微反应器合成1，2，4-丁三醇三硝酸酯的工艺研究

毛明珍，王伦，张晓光，张媛媛，卫天琪，张建功，王月梅，张选利，郭旺军

(西安近代化学研究所 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)

1，2，4-丁三醇三硝酸酯(BTTN)是一种含能增塑剂，具有良好的低温性能、感度性能，能改善推进剂的低温力学性能和提高使用安全性，在固体推进剂和高能发射药方面有着极其重要作用[1-3]。BTTN制备方法主要以1，2，4-丁三醇为起始原料，硝硫混酸为硝化试剂[2-6]，进行硝化反应，采用釜式操作，反应过程易局部过热导致危险，工艺安全性较低。

近年来微化工技术及应用设备快速发展，微反应器由于特征尺度的细微化，具有传质传热效率高、易于精准控制、连续化操作及设备安全性高等优点[7-15]。本文采用微反应器实现BTTN连续合成，优化了反应工艺，在制量进一步降低，为实现其工业化制备奠定基础。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

1，2，4-丁三醇(含量≥98.5%)、发烟硝酸、浓硫酸、碳酸钠均为分析纯。

HS1205微反应器；SP0530、SPH0530高压输液泵；HRT-25N加热制冷循环器；NEXUS870型傅里叶变换红外光谱仪；AV500(500 MHz)超导核磁共振仪；1260 Infinity Ⅱ型高效液相色谱仪。

1.2 实验方法

1.2.1 合成原理 以1，2，4-丁三醇(BT)为原料，以发烟硝酸/浓硫酸混合液为硝化剂合成BTTN。合成路线如下：

1.2.2 合成工艺 1，2，4-丁三醇水溶液、发烟硝酸和浓硫酸混合液分别通过高压输液泵以设定流速进入微反应器模块预冷、混合反应，通过加热制冷循环器控制微反应器模块体系温度，反应完毕，反应液流入冰水中，分液，有机相水洗，10%碳酸钠水溶液洗，水洗，得产品BTTN，计算收率，测纯度，安定性处理参考文献[3]。

BTTN结构表征数据如下：

1H NMR(CDCl3，500 M)：2.16～2.26(m，2H，—CH2—)，4.53～4.56(m，1H，—CH)，4.64～4.67(m，2H，—CH2—)，4.84～4.88(m，1H，—CH)，5.40～5.44(m，1H，—CH)。

13C NMR(CDCl3，125 M)：27.08，67.81，70.74，75.60。

IR(KBr)，ν，cm-1：2 907，1 638，1 276，1 104，852(—NO2)。

2 结果与讨论

连续化工艺需解决两个问题：①反应物料流态化；②反应器操作连续化。

1，2，4-丁三醇室温下(20 ℃)是一种黏度(2.25 Pa·s)极高的液体，流动性很差，使用柱塞泵直接进料难度很大，可使用溶剂稀释，1，2，4-丁三醇易溶于水、醇及酸。水作为稀释剂最理想，不与混酸反应，但加入的水过多可能会降低混酸硝化能力，通过考察不同质量浓度的1，2，4-丁三醇水溶液黏度及流动性，确定1，2，4-丁三醇水溶液最优质量浓度为70%。

2.1 反应温度

对于硝酸酯的合成，反应温度是影响其生产过程安全性和产品收率、纯度的关键参数，需确定准确的反应温度。设计物料比n(BT)∶n(HNO3)∶n(H2SO4)=1∶5∶4，m(HNO3)∶m(H2SO4)=45∶55，硝硫混酸混合液提前配好，根据物料比设定物料流速Q(70%BT/H2O)=1.88 mL/min，Q(HNO3/H2SO4)=5.58 mL/min，停留时间48 s，考察体系温度对微反应工艺收率和产品含量的影响，结果见表1。

由表1可知，体系温度对微反应合成工艺产品收率、含量影响较大。对于该硝化反应来说，当反应温度较低时，反应速率较低，原料未能完全转化，造成产品收率较低，随着温度的升高，转化率上升，收率也随之而提高；高于一定温度后，反应放出巨大热量，导致反应体系压力、温度突然上升，反应失控。当体系温度≥20 ℃时，反应体系压力>2 MPa，停止反应。另外，当体系反应温度过低，物料黏度增大，体系压力变大。因此，本工艺优选体系温度15 ℃。

表1 体系温度对工艺收率和产品含量的影响

2.2 物料比及混酸质量比

物料比，即投入的1，2，4-丁三醇、发烟硝酸与浓硫酸的比例；混酸质量比，即混酸中发烟硝酸和浓硫酸质量比。发烟硝酸与浓硫酸投入过少则硝化反应不完全，会产生未硝化完全产品；投入过多硝酸，可能会溶解部分产品，造成产品收率下降，并且产生大量废酸需要处理，增加成本，因此需要对物料比进行优化。实验设计体系温度15 ℃，停留时间48 s，考察体系物料比n(BT)∶n(HNO3)∶n(H2SO4)及相对应的物料流速对产品含量及工艺收率影响，结果见表2。

表2 物料比及混酸质量比对工艺收率和产品含量的影响

由表2可知，当m(HNO3)∶m(H2SO4)=45∶55时，产品收率和含量随着硝酸量增大不断提高，其原因为：随着硝酸用量增大，硝酰离子与醇的接触几率增大，促进了硝化反应的进行，提高了原料的转化率；当物料比n(BT)∶n(HNO3)∶n(H2SO4)=1∶4.2∶3.36，混酸质量比45/55，两种物料在反应器中接触后90 s左右，体系温度突然升高到50 ℃，压力 >2 MPa，进料泵自动停止，可能由于硝化不完全，生成杂质，发生喷料。当物料比n(BT)∶n(HNO3)∶n(H2SO4)不断增大，产品收率不断提高，当物料比n(BT)∶n(HNO3)∶n(H2SO4)=1∶5∶4，收率90.1%，产品含量98.8%，再随着硝酸量增大，n(BT)∶n(HNO3)=1∶5.2 时，收率与含量稍有下降，故n(BT)∶n(HNO3)∶n(H2SO4)=1∶5∶4为最优物料比；在此基础上，进一步考察了混酸组成对收率和含量的影响，混酸质量为50/50，由于硫酸用量减少，产品收率下降；混酸质量为40/60，体系黏度较大，收率并未明显提升，因此优选混酸质量比45/55。

2.3 停留时间

停留时间是微反应工艺进行放大最重要的工艺参数。在物料流速一定的情况下，通过改变微反应器管道长度(反应模块)来改变反应的停留时间。实验设计体系温度15 ℃，n(BT)∶n(HNO3)∶n(H2SO4)=1∶5∶4，m(HNO3)∶m(H2SO4)=45∶55，根据物料比设定物料流速Q(70%BT/H2O)=1.88 mL/min，Q(HNO3/H2SO4)=5.58 mL/min，考察停留时间对产品含量及工艺收率影响。

由表3可知，随着停留时间延长，产品收率和含量先增大后降低，优选停留时间48 s。70%BT水溶液和硝酸/浓硫酸混合溶液在微通道中流动反应时，停留时间过短时，反应不完全，原料转化率低；停留时间越长，在相同的路径下，增加了产物与酸液的接触时间，在酸溶液中BTTN可能会有部分分解，导致收率下降。

表3 停留时间对工艺收率和产品含量的影响

2.4 工艺放大

在最优工艺参数基础上进行工艺放大研究，n(BT)∶n(HNO3)∶n(H2SO4)=1∶5∶4，m(HNO3)∶m(H2SO4)=45∶55，物料流速Q(70%BT/H2O)=11.28 mL/min，Q(HNO3/H2SO4)=33.48 mL/min，反应温度15 ℃，停留时间48 s，微反应器运行稳定后，连续接样5 min，分液处理后得BTTN产品 86.4 g，收率90.5%，产品含量98.8%。70%BT水溶液和硝酸/浓硫酸混合溶液在微通道中流动反应时，在停留时间足够和反应温度可控的情况下，流速越快，混合速度越快，反应效果越好；流速越慢，混合效果越差。因此，将物料流速增大后，反应收率较之前稍有提高。

3 结论

开发了微反应器合成BTTN的方法，获得了BTTN的连续流合成工艺，具有工艺稳定、生产效率高、过程安全可控的特点，避免了传统工艺中原料分布不均的现象，减少了由于反应过程不易控制，易局部过热导致危险的安全隐患，在制量进一步降低，可实现单一硝酸酯连续化制备，具有良好的应用前景。

以70%BT水溶液为原料，发烟硝酸/浓硫酸为硝化试剂，微反应连续化合成BTTN的较优工艺条件：n(BT)∶n(HNO3)∶n(H2SO4)=1∶5∶4，m(HNO3)∶m(H2SO4)=45∶55，物料流速Q(70%BT/H2O)=11.28 mL/min，Q(HNO3/H2SO4)=33.48 mL/min，反应温度15 ℃，停留时间48 s，微反应器运行稳定后，连续接样5 min，分液处理后得BTTN产品86.4 g，收率90.5%，产品含量98.8%。