水作為開環試劑并充分攪拌，散熱變快，水解徹底，沒有副產物產生，產品收率和純度得到提高。

圖5 水解溫度和水解時間對FOX-7 收率的影響（QA=0.25 mL·min-1， QB=0.2 mL·min-1， QC=0.45 mL·min-1， τ=3 min， T=30 ℃，反應30 min）Fig.5 Effects of the hydrolysis temperature and hydrolysis time on the yield of FOX-7（QA=0.25 mL·min-1， QB=0.2 mL·min-1，QC=0.45 mL·min-1， τ=3 min， T=30 ℃， insulation reaction for 30 minutes）

水解開環的時間也會對收率產生很大的影響。如圖5b 所示，由于水解反應是慢反應，因此需要足夠的水解時間來保證中間體完全開環生成FOX-7 產品。當水解時間2 h 時，產率達到最大值90.1%，繼續增加水解時間對收率影響不大。

2.4 最佳工藝條件的重復性實驗

化工生產過程中的重復性和穩定性不可忽視。采用最佳的工藝條件，即硝酸與MPO 的摩爾比為4.4、微反應器內停留時間3 min、反應溫度30 ℃，串聯攪拌釜保溫反應30 min，冰水水解開環反應2 h，進行重復實驗驗證，結果如表1 所示：多次重復實驗后，產品收率均在90%左右，反應過程穩定，實驗重復性好。

表1 重復性實驗結果Table 1 Results of repeated experiments %

嘗試進行實驗放大，將原料流速提高至3 mL·min-1，混酸流速提高至2.4 mL·min-1，正辛烷流速為1.0 mL·min-1，停留時間3 min，反應溫度30 ℃，釜中攪拌30 min，固體收率90.1%，純度99.9%。表明放大以后，固體產品收率和純度并沒有降低，顯示出以后進一步工業應用的潛力。

3 結 論

（1）在微反應器中開展了2-甲基-4，6-嘧啶二酮混酸硝化過程研究，引入正辛烷作為惰性溶劑與反應相形成彈狀流，使反應發生于分散液滴內部，不僅可以防止固體沉積和通道堵塞，還可以強化傳質傳熱，實現了過程強化和連續化操作；

（2）在微反應器中系統研究了反應溫度、停留時間、物料配比、水解條件等變量對FOX-7 收率的影響，在最佳工藝條件下（硝酸與MPO 的摩爾比為4.4，微反應器內停留時間3 min，反應溫度30 ℃，之后用冰水水解開環2 h），產品固體收率達到73.3%；

（3）采用微反應器與攪拌釜串聯的模式，利用微反應器強化硝化反應過程和移出大部分反應熱，然后在攪拌釜中延長反應時間得到較高的產品收率。在前述優化條件下，攪拌時間為30 min，產品收率提高至90.1%。本研究證實了FOX-7 連續合成的潛力，為實現工業化生產奠定基礎。