重氮乙酸乙酯合成工艺过程热风险性研究
时间：2023-06-14 09:25:23 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
任彦浩，叶启亮，马莹莹，袁佩青
(1.华东理工大学 化工学院，上海 200237；
2.上海索尔维投资有限公司热安全实验室，上海 201100)
重氮化合物暴露在阳光下会形成卡宾中间体，并能与底物发生偶联反应[1-6]。在温和的条件下,能与过渡金属盐发生插入反应、环丙烷化、叶立德重排等卡宾经典反应[7]。在酸催化作用下,与醛生成的β-酮酸乙酯是多种原料药的中间体[8-10]。这些反应在化工制药及染料行业中有着重要作用[11-12]。
重氮乙酸乙酯危险性非常大，在受热情况下放出大量的热量,并产生有毒气体，国内对重氮化合成工艺的热安全性研究鲜有报道。本研究通过对工艺合成和物质热分解过程进行定量分析，确定最终安全等级[13],为重氮乙酸乙酯合成反应安全生产提供科学依据，也为其它重氮化反应的热风险研究提供一些方法和经验[14]。
1.1 试剂与仪器
甘氨酸乙酯盐酸盐、亚硝酸钠、醋酸钠、甲苯、浓盐酸均为分析纯；
离子水。
DSC214差示扫描量热仪；
ARC254加速绝热扫描量热仪；
RC1反应量热仪；
Avance III 600MHz核磁共振仪。
1.2 重氮乙酸乙酯工艺合成测试方案
将67 g甘氨酸乙酯盐酸盐，13 g醋酸钠，75 g水，388 g甲苯投入反应量热釜中，采用边反应边萃取的反应模式，其中甲苯充当溶剂，用于萃取产物重氮乙酸乙酯，开启控温装置，并将Tr控制在10 ℃，开启搅拌装置并设置转速为300 r/min。第1次对原料液校准，过程温度控制在10 ℃，当温度稳定时，开始进料，用加料泵以1.06 g/min的加料速率向反应釜中加入95 g亚硝酸钠溶液(亚硝酸钠∶水=1∶1.5)进行重氮化反应，当Tr降至起始温度后，停止反应，此时对反应液进行第2次校准，整个过程体系温度变化以及放热情况由综合控制箱监控记录。
1.3 重氮乙酸乙酯热稳定性探究测试方案
取3.519 mg RC1合成产物，放入差示扫描量热仪，设置加热速率5 K/min，测试20～300 ℃区间样品放热情况。
取3.172 8 g RC1合成产物，放入绝热扫描量热仪样品池中，温度范围为30～300 ℃，加热速率为2 K/min， 观察其放热情况。
1.4 分析方法
核磁共振氢谱(1H NMR)定量测定参数：室温下进行表征，谱宽2～14，脉冲角度设置为45°，脉冲延迟时间及采样时间分别为45 s和3 s，扫描次数设置为16次。当分析混合物时，用内标法按公式(1)进行定量：
(1)
式中，MX和MY分别代表了待测物及内标物的分子量，m代表了所配制混合样品的质量，mY和PY分别是内标物的质量和纯度，NX/NY和IX/IY分别代表待测物目标峰对应质子数之比及峰面积之比。
2.1 重氮乙酸乙酯工艺合成过程量热分析
对重氮乙酸乙酯合成工艺进行反应量热法分析[15]。本实验中反应容器采用1 L容量的玻璃反应釜，采用RD10控制器、铂电阻温度计、校准加热器和浆式搅拌桨。反应量热仪数据见表1。
反应具体过程见图1。
表1 RC1测试数据结果Table 1 RC1 test results
图1 反应过程数据变化曲线Fig.1 Change curve of reaction process data
由图1可知，体系温度Tr略有上升，这是因为开始加料后，反应非常迅速，放出了大量热量，以至于油浴的冷却能力来不及立即响应，随着油浴温度降低后，移热能力提高，体系温度开始降低，即Tr曲线缓慢下降，当加料结束后，Tr、Tj曲线逐渐趋于平稳，反应体系温度降至工艺温度。从放热速率曲线可以看出，放热速率在加料的瞬间立即增大，很快就达到了峰值，随后缓慢下降，趋近规律性平稳。反应结束后对粗产品进行分液，收集油相之后进行核磁氢谱分析，见图2。
图2 RC1合成产物NMR谱图Fig.2 NMR spectrum of RC1 synthetic product
由图2可知，δH=0.25±0.05处表示产物重氮乙酸乙酯中甲基的质子峰；
δH=3.15±0.05处表示重氮乙酸乙酯中与甲基相连次甲基的质子峰；
δH=1.5±0.05表示内标物二甲基亚砜的质子峰；
δH=1.32±0.05、6.25±0.05分别表示甲苯上甲基以及苯环上的质子峰。重氮乙酸乙酯的共振峰呈现了良好的线性和分辨率，选取δH=0.25±0.05处的共振峰作为定量特征峰。
图1中给出的放热速率曲线对反应时间积分的数值代表了该合成反应的放热量，从开始加料直至反应达到规律性平稳的整个过程放热量约为76.75 kJ。
实验理论生成重氮乙酸乙酯物质的量为0.48 mol，合成反应产率为92%，因此该反应的焓值为173.8 kJ/mol。
最高合成温度MTSR的大小通常与反应物的积累度有关，当反应失去控制后，未参加反应的反应物在反应器中的积累度越大， MTSR的值就越大[16-18]。
由反应量热实验可以得到如下热力学数据：在加料过程中，工艺温度为10 ℃，最大热累积导致的绝热温升ΔTad,t=31.5 ℃，带入公式MTSR=Tp+ΔTad,t，因此得到反应失去控制后能达到的最高合成温度MTSR=41.5 ℃。
开放体系通常以体系的沸点作为技术原因的最高温度；
封闭体系通常将体系允许的最大压力所对应温度作为技术原因最高温度。在工艺合成过程中，由于该反应是在常压、开放环境下进行，因此可以得到体系技术原因最高温度MTT为110 ℃。
2.2 重氮乙酸乙酯热稳定性分析
2.2.1 差示扫描量热分析 取3.519 mg 的RC1合成产物放入差示扫描量热仪镀金坩埚中进行热稳定性分析，观察其压力、温度变化情况，分析物质是否分解,结果见图3。
图3 重氮乙酸乙酯DSC实验谱图Fig.3 DSC experimental spectrum of ethyl diazoacetate
由图3可知，在30～300 ℃的测试范围内，重氮乙酸乙酯在90 ℃开始出现吸热峰，持续到150 ℃左右放热结束，放热过程中峰值温度达到124.2 ℃，放热量为269.2 J/g，需要进行加速绝热量热分析。
2.2.2 绝热量热分析 取3.172 8 g RC1合成产物，利用加速扫描量热仪ARC分析其热稳定性。重氮乙酸乙酯ARC测试结果见图4(a)，重氮乙酸乙酯热力学参数计算见图4(b)，重氮乙酸乙酯动力学参数计算见图4(c)，重氮乙酸乙酯TMR计算见图4(d)。
a.绝热量热测试曲线
b.P-T变化曲线
c.压升/温升速率随时间关系
d.绝热量热TMR计算 图4 重氮乙酸乙酯绝热量热分析Fig.4 Adiabatic analysis of ethyl diazoacetate
由图4(a)～(c)可知，重氮乙酸乙酯在85 ℃左右开始分解，此时导致压力急剧升高，压力最高达到了4 300 kPa，此时最高温度达到了300 ℃，计算得到放热量为149.146 J/g，理论计算的绝热温升为74.6 ℃，不能忽略潜在的爆炸危险性。根据TMR曲线，利用样品池热惯量因子φ值对实验数据进行修正后，对其进行了回归，得到了TD24为63.1 ℃。
可能性评估：在失控反应情形下，利用绝热诱导期(TMR)即作为反应失控发生可能性的评判标准。该工艺条件下，重氮乙酸乙酯合成反应温度为5～15 ℃，结合实验过程中样品池热惯量因子φ的影响，对实验结果进行了校准，得到失控条件下最大反应速率到达时间为24 h时的对应温度为63.1 ℃，可以得到TMRad大于24 h，因此可以得到重氮乙酸乙酯在正常工艺条件下反应失控发生的可能性较低[19]。
结合反应量热数据，实验过程温度Tp为10 ℃，技术原因最高温度MTT为110 ℃，绝热诱导期为24 h 时所对应温度TD24为63.1 ℃，以及反应失控条件下达到的最高温度MTSR为41.5 ℃。根据风险评估等级分级标准，得到Tp 表2 反应工艺风险度的分级标准Table 2 Risk classification standard of reaction process (1)控制加料时间，适当提高反应搅拌速率。使反应物料之间充分混合，使冷却系统能够对热量进行充分移除，避免物料长时间停留在热累积状态。 (2)严格控制反应温度[20-22]。合成温度会直接影响反应过程，过高的温度会引发副分解反应，热量释放得更快，严重时会造成反应失控，反应过程更加危险。 (3)控制溶剂甲苯的用量。在该工艺中，通过搅拌，采取边合成,边萃取的工艺，将生成的重氮乙酸乙酯萃取到甲苯中，因此需要控制甲苯用量，提高萃取率，避免副分解反应的发生，提高产物产率，降低反应过程的危险性。 (4)在实际的工艺中，蒸发冷却或者紧急泄压可以起到安全屏障的作用，可以配置自动控制系统以及相应的安全仪表系统对工艺进行监控控制，设置报警及连锁控制，防止偏差。 (1)通过对重氮乙酸乙酯进行加速绝热量热分析测试，得到了起始分解温度为85 ℃，放热量为149.15 J/g。根据热惯量因子φ值校准过后的TMR曲线回归得到TD24为63.1 ℃，若合理控制工艺温度在5～15 ℃之间，可以较大概率的减少失控发生的可能性。 (2)根据反应量热测试，得到该重氮乙酸乙酯合成反应转化率为92%，反应焓变ΔH=173.8 kJ/mol，通过反应量热数据计算得到反应失控条件下，最大热累积导致的绝热温升ΔTad,t=31.5 ℃，反应失控后达到的最高温度MTSR=41.5 ℃。 (3)反应过程中出现冷却失效时，物料累积可使温度升高至41.5 ℃，若物料长时间停留在热累积状态，会引发二次分解反应，使体系放热使温度升高进而达到技术原因最高温度MTT，如果此时放热速率很高，当达到体系沸点时可能会造成物料喷溅，此时有必要利用蒸发冷却或者紧急泄压的方式以确保工艺生产安全。 (4)通过反应量热及物质稳定性分析得到Tp
2.3 相关防护措施
