[发明专利]采用微通道反应器制备4,5-二硝基咪唑的方法

说明书

本发明公开了一种采用微通道反应器制备4,5‑二硝基咪唑的方法。所述方法利用微混合器强化了原料混合，区别于传统反应器中调匀度受限于由搅拌所产生的不均匀流场，HPIMM微混合器采用的流聚焦技术可迫使两股流体薄层流经会聚室从而产生高效均匀的薄层接触反应，精控反应物的化学计量比，从根源降低了强酸的用量，及传统釜式反应器中该反应进行时受酸量及温度变化而造成的多硝化副产物的生成，消除了传质阻力从而避免了过热点的产生，解决了4,5‑二硝基咪唑在常规反应器中因放热剧烈而带来的巨大安全问题。本发明利用微体系进行4‑硝基咪唑和4,5‑二硝基咪唑的合成可取得96.1％和92.4％的高产率。

技术领域

本发明属于含能化合物的制备技术领域，涉及的一种采用微通道反应器制备4,5-二硝基咪唑的方法。

背景技术

4,5-二硝基咪唑(4,5-DNI)因其结构中含有的N-N，C-N，N-O高能化学键，具有高氮低碳氢的特点，而氮原子的电负性较高，使其形成了类似苯环结构的独特分子，是一种优良的高能低感化合物。4,5-DNI类属的富氮新型含能化合物主要以高生成热产能，显著优于传统含能材料的碳骨架氧化产能。由于杂环分子结构的稳性性较好，可进一步在其基础上进行修饰和改性，增加其他附属基团以获得更优的性能，因此4,5-DNI不仅可在含能材料中用作推进剂，还可对其进行硝化、胺化及氧化从而得到高能量高密度的多氮唑类化合物。

在常规釜式反应器中制备4,5-二硝基咪唑，原料与硝化剂混合的瞬间即会释放出大量的热，无法根据所需对温度进行精确调节，且过量的热若不能及时移除，即会造成巨大的安全问题。反应时间在釜式反应器中也不能很好的得到控制，增加了副反应及过反应的几率。由于反应在传统容器中是通过对流调控其进程，调匀度受限于由搅拌所产生的不均匀流场，当流体接近搅拌器时会引起对流，导致湍流和混沌流，而使物料混合不均，会造成产品产率及纯度的降低。

文献1(Marcin Smiglak,et al.Ionic Liquids Based on Azolate Anions[J].Chem.Eur.J.2010,16,1572–1584)以4-硝基咪唑为原料在发烟硝酸和浓硫酸硝化体系中制备了4,5-DNI。但4-硝基咪唑的价格昂贵，故此方法不适宜大规模生产，且反应时间长达5.5小时，产率仅为55％。该方法高耗能，低产，需进一步对4,5-DNI的合成改进及工艺优化。文献2(Yang Guochen,et al.Prepration of 4,5-nitroimidazole[J].Chinese Journalof Energetic Materials(Han neng Cai liao),2006,14(5):349－351.)以价格较低的咪唑为原料，改进了4,5-DNI的合成工艺条件，通过氮气保护，硝硫混酸为硝化剂，咪唑为原料，采用正加料、二次加料的方式合成了4,5-DNI。但二次加料时,在90℃的高温下滴加浓硝酸不仅极大地增加了操作的安全隐患，且加料时的温度不宜控制，易造成副产物的生成，5.5小时的反应时间依旧为长耗能过程，增加了生产成本。专利CN200910263938.1，公开了一种在常规釜式反应器中制备4,5-二硝基咪唑的方法，然而这种方法因反应的强放热会产生过程安全问题，反应结束后大量的废酸也会造成环境污染。

由于微反应器加强了传质传热特性，实现了安全使用有害危险试剂，并具有放大潜能，目前已为有机合成反应提供了新型化过程平台，但利用微反应器合成4,5-二硝基咪唑还未见报道。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种采用微通道反应器制备4,5-二硝基咪唑的方法，该方法使用微反应器，其微米级的特征尺寸可令反应物在极短的时间内快速均一混合，其高效的传质传热的能力也可实现对热量的快速输入输出，从而维持恒定的反应温度，在提高目标产物4,5-DNI产率的同时可消除生产过程中的安全隐患。

实现本发明目的的技术解决方案为：

采用微通道反应器制备4,5-二硝基咪唑的方法，以咪唑为原料，不使用任何惰性溶剂及添加剂，物料在常压下于微通道反应器中进行反应，具体步骤如下：