JPH10509707A - ビス(2,2−ジニトロプロピル)アセタール(bdnpa)の合成 - Google Patents
ビス(2,2−ジニトロプロピル)アセタール(bdnpa)の合成Info
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Abstract
(57)【要約】
ビス(2,2−ジニトロプロピル)アセタール(BDNPA)の無溶媒合成法が開示される。この方法において、2,2−ジニトロプロパノール(DNPOH)がルイス酸触媒又はプロトン酸触媒のような酸触媒の存在下、低温においてアセトアルデヒド源と反応せしめられる。副生成物の形成を抑制するために、反応温度は約−30〜30℃に保たれる。反応が完了したとき、反応溶液は水で冷却され、そして水酸化物の水溶液で洗浄される。その水酸化物の濃度は、冷却工程中に生成する全ての酸を中和し、かつ未反応の2,2−ジニトロプロパノール、更には他の水溶性副生成物を反応溶液に溶解させるのに十分なものであるべきである。生成物のBDNPAはメチル tert−ブチルエーテル(MTBE)又はそのエーテルと同等な溶媒で抽出される。その有機溶媒を蒸発させて使用可能なBDNPA生成物を得る。得られる収率は2,2−ジニトロプロパノールの出発量を基準として少なくとも50%である。
Description
【発明の詳細な説明】
ビス(2,2−ジニトロプロピル)アセタール(BDNPA)の合成
発明の分野
本発明は溶媒媒質を使用しないビス(2,2−ジニトロプロピル)アセタール
(BDNPA)の合成に関する。
発明の背景
ビス(2,2−ジニトロプロピル)アセタール(BDNPA)はプロペラント
(propellant)や爆薬の用途で使用される強力な可塑剤である。BDNPAは、
化学的に類似するものであるが一層強力なビス(2,2−ジニトロプロピル)ホ
ルマール(BDNPF)と組み合わされて50:50重量パーセント混合物とさ
れることが多い。BDNPFは室温で固体であるが、BDNPFとBDNPAと
の混合物は液体である。BDNPA/BDNPFは商品化された製品である。
現在一般に使用されているBDNPAの合成法は塩化メチレン溶媒系を必要と
するものである。しかし、オゾン減少への、及び発癌性の可能性への塩素化溶媒
の潜在的な寄与について環境上の懸念が次第に大きくなって来ている。しかして
、塩素化溶媒を使用しないBDNPAの合成法を提供することは、この技術分野
で意義の大きい進歩であるだろう。
加えて、化学的製造プロセスでの溶媒の使用は溶媒の分離操作や廃物の廃棄操
作の必要を加える。例えば、現在一般に使用されているBDNPAの製造法は塩
化メチレン溶媒と少量の揮発性副生成物である不純物とを除去するために高温(
約125℃)の真空蒸発工程を含んでいると考えられる。このような蒸発は製造
コストを高めるだけでなく、強力な物質を高温に付すことによって安全性に対す
る危険ともなる。
理解されるだろうように、塩素化溶媒を使用する必要がなく、またコストの高
い危険な蒸発操作が避けられるBDNPAの合成法の必要がこの技術分野に存在
する。
本明細書にはこのようなBDNPAの合成法が開示され、かつ特許請求されて
いる。
発明の概要
本発明はビス(2,2−ジニトロプロピル)アセタール(BDNPA)の合成
に向けられている。この方法では、2,2−ジニトロプロパノール(DNPOH
)が酸触媒の存在下で低温においてアセトアルデヒド源と反応せしめられる。そ
の反応を以下に示す:
この合成法において、固体の2,2−ジニトロプロパノールは反応溶液を形成
するためにアセトアルデヒド源と混合される。この反応では、1モルより多いア
セトアルデヒドがDNPOH2モル毎に存在するように、僅かに過剰のアセトア
ルデヒド源を使用するのが好ましい。典型的なアセトアルデヒド源の例にアセト
アルデヒド、パラアルデヒド、メタアルデヒド及びアセタールがある。アセトア
ルデヒド源は、2,2−ジニトロプロパノールとの反応に関与するために反応の
場でアセトアルデヒドを生成する。
次に、酸触媒が反応溶液にゆっくり加えられる。酸触媒はルイス酸触媒及びプ
ロトン酸触媒から選ばれるのが好ましい。その添加中に反応溶液を30℃以下の
温度に保ち、撹拌するのが好ましい。
反応が完了したとき、反応溶液は水で冷却(quench)される。その水は酸触媒
、水溶性の反応体及び水溶性の副生成物を反応溶液から抽出する。生成物のBD
NPAを抽出するために、メチル tert−ブチルエーテル(MTBE)が加
えられる。BDNPAを抽出するために他の低沸騰温度の極性有機溶媒を使用し
てもよいけれども、MTBEは、BDNPA生成物が更に精製しなくても軍事用
途に使用できるように十分に高い純度でBDNPAを抽出できることが見いださ
れた。
反応溶液は次に水酸化物の溶液のような無機塩基の溶液で洗浄される。冷却工
程中に生成する酸を中和し、かつ未反応の2,2−ジニトロプロパノールをニト
ロン酸塩として、更には他の全ての水溶性副生成物を反応溶液に溶解させるのに
十分な水酸化物が使用される。水酸化物による洗浄中にpHは、好ましくは、B
DNPA生成物の加水分解を防ぐために十分低く保たれるべきである。現在の時
点では、pHを14以下、好ましくは11以下に保持するのが好ましい。無機塩
基溶液の暴露時間と濃度は、極性有機溶媒又はBDNPA生成物の加水分解を防
ぐように制限されるのが好ましい。反応溶液は極性有機溶媒添加の前後いずれに
おいても無機塩基溶液で洗浄できることに気づくことが重要である。
その水性相を取り出し、捨てる。その有機相を水で洗浄する。最後に、その有
機溶媒を蒸発させて使用可能なBDNPA生成物を得る。得られる収率は2,2
−ジニトロプロパノールの出発量を基準として少なくとも50%、好ましくは少
なくとも60%である。蒸発は60℃以下の温度及び約150mmHg以下の圧
力で達成されるのが好ましく、50℃以下の温度及び20mmHg以下の圧力が
更に好ましい。バッチ式の模擬自動発火試験では、約105℃において発熱が観
察された。蒸発は、より高い温度では望ましくない発熱反応の可能性があるので
、低温で行うことが大切である。
発明の詳しい説明
本発明はビス(2,2−ジニトロプロピル)アセタール(BDNPA)の合成
法に関する。この方法では、2,2−ジニトロプロパノール(DNPOH)が酸
触媒の存在下で低温においてアセトアルデヒド源と反応せしめられる。
この合成法において、2,2−ジニトロプロパノールは反応溶液を形成するた
めにアセトアルデヒド源と混合される。典型的なアセトアルデヒド源にアセトア
ルデヒド、パラアルデヒド、メタアルデヒド及びアセタールがある。アセトアル
デヒド源は、2,2−ジニトロプロパノールとの反応に関与するために反応の場
でアセトアルデヒドを生成する。その反応は、化学量論的に僅かに過剰のアセト
アルデヒドが存在するように行われるのが好ましい。
次に、酸触媒が反応溶液にゆっくり加えられる。酸触媒はルイス酸触媒及びプ
ロトン酸触媒から選ばれる。典型的なルイス酸触媒の例に、BF3、BF3・エー
テレート、BCl3、BBr3、SnF4、SnCl4、SnBr4、TiCl3、T
iCl4、TiBr3及びTiBr4がある。典型的なプロトン酸触媒の例にH2S
O4、HCl、H3PO4及びHBrがある。酸触媒は結合性試剤としてではなく
、触媒又は脱水剤として反応に関与する。即ち、酸触媒は、最終BDNPA生成
物を形成するために2,2−ジニトロプロパノール又はアセトアルデヒド源とは
結合しない。
酸触媒の添加中、反応溶液を撹拌するのが好ましい。副生成物の形成を抑制す
るために、酸触媒添加中の反応温度は約−30〜30℃とされるのが好ましく、
約−10〜10℃が更に好ましく、約−5〜5℃が最も好ましい。BDNPA生
成物は温度が上昇するにつれて生成されて行くが、望ましくない副生成物もその
量を次第に増して生成せしめられる。この理由から、高温は好ましくない。
反応が完了したとき、反応溶液は水で冷却される。その水は酸触媒、水溶性の
反応体及び水溶性の副生成物を反応溶液から抽出する。
反応溶液は水酸化物の溶液のような無機塩基の溶液で洗浄される。水酸化物の
濃度は冷却工程中に生成する酸を中和し、かつ未反応の2,2−ジニトロプロパ
ノールをニトロン酸塩として、更には他の全ての水溶性副生成物を反応溶液に溶
解させるのに十分なものであるべきである。無機塩基による洗浄中のpHは、好
ましくは、BDNPA生成物の加水分解を防ぐために十分低く保たれる。現在の
時点では、使用される塩基溶液の量とその濃度とを、塩基溶液による初めの洗浄
中はpHが約11以下に保持されるようにバランスさせるのが好ましい。pHは
塩基溶液による2回目の洗浄で1回目より高くてもよいが、14以下に保つのが
好ましい。水酸化物の濃度は1〜25重量%の範囲であることができる。水酸化
物の溶液はNaOH、KOH及びLiOHのようなこの技術分野で公知の多数の
異なる水酸化物塩から調製することができる。5重量%のNaOH溶液が現在の
ところ好ましい。
最後に、BDNPA生成物は塩素を含有しない極性有機溶媒で抽出される。適
した溶媒は、外囲圧力で125℃以下、好ましくは100℃以下、最も好ましく
は約80℃以下の沸騰温度を有するものがよい。有機溶媒はこの方法で使用され
る暴露時間と濃度の条件下で無機塩基と反応しないものが好ましい。メチル t
ert−ブチルエーテル(MTBE)が、生成物のBDNPAが更に精製しなく
ても軍事用途に使用できるように、十分に高い純度でBDNPAを抽出できるこ
とが見いだされた。BDNPA生成物は無機塩基による洗浄の前後いずれにおい
ても極性有機溶媒により反応溶液から抽出することができることに気づくことが
重要である。
その水性相を取り出し、捨てる。その有機相を水で洗浄して残っている全ての
水溶性の副生成物又は反応体を除去する。最後に、その有機溶媒を蒸発して使用
可能なBDNPA生成物を得る。得られる収率は2,2−ジニトロプロパノール
の出発量を基準として少なくとも50%、好ましくは少なくとも60%である。
蒸発は60℃以下の温度及び約150mmHg以下の圧力で達成されるのが好ま
しく、50℃以下の温度及び及び20mmHg以下の圧力が更に好ましい。
本発明で使用される使用可能なBDNPA生成物には、BDNPA/BDNP
Fの50:50混合物が米国軍事規格の密度、屈折率及び酸老化の標準値を満足
する十分な純度を持つBDNPAが含まれる。50:50 BDNPA/BDN
PF混合物についての米国軍事規格は、密度が1.38〜1.40g/cc、屈
折率が1.462〜1.464、そして酸老化試験がKOH−0.5mg/ニト
ロ可塑剤(nitroplasticizer)−gであることを求めている。酸老化試験では、
BDNPAニトロ可塑剤は105℃のオーブン中で7日間老化処理される。老化
処理後、試料をKOHで滴定して酸含有量を求める。結果はKOH−mg/ニト
ロ可塑剤−gとして報告される。
次の実施例は本発明を更に例示説明するために提供されるものである。これら
の実施例は純粋に模範となすべく意図されたものであって、特許請求される態様
に対する限定と見るべきではない。
実施例1
2.00g(13.4ミリモル)の2,2−ジニトロプロパノール(DNPO
H)と0.48g(10.8ミリモル)のアセトアルデヒドとを乾燥窒素でパー
ジされた空の乾燥反応容器中で混合することにより、ビス(2,2−ジニトロプ
ロピル)アセタール(BDNPA)を合成した。即ち、そのDNPOHとアセト
アルデヒドとの反応溶液を0〜5℃まで冷却した。その反応溶液に0.96g(
0.86mL、6.8ミリモル)のBF3・O(Et)2を45分間にわたってゆっ
くり加えた。BF3・O(Et)2の添加中その反応溶液を冷却し、撹拌し、そして
窒素雰囲気下に保持した。その反応を4mLの水で停上(quench)させた。10
mLのMTBE(メチル tert−ブチルエーテル)を加えて生成物のBDN
PAを溶解させた。その水性層をMTBE層から分離した。そのMTBE層を5
重量パーセントNaOH溶液で洗浄してpH11に30分間維持した。その水性
層を再びMTBE層から分離した。そのMTBE層について同量の最初の洗浄で
使用した5重量パーセントNaOH溶液で2回目の洗浄を行い、そしてその水性
層を分離した。そのMTBE層を5mLの水で3回洗浄し、そしてMgSO4を
用いて乾燥させた。そのMTBEを40℃、20mmHg以下で蒸発させると、
後に1.29g(収率59%)のBDNPAが残った。
実施例2
ビス(2,2−ジニトロプロピル)アセタールのスケールアップされた(12
.5ポンド)合成を次のようにして行った。反応容器としてきっちり合うふたを
有する5ガロンのポリプロピレン製バケットを使用した。そのふたに窒素導入管
(ステンレス鋼)、冷却コイル管(ステンレス鋼)、熱電対用管(ステンレス鋼
)及び試剤添加用管(プラスチック)を収容する穴を開けた。その反応容器を適
所に固定し、そして窒素でパージした。その反応容器にDNPOH(8.333
Kg、55.6モル)を入れ、そしてアセトアルデヒドのびんを窒素で加圧し、
そのアセトアルデヒドを試剤添加用管を通して反応容器に給送することによりア
セトアルデヒド(2.000Kg、45.5モル)をその試剤添加用管を通して
加えた。反応容器内には常に窒素ブランケットが維持された。そのDNPOHと
アセトアルデヒドとを撹拌、混合し、そして冷却コイルにより37°F(2.8
℃)に冷却した。BF3・エーテレート(4.00Kg、28.2モル)をアセ
トアルデヒドと同じようにして上記撹拌された溶液に注意深く加えた。110g
のBF3・エーテレートを初めに加えると、発熱がその温度を69°F(20.
6℃)まで上昇させた。その反応溶液を50°F(10℃)まで冷却し、そして
BF3・エーテレート1460gを追加した。この添加中に溶液温度が52°F
(11.1℃)に上昇した。その反応溶液を次に46°F(7.8℃)まで冷却
し、そして残りのBF3・エーテレートを約328mL/分の速度で加えた。
その反応溶液を4ガロンの水が入っているもっと大きた容器に注加することに
より反応を停止させた。その反応溶液を次に7ガロンの5重量パーセントNaO
H溶液で洗浄した。15ガロンのMTBEを加え、その混合物を30分間激しく
撹拌した。その水性層を除去し、次いでその有機層を更に7ガロンの5重量パー
セントNaOH溶液で洗浄し、続いて4.5ガロンの水で3回洗浄した。その有
機層をMgSO4を用いて乾燥した。そのMTBEを40℃、127mmHg以
下で蒸発させると、後に6.0Kg(収率64%)のBDNPAが残った。
実施例3
酸触媒をBF3・O(Et)2に代えて硫酸とすることを除き、実施例1の手順に
よりビス(2,2−ジニトロプロピル)アセタールを合成する。この実施例では
、1mLの濃(96〜98%)硫酸を使用する。
実施例4
アセトアルデヒド源をアセトアルデヒドに代えてアセタールとすることを除き
、実施例1の手順によりビス(2,2−ジニトロプロピル)アセタールを合成す
る。この実施例では、0.83g(7.0ミリモル)のアセタールを使用する。
かくして、2,2−ジニトロプロパノールに対して化学量論的に僅かに過剰のア
セタールが使用される。
実施例5
アセトアルデヒド源をアセトアルデヒドに代えてメタアルデヒドとし、そして
酸触媒をBF3・O(Et)2に代えて硫酸とすることを除き、実施例1の手順によ
りビス(2,2−ジニトロプロピル)アセタールを合成する。この実施例では、
2mLの硫酸を使用する。また、この実施例では、0.48gのメタアルデヒド
を使用する。
実施例6
2,2−ジニトロプロパノールとアセトアルデヒドとを4mLのヘキサンが入
っている反応容器中で混合することを除き、実施例1の手順によりビス(2,2
−ジニトロプロピル)アセタール(BDNPA)を合成する。ヘキサンは反応溶
液とは不混和性で、反応には関与しない。ヘキサンは熱を分散させ、温度コント
ロールを維持する助けとなる。ヘキサンは極性有機溶媒・MTBEの蒸発中に最
終BDNPA生成物から除去される。
実施例7
実施例2の手順により合成したビス(2,2−ジニトロプロピル)アセタール
(BDNPA)を更に精製することなくBDNPFと50:50重量比で混合し
た。このBDNPA/BDNPF混合物を米国軍事規格に従って試験してその純
度を求めた。その混合物の密度は1.38g/ccで、1.38〜1.40g/
ccと言うその軍事規格の範囲内であることが見いだされた。その混合物の屈折
率は1.435と測定され、上記軍事規格の1.462〜1.464の範囲内で
あった。最後に、その混合物を酸老化試験に付すと、KOH−0.5g/BDN
PA−gと言う上記軍事規格の上限より下のKOH−0.36g/BDNPA−
gと言う結果が得られた。
以上の説明から、本発明は塩素化溶媒を使用せず、更なる精製工程が回避され
る、使用可能なBDNPAの合成法を提供するものであることが理解されるだろ
う。
本発明は、その本質的な特徴から逸脱しない限り、他の特定の形態で具体化し
てもよい。以上で説明された態様は、すべての点で、例示としてのみ見なされる
べきもので、限定と考えるべきではない。従って、本発明の範囲は以上の説明で
はなく添付請求の範囲によって示されるものである。特許請求されるこの発明は
次のとおりである:
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.ビス(2,2−ジニトロプロピル)アセタール(BDNPA)の合成法に して、次の: (a)2,2−ジニトロプロパノールを化学量論的に過剰のアセトアルデヒド 源と混合して反応溶液を形成し; (b)該反応溶液に酸触媒を添加し、ここで該酸触媒は触媒又は脱水剤として 上記方法に関与するが、結合性試剤としては関与しないものであり、該反応溶液 は該触媒添加工程中約−30〜30℃の範囲の温度に保たれ、そして該反応溶液 は該添加工程中撹拌され; (c)該反応溶液から可溶性の反応体と副生成物とを除去し易くするために該 反応溶液を水で冷却し: (d)該反応溶液を、該冷却工程中に生成する酸を中和し、かつ未反応の2, 2−ジニトロプロパノールを溶解させるのに十分な水酸化物イオン濃度を有する 水酸化物の水溶液で洗浄し; (e)生成物のBDNPAをメチル tert−ブチルエーテル(MTBE) で抽出し;そして (f)該有機溶媒を蒸発させて更に精製しなくても使用可能なBDNPA生成 物を得、ここで得られる収率は2,2−ジニトロプロパノールの出発量を基準と して少なくとも50%であり、該蒸発工程は60℃以下の温度及び150mmH g以下の圧力で行われる、 工程を含んで成る、上記の合成法。 2.反応溶液を酸触媒の添加中約−10〜10℃の範囲の温度に保つ、請求の 範囲第1項に記載のBDNPAの合成法。 3.反応溶液を酸触媒の添加中約−5〜5℃の範囲の温度に保つ、請求の範囲 第1項に記載のBDNPAの合成法。 4.アセトアルデヒド源をアセトアルデヒド、パラアルデヒド、メタアルデヒ ド及びアセタールから選ぶ、請求の範囲第1項に記載のBDNPAの合成法。 5.水酸化物の水溶液が1〜25重量%の範囲の水酸化物濃度を有する、請求 の範囲第1項に記載のBDNPAの合成法。 6.水酸化物の水溶液をNaOH、KOH及びLiOHから選ばれる水酸化物 塩から調製する、請求の範囲第1項に記載のBDNPAの合成法。 7.酸触媒がBF3、BF3・エーテレート、BCl3、BBr3、SnF4、S nCl4、SnBr4、TiCl3、TiCl4、TiBr3及びTiBr4から選ば れるルイス酸触媒である、請求の範囲第1項に記載のBDNPAの合成法。 8.酸触媒がH2SO4、HCl、H3PO4及びHBrから選ばれるプロトン酸 触媒である、請求の範囲第1項に記載のBDNPAの合成法。 9.蒸発工程を50℃以下の温度及び20mmHg以下の圧力で行う、請求の 範囲第1項に記載のBDNPAの合成法。 10.2,2−ジニトロプロパノールとアセトアルデヒド源との反応溶液を塩 素を含んでいない不混和性の有機溶媒と更に混合する、請求の範囲第1項に記載 のBDNPAの合成法。 11.洗浄工程を抽出工程の前に行う、請求の範囲第1項に記載のBDNPA の合成法。 12.洗浄工程を抽出工程の後に行う、請求の範囲第1項に記載のBDNPA の合成法。 13.ビス(2,2−ジニトロプロピル)アセタール(BDNPA)の合成法 にして、次の: (a)2,2−ジニトロプロパノールをアセトアルデヒド源と混合して反応溶 液を形成し、ここで該アセトアルデヒド源はアセトアルデヒド、パラアルデヒド 、メタアルデヒド及びアセタールから選ばれ、化学量論的に過剰のアセトアルデ ヒド源が2,2−ジニトロプロパノールと混合され、そして該反応溶液は該2, 2−ジニトロプロパノールとアセトアルデヒド源との混合物より本質的に成り; (b)該反応溶液に酸触媒を添加し、ここで該酸触媒は触媒又は脱水剤として 上記方法に関与するが、結合性試剤としては関与しないものであり、該反応溶液 は該触媒添加工程中約−30〜30℃の範囲の温度に保たれ、そして該反応溶液 は該添加工程中撹拌され; (c)可溶性の反応体及び副生成物を該反応溶液から除去し易くするために該 反応溶液を水で冷却し; (d)該反応溶液をNaOH、KOH及びLiOHから選ばれる水酸化物塩か ら調製した水酸化物の水溶液で洗浄し、ここで該水酸化物の水溶液は1〜25重 量%の範囲の水酸化物濃度を有し、該冷却工程中に生成する酸を全て中和し、か つ未反応の2,2−ジニトロプロパノール及び他の水溶性の副生成物を該反応溶 液に溶解させるために十分な量の該水酸化物溶液が該反応溶液に加えられ; (e)生成物のBDNPAをメチル tert−ブチルエーテル(MTBE) で抽出し; (f)該BDNPA生成物を純水で洗浄して残っている全ての可溶性の反応体 及び副生成物を除去し;そして (g)該有機溶媒を蒸発させて更に精製しなくても使用可能なBDNPA生成 物を得、ここで得られる収率は2,2−ジニトロプロパノールの出発量を基準と して少なくとも60%であり、該蒸発工程は60℃以下の温度及び150mmH g以下の圧力で行われる、 工程を含んで成る、上記の合成法。 14.反応溶液を酸触媒の添加中約−10〜10℃の範囲の温度に保つ、請求 の範囲第13項に記載のBDNPAの合成法。 15.反応溶液を酸触媒の添加中約−5〜5℃の範囲の温度に保つ、請求の範 囲第13項に記載のBDNPAの合成法。 16.酸触媒がBF3、BF3・エーテレート、BCl3、BBr3、SnF4、 SnCl4、SnBr4、TiCl3、TiCl4、TiBr3及びTiBr4から選 ばれるルイス酸触媒である請求の範囲第13項に記載のBDNPAの合成法。 17.酸触媒がH2SO4、HCl、H3PO4及びHBrから選ばれるプロトン 酸触媒である、請求の範囲第13項に記載のBDNPAの合成法。 18.2,2−ジニトロプロパノールとアセトアルデヒド源との反応溶液を塩 素を含んでいない不混和性の有機溶媒と更に混合する、請求の範囲第13項に記 載のBDNPAの合成法。 19.洗浄工程を抽出工程の前に行う、請求の範囲第13項に記載のBDNP Aの合成法。 20.洗浄工程を抽出工程の後に行う、請求の範囲第13項に記載のBDNP Aの合成法。
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