DE3920336C2 - Sprengstoffmasse mit geringer Empfindlichkeit - Google Patents
Sprengstoffmasse mit geringer EmpfindlichkeitInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Sprengstoffmasse mit geringer Empfindlichkeit,
die bestimmte dinitrierte Amino- oder Hydroxypyridinderivate enthält sowie
bestimmte neue Amino- oder Hydroxypyridinderivate und Verfahren zu deren
Herstellung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein verbessertes Verfahren
zur Herstellung von 2,6-Diamino-3,5-dinitropyridin.
Es ist bekannt, daß die Herstellung von Sprengstoffen auf der Basis von Ben
zol oder Toluol - beispielsweise kann Trinitrotoluol (TNT) oder N,2,4,6-
Tetranitro-N-methylanilin (TETRYL) genannt werden - aus nicht nitrierten
Ausgangsstoffen mehrstufige Verfahren erfordert und daß die Verfahren zur
Herstellung verschiedener Explosivstoffe auch technisch aufwendig sind,
siehe R. Meyer "Explosivstoffe", Verlag Chemie, Weinheim, 5. Aufl. (1979);
T. Urbanski "Chemistry and Technology of Explosives", Pergamon Press,
Oxford, Vol. 1 (1964), Vol. 4 (1984).
Weiterhin ist zur Herstellung derartiger Explosivstoffe stets die Einfüh
rung von mindestens drei Nitrogruppen erforderlich, da beispielsweise Di
nitrotoluol oder Dinitrobenzol keine Sprengstoffe im Sinne des Sprengstoff
gesetzes sind. Bestimmte Dinitropyridinderivate können dagegen in einstufi
gen und einfach zu führenden Reaktionen durch die Einführung zweier Nitro
gruppen in nicht nitrierte, durch geeignete Substituenten aktivierte Vor
stufen dargestellt werden.
Die US-A-3,678,061 beschreibt die Herstellung wärmebeständiger hochexplosiver 2,6-Bis-
(picrylamino)-3,5-dinitropyridine durch Umsetzung von 2,6-Diaminopyridine mit picrylchlorid
mit einem polaren, aprotischen Lösungsmittel wie N,N-Dimethylformamid in
Anwesenheit von Natriumfluorid und anschließende Nitrierung des daraus resultierenden
Zwischenprodukts 2,6-Bis-(picrylamino)pyridin. Darüberhinaus beschreiben Williams und
Cohen in J. Heterocycl. 8, (Seite 841 ff) 1971) die Herstellung von 2,5-Dinitro-2,6-
diaminopyridine durch Nitrierung von 2,6-diaminopyridine in konzentrierter Schwefelsäure.
Aufgabe der Erfindung ist es, Verbindungen anzugeben, die leicht herstell
bar sind und als Explosivstoffe mit guten Eigenschaften brauchbar sind.
Erfindungsgemäß werden daher Sprengstoffmassen bereitgestellt, die
dinitrierte Aminopyridin- oder
Hydroxypyridinderivate der folgenden allgemeinen Formel
enthalten,
worin R₁, R₂ und R₃ aus der Gruppe H, NH₂ oder OH so gewählt sind, daß mindestens ein Substituent NH₂ oder OH ist, und gleichzeitig minde stens ein Substituent H bedeutet, und X 0 oder 1 ist, die Explosivstoffe dar stellen, die in ihrer Initiierbarkeit und Detonationsgeschwindigkeit dem TNT vergleichbar sind.
worin R₁, R₂ und R₃ aus der Gruppe H, NH₂ oder OH so gewählt sind, daß mindestens ein Substituent NH₂ oder OH ist, und gleichzeitig minde stens ein Substituent H bedeutet, und X 0 oder 1 ist, die Explosivstoffe dar stellen, die in ihrer Initiierbarkeit und Detonationsgeschwindigkeit dem TNT vergleichbar sind.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung werden die neuen Verbindungen 2-
Amino-6-hydroxy-3,5-dinitropyridin, 2,6-Diamino-3,5-dinitropyridin-1-oxid und
4-Amino-3,5-dinitropyridin-1-oxid
ein Verfahren zur Herstellung der neuen Verbindungen, sowie
ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von 2,6-Diamino-3,5-dinitro
pyridin beschrieben.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Verwendung von Verbin
dungen der folgenden allgemeinen Formel zur Herstellung von Sprengmitteln
beschrieben,
worin R₁, R₂ und R₃ aus der Gruppe H, NH₂ und OH so gewählt sind,
daß mindestens ein Substituent NH₂ oder OH ist, wobei gleichzeitig minde stens ein Substituent H bedeutet und X 0 oder 1 ist. In der Tabelle sind die Verbindungen im einzelnen angegeben, wobei I X = 0 und II X = 1 ent spricht.
daß mindestens ein Substituent NH₂ oder OH ist, wobei gleichzeitig minde stens ein Substituent H bedeutet und X 0 oder 1 ist. In der Tabelle sind die Verbindungen im einzelnen angegeben, wobei I X = 0 und II X = 1 ent spricht.
Die Dinitropyridinderivate gemäß der allgemeinen Formel stellen Explosiv
stoffe dar, die in ihrer Initiierbarkeit und Detonationsgeschwindigkeit dem
TNT vergleichbar sind. Die Stoffe können aber trotzdem als unempfindlich
gegenüber mechanischen Belastungen bezeichnet werden. So zeigen beispiels
weise die Verbindungen Ia, Ic und Ie im Reibempfindlichkeitstest der BAM
(Bundesanstalt für Materialprüfung) noch keine Reaktion bei einer Stift
belastung von 36 kp, was auch für TNT gilt. Im Fallhammertest liegt die
Schlagempfindlichkeit der Verbindungen Ia, Ic und Ie oberhalb von 25 Nm,
während für TNT eine Ansprechgrenze von 15 Nm bekannt ist (vergleiche R.
Meyer, s. o.).
Die Verwendbarkeit der angegebenen Dinitropyridinderivate als Explosiv
stoffe wird auch durch ihre gute bis sehr gute Thermostabilität günstig
beeinflußt. Während beispielsweise 2-Amino-3,5-dinitropyridin Id (Schmelz
punkt 152°C) und 4-Amino-3,5-dinitropyridin-N-oxid IIc sich erst oberhalb
200°C zersetzen, ist 4-Amino-3,5-dinitropyridin Ic (Schmelzpunkt 170°C)
bis etwa 300°C stabil. 4-Hydroxy-3,5-dinitropyridin Ih und 2-Amino-6-
hydroxy-3,5-dinitropyridin Ie zersetzen sich beim Erwärmen ohne vorheriges
Schmelzen erst bei etwa 300°C, 2,6-Diamino-3,5-dinitropyridin Ia sogar
erst bei 350°C und sein N-Oxid IIa bei 330°C, sind also über weite Tem
peraturbereiche thermostabil. Demgegenüber erleidet der bekannte Explosiv
stoff TNT (Verpuffungspunkt 300°C) beim Erwärmen nach dem Schmelzen bei
80°C durch Verdampfen einen Gewichtsverlust (vergleiche R. Meyer und T.
Urbanski, s. o.).
Auch die Dichte der genannten Dinitropyridinderivate liegt in einem Bereich,
der für die Verwendung als Explosivstoff günstig ist, wobei Hydroxygruppen
im Vergleich zu Aminogruppen die Dichte erhöhen. In der folgenden Tabelle
sind durch Pyknometrie gemessene Dichten der Verbindungen Ia, Ic, Ie und
IIa und IIc angegeben, denen nach J. R. Stine "Prediction of Crystal Densi
ties of Organic Explosives by Group Additivity", LA-8920, Los Alamos Nat.
Labs. (1981), berechnete Werte und der Vergleichswert von 3,5-Dinitropyri
din gegenübergestellt sind.
In ihrer chemischen Reaktivität und Verträglichkeit zeigen Aminogruppen ent
haltende Dinitropyridine der allgemeinen Formel eine geringere Reaktivität
als Trinitroaromaten wie beispielsweise TNT, da das Vorhandensein von Amino
gruppen neben Nitrogruppen sich günstig auf Stabilität und Sensibilität aus
wirkt, ohne die Leistung ungünstig zu beeinflussen. Bei reinen Hydroxy
verbindungen der allgemeinen Formel sind dagegen die typischen Reaktionen
von Polynitrophenolen zu erwarten. Aufgrund des im Pyridinring vorhandenen
Stickstoffatoms ist weiterhin die Bildung der N-Oxide möglich, wofür in Bei
spiel 3 ein allgemeines Verfahren gegeben wird. Daneben können Verbindungen
der allgemeinen Formel bei ausreichender Basizität mit geeigneten Reaktions
partnern Salze bilden. Gewisse Salze (Pikrate) der dinitrierten Aminopyridi
ne Ic und Id sind als Stoffe mit explosiven Eigenschaften bereits bekannt.
Die Explosiveigenschaften neuer Verbindungen können durch Berechnung von De
tonationsgeschwindigkeit und -druck nach verschiedenen Verfahren abgeschätzt
werden, sofern wesentliche Eingangsgrößen wie Dichte, Bildungsenthalpie u. a.
bekannt sind. Die Messung der Detonationsgeschwindigkeit erlaubt demgegen
über eine sichere Aussage über die Initiierbarkeit und den kritischen Durch
messer und die in der Praxis erreichbare Leistung neuer Stoffe. Dabei muß
allerdings berücksichtigt werden, daß bei relativ unempfindlichen Spreng
stoffen, wozu die untersuchten Dinitropyridinderivate zu zählen sind, die
Detonationsgeschwindigkeit bei geringem Ladungsdurchmesser nicht ihren Maxi
malwert erreicht.
Es wurden Messungen der Detonationsgeschwindigkeit D an einigen Dinitropyri
dinderivaten durchgeführt. Die Verbindungen sind, in Form gepreßter Ladun
gen, wie TNT problemlos zu initiieren und auch in der Detonationsgeschwin
digkeit D dem TNT vergleichbar. An zylindrischen Preßkörpern des Durchmes
sers 18 mm ermittelte Meßwerte der Dinitropyridine Ia, Ic und Ie sowie der
Dinitropyridin-N-oxide IIa und IIc sind in Tabelle II zur Verdeutlichung der
explosiven Eigenschaften der untersuchten Stoffklasse aufgeführt. Zum Ver
gleich dient der unter gleichen Bedingungen gemessene Wert des 2,4,6-Tri
nitrotoluols.
Die Herstellung der Verbindungen Ia, Ic, Id, Ih und Ii ist bekannt.
2,6-Diamino-3,5-dinitropyridin Ia kann aus dem im Handel nicht erhältli
chen Vorprodukt 2-Chlor-3,5-dinitropyridin durch Aminierung in Gegenwart
von KMnO₄ hergestellt werden (vergleiche D. A. De Bie, B. Geurtsen,
H. C. van der Plas "On the Amination of Halogenonitropyridines", J. Org.
Chem. 50, 484-7 (1985), was jedoch die Synthese dieses Vorprodukts vor
aussetzt. Der Stoff ist auch durch Dinitrierung des Handelsproduktes 2,6-
Diaminopyridin darstellbar (vergleiche R. L. Williams, S. A. Cohen "The
Chemistry of Aryltetramines. II. The Synthesis of 2,3,5,6-Tetraaminopyri
dine", J. Heterocycl. Chem. 8, 841-3 (1971) und A. H. Gerber "Acid addi
tion salts of 2,3,5,6tetraaminopyridine", U.S. Patent 3 740 410 (19. Juni
1973); C.A. 79, 50455s (1973). Die Anmelderin hat jedoch gefunden, daß
auf diesem Weg hergestellte Proben stets wechselnde Anteile an Nebenpro
dukten enthielten, die durch eine in der Literatur nicht erwähnte Nach
behandlung entfernt werden mußten. Es wurde dabei gefunden, daß manche
Proben weitgehend aus einem dieser Nebenprodukte bestanden und dabei wurde
das bislang unbekannte 2-Amino-6-hydroxy3,5-dinitropyridin Ie als neue
Verbindung identifiziert, die die Eigenschaften eines Explosivstoffes
besitzt.
Es wurde weiterhin gefunden, daß die Dinitrierung so geführt werden kann,
daß nur 2,6-Diamino-3,5-dinitropyridin Ia oder nur 2-Amino-6-hydroxy-3,5-
dinitropyridin Ie gebildet wird. Im Beispiel 1 wird ein Verfahren zur Dar
stellung des Diaminoderivats Ia und im Beispiel 2 ein Verfahren zur Darstel
lung des Aminohydroxyderivats Ie beschrieben.
Von den Dinitropyridin-N-oxiden der allgemeinen Struktur II sind bisher nur
2-Amino-3,5-dinitropyridin-1-oxid IId und die beiden Hydroxyderivate IIh und
Ili beschrieben worden, wobei IId bei der Nitrolyse des 2-Acetamidopyridin-
1-oxids entsteht (vergleiche T. Talik, Z. Talik, "Nitration of Acetylamino
pyridine N-Oxides", Pr. Akad. Nauk. Ekon. 291, 101 (1985); C. A. 105, 6388r
(1986)). Dagegen werden 4-Hydroxy-3,5-dinitropyridin-1-oxid IIh und 2-Hydro
xy-3,5-dinitropyridin-1-oxid IIi durch Dinitrierung der entsprechenden
Hydroxypyridin-1-oxide dargestellt (vergleiche W. H. Crowe "The Amino-4-
pyridones", J. Chem. Soc. 1925, 2028 und M. van Ammers, H. J. den Hertog,
"Bromination and Nitration of 2-Hydroxypyridine-N-oxide", Rec. trav. chim.
75, 1259 (1956)).
Es wurde weiterhin gefunden, daß die Oxidation von Aminogruppen enthaltenden
Verbindungen aus der Stoffklasse 1 mit Wasserstoffperoxidlösungen mit guten
Ausbeuten zu den entsprechenden N-Oxiden führt, ohne daß eine Oxidation der
Aminogruppe eintritt. Auf diese Weise konnten die Verbindungen Ia, Ic und Ie
in ihre bisher nicht bekannten N-Oxide IIa, IIc und IIe überführt werden.
Die Verfahren sind in den Beispielen 3, 4 und 5 beschrieben.
In 2025 Teilen Schwefelsäure werden bei -10°C während 90 Minuten 109 Teile
2,6-Diaminopyridin unter kräftigem Rühren aufgelöst. Danach werden 148 Teile
NOx-freie Salpetersäure (d = 1,48 g/cm³) während 150 Minuten so zugegeben,
daß die Temperatur nicht über -5°C steigt. Man erwärmt in einer Stunde auf
60°C, hält eine Stunde auf dieser Temperatur und gießt dann auf Eis, wo
bei ein ockerfarbener Niederschlag ausfällt. Durch Neutralisation mit 15 N
Natronlauge wird eine vollständige Ausfällung erreicht; man filtriert ab,
gibt den erhaltenen Niederschlag in 16 000 Teile Wasser und stellt durch
Zugabe von festem Natriumhydroxid einen pH-Wert von 9-10 ein. Man kocht
die Lösung 30 Minuten unter kräftigem Rühren, filtriert die heiße Lösung
und wäscht den erhaltenen Niederschlag mehrmals mit heißem Wasser, bis das
Filtrat weitgehend farblos ist. Nach Trocknen bei 110°C liegen 100 Teile
(50% d. Th.) Ia mit einem Zersetzungspunkt von 350-355°C in Form gelb
brauner pulverförmiger Kristalle vor.
In 2025 Teilen Schwefelsäure werden bei -10°C während 90 Minuten 109 Tei
le 2,6-Diaminopyridin unter kräftigem Rühren aufgelöst. Danach werden 222
Teile NOx-freie Salpetersäure (d = 1,48 g/cm³) während 180 Minuten so zu
gegeben, daß die Temperatur nicht über -5°C steigt. Man erwärmt in einer
Stunde auf 60°C, hält eine Stunde auf dieser Temperatur und gießt dann auf
Eis, wobei ein orange bis braun gefärbter Niederschlag ausfällt. Man fil
triert ab und wäscht den erhaltenen Niederschlag mehrmals mit kaltem Wasser,
bis das Filtrat eine neutrale Reaktion zeigt. Nach Trocknen bei 110°C lie
gen 123 Teile (61% d. Th.) Ie mit einem Zersetzungspunkt von 300-305°C
in Form orangebrauner pulverförmiger Kristalle vor.
C₅H₄N₄O₅
berechnet (%):
C 30,01; H 2,01; N 28,00%;
gefunden (%):
C 30,54; H 2,04; N 28,06%.
berechnet (%):
C 30,01; H 2,01; N 28,00%;
gefunden (%):
C 30,54; H 2,04; N 28,06%.
Zu einer Mischung von 1680 Teilen Essigsäure und 312 Teilen Wasserstoff
peroxid (30 Gew.-%) werden 74 Teile 4-Amino-3,5-dinitropyridin Ic unter
Rühren bei 20°C zugegeben, wobei nach 30 Minuten eine klare Lösung vor
liegt. Nach 4 Stunden Rühren wird die Lösung, in der bereits eine Kristall
abscheidung begonnen hat, während 20 Stunden auf 6°C gehalten und an
schließend filtriert. Der erhaltene goldorangefarbene Niederschlag wird
mit Wasser gewaschen und bei 110°C am Vakuum getrocknet. Ausbeute 50 Teile
(63% d. Th.) IIc mit Zersetzungspunkt 210°C.
C₅H₄N₄O₅
berechnet (%):
C 30,01; H 2,01; N 28,00%;
gefunden (%):
C 29,85; H 2,01; N 27,60%.
berechnet (%):
C 30,01; H 2,01; N 28,00%;
gefunden (%):
C 29,85; H 2,01; N 27,60%.
Die Verbindung wird wie IIc durch Umsetzung von Ia mit Wasserstoffperoxid
(30 Gew.-%) in Eisessig hergestellt, wobei die Reaktionslösung während
3 Stunden unter Rückfluß gekocht wird. Die Ausbeute an IIa beträgt 85%;
orangefarbene Kristalle mit Zersetzungspunkt 330°C.
C₅H₅N₅O₅
berechnet (%):
C 27,92; H 2,34; N 32,55%;
gefunden (%):
C 28,50; H 2,38; N 32,11%.
berechnet (%):
C 27,92; H 2,34; N 32,55%;
gefunden (%):
C 28,50; H 2,38; N 32,11%.
Claims (10)
1. Sprengstoffmasse, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Verbindung der folgenden
allgemeinen Formel enthält
worin R₁, R₂ und R₃ aus der Gruppe H, NH₂ oder OH so gewählt sind, daß
mindestens ein Substituent NH₂ oder OH ist und gleichzeitig mindestens ein
Substituent H darstellt, und X 0 oder 1 ist, zusammen mit üblichen Trägerstoffen.
2. 2-Amino-6-hydroxy-3,5-dinitropyridin.
3. 2,6-Diamino-3,5-dinitropyridin-1-oxid.
4. 4-Amino-3,5-dinitropyridin-1-oxid.
5. Verfahren zur Herstellung von 2,6-Diamino-3,5-dinitropyridin, bei dem man in an sich
bekannter Weise 2,6-Diaminopyridin in saurem Milieu unter 0°C mit zwei
Äquivalenten NOx-freier Salpetersäure (d = 1,48 g/cm³) während 1 bis 3 Stunden
umsetzt, anschließend für 1 bis 3 Stunden auf 60 bis 70°C erwärmt, den nach
Gießen auf Eis und Neutralisieren auf pH 5 bis 6 erhaltenen Niederschlag abfiltriert
und in alkalischer Lösung während 30 Minuten auskocht.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzungs- bzw.
Erwärmungszeit 2 Stunden beträgt.
7. Verfahren zur Herstellung von 2-Amino-6-hydroxy-3,5-dinitropyridin, bei dem man
2,6-Diaminopyridin in saurem Milieu unter 0°C mit mehr als zwei Äquivalenten
NOx-freier Salpetersäure (d = 1,48 g/cm³) während 2 bis 4 Stunden umsetzt,
anschließend für 1 bis 3 Stunden auf 60 bis 70°C erwärmt, und anschließend auf
0°C abkühlt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzungszeit 3
Stunden und die Erwärmungszeit 2 Stunden beträgt.
9. Verfahren zur Herstellung von 4-Amino-3,5-dinitropyridin-1-oxid, bei dem man zu
einer Mischung aus Essigsäure und H₂O₂ (30 Gew.-%) 4-Amino-3,5-dinitropyridin
zugibt und bis zur Kristallbildung gegebenenfalls bei niederer Temperatur rührt.
10. Verfahren zur Herstellung von 2,6-Diamino-3,5-dinitropyridin-1-oxid, bei dem man
2,6-Diamino-3,5-dinitropyridin mit Wasserstoffperoxid (30 Gew.-%) in Eisessig
durch Erhitzen unter Rückfluß umsetzt.
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