CN103342649B - 3-氨基-2,4,6-三硝基二苯乙烯类化合物及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含有取代基的3-氨基-2,4,6-三硝基二苯乙烯类新化合物及其制备方法。该类化合物的结构特征为:两个苯环通过一个乙烯基相连,其中一个苯环上的2,4,6位有三个硝基,3位有一个氨基,另一个苯环上邻位及对位连有不同的取代基,所述的3-氨基-2,4,6-三硝基二苯乙烯类化合物可潜在用于耐热含能材料领域。
Description
技术领域
本发明属于含能材料领域,具体涉及一种含有取代基的3-氨基-2,4,6-三硝基二苯乙烯类化合物及其制备方法,可潜在运用于耐热含能材料领域。
背景技术
二苯乙烯类化合物结构中存在的双键与苯环的共轭效应,使得该类化合物化学性质比较稳定。如果在苯环上引入多个硝基,往往可制得性能优良的耐热型炸药,如2,2',4,4',6,6'-六硝基茋,由上世纪60年代的K.G.Shipp首先通过次氯酸钠氧化梯恩梯制备,熔点高达317℃,适用于-200℃~250℃的高低温和真空环境,爆炸性能及安定性能都较好,在航空航天及地下勘探开发中起着很大的作用。一般地,炸药分子中存在多个硝基,此时氨基的引入往往由于氢键作用可使该化合物的熔点或分解点升高,体系更加稳定。基于这些研究事实,将氨基引入到多硝基二苯乙烯类化合物分子中在耐热含能材料领域将具有潜在价值,国内外对于这方面的报道很少,所以合成出新型含氨基的多硝基二苯乙烯类化合物具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于合成出了一类含有取代基的3-氨基-2,4,6-三硝基二苯乙烯类新化合物,可潜在应用于耐热含能材料领域。
3-氨基-2,4,6-三硝基二苯乙烯类化合物,其特征在于具有以下结构式:
其中当R1为氢,R2为甲基;当R1为氢,R2为硝基;当R1为氢,R2为氯;当R1为氢,R2为溴;当R1为氯,R2为氢;当R1为氯,R2为氯。
3-氨基-2,4,6-三硝基二苯乙烯类化合物的制备方法包括以下步骤:
第一步,将原料3-氨基甲苯、氯甲酸乙酯、缚酸剂加入到反应器中,二氯甲烷作溶剂在常温至回流温度反应完全,过滤,将滤液旋干,所得液体滴入发烟硝酸和浓硫酸的混合液中,温度控制在0~ 55℃以下搅拌反应完成,然后加入水和乙二醇的混合溶剂,70℃至100℃反应完成,将反应液倒入水中,析出黄色固体,过滤,烘干得到3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯。
第二步,将3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯、含取代基的芳香醛、催化剂加入到反应器中,在苯或甲苯中回流反应,反应完成后蒸去部分溶剂,于反应液中滴加有机醇至有固体析出,过滤,烘干得3-氨基 -2,4,6-三硝基二苯乙烯类化合物。
其中,第一步中,发烟硝酸的质量是3-氨基甲苯质量的1.6~3.5倍,浓硫酸的质量是3-氨基甲苯质量的7~20倍。
第一步中,缚酸剂选用碳酸钠;混合溶剂选用体积比为3:1的乙二醇和水。
第二步中,含取代基的芳香醛选用4-甲基苯甲醛、4-硝基苯甲醛、4-氯苯甲醛、4-溴苯甲醛、2-氯苯甲醛、2,4-二氯苯甲醛。
第二步中,3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯、含取代基的芳香醛的投料比为0.5g:0.23~0.42g;催化剂用量为0.07g。
本发明的优选化合物为:
即R1为氯,R2为氯。
上述化合物为3-氨基-2’,4’-二氯-2,4,6-三硝基二苯乙烯,制备方法包括以下步骤:
第一步,将原料3-氨基甲苯、氯甲酸乙酯、缚酸剂加入到反应器中,二氯甲烷作溶剂在常温至回流温度反应完全,过滤,将滤液旋干,所得液体滴入发烟硝酸和浓硫酸的混合液中,温度控制在0~ 55℃以下搅拌反应完成,然后加入水和乙二醇的混合溶剂,70℃至100℃反应完成,将反应液倒入水中,析出黄色固体,过滤,烘干得到3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯。
第二步,将3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯、2,4-二氯苯甲醛、催化剂加入到反应器中,在苯或甲苯溶剂中回流反应,反应完全后蒸去部分溶剂,于反应液中滴加有机醇至有固体析出,过滤,烘干得3-氨基-2’,4’-二氯-2,4,6-三硝基二苯乙烯。
本发明与现有技术相比,其显著优点是:本发明第一步所涉及的3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯的制备对传统的合成方法改进后具有如下优点:(1)N-(3-甲基苯基)氨基甲酸乙酯的合成采用二氯甲烷作溶剂,避免了传统的芳烃溶剂;(2)3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯的合成以N-(3-甲基苯基)氨基甲酸乙酯为原料采用一锅煮的方式,避免了中间体N-(3-甲基-2,4,6-三硝基苯基)氨基甲酸乙酯的分离与纯化过程;(3)一锅煮的合成方式与传统的方法相比大大减少了硫酸的用量,降低了环境污染;(4)改进后的方法使3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯的总产率由原来的低于30%提高到现在的70%以上。
本发明所涉及的3-氨基-2,4,6-三硝基二苯乙烯类化合物可用于耐热含能材料领域,该类化合物的耐热特征在于R1,R2都为氯原子时熔点高达197°C,其余合成的物质熔点均高于220℃。同时,当R1,R2其中一个或两个为卤原子(氯、溴)时,碳卤键的活泼性可使卤原子被-OH, -NO2, -CN, -N3等官能团所取代,从而合成出更具潜力的耐热含能材料。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1 本发明实例1中产物3-氨基-4’-甲基-2,4,6-三硝基二苯乙烯的氢核磁共振图谱,横坐标是化学位移。
图2 本发明实例2中产物3-氨基-4’-硝基-2,4,6-三硝基二苯乙烯的氢核磁共振图谱,横坐标是化学位移。
图3本发明实例1中产物3-氨基-4’-甲基-2,4,6-三硝基二苯乙烯的质谱。
图4本发明实例2中产物3-氨基-4’-硝基-2,4,6-三硝基二苯乙烯的质谱。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明。
实施例1
3-氨基-4’-甲基-2,4,6-三硝基二苯乙烯的制备和表征:
结构式:
即R1为氢,R2为甲基。
第一步:3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯的制备
将3-氨基甲苯(0.34 g)、碳酸钠(0.17 g)、二氯甲烷(10 mL),氯甲酸乙酯(0.38g)加入到反应器常温反应2 h,过滤,将滤液旋干,所得的无色液体加入到发烟硝酸(0.54g)和浓硫酸(2.38g)的混合液中,0℃搅拌0.5 h,然后加入体积比是1: 3的水和乙二醇(18 mL)的混合溶剂,升温至70℃反应7 h后将反应液倒入水中,析出黄色固体,过滤,烘干得0.54 g,总产率为70%。
第二步:3-氨基-4’-甲基-2,4,6-三硝基二苯乙烯的制备和表征
将3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯(0.50g),4-甲基苯甲醛(0.23g),苯(15 mL),吡啶(0.07g)加入到反应器中在回流温度下反应4 h。蒸去部分溶剂,于反应液中滴加乙醇至有固体析出,冷却放置,过滤,烘干得0.63g,桔黄色晶体,熔点229°C,产率为93.8%。
IR (KBr): ν=3456, 3352, 979 cm-1,1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ (ppm): 9.560 (s, 1H), 7.383 (d, J=8.5Hz, 2H), 7.331 (d, J=16.5Hz, 1H), 7.213 (d, J=8.0Hz, 2H), 6.693 (d, J=16.5Hz, 1H), 2.385 (s, 3H),MS:343 (M-1)。
实施例2
3-氨基-4’-硝基-2,4,6-三硝基二苯乙烯的制备和表征:
结构式:
即R1为氢,R2为硝基。
第一步:3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯的制备
将3-氨基甲苯(0.34 g)、碳酸钠(0.17 g)、二氯甲烷(10 mL),氯甲酸乙酯(0.38g)加入到反应器回流温度下反应2 h,过滤,将滤液旋干,所得的无色液体加入到硝酸(0.76g)和硫酸(3.76g)的混合液中,常温搅拌0.5 h,然后加入体积比是1: 3的水和乙二醇(18 mL)的混合溶剂,升温至85℃反应7 h后将反应液倒入水中,析出黄色固体,过滤,烘干得0.55 g,总产率为71%。
第二步:3-氨基-4’-硝基-2,4,6-三硝基二苯乙烯的制备和表征:
将3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯(0.50 g),4-硝基苯甲醛(0.34 g),甲苯( 30 mL),氢氧化钠(0.07g)加入到反应器中回流反应14 h。蒸去部分溶剂,于反应液中滴加乙醇至有固体析出,冷却放置,过滤,烘干得0.56 g黄色晶体,熔点220°C,产率为72.3%。
IR (KBr): ν=3463, 3336, 970 cm-1,1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ (ppm): 9.251 (s, 1H), 8.277 (d, J=8.8Hz, 2H), 7.638 (d, J=8.5Hz, 2H), 7.542 (d, J=16.5, 1H), 6.696 (d, J=16.5Hz, 1H),MS:374 (M-1)。
实施例3
3-氨基-4’-氯-2,4,6-三硝基二苯乙烯的制备和表征:
结构式:
即R1为氢,R2为氯。
第一步:3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯的制备
将3-氨基甲苯(0.34 g)、碳酸钠(0.17 g)、二氯甲烷(10 mL),氯甲酸乙酯(0.38g)加入到反应器30℃下反应2 h,过滤,将滤液旋干,所得的无色液体加入到硝酸(0.76g)和硫酸(4.59g)的混合液中,30℃搅拌0.5 h,然后加入体积比是1: 3的水和乙二醇(18 mL)的混合溶剂,升温至85℃反应7 h后将反应液倒入水中,析出黄色固体,过滤,烘干得0.57 g,总产率为74%。
第二步:3-氨基-4’-氯-2,4,6-三硝基二苯乙烯的制备和表征
将3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯(0.50g),苯( 30 mL),4-氯苯甲醛(0.32g),哌啶(0.07g)加入到反应器,回流反应5.5 h。蒸去部分溶剂,于反应液中滴加甲醇至有固体析出,冷却放置,过滤,烘干得0.68g黄色晶体,熔点232°C,产率为90.7%。
IR(KBr): 3457, 3352, 972 cm-1,1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ (ppm): 9.214 (s, 1H), 7.420 (d, J=9Hz, 2H), 7.382 (d, J=9Hz, 2H), 7.357 (d, J=16.5Hz, 1H), 6.643 (d, J=16.5Hz, 1H),MS:363 (M-1)。
实施例4
3-氨基-4’-溴-2,4,6-三硝基二苯乙烯的制备和表征:
结构式:
即R1为氢,R2为溴。
第一步:3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯的制备
将3-氨基甲苯(0.34 g)、碳酸钠(0.17 g)、二氯甲烷(10 mL),氯甲酸乙酯(0.38g)加入到反应器常温反应2 h,过滤,将滤液旋干,所得的无色液体加入到硝酸(0.97g)和硫酸(4.81g)的混合液中,40℃搅拌0.5 h,然后加入体积比是1: 3的水和乙二醇(18 mL)的混合溶剂,升温至95℃反应7 h后将反应液倒入水中,析出黄色固体,过滤,烘干得0.58 g,总产率为76%。
第二步:3-氨基-4’-溴-2,4,6-三硝基二苯乙烯的制备和表征:
将3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯(0.50 g),4-溴苯甲醛(0.42 g)以及哌啶(0.07 g),苯(30 mL)加入到反应器中回流反应7.5 h。蒸去部分溶剂,于反应液中滴加乙醇至有固体析出,冷却放置,过滤,烘干得0.70 g黄色晶体,熔点238℃,产率为82.8%。
IR (KBr): ν=3456, 3352, 974 cm-1,1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ (ppm): 9.214 (s, 1H), 7.539 (d, J=8.5Hz, 2H), 7.368 (d, J=16.5Hz, 1H), 7.349 (d, J=8.5Hz, 2H), 6.624 (d, J=16.5Hz, 1H),MS:407 (M-1)。
实施例5
3-氨基-2’-氯-2,4,6-三硝基二苯乙烯的制备和表征:
结构式:
即R1为氯,R2为氢。
第一步:3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯的制备
将3-氨基甲苯(0.34 g)、碳酸钠(0.17 g)、二氯甲烷(10 mL),氯甲酸乙酯(0.38g)加入到反应器回流温度下反应2 h,过滤,将滤液旋干,所得的无色液体加入到硝酸(0.97g)和硫酸(5.87g)的混合液中,55℃搅拌0.5 h,然后加入体积比是1: 3的水和乙二醇(18 mL)的混合溶剂,升温至100℃反应7 h后将反应液倒入水中,析出黄色固体,过滤,烘干得0.59 g,总产率为77%。
第二步:3-氨基-2’-氯-2,4,6-三硝基二苯乙烯的制备和表征:
将3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯(0.50 g),2-氯苯甲醛(0.32 g),甲苯(30 mL)以及吡啶(0.07 g)加入到反应器中回流反应6 h。蒸去部分溶剂,于反应液中滴加乙醇至有固体析出,冷却放置,过滤,烘干得0.69 g,黄色晶体,熔点223°C,产率为92.1%。
IR(KBr): ν=3452, 3344, 974 cm-1,1HNMR (CDCl3, δ) 9.259 (s, 1H), 7.711 (dd, J = 7 Hz, J = 2Hz, 1H), 7.424 (dd, J = 7.5 Hz, J = 1.5 Hz, 1H), 7.385 (m, 3H), 7.089 (d, J = 16.5 Hz, 1H),MS:363 (M-1)。
实施例6
3-氨基-2’,4’-二氯-2,4,6-三硝基二苯乙烯的制备和表征:
结构式:
即R1为氯,R2为氯。
第一步:3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯的合成:
将3-氨基甲苯(0.34 g)、碳酸钠(0.17 g)、10 mL二氯甲烷,氯甲酸乙酯(0.38g)加入到反应器常温反应2 h,过滤,将滤液旋干,所得的无色液体加入到硝酸(1.19g)和硫酸(6.80g)的混合液中,55℃搅拌0.5 h,然后加入体积比是1: 3的水和乙二醇(18 mL)的混合溶剂,升温至100℃反应7 h后将反应液倒入水中,析出黄色固体,过滤,烘干得0.57 g,总产率为74%。
第二步:3-氨基-2’,4’-二氯-2,4,6-三硝基二苯乙烯的合成:
将甲苯(15 mL),3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯(0.50 g),2,4-二氯苯甲醛(0.40 g)以及碳酸钠(0.07g)加入到反应器中回流反应6 h。蒸去部分溶剂,于反应液中滴加乙醇至有固体析出,冷却放置,过滤,烘干得0.71 g黄色晶体,熔点197°C,产率为85.6%。
IR (KBr): ν=3458, 3353, 970 cm-1,1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ (ppm): 9.218 (s, 1H), 7.551 (d, J=2.5Hz, 1H), 7.484 (d, J=8.5Hz, 1H), 7.373 (d, J=16.5Hz, 1H), 7.320 (dd, J=8.5Hz, J=2.0Hz, 1H), 6.569 (d, J=16.5Hz, 1H),MS:397 (M-1)。
本发明所涉及的3-氨基-2,4,6-三硝基二苯乙烯类化合物可用于耐热含能材料领域,该类化合物的耐热特征在于R1,R2都为氯原子时熔点高达197°C,其余合成的物质熔点均高于220℃。同时,当R1,R2其中一个或两个为卤原子(氯、溴)时,碳卤键的活泼性可使卤原子被-OH, -NO2, -CN, -N3等官能团所取代,从而合成出更具潜力的耐热含能材料。
Claims (4)
1.3-氨基-2,4,6-三硝基二苯乙烯类化合物的制备方法,其特征在于该方法包括以下步骤:
第一步,3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯的制备:将原料3-氨基甲苯、氯甲酸乙酯、缚酸剂加入到反应器中,二氯甲烷作溶剂在常温至回流温度反应完全,过滤,将滤液旋干,所得液体滴入发烟硝酸和浓硫酸的混合液中,温度控制在0~55℃以下搅拌反应完成,然后加入水和乙二醇的混合溶剂,70℃至100℃反应完成,将反应液倒入水中,析出黄色固体,过滤,烘干得到3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯;所述缚酸剂选用碳酸钠;混合溶剂选用体积比为3:1的乙二醇和水;
第二步,3-氨基-2,4,6-三硝基二苯乙烯类化合物的制备:将3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯、含取代基的芳香醛、催化剂加入到反应器中,在苯或甲苯溶剂中回流反应,反应完成后,蒸去部分溶剂于反应液中滴加有机醇至有固体析出,过滤,烘干得3-氨基-2,4,6-三硝基二苯乙烯类化合物;含取代基的芳香醛选用4-甲基苯甲醛、4-硝基苯甲醛、4-氯苯甲醛、4-溴苯甲醛、2-氯苯甲醛、2,4-二氯苯甲醛;所述的3-氨基-2,4,6-三硝基二苯乙烯类化合物的结构式为:
其中当R1为氢,R2为甲基;当R1为氢,R2为硝基;当R1为氢,R2为氯;当R1为氢,R2为溴;当R1为氯,R2为氢;当R1为氯,R2为氯。
2.根据权利要求1所述的化合物的制备方法,其特征在于:第一步中发烟硝酸的质量是3-氨基甲苯质量的1.6~3.5倍,浓硫酸的质量是3-氨基甲苯质量的7~20倍。
3.根据权利要求1所述的化合物的制备方法,其特征在于:第二步中,催化剂选用氢氧化钠、碳酸钠、吡啶或哌啶;有机醇选用乙醇或甲醇。
4.根据权利要求1所述的化合物的制备方法,其特征在于:第二步中,3-氨基-2,4,6-三硝基甲苯、含取代基的芳香醛的投料比为0.5g:0.23~0.42g;催化剂用量为0.07g。
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Granted publication date: 20150826 Termination date: 20180726 |
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