Безопасный способ получения 2-метил-5-нитротетразола и микрореактор для его осуществления

Изобретение относится к способу получения 2-метил-5-нитротетразола алкилированием натриевой соли 5-нитротетразола в двухфазной системе водная фаза - хлористый метилен, в котором в качестве водной фазы используют реакционный раствор, полученный в результате диазотирования 5-аминотетразола нитритом натрия в среде разбавленной серной кислоты, с последующей нейтрализацией карбонатом натрия до рН=6,5-8,0, с проведением процесса алкилирования в микрореакторе проточного типа, причем в ходе процесса осуществляют непрерывное измерение длины капель дисперсной фазы и жидкостных снарядов сплошной фазы, подстраивая положение диспергирующего элемента микрореактора таким образом, чтобы обеспечить поддержание параметров двухфазного течения на протяжении всего процесса. Изобретение относится также к микрореактору проточного типа для реализации способа получения. Технический результат: предложенный способ получения позволяет повысить безопасность процесса за счет исключения необходимости работы с индивидуальной кристаллической натриевой солью 5-нитротетразола, обладающей в безводной форме высокой чувствительностью к механическим импульсам, обеспечивает непрерывное поддержание стабильных гидродинамических условий ведения процесса при накоплении продуктов реакции в системе. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 9 ил., 3 пр.

 

Изобретение относится к химии тетразолов, конкретно к способу получения 2-метил-5-нитротетразола 1, имеющего применение в качестве легкоплавкого компонента (пластификатора) полимерной основы связующего энергонасыщенных систем и материалов [Ostrovskii V.A., Pevzner M.S., Kofman T.G. et al. Energetic 1,2,4-triazoles and tetrazoles. Synthesis, structure and properties. In Targets in Heterocyclic Systems. Chemistry and Properties/Eds. O. Attanasi, D. Spinelli. Ital. Soc. Chim. 1999, 3, 467-526], и устройству для его осуществления - микрореактору.

На фиг.1 и 2 показан известный способ получения 2-метил-5-нитротетразола 1 [Thomas М. Klapotke, Carles and Jorg Stierstorfer, Neutral 5-nitrotetrazoles: easy initiation with low pollution. New J. Chem., 2009, 33, 136-147]: на фиг. 1 - в виде химических схем, на фиг. 2 - в виде блок-схемы процесса (операционной схемы).

На фиг. 3-5 показаны химические (фиг. 3) и операционные (фиг. 4) схемы, а также схема каталитического цикла Старкса (фиг. 5), по которым реализован способ-прототип [Pavlyukova, Yu. N.; Nesterova, О.M.; Ilyushin, М.A.; Ostrovskii, V.A., Chem. Heterocycl. Compd. 2017, 53, 733. [Khim. Geterotsikl. Soedin. 2017, 53, 733]. На фиг. 6. показана химическая схема, характеризующая потерю солью 6 при нарушении температурного и временного режима кристаллизационной воды, с ее превращением в безводную соль 5, обладающую свойствами инициирующего взрывчатого вещества, весьма чувствительного к начальным импульсам.

На фиг. 7 представлена схема предлагаемого устройства, на фиг. 8 - временная диаграмма сигналов, регистрируемых датчиками перемещения границы раздела водной и органической фаз, на фиг. 9 - схема снарядного (тейлоровского) течения в предлагаемом аппарате.

Известны следующие способы получения 2-метил-5-нитротетразола 1. 1. Алкилирование 5-аминотетразола 2 диметилсульфатом в водном растворе NaOH с разделением образующихся региоизомерных 1-метил-5-амино- 3 и 2-метил-5-аминотетразола 4 и последующим диазотированием 2-метил-5-аминотетразола 4 нитритом натрия в серной кислоте [Thomas М. Klapotke, Carles and Jorg Stierstorfer, Neutral 5-nitrotetrazoles: easy initiation with low pollution. New J. Chem., 2009, 33, 136-147] (фиг. 1, 2).

Как следует из фиг. 1, 2, данный способ получения 2-метил-5-нитротетразола 1 имеет следующие недостатки:

- при алкилировании 5-аминотетразола 2 образуются два региоизомерных продукта: 1-метил-5-аминотетразол 3 и 2-метил-5-аминотеразол 4 в соотношении ~2:1.5 соответственно [Ф.Р. Бенсон, в кн. Гетероциклические соединения, т. 8. Ред. Р. Эльдерфильд, М.: 1969, с. 46]. Данное соотношение обусловлено электронодонорным эффектом заместителя у атома углерода тетразольного цикла (аминогруппа) [Ostrovskii V.A., Koren А.О., Heterocycles, 2000. N6, p. 1421-1448]. Отметим, что для получения целевого продукта 2-метил-5-нитротетразола 1 пригоден только один из двух региоизомеров, а именно - 2-метил-5-аминотетразол 4, который, как указано выше, образуется в ходе алкилирования в меньшем количестве, чем региоизомер 3. После разделения региоизомеров 3 и 4, 2-метил-5-аминотетразол 4 выделяют с низким выходом, не превышающим 15%. Очевидно, что выход целевого соединения - 2-метил-5-нитротетразола 1 не превышает 10% в расчете на исходный 5-аминотетразол 2.

Способ-прототип настоящего изобретения описан в работе [Pavlyukova, Yu.N.; Nesterova, О.M.; Ilyushin, М.A.; Ostrovskii, V.A., Chem. Heterocycl. Compd. 2017, 53, 733. [Khim. Geterotsikl. Soedin. 2017, 53, 733.]. Как следует из химических и операционных схем, а также каталитического цикла Старкса (фиг. 3-5), способ-прототип позволяет синтезировать соединение 1 в три стадии (А-Е): А - получение натриевой соли 5-нитротетразола 5, диазотированием 5-аминотетразола 2 нитритом натрия в водном растворе серной кислоты, с последующей нейтрализацией Na₂CO₃ до рН=7.5-8.0. На стадии В, следуя методикам, приведенным в описании к патентам [von Herz, Е. (Jan 5, 1937). U.S. Patent 2,066,954; Renz, R.N.; Williams, M.D.; Fronabarger, J.W. (Aug 7, 2007). U.S. Patent 7,253,288 B2], a также в статье [Ilyushin, M.A.; Smimov, A.V.; Andreev, V.N.; Tselinskii, I.V.; Shugalei, I.V.; Nesterova, О.M. Russian J. General Chem. (Engl. Transl), 2015, 85, 2878], из водного реакционного раствора, содержащего растворенную натриевую соль 5-нитротетразола (Na-5-NT aq), (фиг. 2), выделяют соответствующую кристаллическую соль 5-нитротетразола 5 в форме тетрагидрата путем выпаривания досуха водного реакционного раствора А в токе воздуха на кипящей водяной бане. На стадии С растворяют тетрагидрат натриевой соли 5-нитротетразола (cryst) 5 в воде и используют водный раствор вновь образованной соли Na-5-NT aq для последующего алкилирования в условиях межфазного катализа (Стадия D). На стадии D алкилируют диметилсульфатом тетрагидрат натриевой соли 5-нитротетразола 5, в двухфазной системе вода - хлористый метилен в присутствии катализатора межфазного переноса - тетрабутиламмония бромистого (фиг. 3, 4). Как следует из цикла Старкса (фиг. 5), в результате равновесного обмена ионами в водной фазе из натриевой соли 5-нитротетразола 5aq образуется тетрабутиламмониевая соль 5-нитротетразола 7, которая, благодаря липофильному катиону, преодолевает границу раздела фаз. В органической фазе осуществляется процесс алкилирования соли 7 с образованием целевого 2-метил-5-нитротетразола 1.

Способ-прототип обладает очевидным достоинством. А именно: в этом способе исключена необходимость предварительного получения и последующего диазотирования 2-метил-5-аминотетразола 4 (фиг. 1). Алкилирование в этом случае осуществляется напрямую, в качестве субстрата выступает тетрабутиламмониевая соль 5-нитротетразола 7, образующаяся в результате обмена ионами (фиг. 3-5) натрия и тетрабутиламмония (фиг. 3, 4). При этом основным продуктом реакции является целевой региоизомер - 2-метил-5-нитротетразол 1. Преимущественное образование N²-изомера является следствием сильного электроноакцепторного характера группы NO₂ у атома углерода тетразольного цикла [Ostrovskii V.A., Koren А.О., Heterocycles, 2000. N6, p. 1421-1448]; в отличие от группы NH2, обладающей, как указано выше, электронодонорными свойствами, что и приводит к преимущественному образованию N¹-изомера. Выход целевого продукта, согласно условиям, приведенным в способе-прототипе, достаточно высокий (80%); после кристаллизации 61%.

Однако, представленный выше способ-прототип обладает и некоторыми существенными недостатками. Во-первых, данный способ потенциально взрывоопасен, т.к. на стадии (В) - выделяют тетрагидрат натриевой соли 5-нитротетразола 6, упариванием досуха реакционного раствора, содержащего в качестве основного компонента водную натриевую соль 5-нитротетразола 5aq. Соль 6, при нарушении температурного и временного режима, теряет кристаллизационную воду, превращаясь в безводную соль 5 (фиг. 3 и 6), обладающую свойствами инициирующего взрывчатого вещества, весьма чувствительного к начальным импульсам (удар, трение, луч огня, электрический разряд) [Koldobskii, G.I.; Soldatenko, D.S.; Gerasimova E.S.; Khokryakova, N.R.; Shcherbinin, M.B.; Lebedev, V.P.; Ostrovskii, V.A. Russian J. Org Chem. (Engl. Transl.) 1991, 33, 1771].

Очевидно, что для решения проблемы потенциальной взрывоопасности, обусловленной потерей кристаллизационной воды и превращения соли 6 в безводную соль 5 (фиг. 4), следует исключить стадию В (фиг. 3, 4) из процесса получения 2-метил-5-нитротетразола 1. Другой недостаток способа-прототипа заключается в том, что синтез 2-метил-5-нитротетразола 1 выполняют в емкостном реакторе (batch-reactor), в котором, из-за диффузионного контроля скорости, необходимо интенсивное перемешивание двухфазной системы «водная фаза - органический растворитель». Для этого в способе-прототипе предложено использовать высокоскоростной диспергатор (с частотой вращения 4000 об/мин). Несмотря на это, для проведения синтеза 2-метил-5-нитротетразола 1 в условиях межфазного катализа необходим катализатор - тетрабутиламмоний бромистый (ТБАБ) [Демлов, Э.; Демлов 3. Межфазный катализ. Пер. с англ. - М.: Мир, 1987. - 485 с.]

Предлагаемое изобретение позволяет устранить указанные выше недостатки способа-прототипа. С этой целью в процессе на стадии алкилирования (D) (фиг. 4) вместо емкостного реактора периодического действия и условий межфазного катализа предлагается использовать микрореактор проточного типа, имеющий общие технические элементы с микрореактором, описанном в патенте [Абиев, P.Ш; Попова, Е.А.; Светлов, С.Д.; Лаппалайнен, Л.А.; Трифонов, Р.Е.; Островский В.А. (10.08.2015, Бюл. №22). RU 2559369 С1], но отличающийся от него несколькими существенными признаками.

Известен микрореактор (устройство-аналог) проточного типа [Абиев, P.Ш; Попова, Е.А.; Светлов, С.Д.; Лаппалайнен, Л.А.; Трифонов, Р.Е.; Островский В.А. (10.08.2015, Бюл. №22). RU 2559369 С1] содержащий микроканал для проведения гетерофазной химической реакции, Y-образный микродиспергатор с штуцерами для ввода сплошной и дисперсной фаз, насосы для подачи реакционных растворов и сепарационное устройство.

К выходному патрубку микрореактора присоединены последовательно сепаратор для разделения жидких фаз и сепаратор для отделения газов и парообразных продуктов от жидкости. Известное устройство позволяет эффективно осуществлять массообмен с химической реакцией, однако при использовании дисперсной фазы, хорошо смачивающей поверхность микроканала, тейлоровский (снарядный) режим течения не возникает, а фазы образуют два слоя, движущихся друг над другом (стратифицированное, или слоистое, течение), либо дисперсная фаза движется в виде «ручейка» по поверхности капилляра. Это препятствует реализации преимуществ микроканалов, обусловленных тейлоровскими вихрями, возникающими между соседними каплями дисперсной среды (Бауэр Т., Шуберт М., Ланге Р., Абиев Р.Ш. Интенсификация гетерогенно-каталитических газожидкостных реакций в реакторах с многоканальным монолитным катализатором // Журн. прикл. химии, 2006., Т. 79, №7, С. 1057-1066; М.Т. Kreutzer, F. Kapteijn, J.А. Moulijn, J.J. Heiszwolf, Multiphase monolith reactors: Chemical reaction engineering of segmented flow in microchannels // Chemical Engineering Science. 2005. V. 60. P. 5895-5916). Как удельная поверхность, так и поверхностный коэффициент массоотдачи при этом резко снижаются, и процесс протекает в крайне неблагоприятных условиях.

Известно устройство (устройство-аналог) для проведения процесса получения замещенных тетразолов диазотированием 5-аминотетразола с использованием микрореакторов (WO 2006/029193 А2, 16.03.2006, C07D 257/04 (2006.01); US 7253288 В2, 07.08.2007, C07D 257/06 (2006.01), C07D 257/04 (2006.01) Renz, R.N., Williams, M.D., Fronabarger J.W.). Необходимость использования микрореакторов при проведении процесса в гомогенных условиях не является очевидной и приводит к неоправданному усложнению аппаратурного оформления процесса. Кроме того, в этом техническом решении используются микрореакторы, конструкция которых не позволяет осуществлять непрерывное измерение и корректировку длины капель дисперсной фазы и жидкостных снарядов сплошной фазы. В результате этого, за счет изменения структуры течения в ходе протекания реакции в устройстве по известному изобретению нарушается снарядный режим течения, что не позволяет реализовать преимущества снарядного режима течения и поддержать параметры двухфазного течения на протяжении всего процесса. Режим течения при этом сменяется на капельный, с каплями дисперсной фазы, размер которых меньше диаметра микроканала. Все это существенно ухудшает массообмен и в целом значительно понижает производительность устройства.

Известен микрореактор {устройство-прототип) проточного типа, содержащий микроканал для проведения гетерофазной химической реакции, микродиспергатор с корпусом в форме вытянутого эллипсоида и диспергирующим элементом в виде полой иглы для ввода дисперсной фазы, установленной с возможностью осевого перемещения относительно корпуса микродиспергатора, насосы для подачи реакционных растворов (патент РФ №2614283, B01J 8/04). Известное устройство обеспечивает возможность поддержания стабильных гидродинамических условий ведения процесса, достижение заданной интенсивности перемешивания, обеспечивающей, в свою очередь, высокие значения коэффициентов тепло- и массоотдачи.

Вместе с тем, в известном устройстве не предусмотрена возможность контроля за меняющимися характеристиками двухфазного течения. Как показали исследования, при протекании реакции в двухфазной системе, циркулирующей по замкнутому контуру микрореактора, происходит накопление продуктов реакции, что приводит к постепенному изменению физико-химических свойств фаз (вязкостей и межфазного натяжения), и, как следствие, изменяются параметры режима течения. Кроме того, меняется длина капель дисперсной фазы и жидкостных снарядов сплошной фазы: исходные сравнительно короткие капли сливаются в более длинные, в которых массоперенос существенно хуже из-за увеличения времени циркуляции внутри капли (Thulasidas Т.С., Abraham М.A., Cerro R.L. Bubble-train flow in capillaries of circular and square cross section // Chemical Engineering Science. 1995. V. 50, N 2. P. 183-199.). Чрезмерное и неконтролируемое удлинение капель приводит к срыву снарядного (тейлоровского) режима течения двухфазной смеси, обладающего наиболее благоприятными массообменными характеристиками для проведения процессов в гетерофазных системах. В итоге течение становится стратифицированным (слоистым) с очень слабо развитой поверхностью контакта фаз и практически отсутствующей конвективной диффузией, что приводит к существенному замедлению процесса в целом из-за резкого увеличения диффузионного сопротивления переносу.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение безопасности процесса за счет исключения необходимости работы с индивидуальной кристаллической натриевой солью 5-нитротетразола, обладающей в безводной форме высокой чувствительностью к механическим импульсам, непрерывное поддержание стабильных гидродинамических условий ведения процесса при накоплении продуктов реакции в двухфазной системе, а именно в формировании в микроканалах капель дисперсной фазы с заданными размерами, распределенными в достаточно узком диапазоне, а также непрерывное поддержание равного расстояния между соседними каплями (т.е. длины жидкостных снарядов сплошной фазы), что в итоге ведет к достижению заданной интенсивности перемешивания, обеспечивающей, в свою очередь, высокие значения коэффициентов тепло- и массоотдачи, даже при значительном изменении физико-химических свойств растворов.

Поставленная задача достигается тем, что в способе получения 2-метил-5-нитротетразола алкилированием натриевой соли 5-нитротетразола в двухфазной системе водная фаза - хлористый метилен, согласно изобретению, в качестве водной фазы используют реакционный раствор, полученный в результате диазотирования 5-аминотетразола нитритом натрия в среде разбавленной серной кислоты, с последующей нейтрализацией карбонатом натрия до рН=6,5-8,0, с проведением процесса алкилирования в микрореакторе проточного типа, причем в ходе процесса осуществляют непрерывное измерение длины капель дисперсной фазы и жидкостных снарядов сплошной фазы, подстраивая положение диспергирующего элемента микрореактора таким образом, чтобы обеспечить поддержание параметров двухфазного течения на протяжении всего процесса.

Поставленная задача достигается тем, что в микрореакторе проточного типа для реализации способа, содержащем микроканал для проведения гетерофазной химической реакции, микродиспергатор с корпусом сферической формы и диспергирующим элементом в виде полой иглы для ввода дисперсной фазы, установленной с возможностью осевого перемещения относительно корпуса микродиспергатора, насосы для подачи реакционных растворов, согласно изобретению, на микроканале установлены один или несколько датчиков для регистрации перемещения границы раздела водной и органической фаз, сигнал с которых подается на контроллер, подключенный к исполнительному устройству, управляющему осевым положением диспергирующего элемента относительно корпуса микродиспергатора.

Поставленная задача достигается также тем, что в микрореакторе проточного типа, согласно изобретению, диаметр микродиспергатора в 1,3-2 раза больше внутреннего диаметра микрореактора, а диаметр полой иглы составляет 0,25-0,5 от внутреннего диаметра микрореактора.

Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.

Заявляемые способ и устройство позволяют обеспечить стабильные (распределенные в достаточно узком диапазоне) во времени размеры капель дисперсной фазы, а также равные расстояния между соседними каплями - в каплях сплошной фазы (так называемых слагах, жидкостных снарядах), даже при изменении физико-химических свойств гетерогенной среды (вязкости водной и органической фаз - растворов реагентов, межфазного натяжения), обусловленных накоплением в системе продуктов реакции и изменением температуры. Это гарантирует в течение всего процесса синтеза продукта практически одинаковые гидродинамические условия во всех элементах как сплошной, так и дисперсной среды - пузырях или каплях и слагах: интенсивность тейлоровских вихрей, время циркуляции в каждом элементе, а значит, и равномерное распределение по длине микроканалов коэффициентов тепло- и массоотдачи. В результате предлагаемое изобретение позволяет более полно использовать возможности микроканалов, т.е. при равной длине микроканалов в них достигается более высокие значения тепловых и массовых потоков, увеличивается выход реакций.

Микрореактор проточного типа для реализации предлагаемого способа (фиг. 7) содержит микроканал 1 для проведения гетерофазной химической реакции, микродиспергатор с корпусом 2 сферической формы и диспергирующим элементом 3 в виде полой иглы для ввода дисперсной фазы, установленной с возможностью осевого перемещения относительно корпуса 2 микродиспергатора, насосы 4 для подачи реакционных растворов. На микроканале 1 установлены один или несколько датчиков 5 для регистрации перемещения границы раздела водной и органической фаз. Датчики 5 содержат излучатель 5а и приемник 5б могут быть инфракрасного типа, типа лазерного светодиода и светоприемника, либо иметь другой принцип действия. Вид сигнала, регистрируемого датчиком 5, изображен на фиг. 8. Сигнал с нескольких датчиков может обрабатываться контроллером для получения информации о средней величине длины капель 10 дисперсной фазы и жидкостных снарядов 11 сплошной фазы. Сигнал с датчиков 5 подается на контроллер 6, подключенный к исполнительному устройству 7, управляющему осевым положением диспергирующего элемента 3 относительно корпуса 2 микродиспергатора. Исполнительное устройство 7 может представлять собой электромагнитный, электромеханический, гидравлический, пневматический или иной привод, способный линейно перемещать диспергирующий элемент 3 относительно корпуса 2 микродиспергатора. На фиг. 7 представлен вариант исполнения исполнительного устройства 7, содержащего несколько гидравлических приводов, соединенных параллельно. Для обеспечения заданного времени пребывания с целью достижения высокого выхода реакции микроканал 1 с сепаратором 9 и шлангами насосов 4 по существу образуют замкнутое кольцо, по которому циркулирует двухфазная система.

Микродиспергатор включает также подвижное уплотнение 8 (сальниковое, сильфонное или другое), обеспечивающее герметичность сопряжения диспергирующего элемента 3 относительно корпуса 2 микродиспергатора.

Для разделения водной и органической фаз служит сепаратор 9, содержащий первую ступень 9а для отделения водной фазы и газов от хлористого метилена и вторую ступень 9б для отделения газов от водной фазы. В микроканале 1 образуются капли дисперсной фазы 10 и жидкостные снаряды (слаги) 11 сплошной фазы. В каплях дисперсной фазы 10 возникают вихри Тейлора 12, а в жидкостных снарядах (слагах) 11 сплошной фазы -аналогичные вихри Тейлора 13.

Устройство работает следующим образом. Микроканал 1 устройства заполняют сплошной фазой, включая соответствующий насос 4, затем включают другой насос 4 и начинают подавать дисперсную фазу с заданным расходом, расходы обеих фаз также непрерывно измеряются. При некорректном выборе положения диспергирующего элемента 3 в микроканале 1 формируется либо стратифицированное (слоистое) течение, в котором тяжелая фаза движется в нижнем слое, а легкая фаза - в верхнем слое, либо тейлоровское (снарядное) течение, но длина капель дисперсной фазы и жидкостных снарядов сплошной фазы находится на грани устойчивого движения двухфазной смеси.

Для поддержания тейлоровского снарядного режима в ходе процесса осуществляют непрерывное измерение длины капель дисперсной фазы и жидкостных снарядов сплошной фазы при помощи датчиков 5. При известной скорости движения фаз путем умножения в контроллере 6 скорости движения капли на время ее прохождения t_кап через зону регистрации датчика 5, в контроллере рассчитывается длина L_d капли дисперсной фазы 10:

Скорость капель может также определяться независимо - по сдвигу по времени сигнала Δt с двух датчиков 5 при известном расстоянии между соседними датчиками L_д как результат деления этого расстояния на сдвиг по времени Δt:

Аналогичным образом по времени t_ж.сн прохождения жидкостного снаряда 11 в контроллере рассчитывается его длина L_s:

где U_tp - скорость двухфазного течения, м/с.

Полученные в результате измерений значения длины капли дисперсной фазы 10 и жидкостного снаряда 11 сравниваются с величинами, хранящимися в базе данных контроллера 6. В случае отклонения измеренных величин от диапазона допустимых длин капель 10 и жидкостных снарядов 11 (далее будем называть этот диапазон «нормой») производится их корректировка путем подстройки положения диспергирующего элемента 3 микрореактора следующим образом.

Если длина капель 10 и жидкостных снарядов 11 выше нормы, контроллер 6 подает сигнал на исполнительное устройство 7, которое смещает диспергирующий элемент 3 вправо, ближе к зоне сужения корпуса 2 микродиспергатора. При этом генерируемые капли становятся короче, и параметры процесса восстанавливаются, приходя в норму.

Если длина капель 10 и жидкостных снарядов 11 ниже нормы, контроллер 6 подает сигнал на исполнительное устройство 7, которое смещает диспергирующий элемент 3 влево, ближе к зоне расширения корпуса 2 микродиспергатора. При этом генерируемые капли становятся длиннее, приходя в норму, и параметры процесса снова восстанавливаются.

Таким же образом система «датчики 5 - контроллер 6 - исполнительное устройство 7 - диспергирующий элемент 3» обеспечивают поддержание параметров двухфазного течения на протяжении всего процесса, в том числе в ходе проведения химической реакции, когда по мере накопления продуктов в водной и органической фазах меняются их физико-химические характеристики.

Пример конкретного выполнения 1. Получение натриевой соли 5-нитротетразола в емкостном реакторе по способу-прототипу (фиг. 2).

Натриевую соль 5-нитротетразола получают диазотированием 5-аминотетразола нитритом натрия в емкостном реакторе.

Синтез натриевой соли 5-нитротетразола включает в себя ряд операций:

а. Приготовление раствора гидрата 5-аминотетразола в 1.5%-ной H₂SO₄. В стакан вместимостью 200 мл, снабженный термометром, механической мешалкой и обогревом, заливают 152 мл дистиллированной воды и при перемешивании добавляют 1.3 мл (0.023 моль) концентрированной серной кислоты (98%), нагревают раствор кислоты до 70-75°С, присыпают 9.78 г (0.095 моль) моногидрата 5-аминотетразола и перемешивают до полного растворения.

б. Приготовление водного раствора нитрита натрия. В стакан вместимостью 500 мл, снабженный термометром, механической мешалкой и обогревом, засыпают 22 г (0.32 моль) NaNO₂, заливают 152 мл дистиллированной воды и нагревают до 60°С при перемешивании до полного растворения соли.

в. Проведение диазотирования 5-аминотетразола. При перемешивании и температуре 60°С к раствору нитрита натрия дозируют с помощью насоса-дозатора или обогреваемой капельной воронки в течение примерно 60 мин (скорость дозировки 2.5-3.5 мл/мин) раствор 5-аминотетразола в 1.5%-ной H₂SO₄ с температурой 70-75°С (температура поддерживается не ниже 70°С, чтобы не началась кристаллизация 5-аминотетразола из раствора). Температуру в реакторе поддерживают в пределах 55-65°С.

г. Разложение соли диазония с контролем полноты разложения. Операцию выполняют в том же реакционном сосуде. После окончания дозировки сернокислотного раствора к реакционной массе при перемешивании добавляют по каплям с помощью капельной воронки в течение примерно 10 мин 6.8 мл 98%-ной H₂SO₄. При этом наблюдается бурное выделение азота в результате разложения соли диазония. При нормальном течении реакции после добавления концентрированной серной кислоты делают выдержку при температуре 80°С в течение 60 мин при перемешивании, по окончании ее производят контроль наличия диазосоединений в растворе. (Контроль осуществляют с помощью цветной качественной реакции на соли диазония, выполняемой с помощью насыщенного раствора β-нафтола в пропаноле-2. Реакцию проводят следующим образом: на бумажный фильтр наносят по капле реакционной массы и раствора β-нафтола, при наличии в реакционной массе диазосоединений по фронту соприкосновения растворов появляется красное окрашивание). В случае положительной реакции к реакционной массе добавляют еще 5.0 г нитрита натрия и реакционную массу выдерживают еще 1 час при 80°С с повторением контроля на наличие диазосоединения.

д. Нейтрализация реакционной массы до рН 6.5-8. Нейтрализацию реакционной массы осуществляют в том же стакане. При отсутствии в реакционном растворе солей диазония его охлаждают до 20°С и нейтрализуют при перемешивании тонко измельченным углекислым натрием до рН=6.5-8.0. Расход Na₂CO₃ на эту операцию составляет примерно 57-63 г. При проведении синтеза в открытых стаканах за счет испарения воды объем реакционной массы в конце реакции уменьшается до 200-220 мл. Полученная реакционная масса содержит 5-6% натриевой соли 5-нитротетразола, 1-2% NaNO₂, 5-8% Na₂SO₄.

Пример конкретного выполнения 2. Получение натриевой соли 5-нитротетразола диазотированием 5-аминотетразола нитритом натрия с проведением реакции в двухфазной системе вода - хлористый метилен (схемы 3-5), с использованием на стадии алкилирования микрореактора-прототипа.

Установка для проведения процесса диазотирования натриевой соли 5-нитротетразола нитритом натрия состоит из двух микрореакторов, изготовленных по известному изобретению (устройство-прототип). Процесс в микрореакторе проводят в три стадии. Сначала в микрореактор подают два потока реагентов: первый поток состоит из водного раствора нитрита натрия, второй - из раствора 5-аминотетразола в азотной кислоте. После проведения первой стадии в микрореакторе-прототипе объединенный поток реагентов, состоящий из продуктов взаимодействия нитрита натрия и 5-аминотетразола в HNO₃, подают во второй микрореактор, вместе со вторым потоком, состоящим из водного раствора гидроокиси натрия. После прохождения потоками канала второй стадии в микрореакторе, поток с продуктами реакции выводят из реакционной зоны и собирают в отдельную емкость для последующего использования.

В результате того, что в микрореакторе-прототипе размер капель и жидкостных снарядов не контролируется, через 10-15 минут работы режим течения в микроканале микрореактора нарушается, капли дисперсной фазы (хлористого метилена) становятся короткими (длина меньше или равна диаметру микрореактора), их движение затормаживается, а затем они распадаются в сплошную пленку, движущуюся по нижней части микрореактора. Это ведет к прекращению перемешивания тейлоровскими вихрями и резкому снижению удельной поверхности контакта фаз. В конечном счете процесс приходится останавливать либо время от времени корректировать производительность насоса, подающего хлористый метилен.

Третью стадию - получение 2-метил-5-нитротетразола осуществляют следующим образом. В реактор емкостного типа помещают 15 мл дистиллированной воды и 15 мл CH₂Cl₂. При интенсивном перемешивании с помощью диспергатора (4000 об/мин) добавляют 1.00 г (4.79 ммоль) тетрагидрата натриевой соли 5-нитротетразола, 0.15 г тетрабутиламмония бромистого (0.48 ммоль), затем по каплям добавляют 12.08 г (95.80 ммоль) диметилсульфата.

Реакционную систему выдерживают при комнатной температуре и интенсивном перемешивании в течение 2.5 ч. Отделяют органический слой, промывают дистиллированной водой (2×15 мл). Органический слой сушат безв. MgSO₄, отфильтровывают осадок. Фильтрат упаривают досуха на роторном испарителе. Получают 0.5 г (81%) смеси 1-метил-5-нитротетразола и 2-метил-5-нитротетразола в соотношении 1:3. После перекристаллизации из смеси H₂O-EtOH, 1:1, получают 0.32 г (52%) бесцветных пластинчатых кристаллов 2-метил-5-нитротетразола (2), т.пл. 79-82°С. ИК спектр, ν, см^-1: 1041 (CN₄, вал.-деф.); 1271, 1448, 1508 (CN₄, вал.); 1367, 1556 (NO₂, вал.). Спектр ЯМР ¹Н, δ, м.д.: 4.55 (3Н, с, СН₃). Спектр ЯМР ¹³С, δ, м.д.: 166.4 (С-5); 41.9 (СН₃). Найдено, %: С 19.06; Н 2.29; N 53.75. C₂H₃N₅O₂. Вычислено, %: С 18.61; Н 2.34; N 54.26.

Пример конкретного выполнения 3. Получение натриевой соли 5-нитротетразола диазотированием 5-аминотетразола нитритом натрия в микрореакторе по предлагаемому изобретению.

Первые две стадии проводят так же, как описано в примере конкретного выполнения 2.

Третью стадию - получение 2-метил-5-нитротетразола осуществляют следующим образом. Процесс организован в микрореакторе периодического действия согласно предлагаемому изобретению (фиг. 7). Водная и органическая фазы насосами 4 подаются в корпус 2 микродиспергатора: сплошная фаза (вода) в кольцевой канал между диспергирующим элементом 3 и стенкой микроканале 1, дисперсная (хлористый метилен) - в диспергирующий элемент 3, установленный соосно по отношению к микроканалу 1. В микроканале 1 формируется требуемый, снарядный, режим течения. После прохождения микроканала 1 двухфазная система попадает в первую ступень сепаратора 9а, где происходит ее разделение. Легкая фаза -вода - скапливается в верхней части первой ступени сепаратора 9а и переливается во вторую ступень сепаратора 9б. Далее фазы вновь подаются в насосы 4 и в корпус 2 микродиспергатора и диспергирующий элемент 3.

Методика проведения процесса синтеза следующая: рабочие растворы помещаются в ступени сепаратора 9а и 9б в объеме 3,3 мл (полый объем сепаратора 9). Затем запускают насосы 4, которые подают рабочие растворы в корпус 2 микродиспергатора и диспергирующий элемент 3 с заданными расходами: 0,07 мл/с для органической фазы и 0,05 мл/с для водной фазы. Таким образом, в первой ступени сепаратора 9а граница раздела водной и органической фаз устанавливается на уровне нижней кромки переливного патрубка, а вторая ступень сепаратора 9б полностью заполнена водной фазой. Через определенные промежутки времени производят отбор пробы водной фазы через верхний патрубок сепаратора 9б. После окончания эксперимента и отбора последней пробы водной фазы содержимое первой ступени сепаратора 9а сливают в сборную емкость (на фиг. 7 не показана) для дальнейшего выделения целевого продукта в кристаллической форме. Полученные пробы водной фазы разбавляют и анализируют методом УФ-спектроскопии для определения остаточного содержания натриевой соли 5-нитротетразола.

Отделяют органический слой, промывают дистиллированной водой. Органический слой сушат безв. MgSO₄, отфильтровывают осадок. Фильтрат упаривают досуха на роторном испарителе. Получают 0.661 г (80%) смеси 1-метил-5-нитротетразола и 2-метил-5-нитротетразола в соотношении 1:3. После перекристаллизации из смеси H₂O-EtOH, 1:1, получают 0.446 г (54%) бесцветных пластинчатых кристаллов 2-метил-5-нитротетразола, т.пл. 80-82°С. ИК спектр, ν, см^-1: 1041 (CN₄, вал.-деф.); 1271, 1448, 1508 (CN₄, вал.); 1367, 1556 (NO₂, вал.). Спектр ЯМР ¹Н, δ, м.д.: 4.55 (3Н, с, СН₃). Спектр ЯМР ¹³С, δ, м. д.: 166.4 (С-5); 41.9 (СН₃). Найдено, %: С 18.89; Н 2.21; N 54.05. C₂H₃N₅O₂. Вычислено, %: С 18.61; Н 2.34; N 54.26.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить безопасность процесса за счет исключения необходимость работы с индивидуальной кристаллической натриевой солью 5-нитротетразола, обладающей в безводной форме высокой чувствительностью к механическим импульсам, обеспечивает непрерывное поддержание стабильных гидродинамических условий ведения процесса при накоплении продуктов реакции в системе, а именно в формировании в жидкости в микроканалах капель дисперсной фазы с заданными размерами, распределенными в достаточно узком диапазоне, а также непрерывное поддержание равного расстояния между соседними каплями (т.е. длины жидкостных снарядов сплошной фазы), что в итоге ведет к достижению заданной интенсивности перемешивания, обеспечивающей, в свою очередь, высокие значения коэффициентов тепло- и массоотдачи, даже при значительном изменении физико-химических свойств растворов.

1. Способ получения 2-метил-5-нитротетразола алкилированием натриевой соли 5-нитротетразола в двухфазной системе водная фаза - хлористый метилен, отличающийся тем, что в качестве водной фазы используют реакционный раствор, полученный в результате диазотирования 5-аминотетразола нитритом натрия в среде разбавленной серной кислоты, с последующей нейтрализацией карбонатом натрия до рН=6,5-8,0, с проведением процесса алкилирования в микрореакторе проточного типа, причем в ходе процесса осуществляют непрерывное измерение длины капель дисперсной фазы и жидкостных снарядов сплошной фазы, подстраивая положение диспергирующего элемента микрореактора таким образом, чтобы обеспечить поддержание параметров двухфазного течения на протяжении всего процесса.

2. Микрореактор проточного типа для реализации способа по п. 1, содержащий микроканал для проведения гетерофазной химической реакции, микродиспергатор с корпусом сферической формы и диспергирующим элементом в виде полой иглы для ввода дисперсной фазы, установленным с возможностью осевого перемещения относительно корпуса микродиспергатора, насосы для подачи реакционных растворов, отличающийся тем, что на микроканале установлены один или несколько датчиков для регистрации перемещения границы раздела водной и органической фаз, сигнал с которых подается на контроллер, подключенный к исполнительному устройству, управляющему осевым положением диспергирующего элемента относительно корпуса микродиспергатора.

3. Микрореактор проточного типа по п. 2, отличающийся тем, что диаметр микродиспергатора в 1,3-2 раза больше внутреннего диаметра микрореактора, а диаметр полой иглы составляет 0,25-0,5 от внутреннего диаметра микрореактора.