3-甲基-4-硝基亚胺基氢化-1,3,5-噁二嗪的连续流微通道合成研究

刘长明，刘景阔，方慧慧

(宁夏东吴农化股份有限公司，银川 751600)

3-甲基-4-硝基亚胺基氢化-1,3,5-噁二嗪(简称噁二嗪)是先正达公司开发的新烟碱类杀虫剂噻虫嗪重要中间体，其目前的工艺为间歇式反应器中，在酸性条件下，甲基硝基胍与多聚甲醛进行环合反应制备。虽然该反应工艺简单，但存在选择性低、副反应较多、反应时间长、收率较低等缺点。

噁二嗪闭环反应强放热，在传统的釜式反应器中，存在反应放出的热量不能及时释放、反应温度不能精确控制、反应液搅拌不均匀等缺点，容易造成副反应发生、工艺操作复杂、生产欠安全等问题[1]。

相对于传统的批次反应工艺，微通道反应具有快速混合、高效传热、窄的停留时间分布、重复性好、系统响应迅速、便于自动化控制、几乎无放大效应及安全性高等优势。微通道反应器尺寸微型化强化了设备的传热、传质过程，实现了工艺的连续化。

反应设备微型化、过程连续化和集成化顺应可持续发展和高技术发展，是未来科学技术发展方向，也是企业掌握核心技术、保护自身知识产权的关键。自20 世纪80 年代，微通道反应器就以一种高速发展姿态进入化工合成领域，通过其极好的传质、传热效果解决了反应的危险性，反应转化率和收率较常规反应器大幅提高，时空转化率更是取得质的飞跃。许多高危险性化学合成得以在微通道反应器中成功实现，迄今，实现微通道反应器生产的化工产品已超1 000 种。

基于间歇釜式反应的优选条件[2]，本文采用当前流行的微通道反应器进行了噁二嗪试验探究，且各项指标取得了较理想结果。本工艺采用碳化硅材料、管径2.9 mm 通道进行噁二嗪合成反应，较佳工艺条件为甲基硝基胍∶多聚甲醛=1∶3.5，反应温度80 ℃，反应停留时间25 s，此优化条件下收率达92%。与间歇釜式反应相比，反应时间由16 h 降为反应停留时间25 s，反应收率由79%提高到92%。

图1 噁二嗪的合成路线

1 试验部分

1.1 主要仪器及试剂

微反应器(山东豪迈机械制造公司)、液相色谱(安捷伦公司)。甲基硝基胍(工业品，宁夏东吴农化股份有限公司)、多聚甲醛(工业品，内蒙古佳醛精细化工有限公司)、硫酸(工业品，宁夏利源化工公司)、液碱(AR，宁夏金煜元化工有限公司)。

1.2 试验过程

将甲基硝基胍(98%)、乙酸(99%)按物质的量比1.0∶3.0 加入1 L 四口烧瓶(底带下料口)中，水浴加热至60～90 ℃，开动搅拌器，直至物料溶清透明，称之为物料1；将多聚甲醛(96%)、水、硫酸(98%)按物质的量比1.0∶2.0∶0.2 加入1 L 四口烧瓶(底带下料口)中，水浴加热至60～90 ℃，开动搅拌器，直至物料溶清透明，称之为物料2；打开微反应器温度控制器，调节温度在60～90 ℃，启动物料1 蠕动泵向微反应器进料，出口物料循环至物料1 四口烧瓶中，待微反应器温度稳定在60～90 ℃时，同时启动物料2 蠕动泵向微反应器进料，物料1 与物料2 的物质的量比1.0∶(2.0～3.5)，在微反应器里停留时间20～35 s，反应生成液体收集在2 L 单口烧瓶(底带下料口)中。取样测甲基硝基胍残留，如合格则连续进料反应，如不合格则调整物料在微反应器里停留时间或温度等参数，直至甲基硝基胍残留合格；不合格的反应生成液体可以重新通过蠕动泵向微反应器进料反应，直至甲基硝基胍残留合格。

2 结果与讨论

2.1 选择性比较

试验中，在微通道反应器和常规反应器各自较优工艺条件下，产物选择性结果见表1。

表1 产物选择性比较

由表1 可知，在微通道反应器中，甲基硝基胍转化率较高，得到产物的选择性有明显提高，且副产物相对较少。分析原因，尺寸被微型化的微通道反应器，强化了传热、传质过程，弱化了反应中副反应的产生，从而提高了目标产物的选择性和收率。

2.2 时空转化率比较

时空转化率(STC)定义为给定反应条件下，反应物在单位体积、单位时间内转化为产物的摩尔数，是衡量反应器装置生产能力的标志之一。试验中，在各自较优工艺条件下，比较微通道反应器与常规反应器中甲基硝基胍转化反应时空转化率(表2)。

表2 时空转化率对比

由表2 可知，微通道反应器中时空转化率相对较高，比常规反应器约高4 个数量级。在扩大产率和生产时，只需分别串联和并行增加微通道反应器的数量，即所谓的“数量放大”。

2.3 反应物物质的量比对产率的影响

甲基硝基胍与多聚甲醛的物料配比直接影响产物噁二嗪的最终收率。甲基硝基胍与多聚甲醛的物质的量比对产率的影响见图2。

图2 物质的量比与产率的关系

从图2 中可看出，甲基硝基胍与多聚甲醛的物质的量比为1∶3.5 时，产率较高。

2.4 反应温度对产率的影响

由图3 可以看出，高温或低温都会对反应造成不同程度上的影响，因此反应产率在80～85 ℃时达到最高。

图3 反应温度对产率的影响

2.5 反应时间对甲基硝基胍残留的影响[3]

由图4 可以看出，反应时间对主原料的残留影响很大，大于25 s 即可得到满意的结果。

图4 反应时间对甲基硝基胍残留的影响

2.6 反应时间对产率的影响

由图4 和图5 看出，主原料的残留与产品产率成正比关系，反应时间25 s 时为最佳。

图5 反应时间对产率的影响

3 结 论

基于间歇式反应的优选条件，采用当前流行的微通道反应器以甲基硝基胍与多聚甲醛为原料制备了3-甲基-4-硝基亚胺基氢化-1,3,5-噁二嗪。与间歇釜式反应相比，反应时间由16 h 降低为反应停留时间25 s，反应收率由79%提高到92%。

本工艺反应条件易于实现，具有工业化生产应用前景。