Hekzamin dinitrat sentezinde alternatif yöntemlerin araştırılması = Investigation of alternative methods in hexamine dinitrate synthesis

Abstract

Hekzamin; metanamin, hekzametilentetramin veya ürotropin olarak da bilinen, formülü (CH2)6N4 olan heterosiklik bir organik bileşiktir. Hekzamin, kimyasal yapısı ve benzersiz özellikleri nedeniyle bilimsel araştırmalarda ve endüstriyel uygulamalarda önemli rol oynamaktadır. Hekzamin, formaldehit ve amonyak reaksiyonu ile elde edilen, beyaz kristal yapıda, suda ve polar çözücülerde çözünürlüğü yüksek bir organik bileşiktir. Molekül yapısındaki simetrik kafes formasyonu, hekzamini mekanik ve termal olarak kararlı hale getirmektedir. Bu özellik, hekzaminin kimya endüstrisinde ve özellikle patlayıcı madde üretiminde tercih edilmesine katkıda bulunmaktadır. Hekzaminin üretim süreci, düşük maliyetli hammaddelerle yürütülebilir olması nedeniyle ekonomik avantajlar sunar. Formaldehit ve amonyak çözeltisinin uygun sıcaklık koşullarında reaksiyonu, hekzaminin yüksek verimlilikle elde edilmesini sağlar. Reaksiyonun ardından ürün, kristalizasyon ve saflaştırma adımları ile nihai haline getirilir. Bu çalışma, hekzamin sentezinde kullanılan koşulları detaylı olarak incelemiş reaksiyon sıcaklıklarının verim üzerindeki etkisini değerlendirmiştir. Hekzaminin kullanım alanları oldukça çeşitlidir. En yaygın uygulama alanlarından biri, patlayıcı bileşiklerin üretimidir. Hekzamin, RDX (siklotrimetilen trinitramin) gibi yüksek enerjili patlayıcıların öncül maddesi olarak kullanılır. Bunun yanı sıra, hekzaminin antiseptik özellikleri, tıbbi alanda kullanımını desteklemektedir. Özellikle idrar yolu enfeksiyonlarının tedavisinde kullanılan bazı ilaçların etkin maddesi olarak hekzamin türevleri tercih edilmektedir. Ayrıca, hekzamin, reçine üretiminde çapraz bağlayıcı ajan olarak, plastik endüstrisinde ise polimerlerin sertleştirilmesinde kullanılır. Organik sentezlerde hekzamin, formaldehit kaynağı olarak tercih edilirken, katalizör veya reaktif olarak da kullanılabilir. Hekzaminin bir diğer önemli özelliği, yüksek termal kararlılık ve düşük toksisite profili sunmasıdır. Bu özellikler hem güvenli taşınabilirlik hem de geniş bir uygulama yelpazesi sağlar. Bununla birlikte, hekzaminin yüksek sıcaklıklarda parçalanarak formaldehit salması, belirli kullanım alanlarında sınırlamalar yaratabilir. Hekzamin dinitrat (HDN) ise, amin ve nitro grupları içeren organik bileşikler arasında yer alır. Özellikle patlayıcı kimyasalların ve enerji uygulamalarının üretiminde stratejik öneme sahiptir. Bu bileşiğin uygun sentezi, hem ekonomik hem de çevresel sürdürülebilirlik açısından kritik bir role sahiptir. Bu tez çalışmasında hekzamin ve hekzamin dinitratın sentez süreçleri araştırılmış, reaksiyon verimleri belirlenmiş ve yorumlanmıştır. Çalışmanın temel amacı, hekzaminin ve hekzamin dinitratın güvenli, verimli ve düşük enerji tüketimiyle sentezlenmesi ile bu süreçte kullanılan yöntemlerin geliştirilmesidir. Bunun yanında ülkemizde üretimi olmayan bu bileşiklerin, ithalat bağımlılığını azaltacak yerel bir sentez metodolojisinin oluşturulması hedeflenmiştir. Sentezini yapmış olduğumuz hekzaminin analitik özellikleri araştırılmış, organik kimyada kullanımı örnek reaksiyonlar ile belirtilmiştir. Endüstriyel ölçeklerde üretimi düşünülerek sentez esnasında ki oluşum entalpisi araştırılmış ve belirtilmiştir.Çalışma kapsamında, %37 formaldehit çözeltisi ve amonyak arasındaki reaksiyon sonucu hekzamin çözeltileri sentezlenmiştir. Deneysel süreçte reaksiyon sıcaklık aralıkları, kullanılan amonyağın konsantrasyonu gibi parametreler optimize edilmiştir. Yedi farklı metot kullanılarak sentezlenen ürünlerin verimlilikleri karşılaştırılmıştır Hekzamin dinitrat üretim metodu için gerekli olan hekzamin miktarı araştırılıp %36 konsantrasyonda ki çözeltinin metota uygun olacağı belirlenmiştir. Formaldehit ve amonyak reaksiyonuyla elde edilen hekzamin çözeltilerinin yalnızca derişimleri arttırılarak hekzamin dinitrat sentezi için hazır hale geldiği tespit edilmiştir. Bu sayede hekamin dinitrat üretimi için hekzamin kristallerine ihtiyaç duyulmamış,hekzamin çözelti halindeyken üretim tamamlanmıştır. Hekzamin kristallendirmek için yüksek enerji sarfiyatlı kristallendirme ve kurutma gibi işlemlere gereksinim duyulmayıp, büyük ölçüde enerji tasarrufu sağlanmıştır. Elde edilen hekzamin çözeltilerinin konsantrasyonları buharlaştırma yolu ile %36' ya çıkarılmıştır. Ardından, hekzamin çözeltisi ile nitrik asit reaksiyonu gerçekleştirilerek hekzamin dinitrat kristalleri elde edilmiştir. Hekzamin dinitrat sentez deneylerinde reaksiyon sıcaklığı, karıştırma hızı ve nitrik asit dozajlama süreleri sabit tutulmuştur. Ürün verimliliklerinde reaksiyon sıcaklığı ve kullanılan amonyağın konsantrasyonunun etkisi tespit edilmeye çalışılmıştır. Çalışmada elde edilen bulgular, hekzamin sentezinde reaksiyon sıcaklığı ve amonyak formunun verim üzerindeki etkisini ortaya koymuştur. Özellikle düşük sıcaklıklarda (10°C-20°C) yapılan çalışmalar, yüksek verimlilik sağlamıştır. Gaz formunda amonyak kullanımı, ürün verimini artırırken, %25 amonyak çözeltisinin su içeriği nedeniyle verimi düşürdüğü tespit edilmiştir. %37 formaldehit kullanımının sebebi ise reaksiyonda ve reaksiyon sonunda oluşan toplam su miktarını minimum seviyede tutmaya çalışmaktır. Ülkemizde üretimi olan, bulunabilirliği kolay olan en yüksek derişim %37 konsantrasyonda formaldehit olarak tespit edilmiştir. FT-IR spektroskopisi ve erime noktası ölçümleri, sentezlenen ürünlerin kimyasal ve fiziksel saflığını doğrulamıştır. Hekzamin dinitratın darbe hassasiyeti testleri, ürünün RDX'e kıyasla daha düşük duyarlılık gösterdiğini ortaya koymuş, bu da hekzamin dinitratın güvenli depolama ve taşıma avantajı sağladığını göstermiştir. Enerji tasarrufu sağlayan yöntemlerin geliştirilmesiyle, hekzamin ve türevlerinin yerli üretimi için önemli bir adım atılmıştır. Bu tez çalışması, enerji yoğunluğu yüksek bileşiklerin daha çevre dostu ve ekonomik yöntemlerle üretilebileceğini göstermesi bakımından önemlidir. Ayrıca, bu süreçlerin endüstriyel ölçeğe taşınabilmesi için temel bir çerçeve sunmaktadır. Sentez metotlarının farklılıklarına göre hekzaminlerin ve hekzamin dinitratların kimyasal yapısında bir değişim olup olmadığı FT-IR spektroskopisi ile incelenmiştir. Erime noktası cihazı kullanarak ise numunelerin erime noktalarında herhangi bir farklılık olup olmadığı kontrol edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Hekzamin, Hekzamin Dinitrat, HDN, Patlayıcı

Hexamine, also known as methenamine, hexamethylenetetramine, or urotropin, is a heterocyclic organic compound with the chemical formula (CH2)6N4. Due to its unique chemical structure and properties, hexamine plays a significant role in scientific research and industrial applications. It is a white crystalline solid that is highly soluble in water and polar solvents. The symmetrical cage-like molecular structure of hexamine provides it with high mechanical and thermal stability, making it a preferred choice in the chemical industry, particularly in the production of explosives. This stability also contributes to its diverse applicability in various fields, ranging from pharmaceuticals to polymer science. The synthesis process of hexamine offers significant economic advantages, as it can be carried out with relatively low-cost raw materials. The reaction between formaldehyde and ammonia under controlled temperature conditions results in the efficient production of hexamine. Following this reaction, the product undergoes crystallization and purification steps to achieve its final form. The optimization of these synthesis parameters plays a crucial role in determining the efficiency and purity of the final product. This study has extensively examined the synthesis conditions of hexamine, evaluating the effects of reaction temperatures, reactant ratios, and purification techniques on yield and overall efficiency. Hexamine has a wide range of applications across different industries. One of its most common uses is in the production of explosive compounds. It serves as a precursor to high-energy explosives such as RDX (cyclotrimethylene trinitramine), which is widely used in military and mining applications. Additionally, hexamine possesses strong antiseptic properties, supporting its application in the medical field. Hexamine derivatives are commonly used as active ingredients in medications designed for the treatment of urinary tract infections. Moreover, hexamine is utilized as a cross-linking agent in resin production, where it contributes to the strength and durability of polymer structures. In organic synthesis, it serves as a formaldehyde source and can also act as a catalyst or reagent, making it a highly valuable compound in chemical manufacturing. Another notable characteristic of hexamine is its high thermal stability and low toxicity profile, which facilitate its safe handling, storage, and transport across various industries. However, its tendency to decompose at elevated temperatures, releasing formaldehyde, poses certain limitations in specific applications, particularly those involving heat-sensitive materials. Understanding and mitigating these decomposition pathways is essential for ensuring the safe and effective use of hexamine in industrial processes. Hexamine dinitrate (HDN) is an organic compound containing amine and nitro functional groups, which makes it strategically important for the production of energetic materials and explosives. The synthesis of this compound is crucial for both economic and environmental sustainability. The optimization of HDN production requires careful control of reaction conditions, including reagent concentrations, temperature regulation, and purification steps. This thesis investigates the synthesis processes of hexamine and hexamine dinitrate, evaluating reaction efficiencies, safety considerations, and the impact of various synthesis parameters. The primary objective of this study is to develop safe, efficient, and energy-saving synthesis methods for hexamine and hexamine dinitrate. Additionally, this research aims to establish a domestic synthesis methodology to reduce dependence on imported compounds, thereby contributing to national industrial self-sufficiency. The synthesized hexamine was thoroughly analyzed for its chemical properties, purity levels, and structural characteristics, and its applications in organic chemistry were demonstrated through example reactions. Considering the potential for industrial-scale production, the enthalpy of formation during synthesis was also examined in detail. As part of this study, hexamine solutions were synthesized by reacting a 37% formaldehyde solution with ammonia. Experimental parameters such as reaction temperature ranges, ammonia concentration, reaction duration, and mixing conditions were optimized to maximize yield and efficiency. Seven different synthesis methods were employed to compare the efficiency, reproducibility, and scalability of the resulting products. The optimal conditions for the production of hexamine dinitrate were also investigated, with the required concentration of hexamine determined to be 36%. By merely increasing the concentration of hexamine solutions obtained from the reaction between formaldehyde and ammonia, they were rendered suitable for hexamine dinitrate synthesis. This innovative approach eliminated the need for hexamine crystallization, enabling the synthesis to be completed while hexamine remained in solution. Consequently, the energy-intensive crystallization and drying steps were avoided, resulting in substantial energy savings and reduced production costs. The concentration of the obtained hexamine solutions was increased to 36% through evaporation under controlled conditions to ensure consistent and reproducible results. Subsequently, hexamine dinitrate crystals were obtained by reacting the hexamine solution with nitric acid under precisely monitored reaction parameters. Throughout the hexamine dinitrate synthesis experiments, critical factors such as reaction temperature, stirring rate, nitric acid dosage timing, and reaction kinetics were carefully regulated to ensure optimal product quality. The impact of reaction temperature, ammonia form, and reactant purity on product yield and crystallization behavior was thoroughly investigated. The findings of this study highlight the significant influence of reaction temperature and ammonia form on the efficiency and purity of hexamine synthesis. Experimental data demonstrated that reactions conducted at lower temperatures (10°C-20°C) resulted in higher yields and improved product stability. The use of gaseous ammonia was found to enhance product yield, whereas the use of a 25% ammonia solution led to lower efficiency due to its higher water content, which dilutes reactants and slows reaction kinetics. The 37% formaldehyde solution was specifically chosen to minimize the total water content during and after the reaction, as excessive water can lead to undesirable side reactions and reduced product purity. Additionally, the selection of raw materials was based on their availability and economic feasibility, with 37% formaldehyde being the highest available concentration in the country, making it an optimal choice for large-scale production.FT-IR spectroscopy and melting point measurements were employed to confirm the chemical and physical purity of the synthesized products. The results demonstrated that the synthesized hexamine and hexamine dinitrate exhibited high structural integrity, with no significant impurities detected. Sensitivity tests of hexamine dinitrate to impact revealed that it exhibited lower sensitivity compared to RDX, highlighting its advantages in terms of safer storage and transportation. By developing energy-efficient and cost-effective synthesis methods, this study has made a significant contribution to the local production of hexamine and its derivatives. This research is of considerable importance as it demonstrates the feasibility of producing high-energy compounds using more environmentally friendly and economically viable methodologies. Furthermore, it provides a fundamental framework for scaling these processes to industrial production, paving the way for more sustainable and efficient manufacturing strategies in the future. To determine whether variations in synthesis methods affect the chemical structure and physical properties of hexamine and hexamine dinitrate, extensive FT-IR spectroscopy analysis was conducted. Additionally, melting point analysis was performed to assess any potential differences in the thermal properties of the synthesized samples. These characterization techniques provided crucial insights into the stability, purity, and overall quality of the final products, ensuring that the developed synthesis methods are robust and reliable for industrial applications. Keywords: Hexamethylenetetramine Dinitrate, HDN, Hexamine, Explosive