CN111533743B - 一种三硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-c][1,2,4]三嗪-4-酮的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1‑c][1,2,4]三嗪‑4‑酮的合成方法,包括以下步骤:低温下,向反应瓶中加入浓硫酸,然后将3‑硝基‑4‑氨基‑苯并[4,5]咪唑[2,1‑c][1,2,4]三嗪分批次加入并搅拌;逐滴滴入发烟硝酸,升温,反应完毕后得到第一反应体系,将第一反应体系倒入冰水中,并用乙酸乙酯萃取水相,合并有机相并用无水硫酸钠干燥,浓缩有机相得到粗产品,并通过柱层析色谱进一步提纯,得到所述的3,7,9‑三硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1‑C][1,2,4]三嗪‑4(3H)‑酮及3,9‑二硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1‑C][1,2,4]三嗪‑4(3H)‑酮。反应使用的原材料2‑氨基苯并咪唑为市场上商业化产品,价格便宜,容易获得。
Description
技术领域
本发明属于含能材料技术领域,具体涉及一种三硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-c][1,2,4]三嗪-4-酮的合成方法。
背景技术
现代战争不仅要求武器装备具备较强的毁伤能力,同时对含能材料的安全性能提出了更高的要求。近年来,科学家们通过计算、合成等各种方式来探寻钝感高能化合物的骨架结构,以获得具有更优异机械性能和稳定性能的新型含能材料。共轭并环类含能分子由于具有大共轭体系以及稳定的芳香结构,通常具有非常好的热稳定性以及较低的摩擦感度、撞击感度。通过增加共轭并环数量以及骨架上含能官能团修饰位点,可以在不断提高含能分子的综合爆轰性能的同时,改善分子的结构稳定性和机械感度。虽然包含TNT、PTX等在内许多经典单质炸药分子陆续被合成和报道,但目前报道的多为单环或双环结构,含能基团修饰位点有限,共轭体系相对较小,亟需合成出更大的含能共轭骨架用于含能分子设计与开发。此外,如何对多元并环含能骨架进行快速修饰,也是含能材料合成的一个重要研究方向。以多元并环的大共轭结构为母体,通过原位关环反应和快速硝化反应对共轭结构的多个位点进行含能官能团修饰,可不断提高含能分子的综合爆轰性能,具有潜在的军民应用价值。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型的含能化合物3,7,9-三硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-c][1,2,4]三嗪-4(3H)-酮及其衍生物。
本发明的另一个目的是提供上述化合物3,7,9-三硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-c][1,2,4]三嗪-4(3H)-酮及其衍生物的合成方法。
为了达到上述的技术效果,本发明采取以下技术方案:
一种三硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-c][1,2,4]三嗪-4-酮的合成方法,包括以下步骤:
本发明采用2-氨基苯并咪唑为原料合成3,7,9-三硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-c][1,2,4]三嗪-4(3H)-酮的合成路线如下:
低温下,向反应瓶中加入浓硫酸,然后将3-硝基-4-氨基-苯并[4,5]咪唑[2,1-c][1,2,4]三嗪分批次加入并搅拌;逐滴滴入发烟硝酸,升温,反应完毕后得到第一反应体系,将第一反应体系倒入冰水中,并用乙酸乙酯萃取水相,合并有机相并用无水硫酸钠干燥,浓缩有机相得到粗产品,并通过柱层析色谱进一步提纯,得到所述的3,7,9-三硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-C][1,2,4]三嗪-4(3H)-酮及3,9-二硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-C][1,2,4]三嗪-4(3H)-酮。
所述的3-硝基-4-氨基-苯并[4,5]咪唑[2,1-c][1,2,4]三嗪与发烟硝酸、浓硫酸的摩尔比例为1:6:24。
所述的浓硫酸的质量分数为98%,加入98%浓硫酸时的温度为0℃;所述的升温的温度为60-80℃,并在60-80℃的条件下反应5h。
本发明还提供了一种3-硝基-4-氨基-苯并[4,5]咪唑[2,1-c][1,2,4]三嗪的制备方法如下:包括以下步骤:
将1H-苯并[d]咪唑-2-偶氮基-(2-硝基乙腈)用甲醇/水的混合溶液溶解,加热回流,反应结束后得到第二反应体系,浓缩第二反应体系并用乙酸乙酯萃取,并合并有机相并用无水硫酸钠干燥;将有机相浓缩后,通过柱色谱层析法进行分离,得到所述的3-硝基-4-氨基-苯并[4,5]咪唑[2,1-c][1,2,4]三嗪。
所述的甲醇/水的混合溶液中甲醇和水的体积比为1:1。
所述加热回流的温度为70-80℃;并在70-80℃的条件下,反应的时间为36-40h。
本发明还提供了一种1H-苯并[d]咪唑-2-偶氮基-(2-硝基乙腈)的制备方法如下:包括以下步骤:
将2-氨基苯并咪唑在蒸馏水中浆化,同时将溶液进行冷却,加入38%浓盐酸,缓慢滴加亚硝酸钠水溶液进行重氮化反应得到第三反应体系;在冰浴条件下,将硝基乙腈滴入氢氧化钠水溶液,以制备硝基乙腈的钠盐,并将该钠盐溶液逐滴加入第三反应体系中;反应自然升温至室温,并继续搅拌;反应结束后得到第四反应体系,过滤第四反应体系并用少量蒸馏水洗涤滤饼;用乙酸乙酯溶解滤饼后过滤掉固体杂质,浓缩滤液得到粗产品,并进一步通过色谱柱层析进行分离提纯,得到所述的1H-苯并[d]咪唑-2-偶氮基-(2-硝基乙腈)。
所述的2-氨基苯并咪唑与38%浓盐酸的摩尔比为1:3.6;所述2-氨基苯并咪唑与亚硝酸钠的摩尔比为1:1.2;所述的2-氨基苯并咪唑与硝基乙腈、氢氧化钠的摩尔比为1:1-2:1-2。
所述的重氮化反应时,反应时间为0.5-1h;所述的第三反应体系与硝基乙腈钠盐在常温下的加成反应,反应时间为3天。
所述的重氮化反应时,将溶液冷却的温度为0-5℃。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是:
本发明中化合物3,7,9-三硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-c][1,2,4]三嗪-4(3H)-酮为新型含能化合物,反应原材料2-氨基苯并咪唑为市场上商业化产品,价格便宜,容易获得。反应条件重复性好,容易操作。新分子及其衍生物具有更稳定的大共轭分子骨架,热稳定性好,氮含量高。
附图说明
图1为1H-苯并[d]咪唑-2-偶氮基-(2-硝基乙腈)的晶体结构图。
图2为3,7,9-三硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-c][1,2,4]三嗪-4(3H)-酮的晶体结构图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例,都属于本发明的保护范围。
实施例1:
将0.4g(3.0mmol)的2-氨基苯丙咪唑与3ml蒸馏水混合,形成悬浮液。在0℃条件下,向反应体系逐滴加入0.9ml的38%浓盐酸(12M)。相同温度下,逐滴加入用1.5ml蒸馏水溶解的0.24g亚硝酸钠溶液(3.5mmol),并继续搅拌0.5h。同时,将0.12g氢氧化钠(3mmol)溶于20ml蒸馏水,并在冰浴环境下滴入0.26g硝基乙腈(3mmol)以制备的硝基乙腈的钠盐。将该钠盐溶液逐滴加入至上述反应体系中,自然升至室温后继续搅拌3天。用乙酸乙酯萃取反应液,无水硫酸钠干燥合并的有机相,旋蒸浓缩后通过柱层析分离得到目标产物242mg(产率35%)。
实施例2:
将0.4g(3.0mmol)的2-氨基苯丙咪唑与3ml蒸馏水混合,形成悬浮液。在0℃条件下,向反应体系逐滴加入0.9ml的38%浓盐酸(12M)。相同温度下,逐滴加入用1.5ml蒸馏水溶解的0.24g亚硝酸钠溶液(3.5mmol),并继续搅拌0.5h。同时,将0.24g氢氧化钠(6mmol)溶于20ml蒸馏水,并在冰浴环境下滴入0.52g硝基乙腈(6mmol)以制备的硝基乙腈的钠盐。将该钠盐溶液逐滴加入至上述反应体系中,自然升至室温后继续搅拌3天。用乙酸乙酯萃取反应液,无水硫酸钠干燥合并的有机相,旋蒸浓缩后通过柱层析分离得到目标产物193mg(产率28%),如图1所示。
实施例3:
将0.4g(3.0mmol)的2-氨基苯丙咪唑与15ml蒸馏水混合,形成悬浮液。在0℃条件下,向反应体系逐滴加入0.9ml的38%浓盐酸(12M)。相同温度下,逐滴加入用1.5ml蒸馏水溶解的0.24g亚硝酸钠溶液(3.5mmol),并继续搅拌0.5h。同时,将0.24g氢氧化钠(6mmol)溶于20ml蒸馏水,并在冰浴环境下滴入0.52g硝基乙腈(6mmol)以制备的硝基乙腈的钠盐。将该钠盐溶液逐滴加入至上述反应体系中,自然升至室温后继续搅拌3天。用乙酸乙酯萃取反应液,无水硫酸钠干燥合并的有机相,旋蒸浓缩后通过柱层析分离得到目标产物124mg(产率18%)。
实施例4:
将570mg(2.48mmol)的1H-苯并[d]咪唑-2-偶氮基-(2-硝基乙腈)加入60ml甲醇/水(1:1体积比)的混合溶液中,搅拌状态下降将反应体系升温至回流,并在该温度下继续反应3天。反应结束后,浓缩反应体系并用乙酸乙酯萃取,并合并有机相并用无水硫酸钠干燥。将有机相浓缩后,通过柱色谱层析法进行分离,得到3-硝基-4-氨基-苯并[4,5]咪唑[2,1-c][1,2,4]三嗪419mg(产率74%)。
实施例5:
将565mg(2.46mmol)的1H-苯并[d]咪唑-2-偶氮基-(2-硝基乙腈)加入12ml甲醇/水(1:1体积比)的混合溶液中,搅拌状态下降将反应体系升温至回流,并在该温度下继续反应3天。反应结束后,浓缩反应体系并用乙酸乙酯萃取,并合并有机相并用无水硫酸钠干燥。将有机相浓缩后,通过柱色谱层析法进行分离,得到3-硝基-4-氨基-苯并[4,5]咪唑[2,1-c][1,2,4]三嗪384mg(产率68%)。
实施例6:
如图2所示,向反应瓶中加入1.28mL的98%浓硫酸(18.4M),在0℃条件下,将230mg的3-硝基-4-氨基-苯并[4,5]咪唑[2,1-c][1,2,4]三嗪(1mmol)分批次加入反应瓶中并搅拌5分钟。相同温度下,逐滴滴入0.25ml的发烟硝酸(23.4M),滴加完毕后继续搅拌10分钟,并逐渐升温至60℃。在该温度下继续反应5h。反应结束后,将反应体系导入冰水浴中。用乙酸乙酯萃取水相,合并有机相后用无水硫酸钠干燥。浓缩有机相得到黄色粗品,通过柱层析色谱进一步分离得到112mg 3,7,9-三硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-c][1,2,4]三嗪-4(3H)-酮(产率35%)和119mg 3,9-二硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-c][1,2,4]三嗪-4(3H)-酮(产率43%)。
以3,7,9-三硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-c][1,2,4]三嗪-4(3H)-酮为例,通过量子化学方法和Kamlet-Jacobs方程对其进行了理论计算:其理论爆速Vd=7672m/s,高于TNT(Vd=6900m/s);利用TG-DSC曲线分析化合物热稳定性:热分解温度Td=258℃,高于TNT(Td=240℃);采用BAM感度仪测试撞击感度:实测撞击感度IS>20J,优于TNT(IS=15J)。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种三硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-c][1,2,4]三嗪-4-酮的合成方法,其特征在于:包括以下步骤:
低温下,向反应瓶中加入浓硫酸,然后将3-硝基-4-氨基-苯并[4,5]咪唑[2,1-c][1,2,4]三嗪分批次加入并搅拌;逐滴滴入发烟硝酸,升温,反应完毕后得到第一反应体系,将第一反应体系倒入冰水中,并用乙酸乙酯萃取水相,合并有机相并用无水硫酸钠干燥,浓缩有机相得到粗产品,并通过柱层析色谱进一步提纯,得到3,7,9-三硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-C][1,2,4]三嗪-4(3H)-酮及3,9-二硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-C][1,2,4]三嗪-4(3H)-酮;
所述3-硝基-4-氨基-苯并[4,5]咪唑[2,1-c][1,2,4]三嗪的制备方法如下:包括以下步骤:
将1H-苯并[d]咪唑-2-偶氮基-(2-硝基乙腈)用甲醇/水的混合溶液溶解,加热回流,反应结束后得到第二反应体系,浓缩第二反应体系并用乙酸乙酯萃取,并合并有机相并用无水硫酸钠干燥;将有机相浓缩后,通过柱色谱层析法进行分离,得到所述的3-硝基-4-氨基-苯并[4,5]咪唑[2,1-c][1,2,4]三嗪;
所述加热回流的温度为70-80 ℃;并在70-80 ℃的条件下,反应的时间为72 h。
2.根据权利要求1所述的一种三硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-c][1,2,4]三嗪-4-酮的合成方法,其特征在于:所述的3-硝基-4-氨基-苯并[4,5]咪唑[2,1-c][1,2,4]三嗪与发烟硝酸、浓硫酸的摩尔比例为1:6:24。
3.根据权利要求2所述的一种三硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-c][1,2,4]三嗪-4-酮的合成方法,其特征在于:所述的浓硫酸的质量分数为98%,加入98%浓硫酸时的温度为0 ℃;所述的升温的温度为60-80 ℃,并在60-80 ℃的条件下反应5h。
4.根据权利要求1所述的一种三硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-c][1,2,4]三嗪-4-酮的合成方法,其特征在于:所述的甲醇/水的混合溶液中甲醇和水的体积比为1:1。
5.根据权利要求1所述的一种三硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-c][1,2,4]三嗪-4-酮的合成方法,其特征在于:所述1H-苯并[d]咪唑-2-偶氮基-(2-硝基乙腈)的制备方法如下:包括以下步骤:
将2-氨基苯并咪唑在蒸馏水中浆化,同时将溶液进行冷却,加入38%浓盐酸,缓慢滴加亚硝酸钠水溶液进行重氮化反应得到第三反应体系;在冰浴条件下,将硝基乙腈滴入氢氧化钠水溶液,以制备硝基乙腈的钠盐,并将该钠盐溶液逐滴加入第三反应体系中;反应自然升温至室温,并继续搅拌;反应结束后得到第四反应体系,过滤第四反应体系并用少量蒸馏水洗涤滤饼;用乙酸乙酯溶解滤饼后过滤掉固体杂质,浓缩滤液得到粗产品,并进一步通过色谱柱层析进行分离提纯,得到所述的1H-苯并[d]咪唑-2-偶氮基-(2-硝基乙腈)。
6.根据权利要求5所述的一种三硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-c][1,2,4]三嗪-4-酮的合成方法,其特征在于:所述的2-氨基苯并咪唑与38%浓盐酸的摩尔比为1:3.6;所述2-氨基苯并咪唑与亚硝酸钠的摩尔比为1:1.2;所述的2-氨基苯并咪唑与硝基乙腈、氢氧化钠的摩尔比为1:1-2:1-2。
7.根据权利要求5所述的一种三硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-c][1,2,4]三嗪-4-酮的合成方法,其特征在于:所述的重氮化反应时,反应时间为0.5-1h;所述的第三反应体系与硝基乙腈钠盐在常温下的加成反应,反应时间为3天。
8.根据权利要求5所述的一种三硝基苯并[4,5]咪唑并[2,1-c][1,2,4]三嗪-4-酮的合成方法,其特征在于:所述的重氮化反应时,将溶液冷却的温度为0-5℃。
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