CN109627235B - 一种高能钝感含能化合物及其合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高能量密度钝感含能化合物及其合成方法。其步骤为:以4‑硝基‑1H‑吡唑‑3,5‑二甲酸二甲酯为原料,在金属钠催化作用下与氨基胍硫酸盐一锅法制得中间体;将中间体在氧化体系中氧化得到目标产物。本发明制备方法简便,反应步骤少,产率较高,分离方法简单,最终产物4‑硝基‑3,5‑双(1H‑1,2,4‑三唑‑3‑硝基)‑1H‑吡唑实测密度高达1.865g·cm‑3,BKW状态方程预测上述实施例的最终产物的理论爆速为8747m/s,理论爆压为33.0GPa,与黑索金(RDX,爆速:8841m/s,爆压:34.9GPa)相接近,测试撞击感度30J,低于RDX(7.4J)及2,4,6‑三硝基甲苯TNT(15J),在高能钝感含能材料领域有很大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及有机含能材料领域,具体涉及到一种高能量密度钝感含能化合物及其合成方法。
背景技术
含能材料是发展先进武器装备的关键性物质基础,是完成枪炮弹丸发射、火箭导弹推进的动力能源,是战斗部进行毁伤的威力能源,也是航天运载、空间探测和航空救生所用助推、调资、分离装置的动力能源。随着现代高性能武器系统的飞速发展,对含能材料装药在各种条件下的安全性要求也日益迫切。尽管含能材料已经发展了几十年,可是能量和安全性的矛盾依然还是一个等待解决的问题。高氮含能化合物因其结构中含有大量的C-N、C=N、N-N和N=N键,分解时释放大量氮气,产生较高能量,同时它们对摩擦和电火花等刺激都不敏感,因此可用于高能钝感炸药、气体发生剂、燃速调节剂、低特征信号推进剂等。
例如2012年Thomas M.课题组在《Nitrogen-Rich Bis-1,2,4-triazoles—AComparative Study of Structural and Energetic Properties》,Chem.Eur.J.,2012,18,16742-16753一文公开了3,3’-二硝基-5,5’-二(1H-1,2,4-三唑)的合成方法,合成路线如下:
但是该方法所制备的3,3’-二硝基-5,5’-二(1H-1,2,4-三唑)实测感度为10J,感度较高,实验过程中危险性系数较大,未能符合高能量密度钝感含能材料的安全要求,难以在实际应用中得到广泛推广。
此外,2018年程广斌课题组在《Nitrogen-rich salts based on thecombination of 1,2,4-triazole and 1,2,3-triazole rings:a facile strategy forfine tuning energetic properties》,J.Mater.Chem.A,2018,6,2239-2248一文中报道了一种4-硝基-5-(5-硝基-1,2,4-三唑-3-基)-1,2,3-2H-三唑的合成,合成路线如下:
虽然制备的4-硝基-5-(5-硝基-1,2,4-三唑-3-基)-1,2,3-2H-三唑实测感度为24J,相对较低,但是其前驱体4-硝基-2H-1,2,4-三唑-5-甲酸甲酯制备步骤复杂,并且需要用到毒性较大且易爆的NaN3,安全性和环保性均难以达到要求。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足,提供一种高能量密度钝感含能化合物及其制备方法。实现本发明目的的技术解决方案是:一种高能量密度钝感含能化合物,命名为4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-硝基)-1H-吡唑,具有如下式结构:
合成上述化合物的中间体,命名为4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑,其结构式是:
合成上述化合物的方法,包括:
(1)将4-硝基-1H-吡唑-3,5-二甲酸二甲酯(I)与氨基胍盐在金属钠催化下发生闭环反应制备中间体4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑(II)的步骤;
(2)将中间体4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑(II)在氧化剂存在下发生氧化反应制备目标产物4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-硝基)-1H-吡唑(III)的步骤,
优选的,步骤(1)中,闭环反应采用甲醇或乙醇作为反应溶剂。
优选的,步骤(1)中,闭环反应温度60~80℃,反应时间为24~48h。
优选的,步骤(1)中,氨基胍盐包括氨基胍硫酸盐、氨基胍盐酸盐、氨基胍碳酸氢盐、氨基胍硝酸盐。
优选的,步骤(1)中,金属钠:氨基胍盐:4-硝基-1H-吡唑-3,5-二甲酸二甲酯摩尔比=5:5:1。
优选的,步骤(1)中,闭环反应结束后,反应体系过滤所得滤液调节pH至5±0.2,所得固体洗涤、干燥得精制的中间体4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑。
优选的,步骤(2)中,氧化剂采用NaNO2/H2SO4、H2O2/Na2WO4/H2SO4、H2O2/H2SO4中的任意一种,当氧化剂采用溶质为NaNO2,溶剂为20wt%稀H2SO4的NaNO2/H2SO4氧化剂,其中,4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑与NaNO2及20wt%稀硫酸的摩质量体积比为1:5:10(g:g:ml)。当氧化剂选用溶质为30wt%H2O2,溶剂为98wt%H2SO4的H2O2/H2SO4氧化剂时,其中,4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑与H2O2及H2SO4的质量体积比为1:15:10(g:ml:ml);当氧化剂采用溶质为30%H2O2,催化剂为Na2WO4,溶剂为98wt%H2SO4的H2O2/Na2WO4/H2SO4氧化剂时,其中,4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑与Na2WO4、H2O2及H2SO4的质量体积比为1:3:15:10(g:g:ml:ml)。
优选的,步骤(2)中,反应温度范围为20~50℃,反应时间为2~24h。
优选的,步骤(2)中,氧化反应结束后,反应体系降至室温倒入冰水中,过滤,对滤液萃取、干燥、旋干溶剂后得到精制的目标产物4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-硝基)-1H-吡唑。与现有技术相比,本发明的优点是:
(1)本发明仅需两步就制备出来目标产物,且两步反应的产率均可达到60%以上,而两步反应总产率可达到50%以上。
(2)该反应原料易得,反应步骤简单,实验过程安全高效,符合放大生产的条件。
(3)本发明所得的目标产物4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-硝基)-1H-吡唑热稳定性能好,实测撞击感度低于RDX和TNT,且计算爆轰性能接近于RDX,具有作为高能钝感含能材料的应用潜力。
具体实施方式
以下结合实例对本发明作进一步详细说明。
以下是发明人给出的实施例,需要说明的是,这些实施例是较优的例子,主要用于理解本发明,但本发明不限于实施例。
本发明目标产物的制备步骤如下:
Ⅰ、在0℃下分多次向无水甲醇溶液中投加金属钠配置甲醇钠溶液,然后分批缓慢加入氨基胍硫酸盐,最后将4-硝基-1H-吡唑-3,5-二甲酸二甲酯(1)分多次加入混合溶液中,加完以后升温回流反应,反应结束后冷却过滤,并用甲醇溶液多次洗涤滤饼,合并滤液,减压浓缩后倒入冰水中,调节pH至5左右有固体析出,过滤、洗涤、干燥得到橘黄色固体4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑(2),其中,金属钠:氨基胍硫酸盐:4-硝基-1H-吡唑-3,5-二甲酸二甲酯摩尔比=5:5:1;
Ⅱ、在0℃下,将4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑缓慢加入到H2SO4/NaNO2中,加完后将反应体系升温至20-50℃搅拌反应2~8h后,降至室温倒入冰水中,过滤,对滤液萃取、干燥、旋干溶剂后得到黄色固体4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-硝基)-1H-吡唑,其中,4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑与氧化剂NaNO2及溶剂稀硫酸的质量体积比为1:5:10(g:ml)。
实施例1
a)中间体4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑的合成
在0℃下,将金属钠(1.20g,52.2mmol)溶于50mL甲醇中,然后向其中分多次缓慢加入氨基胍硫酸盐(12.20g,50.0mmol)。加完后取4-硝基-1H-吡唑-3,5-二甲酸二甲酯(2.30g,10.0mmol)缓慢加入到溶液中,加热回流24~48h后冷却至室温,过滤,用甲醇洗涤滤饼几次,合并滤液,减压浓缩到20mL后向其中加入50mL冰水,滴加浓HCl调节pH至5左右,过滤,干燥,得到橙黄色固体4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑2.36g,产率85.2%。
附:中间体分解温度:353.6℃;1H NMR(300MHz,DMSO-d6):δ=6.26(s,4H),3.59(br)ppm;13C NMR(125MHz,DMSO-d6):δ=161,155,147,137ppm;质谱(m/z):277(M+);红外:3166,1628,1509,1429,1384,1344,1206,1122,1048,953,807,703,620,542cm-1;元素分析C7H7N11O2(277):cal C 30.33,H 2.55,N 55.58%;found:C 31.29,H 2.75,N 56.37%。
此外,我们按照金属钠:氨基胍硫酸盐:4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑摩尔比分别为4:4:1、6:6:1、7:7:1的比例,保持溶剂为甲醇,反应温度为65℃,反应时间为30h,反应后处理操作同上述实验步骤。结过显示,当金属钠:氨基胍硫酸盐:4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑摩尔比分别为4:4:1、5:5:1、6:6:1时,闭环反应的产率分别为62.7%、80.1%、79.4%,对比可得,当金属钠:氨基胍硫酸盐:4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑摩尔比为5:5:1时,闭环反应的产率最高,达到85.2%。
b)4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-硝基)-1H-吡唑的合成
在0℃下将4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑(1.40g,5.0mmol)溶于10ml20%稀硫酸中,然后将其缓慢滴加到40mLNaNO2(6.90g,100.0mmol)溶液,滴加时间控制在30min,加完后将溶液升温至50℃反应4h,反应结束后将混合溶液倒入冰水中,过滤,用乙酸乙酯萃取水洗后加入无水硫酸镁干燥,旋干溶剂后得到目标产物4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-硝基)-1H-吡唑1.05g,产率62.3%。
附:最终产物分解温度:238.2℃;1H NMR:δ=5.55(br,2H)ppm;13C NMR(125MHz,DMSO-d6):δ=162,146,132,131ppm;质谱(m/z):337(M+);红外(KBr):3369,3187,3033,1625,1521,1396,1331,1149,1084,1009,950,825,760,623cm-1;元素分析C7H5N13O6(337):cal C 24.9,H 0.90,N 45.70%;found C 23.53,H 1.26,N 46.72%。
此外,我们又分别按照4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑和NaNO2为1:3、1:4、1:6、1:8的质量比,而保持4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑与20%稀硫酸质量体积比为1:10(g:ml)的比例,将4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑投入到氧化剂中氧化,反应温度为50℃,反应时间为4h,反应后处理操作同上述实验步骤。结果显示,当4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑和NaNO2质量比为1:3、1:4、1:6、1:8,氧化反应产率分别为53.2%、57.8%、61.2%、60.9%,对比可得,当4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑和NaNO2质量比为1:5时,氧化反应产率最高,达到62.3%。
实施例2
在0℃下,将金属钠(1.40g,60.8mmol)溶于50mL甲醇中,然后向其中分多次缓慢加入氨基胍硫酸盐(15.00g,61.2mmol)。加完后取4-硝基-1H-吡唑-3,5-二甲酸二甲酯(2.30g,100.0mmol)缓慢加入到溶液中,加热回流24~48h后冷却至室温,过滤,用甲醇洗涤滤饼几次,合并滤液,减压浓缩到20mL后向其中加入50mL冰水,滴加浓HCl调节pH至5左右,过滤,干燥,得到橙黄色固体4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑2.25g,产率81.2%。
取20mL30%H2O2放入50mL三口瓶中,低温浴设置-20℃,缓慢滴加15mL98%H2SO4,滴加时温度控制在0℃以下,滴加完毕后,分批加入4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑(2)(1.40g,5.0mmol),35℃下继续反应8h。反应结束后,将反应液倒入50mL冰水中,搅拌1h,用乙酸乙酯萃取后水洗,点板在紫外灯下观察发现没有点,因此未得到目标产物4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-硝基)-1H-吡唑(3)。
实施例3
在0℃下,将金属钠(1.60g,69.5mmol)溶于50mL甲醇中,然后向其中分多次缓慢加入氨基胍硫酸盐(17.0g,69.5mmol)。加完后取4-硝基-1H-吡唑-3,5-二甲酸二甲酯(2.3g,100.0mmol)缓慢加入到溶液中,加热回流24~48h后冷却至室温,过滤,用甲醇洗涤滤饼几次,合并滤液,减压浓缩到20mL后向其中加入50mL冰水,滴加浓HCl调节pH至5左右,过滤,干燥,得到橙黄色固体4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑2.13g,产率76.9%。在0℃以下,搅拌条件下将浓硫酸(14ml)缓慢滴加到钨酸钠二水合物(4.2g)和30%双氧水(20ml)中加入完毕后升温至20℃,然后将4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑(3)(1.40g,5mmol)缓慢加入氧化体系H2O2/Na2WO4/H2SO4中,加完后将反应体系升温至30℃,保持24h。反应结束后倾入冰中,用乙酸乙酯萃取水洗后点板发现在紫外灯下没有点,因此未得到目标产物4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-硝基)-1H-吡唑(3)。
所得到的高能钝感含能化合物的实测密度为1.865g/cm3,单晶密度1.764g/cm3(含两分子水),易溶于甲醇、乙醇、乙酸乙酯、丙酮、四氢呋喃、1,4-二氧六环、水等溶剂,难溶于乙醚、二氯甲烷、石油醚等溶剂,热分解温度达到238.2℃,具有较好的热稳定性能。采用GJB772A-1997炸药试验方法测试其特性落高值89.2cm(RDX为的特性落高为22cm),由此计算得其实测撞击感度30J,经Gaussian 09程序B3LYP方法计算得生成焓为555.0kJ/mol,基于BKW状态方程预测最终产物的理论爆速为8747m/s,理论爆压33.0GPa。对比文献的3,3’-二硝基-5,5’-二(1H-1,2,4-三唑)的生成焓405kJ/mol,计算爆速为8355m/s,计算爆压30.0kPa,相比较发现本发明的各项性能均优于3,3’-二硝基-5,5’-二(1H-1,2,4-三唑)。
本发明的4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-硝基)-1H-吡唑具有氮含量高、热稳定性好、生成焓大、爆轰性能好、感度低等优点,可以作为高能钝感含能材料应用于含能材料领域。
尽管这里参照发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述,但是,可以理解本领域设计人员可以设计出很多其他的修改和实施方式,这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说,在本申请公开权利要求的范围内,可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局的变型和改进外,对于本领域技术人员来说,其他的用途也将是明显的。
Claims (11)
4.如权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤(1)中,闭环反应采用甲醇或乙醇作为反应溶剂。
5.如权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤(1)中,闭环反应温度60~80℃,反应时间为24~48h。
6.如权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤(1)中,氨基胍盐选自氨基胍硫酸盐、氨基胍盐酸盐、氨基胍碳酸氢盐、氨基胍硝酸盐中任意一种。
7.如权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤(1)中,氨基胍盐为氨基胍硫酸盐。
8.如权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤(1)中,金属钠:氨基胍盐:4-硝基-1H-吡唑-3,5-二甲酸二甲酯摩尔比=(4~10):(4~10):1。
9.如权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤(1)中,闭环反应结束后,反应体系过滤所得滤液调节pH至5±0.2,所得固体洗涤、干燥得精制的中间体(II)。
10.如权利要求3所述的方法,其特征在于,步骤(2)中,氧化剂采用NaNO2/H2SO4、H2O2/Na2WO4/H2SO4、H2O2/H2SO4中的任意一种。
11.如权利要求3或10所述的方法,其特征在于,氧化剂采用NaNO2/H2SO4时,其中,4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑与NaNO2及20wt%H2SO4的质量体积比为1:5~10:5~10(g:g:ml);氧化剂采用H2O2/H2SO4时,4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑与30wt%H2O2及98wt%H2SO4的质量体积比为1:15:10(g:ml:ml);氧化剂采用H2O2/Na2WO4/H2SO4时,4-硝基-3,5-双(1H-1,2,4-三唑-3-氨基)-1H-吡唑与Na2WO4、30wt%H2O2及98wt%H2SO4的质量体积比为1:3:15:10(g:g:ml:ml)。
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Non-Patent Citations (1)
Title |
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Study of Furoxan Derivatives for Energetic Applications;Yanan Li et al.;《Chinese Journal of Chemistry》;20130128;第31卷;第520-524页 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN109627235A (zh) | 2019-04-16 |
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