CC BY
128
УДК 544-72
Н. В. Стародубова, Р. З. Гильманов, В. А. Катаев, С. Э. Межерицкий, В. В. Макаров, Д. А. Мараханова
ИССЛЕДОВАНИЯ РЕАКЦИИ КОНДЕНСАЦИИ КАРБАМИДА И ГИДРАЗИНА
Ключевые слова: гидразин-гидрат, карбамид, конденсация, макрокинетические исследования, семикарбазид гидрохлорид.
Проведены макрокинетические исследования конденсации гидразина и карбамида с целью совершенствования процесса получения семикарбазида. В ходе исследований определены оптимальные параметры проведения процесса: мольное соотношение реагентов, температура реакции, температура отгонки растворителя. Разработан метод получения раствора семикарбазида гидрохлорида, пригодного для получения 1,2,4-триазолона-3 -промежуточного продукта в синтезе малочувствительного мощного взрывчатого вещества 5-нитро-1,2,4-триазолона-3.
Key words: hydrazine hydrate, urea, condensation, macrokinetic research semicarbazide hydrochloride.
Conducted research macrokinetic condensation of hydrazine and urea to improve the process of obtaining semicarbazide. The studies determined optimum parameters of the process: the molar ratio of the reactants, the reaction temperature, distilling off the solvent temperature. A method ofpreparing semicarbazide hydrochloride solution also developed suitable for 1,2,4-triazolone-3 - an intermediate in the synthesis of insensitive explosive powerful 5-nitro-1,2,4-triazolone-3.
Семикарбазид - однокислотное основание, сильнее мочевины, но слабей гидразина, с кислотами образует соли. Нестабилен, при длительном хранении окисляется кислородом воздуха и разлагается; соли семикарбазида при хранении стабильны, поэтому в практике используют гидрохлорид семикарбазида [1, 2].
Семикарбазид (СК) в промышленном масштабе производят конденсацией гидразин-гидрата и карбамида (мочевины) [3] по реакции:
nh2
осш2 + hÎn-nhJ'hÎo
ocrn2 2 +
nh3
При этом часть продукта вступает в побочную реакцию с образованием бисмочевины:
nh2
"•nh,
+ fcc
nh-nh2 "nh2
h h
oc-n-n-c=o +
Nh2 Nh2
nh3
СК используют в аналитической и препаративной химии для идентификации и выделения в чистом виде альдегидов и кетонов, в промышленности
- для производства лекарственных препаратов: се-микарбазида 5-нитрофурфурола (фурацилин) - антисептика и тиосемикарбазида п-ацетамидобенз-альдегида (тибон) - противотубер-кулезного средства. За рубежом семикарбазид гидрохлорид также используют в качестве сырья для получения малочувствительного взрывчатого вещества (МЧВВ) - 5-нитро-1,2,4-триазолона-3 (нитротриазолон, НТО) [4].
В РФ производство семикарбазида было прекращено в 90-е годы прошлого столетия. В настоящее время в РФ возобновляется производство медпрепа-ратов, в частности фурацилина и фуразонала, которые остаются востребованы в медицине, как антибактериальные средства. В связи с этим совершенствование устаревшего производства СК в РФ является актуальной задачей.
Для проведения исследований использовали:
- гидразин-гидрат (ГГ) по ГОСТ 19503-88;
- карбамид - по ГОСТ 2081-2010 марка А;
- соляную кислоту - по ГОСТ 857-95.
Контроль за прохождением реакции проводили методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) на хроматографе LC-20 Promimence фирмы SHIMADZU с использованием хроматогра-фической колонки Lune C 18(2).
Исследования конденсации мочевины и гидразина проводили по следующей методике.
В реактор емкостью 0.25 л заливали расчетное количество гидразин-гидрата (49 мл - 1 моль, 53 мл
- 1.1 моль, 59 мл - 1.2 моль) и при перемешивании и фактической температуре загружали 60 г мочевины. Реакционную массу в колбе нагревали до заданной температуры (80-85°С, 102-104°С, 112-115°С) и выдерживали при данной температуре, периодически отбирая пробы на содержание гидразина и се-мирарбазида методом ВЭЖХ.
Полученный водный раствор семикарбазида использовали для синтеза 1,2,4-триазолона-3 или же для получения семикарбазида гидрохлорида в чистом виде.
Семикарбазид гидрохлорид получали следующим образом.
В реактор емкостью 0.5 л заливали 53 мл (1.1 моль) гидразин-гидрата и при перемешивании и фактической температуре загружали 60 г (1 моль) карбамида. Реакционную массу в реакторе нагревали до температуры 102^104°С и выдерживали при данной температуре в течение 4^5 часов. Затем из реакционной массы отгоняли избыток гидразин-гидрата, упаривали под вакуумом воду досуха при температуре 75^80°С и в реактор приливали 200 мл метилового спирта при температуре около 65°С. При температуре 63^65°С содержимому реактора давали выдержку в течение 45 мин и после охлаждения дозировали 87 мл метилового спирта, насыщенного хлористым водородом, так, чтобы температура в реакторе не превышала 10^15°С. По окончании дозировки суспензию охлаждали до температуры 0^5°С и отфильтровывали продукт. Полученный семикарбазид гидрохлорид промывали метиловым
спиртом и сушили при температуре 80-85°С. Выход продукта составил 75-77% (в расчете на мочевину). Раствор семирабазида гидрохлорида получали следующим образом.
В реактор емкостью 0.5 л заливали 53 мл (1.1 моль) гидразин-гидрата и при перемешивании и фактической температуре загружали 60 г (1 моль) карбамида. Реакционную массу в реакторе нагревали до температуры 102-104°С и выдерживали при данной температуре в течение 4-5 часов. Затем из реакционной массы отгоняли избыток гидразин-гидрата, охлаждали до температуры 5-10°С и после охлаждения дозировали 84 мл соляной кислоты так, чтобы температура не превышала 15-20°С. Полученный раствор семирабазида гидрохлорида использовали для синтеза 1,2,4-триазолона-3. Результаты исследований сведены в таблицы 1 и 2, макрокинетиче-ские зависимости отражены на рис. 1 и 2.
Таблица 1 - Данные по исследованию зависимости образования семикарбазида от температуры реакции
Таблица 2 - Данные по исследованию зависимости образования семикарбазида от мольного соотношения компонентов
Т, °С Время реакции, ч Концентрация СК, г в 0.04 мл реакционной массы Выход СК
г %
0.25 0.00017 0.39 0.52
0.5 0.00024 0.53 0.71
1 0.00066 1.48 1.97
2 0.0014 3.12 4.16
3 0.0021 4.65 6.20
4 0.0027 6.01 8.01
8085 5 0.0031 7.03 9.37
6 0.0035 7.98 10.64
7 0.0040 9.06 12.08
9 0.0052 11.80 15.73
10 0.0058 12.95 17.27
11 0.0065 14.63 19.51
12 0.0072 16.20 21.60
13 0.0079 17.91 23.88
14 0.0087 19.64 26.19
0.25 0.0022 5.04 6.72
0.5 0.0040 9.03 12.04
1 0.0089 20.23 26.97
102- 2 0.0191 42.97 57.29
104 3 0.0268 60.31 80.41
4 0.0289 65.21 86.95
5 0.0283 63.80 85.10
6 0.0262 58.89 70.52
0.25 0.0011 2.36 3.15
0.5 0.0021 4.79 6.39
1 0.0046 10.23 13.64
2 0.0098 22.18 29.57
112115 3 0.0153 34.36 45.81
4 0.0196 44.04 58.72
5 0.0213 47.95 63.93
6 0.0221 49.76 66.35
7 0.0219 49.28 65.71
9 0.0206 46.32 61.76
10 0.0193 43.49 57.98
Соотнош. гидразин- Время реакции, ч Концентрация СК, г в 0.04 мл Выход СК
гидрат : реакционной г %
мочевина массы
0.25 0.0023 5.05 6.73
0.5 0.0044 9.83 13.11
1 0.0088 19.83 26.44
2 0.0169 38.06 50.72
3 0.0212 47.70 63.6
1 : 1 4 0.0245 55.05 73.40
5 0.0263 59.27 79.03
6 0.0266 59.96 79.95
7 0.0264 59.48 79.31
8 0.0255 57.38 76.51
9 0.0241 54.19 72.25
0.25 0.0030 6.76 9.01
0.5 0.0050 11.28 15.04
1 0.0103 23.23 30.97
2 0.0191 42.92 57.23
3 0.0264 59.30 79.07
1.1 : 1 4 0.0289 65.21 86.95
5 0.0295 66.30 88.40
6 0.0291 65.39 87.19
7 0.0284 63.93 85.24
8 0.0273 61.55 82.07
9 0.0259 58.49 77.98
0.25 0.0038 8.64 11.52
0.5 0.0064 14.47 19.29
1 0.0117 26.31 35.08
2 0.0208 46.69 62.25
3 0.0269 60.67 80.89
1.2 : 1 4 0.0285 63.82 85.09
5 0.0284 63.97 85.29
6 0.0283 63.72 84.96
7 0.0279 62.88 83.84
8 0.0266 59.96 79.95
9 0.0248 55.87 74.49
Рис. 1 - Макрокинетические зависимости образования семикарбазида от температуры реакции
Из рисунка 1 видно, что при температуре 80-85°С реакция не проходит до конца даже за 15 часов выдержки. При повышении температуры реакции до 102-104 °С максимальный выход семи-
карбазида достигается через 4 часа и составляет 65.2 г (~ 87%, считая на мочевину). А повышение температуры до 112^115°С приводит к значительному снижению выхода продукта примерно на 20% за счет увеличения скорости побочной реакции образования бисмочевины и гидролиза СК.
Время, ч
• Гидр азин гидрат. мочевин а=1:1 ■ Гидр азин гидр ат: мочевин а=1,1:1 Гидразин гидрат мочевина=1,2:1
Рис. 2 - Макрокинетические зависимости образования семикарбазида от мольного соотношения гидразин-гидрата и мочевины
Исследования зависимости образования семи-карбазида от мольного соотношения гидразин-гидрата и мочевины проводили при определенной оптимальной температуре 102^104°С. Как видно из рис. 2 при мольном соотношении гидразин-гидрата и мочевины равном 1 : 1 максимальный выход се-микарбазида достигается через 6 часов и составляет около 60.0 г (~ 80 %, считая на мочевину), при соотношении гидразин-гидрата и мочевины 1.1 : 1 - через 5 часов и составляет 66.3 г (88,4 %) и при соотношении 1.2 : 1 - через 4 часа и составляет ~ 64 г (85,3 %). Дальнейшая выдержка реакционной массы
приводит к снижению выхода семикарбазида за счет побочных реакций.
Таким образом, экспериментально определено, что оптимальным мольным соотношением гидразин-гидрат : мочевина является 1. 1 моль гидразина на 1.0 моль мочевины. Уменьшение количества гидразин-гидрата приводит к снижению скорости реакции и выхода продукта, а увеличение, помимо дополнительного расхода дорогостоящего гидразин-гидрата, - снижает выход продукта примерно на 3 % за счет образования побочного продукта.
Заключение
1. Проведены исследования реакции получения семикарбазида:
1.1. Экспериментально определено, что наиболее благоприятными условиями для конденсации мочевины и гидразина являются: соотношение компонентов гидразингидрат : мочевина равное 1.1 : 1, температура реакции 102^104°С и время реакции 4^5 часов,
1.2. Выход выделенного продукта в виде солянокислой соли составляет около 76% при содержании основного вещества 97^98%.
2. Разработан метод получения раствора семикар-базида гидрохлорида, пригодного для получения 1,2,4-триазолона-3.
Литература
1. Зефиров Н. С., Кулов Н. Н. Химическая энциклопедия в 5-ти томах, т. 4. Изд. «Большая Российская энциклопедия», 1995. - С. 315-316.
2. Одрит Л., Огг Б. Химия гидразина. Пер. с англ. - М.: ИИЛ, 1954. - 238 с.
3. Губен - Вейль. Методы органической химии. - М.: Химия. - 1967. - 1017 с.
4. Гаттерман Д., Виланд Г. Практические работы по органической химии. Госхимиздат, 1966. - С. 176.
© Н. В. Стародубова - инженер АО «ГНИИ «Кристалл»; Р. З. Гильманов - д-р хим. наук, профессор каф. химии и технологии органических соединении азота КНИТУ, r-z-gilmanov@rambler.ru; В. А. Катаев - канд. хим. наук, нач. отдела синтеза АО «Государственного научно-исследовательского института «Кристалл»; С. Э. Межерицкий - канд. техн. наук, ген. дир. АО «Государственного научно-исследовательского института «Кристалл»; В. В. Макаров - старший науч. сотр. АО «Государственного научно-исследовательского института «Кристалл»; Д. А. Мараханова - инженер 2 кат. АО «ГНИИ «Кристалл».
© N. V. Starodubova, Engineer of SC "State Scientific Research Institute "Kristall"; R. Z. Gilmanov, Professor of Chemistry and Technology of Organic Nitrogen Compounds, KNRTU, r-z-gilmanov@rambler.ru; V. A. Kashaev, Ph.D., Head of department of synthesis of SC "State Scientific Research Institute "Kristall"; S. E. Mezheritsky, Ph.D., General director of SC "State Scientific Research Institute "Kristall"; V. V. Makarov, Senior Researcher of SC "State Scientific Research Institute "Kristall"; D. A. Marakhanova, Engineer of SC "State Scientific Research Institute "Kristall".
