JPH10509450A - ビス（２，２−ジニトロプロピル）ホルマール（ｂｄｎｐｆ）の合成 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ビス（２，２−ジニトロプロピル）ホルマール（ＢＤＮＰＦ）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Ｈ₂ＳＯ₄、ＨＣｌ、Ｈ₃ＰＯ₄及びＨＢｒのようなプロトン酸触媒の存在下、低温においてホルム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、そして水酸化物イオン水溶液で洗浄される。その水酸化物のイオン濃度は、冷却工程中にそのプロトン酸触媒を中和し、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ＢＤＮＰＦ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のような低沸騰温度の極性有機溶媒で抽出される。その有機溶媒を蒸発させて使用可能なＢＤＮＰＦ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６０％である。

Description

【発明の詳細な説明】 ビス（２，２−ジニトロプロピル）ホルマール（ＢＤＮＰＦ）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）ホルマール （ＢＤＮＰＦ）の合成に関する。 発明の背景 ビス（２，２−ジニトロプロピル）ホルマール（ＢＤＮＰＦ）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。ＢＤＮＰＦは室 温で固体であるので、ＢＤＮＰＦは、通常、液体のビス（２，２−ジニトロプロ ピル）アセタール（ＢＤＮＰＡ）と組み合わされて５０：５０重量パーセント混 合物とされる。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ＢＤＮＰＦ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ＢＤＮＰＦ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ＢＤＮＰＦ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ＢＤＮＰＦ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ＢＤＮＰＦ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）ホルマール（ＢＤＮＰＦ）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Ｈ₂ＳＯ₄のようなプロトン酸触媒の存在下で低温においてホルムアルデヒド 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 するためにホルムアルデヒド源と混合される。この反応では、１モルより多いホ ルムアルデヒドがＤＮＰＯＨ２モル毎に存在するように、化学量論的に僅かに過 剰のホルムアルデヒド源を使用するのが好ましい。典型的なホルムアルデヒド源 の例にｓ−トリオキサン及びパラホルムアルデヒドがある。ホルムアルデヒド源 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ホルム アルデヒドを生成する。 次に、プロトン酸触媒が反応溶液にゆっくり加えられる。プロトン酸触媒はＨ₂ ＳＯ₄、ＨＣｌ、Ｈ₃ＰＯ₄及びＨＢｒのような無機酸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。その水はプロト ン酸触媒、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。十分な水酸化 物が、プロトン酸触媒を中和し、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 ために使用される。水酸化物による洗浄中にｐＨはＢＤＮＰＦ生成物の加水分解 を防ぐために十分低く保たれるのが好ましい。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。 生成物のＢＤＮＰＦを抽出するために塩素を含有しない低沸騰温度の極性有機 溶媒が加えられる。メチル ｔｅｒｔ−ブチルエーテル（ＭＴＢＥ）が現在のと ころ好ましい極性有機溶媒である。ＢＤＮＰＦ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、ＢＤＮＰＦ生成物が再 結晶化又は高温真空蒸留のような更なる精製なしで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。無機塩基溶液 の暴露時間と濃度は、極性有機溶媒の加水分解を防ぐように制限されるのが好ま しい。 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ＢＤＮＰＦ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６０％、好ましくは少 なくとも７０％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。 発明の詳しい説明 本発明はビス（２，２−ジニトロプロピル）ホルマール（ＢＤＮＰＦ）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）がプ ロトン酸触媒の存在下で低温においてホルム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 めにホルムアルデヒド源と混合される。典型的なホルムアルデヒド源にｓ−トリ オキサン及びパラホルムアルデヒドがある。ホルムアルデヒド源は、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ホルムアルデヒドを生 成する。その反応は、ホルムアルデヒド源により化学量論的に僅かに過剰のホル ムアルデヒドが生成されるように、即ち１モルより多いホルムアルデヒドが２， ２−ジニトロプロパノール２モル毎に存在するように行われるのが好ましい。 次に、プロトン酸触媒が反応溶液にゆっくり加えられる。プロトン酸触媒はＨ₂ ＳＯ₄、ＨＣｌ、Ｈ₃ＰＯ₄及びＨＢｒから選ばれるのが好ましい。プロトン酸触 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、 この酸触媒は、最終ＢＤＮＰＦ生成物を形成するために２，２−ジニトロプロパ ノール又はホルムアルデヒド源とは結合しない。 プロトン酸触媒の添加中、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、プロトン酸触媒添加中反応温度は約−３０〜３０℃とされる のが好ましく、約−１０〜１０℃が更に好ましく、約０〜５℃が最も好ましい。 ＢＤＮＰＦ生成物は温度が上昇するにつれてより高温で生成されるが、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。更に、ＢＤＮＰＦ生成 物のプロトン酸触媒による加水分解を抑制するには、低温の方が好ましい。 反応が完了したとき、反応溶液は水で冷却される。その水はプロトン酸触媒、 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、プロトン酸触媒を中和し、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、ｐＨは、好ましく は、ＢＤＮＰＦ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ｐ Ｈ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、ＢＤＮＰＦ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。 その水性相を取り出し、捨てる。その有機相を純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ＢＤＮＰＦ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６０％、好ましくは少なくとも７０％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ＢＤＮＰＦ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ＢＤＮＰＦ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、 ＢＤＮＰＦ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 ３．９５ｇ（２６．３ミリモル）の２，２−ジニトロプロパノール（ＤＮＰＯ Ｈ）と０．４４ｇ（１４．６ミリモル）のｓ−トリオキサン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）ホルマール（ＢＤＮＰＦ）を合成した。即ち、そのＤＮＰＯＨとｓ−ト リオキサンとの反応溶液を−８℃まで冷却した。その反応溶液にその温度を５℃ 以下に保ちながら２ｍＬのＨ₂ＳＯ₄をゆっくり加えた。その添加中その反応溶液 を撹拌し、そして窒素雰囲気下に保持した。Ｈ₂ＳＯ₄の添加後、その混合物は液 体から固体になった。その生成物のＮＭＲ分析は、ＤＮＰＯＨが２３モル％、ジ ホルマールが４．６モル％、ＢＤＮＰＦが７２モル％であることを示した。 その混合物を室温まで加温した。それにより固体と液体物質とのスラリーがも たれされた。２．９ｇのＮａＯＨ、即ち上記Ｈ₂ＳＯ₄を中和するのに十分な水酸 化物を８０ｍＬの水に溶解することによりＮａＯＨ溶液を調製した。上記の反応 生成物とＮａＯＨ溶液とを０℃まで冷却し、そしてそのＮａＯＨ溶液をその反応 生成物に加えた。 その固体のＢＤＮＰＦを３×３０ｍＬのＭＴＢＥ（メチル ｔｅｒｔ−ブチル エーテル）で抽出した。そのＭＴＢＥ溶液を合わせ、３×１０ｍＬの５重量％Ｎ ａＯＨ溶液で洗浄し、続いて３×１０ｍＬのＨ₂Ｏで洗浄した。その水性層を捨 て、その有機相をＭｇＳＯ₄を用いて乾燥させた。そのＭＴＢＥを２０℃、２０ ｍｍＨｇ以下で蒸発させると、後に３．１１ｇ（収率７６％）の使用可能なＢＤ ＮＰＦが残った。 実施例２ プロトン酸触媒をＨ₂ＳＯ₄に代えてＨＣｌ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）ホルマールを合成する。この実施例で は、２ｍＬの濃塩酸を使用する。 実施例３ パラホルムアルデヒド（１４．６ミリ当量）をｓ−トリオキサンに代えてホル ムアルデヒド源として使用することを除き、実施例１の手順によりビス（２，２ −ジニトロプロピル）ホルマールを合成する。 実施例４ ２，２−ジニトロプロパノールとｓ−トリオキサンとを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）ホルマール（ＢＤＮＰＦ）を合成する。ヘキサンは固体の ＢＤＮＰＦ生成物を溶解させる助けとなるが、反応には関与しない。ヘキサンは 、また、熱を分散させ、温度コントロールを維持する助けともなる。ヘキサンは 極性有機溶媒であるＭＴＢＥの蒸発中に最終ＢＤＮＰＦ生成物から除去される。 実施例５ 実施例１のスケールアップした手順により合成したビス（２，２−ジニトロプ ロピル）ホルマール（ＢＤＮＰＦ）を更に精製することなくＢＤＮＰＡ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、上記米国軍事規格の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、ＫＯ Ｈ−０．５ｇ／ＢＤＮＰＡ−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、コストの掛かる危険な蒸留 操作が避けられるＢＤＮＰＦ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)

1. 【特許請求の範囲】 １．ビス（２，２−ジニトロプロピル）ホルマール（ＢＤＮＰＦ）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ホルムアルデヒド 源と混合して反応溶液を形成し； （ｂ）該反応溶液にプロトン酸触媒を添加し、ここで該プロトン酸触媒は触媒 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）該反応溶液を、該プロトン酸触媒を中和し、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； （ｄ）生成物のＢＤＮＰＦをメチル ｔｅｒｔ−ブチルエーテル（ＭＴＢＥ） で抽出し；そして （ｅ）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ＢＤＮＰＦ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。 ２．反応溶液をプロトン酸触媒の添加中約−１０〜１０℃の範囲の温度に保つ 、請求の範囲第１項に記載のＢＤＮＰＦの合成法。 ３．反応溶液をプロトン酸触媒の添加中約−５〜５℃の範囲の温度に保つ、請 求の範囲第１項に記載のＢＤＮＰＦの合成法。 ４．ホルムアルデヒド源をｓ−トリオキサン及びパラホルムアルデヒドから選 ぶ、請求の範囲第１項に記載のＢＤＮＰＦ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ＢＤＮＰＦ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ＢＤＮＰＦの合成法。 ７．プロトン酸触媒をＨ₂ＳＯ₄、ＨＣｌ、Ｈ₃ＰＯ₄及びＨＢｒから選ぶ、請求 の範囲第１項に記載のＢＤＮＰＦの合成法。 ８．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ＢＤＮＰＦの合成法。 ９．２，２−ジニトロプロパノールとホルム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 ＢＤＮＰＦの合成法。 １０．ＢＤＮＰＦ生成物の収率が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７０％である、請求の範囲第１項に記載のＢＤＮＰＦの合成 法。 １１．ビス（２，２−ジニトロプロピル）ホルマール（ＢＤＮＰＦ）の合成法 にして、次の： （ａ）２，２−ジニトロプロパノールをホルムアルデヒド源と混合して反応溶 液を形成し、ここで該ホルムアルデヒド源はｓ−トリオキサン及びパラホルムア ルデヒドから選ばれ、化学量論的に過剰のホルムアルデヒド源が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 ルとホルム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Ｈ₂ＳＯ₄、ＨＣｌ、Ｈ₃ＰＯ₄及びＨＢｒから選ばれるプロ トン酸触媒を添加し、ここで該プロトン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触媒 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、該プロトン酸触媒を中和し、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ＢＤＮＰＦをメチル ｔｅｒｔ−ブチルエーテル（ＭＴＢＥ） で抽出し； （ｆ）該ＢＤＮＰＦ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ＢＤＮＰＦ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。 １２．反応溶液をプロトン酸触媒の添加中約−１０〜１０℃の範囲の温度に保 つ、請求の範囲第１１項に記載のＢＤＮＰＦの合成法。 １３．反応溶液をプロトン酸触媒の添加中約−５〜５℃の範囲の温度に保つ、 請求の範囲第１１項に記載のＢＤＮＰＦの合成法。 １４．２，２−ジニトロプロパノールとホルム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１１項に記 載のＢＤＮＰＡの合成法。 １５．ＢＤＮＰＦ生成物の収率が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７０％である、請求の範囲第１１項に記載のＢＤＮＰＦの合 成法。