环状离子盐(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的合成反应热效应

张 敏，刘红利，许 诚，丁可伟,2，郭松松，屈晨曦，葛忠学,2

(1.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065；2.氟氮化工资源高效开发与利用国家重点实验室，陕西 西安 710065)

引 言

1 实 验

1.1 试剂与仪器

RC1e全自动反应量热器，METTLER-TOLEDO公司；FP52低温循环器，Julabo公司。

4-氨基-2,6-二甲基苯酚(质量分数98%)，国药集团化学试剂有限公司；浓盐酸(质量分数36%～38%)，西安福晨化学试剂有限公司；亚硝酸钠，分析纯，天津天正精细化学试剂厂；叠氮化钠，分析纯，郑州派尼化学试剂厂；甘氨酸亚铁(质量分数98%)，间氯过氧苯甲酸(质量分数85%)，北京伊诺凯科技有限公司；四氢呋喃，乙腈，均为分析纯，成都科隆化学品有限公司；甲醇，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 测定原理

图1为反应釜的热量流动状况。依据能量衡算，反应釜遵循热流平衡：流入=累积+流出的热量，即：

图1 反应釜热流状况Fig.1 The heat flow status of reactor

Qr+Qc+QStir=(Qa+Qi)+(Qf+Qdos+Qloss+…)

(1)

式中：Qr为化学或物理反应热量产生的速率；Qc为校准功率 (插入物料内的量热器在反应前后校准时放出的热量)；QStir为由搅拌桨带进的能量(在反应物质中产生的热)；Qa为反应物质的储存热量(累积)；Qi为通过插入件(温度传感器、pH传感器等)储存的热量；Qf为通过反应釜壁的热流；Qdos为加料带入的热量；Qloss为通过反应釜盖的热流(辐射或传导)；Qreflux为在回流冷凝器中散发的热量；Qevap为蒸发的热量。

通过热流法测定上述各种类型的热量，可计算出反应放热速率Qr，通过式(2)积分，即可获得反应过程的总放热量ΔHr：

(2)

绝热温升(ΔTad)表示冷却失效状况下反应理论上能够升高的温度，是反应过程安全评估必不可少的因素，ΔTad依据式(3)计算[16]:

(3)

式中：Qr为放热速率；t为时间；Mr为反应物料总质量；Cpr为反应体系的比热容。由此可计算出加料完毕后反应体系的绝热温升。

1.3 实验过程

按照文献[9]中报道的投料比开展实验，(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的反应路线如下：反应过程涉及芳胺的酸化-重氮化反应、环化反应及氧化切断反应3个步骤。

图2 (N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的合成路线Fig.2 Synthetic route of (N5)6(H3O)3(NH4)4Cl

1.3.1 3,5-二甲基-4-羟基苯基重氮盐的合成

向500mL玻璃釜中加入7.5g 4-氨基-2,6-二甲基苯酚和40mL的THF，搅拌，降温至0℃，滴加12mL浓HCl，滴毕后控温-5～0℃，滴加19.98g质量分数为19.84%的NaNO2水溶液，滴毕，保温反应40min；获得3,5-二甲基-4-羟基苯基重氮盐溶液。该溶液不进行过滤操作，直接用于下一步反应。

1.3.2 3,5-二甲基-4-羟基苯基五唑的合成

向上述3,5-二甲基-4-羟基苯基重氮盐溶液中加入预冷至0℃的混合溶液(40mL甲醇和132mL石油醚)，温度降至-32℃，滴加预冷的68.06g NaN3溶液(7.48g NaN3、40mL水与26mL甲醇的混合溶液)；滴毕，保温反应2h，出料后低温过滤，洗涤，获得3,5-二甲基-4-羟基苯基五唑固体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℃，将3,5-二甲基-4-羟基苯基五唑固体加入反应瓶中，搅拌，分批加入5.6g甘氨酸亚铁(Fe(Gly)2)，加毕，恒温搅拌40min；分批加入7.5g间氯过氧苯甲酸(m-CPBA)；加毕，保温反应3.5h；获得含(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl溶液，出料后经过滤、旋蒸等后处理即可获得(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl粗品，经柱层析纯化后获得样品0.575g，收率17.9%。

IR(ATR)，ν(cm-1):3209，1643，1429，1219；15N NMR(DMSO-d6，500MHz)：5.51；热分解峰温(升温速率10K/min)：113.8℃、243.5℃。

2 结果与讨论

2.1 3,5-二甲基-4-羟基苯基重氮盐合成过程热效应分析

通过4-氨基-2,6-二甲基苯酚的酸化-重氮化反应可获得相应的苯基重氮盐中间体用于下一步成环反应，其热释放速率曲线如图3所示。首先是4-氨基-2,6-二甲基苯酚的酸化，该反应为典型的酸碱中和反应，反应时间为840s时，随着浓盐酸的加入，热量瞬间开始释放，1480s时，浓盐酸加毕，则热释放速率曲线趋于稳定，基本不放热，说明该反应的热量释放完全受加料控制；酸化反应完成后，待热释放速率曲线趋于稳定、反应时间为1800s时，开始滴加亚硝酸钠溶液，同时，随着亚硝酸钠溶液的加入，反应热释放速率瞬间增大，达到最大放热速率25.05W，直至亚硝酸钠溶液滴毕，反应热速率基本趋于稳定，可见重氮化反应的热量释放也属于典型的加料控制。

图3 4-氨基-2,6-二甲基苯酚重氮化反应过程热释放速率曲线Fig.3 Heat flow curves of diazotization reaction of 4-amino-2,6-dimethylphenol

从量热数据得到芳胺酸化-重氮化反应过程的反应体系比热容(Cpr)为2.6027J/(K·g)，反应总放热量(ΔHr)为5.624kJ，单位质量放热量(Q)为72.85J/g，最大放热速率(Qrmax)为25.05W，利用公式(3)计算得到反应绝热温升(ΔTad)为27.99K。结合图3可知该反应放热仅受加料控制，对于工业放大后的反应器设计，夹套、盘管的综合冷却能力必须能够满足出现最大放热速率时的换热要求[16]，因此，在中试或大规模试验中，可通过改变浓盐酸、亚硝酸钠溶液的加料速率来控制反应放热速率，从而保证反应过程安全性。

由上述分析可见，反应体系在酸化-重氮化反应为放热反应，属于加料控制的放热反应，加料完成后，反应基本不放热。按照失控反应严重度评价标准，其绝热温升<50K且无压力影响，则属于低危险等级[15]。

2.2 3,5-二甲基-4-羟基苯基五唑合成过程热效应分析

3,5-二甲基-4-羟基苯基重氮盐与叠氮化钠的反应为典型的[3+2]环加成反应，图4为环化反应过程中，叠氮化钠溶液的加入量、反应放热速率及反应温度随时间的变化曲线。由图4可见，环化反应2h后，反应热释放速率曲线趋于稳定，反应时间为1180s时开始滴加叠氮化钠溶液，随着叠氮化钠溶液的逐渐加入，反应热释放速率增大，于3680s时到达最大放热速率12.34W。结合加料曲线和热释放速率曲线可知，该反应过程热量释放也属于典型的加料控制型，在进行阶梯加料时，停止加料后，反应热释放速率也会在较短时间内下降；加料后期反应热释放速率较前期下降，这应该与加入的叠氮化钠过量有关。在中试或大规模试验时，可以通过改变加料速率和加料方式(连续加料或阶梯加料)，控制反应热释放速率，从而确保反应工艺安全性。

图4 环化反应热释放速率曲线Fig.4 Heat flow curves of cycloaddition reaction

从量热数据得到环化反应过程的反应体系比热容(Cpr)为3.2125J/(K·g)、反应总放热量(ΔHr)为19.638kJ、单位质量放热量(Q)为74.37J/g、最大放热速率(Qrmax)为12.34W，利用公式(3)计算得到反应绝热温升(ΔTad)为23.15K。由此可见，反应体系在环化过程为放热反应，为加料控制的放热反应，加料完成后，反应基本不放热。按照失控反应严重度评价标准，其绝热温升小于50K且无压力影响，则属于低危险等级[15]。

2.3 (N5)6(H3O)3(NH4)4Cl合成过程热效应分析

利用上述反应所得芳基五唑固体，首先与甘氨酸亚铁形成络合物，然后通过与间氯过氧苯甲酸的氧化反应，使得C—N键断裂，获得(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl，合成路线如下：

图5 以芳基五唑为原料合成(N5)6(H3O)3(NH4)4ClFig.5 Synthetic route of (N5)6(H3O)3(NH4)4Cl with aryl-pentaazole as raw material

反应过程的热释放速率曲线及加料曲线如图6所示。受限于反应量热仪的工艺参数及客观因素，将自动量热仪夹套温度设定为仪器的极限温度时仅能使反应体系温度降至-32℃，与文献[8]中反应条件有所差异。因此，在该反应温度-32℃下开展实验，反应时间为5h，通过该过程反应热力学参数的测定，获得反应基本规律，为后续放大提供帮助。由图6中热释放速率曲线可见，波动较大的两处为加料过程，由于所加料为室温，刚加入体系时，反应热释放速率增大，进而溶解则引起热释放速率减少，从而形成以加料时间为起始的明显波动；加料完成后，整体反应热释放速率基本持平，反应过程比较温和，不涉及剧烈的放热或吸热过程。

图6 氧化切断反应过程的反应量热曲线Fig.6 Heat flow curves of oxidative cleavage reaction

从量热数据得到氧化切断反应过程的反应体系比热容(Cpr)为1.2927J/(K·g)、反应总放热量(ΔHr)为-0.8153kJ、单位质量放热量(Q)为-10.46J/g、最大放热速率(Qrmax)为2.77W，利用公式(3)计算得到反应绝热温升(ΔTad)为-8.08K。由此说明，整个氧化切断反应过程基本无放热，按照失控反应严重度评价标准，绝热温升小于50K，也属于低危险等级[15]。ΔTad为负的主要原因应是加入的间氯过氧苯甲酸及甘氨酸亚铁两种固体的溶解吸热导致，加料完成后整个反应热释放速率曲线很平稳，基本没有起伏变化。因此，在反应器设计时，主要考虑夹套、盘管、制冷装置等的综合冷却能力满足反应温度要求，防止反应物料芳基五唑分解，同时，由于反应过程中加入过量的间氯过氧苯甲酸，在后处理过滤过程中，滤饼中含有未反应完全的间氯过氧苯甲酸与甘氨酸亚铁，可能会自燃起火，在工业放大过程中需要进一步考虑后处理过程的安全性问题，探索相对安全的后处理工艺。

3 结 论

(1)利用RC1e全自动反应量热仪，通过热流法对3,5-二甲基-4羟基苯胺合成(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的过程进行反应热效应研究。重氮化反应的总放热量(ΔHr)、最大放热速率(Qrmax)、单位质量放热量(Q)及绝热温升(ΔTad)分别为5.624kJ、25.05W、72.85J/g及27.99K；环化反应的ΔHr、Qrmax、Q及ΔTad分别为19.638kJ、12.34W、74.37J/g及23.15K；氧化切断反应的ΔHr、Qrmax、Q及ΔTad分别为-0.8153kJ、2.77W、-10.46J/g、-8.08K。

(2)合成(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的酸化-重氮化反应、环化反应过程属于典型的加料控制的放热反应，可通过控制加料速率、改变加料方式的途径进行反应过程热量释放控制。氧化切断反应过程整体比较温和，在反应器设计及工艺放大时，主要考虑夹套、盘管、制冷装置等的综合冷却能力满足反应温度要求。结合失控反应严重度评价标准，三步反应均属于低危险等级。

(3)合成(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的环化反应以及去芳基反应过程中，由于中间体芳基五唑对温度敏感，需要警惕体系温度突变导致的芳基五唑分解以及后续连锁放热反应，需要通过控制加料速率来达到反应可控的目标。同时，氧化切断反应后处理过程中，由于后处理过滤过程中，滤饼中过量的间氯过氧苯甲酸与甘氨酸亚铁易自燃起火，需要进一步考虑反应产物后处理过程的安全性。