KR20010011940A - 폴리아실헥사아자이소부르치탄, 그의 제조 방법 및 이를 이용한 헥사니트로 헥사아자이소부르치탄의 제조 방법 - Google Patents

폴리아실헥사아자이소부르치탄, 그의 제조 방법 및 이를 이용한 헥사니트로 헥사아자이소부르치탄의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

다음 화학식 1을 갖는 폴리아실헥사아자이소부르치탄(AIW) 유도체와 그의 이성질체, 그의 제조 방법 및 이를 이용하여 헥사니트로헥사아자이소부르치탄(HNIW)을 제조하는 방법을 제공한다:
화학식 1
식 중, X는 RCO(여기서, R은 H 또는 C1∼C10의 알킬기임)이며, X'는 H 또는 R'CO(여기서, R'은 H 또는 C1∼C10의 알킬기임)이며, X"는 H 또는 R"CO(여기서, R"은 H 또는 C1∼C10의 알킬기임)이며, R, R' 및 R"은 동일하거나 상이한 것일 수도 있음.

Description

폴리아실헥사아자이소부르치탄, 그의 제조 방법 및 이를 이용한 헥사니트로헥사아자이소부르치탄의 제조 방법{POLYACYLHEXAAZAISOWURTZITANES, PREPARATION METHODS THEROF AND USE OF PREPARING HEXANITROHEXAAZAISOWURTZITANE}
본 발명은 헥사니트로헥사아자이소부르치탄(HNIW: 2,4,6,8,10,12-hexanitro-2,4,6,8,10,12-hexaazatetracyclo[5.5.0.05,9.03,11]dodecane)을 제조하는 데 유용한 전구물질이 되는 폴리아실헥실아자이소부르치탄(AIW: : polyacyl-2,4,6,8,10,12 -hexa-azatetracyclo[5.5.0.05,9.03,11]dodecane), 그의 제조 방법 및 이를 이용한 HNIW의 제조 방법에 관한 것이다.
노벨에 의하여 니트로글리세린을 주제로 한 다이나마이트가 발명된 이래 다양한 목적과 용도에 따라 여려가지 폭약이 개발되어 왔으며, 널리 쓰이고 있는 폭약은 TNT, RDX, HMX 등이 있다. 이들보다 성능이 우수한 분자 화약으로 산소 균형이 유지되며 밀도가 큰 폴리 니트로 고리 화합물이 있다. 이들 중 헥사니트로헥사아자이소부르치탄(Hexanitrohexaazaisowurtzitane, HNIW)은 HMX보다 성능이 우수한 것으로 보고되어 있으며 물리적 성질, 스펙트럼 자료, 화약 성능 및 합성법이 소개되어 있다.
일반적으로 HNIW 등의 헥사아자이소부르치탄 화합물은 다음 같은 일반식을 갖고, 대표적인 화합물을 그 치환기에 따른 약칭으로 나타내었다.
X X' X" 약칭
NO2 NO2 NO2 HNIW
H H H IW
CH2Ar CH2Ar CH2Ar HArIW
CH2Ph CH2Ph CH2Ph HBIW
CH3CO CH2Ar CH2Ar TADArIW
CH3CO CH2Ph CH2Ph TADBIW
CH3CO H H TAIW
CH3CO CH3CO CH3CO HAIW
CH3CO HCO HCO TADFIW
CH3CO CH3CO H PAIW
CH3CO CH3CO HCO PAMFIW
RCO RCO RCO HAcIW
RCO R'CO R"CO AIWa
a경우에 따라, R은 R'와 동일함.
HNIW의 합성은 먼저 니트로기가 아닌 치환기의 IW 골격을 갖는 화합물을 합성한 후에 치환기를 전환하는 방식으로 합성되는데, 통상적으로는 3 단계를 거치는 것으로 알려져 있다.
첫 번째 단계에 있어서, 상기 화학식 1에 나타낸 바와 같이 여러 크기의 고리들로 이루어진 바구니 형태의 헥사아자이소부르치탄 골격을 합성하는 것인데, 이에 대한 여러 시도가 있었으나 고리에 있는 N의 보호기가 벤질이나 아릴메틸기일 때, 즉 헥사벤질헥사아자이소부르치탄(HBIW) 또는 헥사아릴헥사아자이소부르치탄 (HArIW) 형태로 IW의 골격 형성이 가능한 것으로 알려져 있다. 이에 관하여 닐슨이 보고한 바 있으며(Nielsen, A.T; Nissan, R. A; Chafin, A. P; Gilard, R.D; Boerfe, C.F. J. Org. Chem. 1992, 57, 6756), 티오콜 회사(Thiokol)의 연구자들이 특허를 출원했다(PCT Int. Appl. WO 1997, 00873).
이상과 같이 첫 번째 단계로 IW 골격을 합성한 후에 직접적인 니트로화 반응은 불가능한 것으로 알려져 있으며, 아실기로 벤질기 또는 아릴기를 다른 치환기로 전환하는 두 번째 단계를 거친 후에, 세 번째 단계에서 HNIW를 제조하는 공정이 일반적으로 알려져 있다. 이러한 두 번째 단계는 IW 유도체에서 가수소 분해반응을 통해 아민의 보호기인 아릴 메틸기를 제거하는 과정인데 일반적인 환원 방법을 이용하여 IW로 전환시킬 수 없었다. 정확한 것이 알려져 있지 않지만, 대체적으로 이 반응 조건에서 IW가 안정하지 못한 것으로 예상된다. 또한, 세 번째 단계는 두 번째 단계에서 생성된 IW 유도체의 반응 특성에 따라, 니트로소기로 치환한 후에 니트로화 반응시키는 공정이 알려져 있을 뿐이다. 즉, 본원발명에서와 같이 니트로소기를 거치지 않고 니트로화 반응을 수행하는 공정은 알려진 바 없다.
벨라미는 HArIW을 합성한 후에, 아세트산 무수물과 염화아세틸 등을 단독 혹은 용매와 함께 사용하여 가수소 분해 반응시키는 두 번째 단계에서 5 원 고리에 있는 N 원자 4 개의 아릴메틸기는 쉽게 아실기로 바뀌지만 6 원 고리에 있는 N 원자 2 개의 아릴메틸기는 쉽게 전환되지 않는 것을 발견하였다. 이에 기초하여, 헥사벤질헥사아자이소부르치탄(hexabenzylhexaazaisowurtzitane, HBIW)으로부터 벤질기를 아세틸화하여 테트라아세틸디벤질헥사아자이소부르치탄 (tetraacetyl- dibenzylhexaaza-isowurtzitane, TADBIW)을 얻었으며, 이 TADBIW으로부터 HNIW를 합성할 수 있다고 보고하였으나, 구체적인 HNIW의 합성 방법 및 수율 등은 언급되어 있지 않다(Bellamy, A.T. Tetrahedron 1995, 51, 4711). 이에 대해, 이후의 고다마 등이 개시한 바 및 본 발명자들의 연구에 의하면, 이 TADBIW는 니트로화 반응 조건에 불안정하며, 방향족 니트로화물이 부산물로 생성되어 HNIW의 수율이 매우 저조하다.
한편, 닐슨은 벨라미의 방법과 대동소이하나 탈벤질화하면서 아세틸기 도입을 증가시키기 위하여 소량의 브로모벤젠이나 벤질 브로마이드를 첨가하였으며, TADBIW로부터 HNIW를 제조하기 위하여 NOBF4등의 니트로소화제와 NO2BF4등의 니트로화제를 순차적으로 사용하였다(Nielson, A.T. USP 5,693,794). 이와 같은 방법에서는 최종적인 HNIW의 합성이 TADBIW에서 N 원자의 치환기를 니트로소기로 치환한 후에, 니트로기로 전환시키는 2 단계로 구성되는 공정상의 단점이 있을 뿐만 아니라, NOBF4및 NO2BF4이 고가의 시약이므로 경제적인 측면에서도 바람직하지 못한 단점이 있다.
또한, 와들 등은 상용 Pd/C 촉매가 물을 포함하고 있으므로 물을 제거시켜 촉매를 적게 사용할 수 있으며, TADBIW에 포름산을 넣고 다시 한번 환원하여 나머지 두 개의 벤질기가 포밀기로 전환된 테트라아세틸디포밀헥사아자이소부르치탄 (TADFIW)을 개시하였다. 하지만, HNIW의 제조 방법에 관한 구체적인 언급이 전혀 없다(Wardle, R.B.; Edwards, W.W. USP 5,739,325).
한편, 고다마는 HBIW에 염화 2-트리메틸실릴에틸포밀을 반응시켜 헥사키스-2-트리메틸실릴에틸포밀헥사아자이소부르치탄을 얻고 이로부터 HNIW을 합성하였다고 보고하였으나, 수율에 대한 언급은 없다(Kodama, T. Jpn. Kokai Tokkyo Koho JP. 1994, 321962). 또한, 고다만 등이 사용한 염화 2-트리메틸실리에틸포밀은 그 시약을 구입하기 힘들 뿐만 아니라, 반응이 진행함에 따라 HCl이 발생하여 HBIW의 골격을 파괴시킬 가능성이 있다.
이 후 고다마 등은 HBIW의 가수소 분해 반응에서 N-아세톡시숙신산이미드를 아실화제로 아세트산 무수물과 함께 사용하여 벨라미보다 더 좋은 수율로 TADBIW을 얻을 수 있었으며 닐슨이나 와들 등의 수율과는 대동소이하다(Kodama, T.; Tojo, M; Ikeda, M. Jpn. Tokko Koho JP. 1994, 321962). 하지만, 이 경우에 수율은 벨라미의 방법보다는 좋으나(약 75% 정도) 특수 아실화제를 사용함에 따라 반응후 처리를 한번 더 해야하는 단점과 그 아실화제 자체를 구입하는 데 어려움이 있다. 한편, 고다마 등은 이 TADBIW을 아세트산에 녹인 후 Pd/C 촉매를 넣고 가수소 분해 반응으로 테트라아세틸헥사아자이소부르치탄(TAIW)을 얻고, 이 TAIW로부터 염화아세틸을 가하여 헥사아세틸헥사아자이소부르치탄(HAIW)도 얻었음을 개시하였다. 뿐만 아니라 그들은 TADBIW로부터 니트로소화 반응을 통해 테트라아세틸디니트로소헥사아자이소부르치탄을 얻은 후에, 테트라아세틸디니트로헥사아자이소부르치탄과 HNIW를 순차적으로 얻었다(Kodama, T.; Tojo, M; Ikeda, M., PCT. Int. Appl., WO 23792/1996).
전술한 바와 같이, 여러가지의 IW 유도체가 HNIW 합성에 적합한 전구물질로서 제시되어 있지만, 직접적인 니트로화 반응을 통해 HNIW를 제조할 수 있는 것으로 알려진 것은 전혀 없다.
따라서, 본 발명은 높은 수율로 HNIW를 합성할 수 있는 전구 물질이며, 쉽게 구입할 수 있는 통상의 아실화제를 이용하여 아릴메틸기를 아실기로 치환하여 제조할 수 있는 IW 유도체를 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 이러한 IW 유도체를 이용하여 HNIW를 합성하는 방법을 제공하고자 하는 것이기도 하다.
본 발명은 다음 화학식 1을 갖는 폴리아실헥사아자이소부르치탄(AIW: polyacyl-2,4,6,8,10,12-hexaazatetracyclo[5.5.0.05,9.03,11] dodecane) 유도체를 제공하는데:
식 중, X는 RCO(여기서, R은 H 또는 C1∼C10의 알킬기임)이며, X'는 H 또는 R'CO(여기서, R'은 H 또는 C1∼C10의 알킬기임)이며, X"는 H 또는 R"CO(여기서, R"은 H 또는 C1∼C10의 알킬기임)이며, R, R' 및 R"은 동일하거나 상이할 수 있다.
본 발명의 폴리아실헥사아자이소부르치탄(AIW)은 4 개 이상의 아실기로 치환된 헥사아자이소부르치탄 유도체를 나타내는 것으로, 특히 상기 R 및 R'로는 아세틸기가 바람직하며, R"로는 수소 또는 포밀기가 바람직하다. 또한, 본 발명의 AIW의 대표적인 화합물로는 펜타아세틸헥사아자이소부르치탄(PAIW)이나 펜타아세틸모노포밀헥사아자이소부르치탄(PAMFIW)을 들 수 있다.
이러한 본 발명의 AIW 유도체는 헥사아릴메틸헥사아자이소부르치탄(HArIW; 2,4,6,8,10,12-hexaarylmethyl-2,4,6,8,10,12-hexaazatetracyclo[5.5.0.05,9.03,11] dodecane)으로부터 다음 반응식 1과 같이 제조할 수 있다.
상기 식 중에서, 아실화제는 통상의 카르복실산, 그의 무수물이나 염화물, 및 그의 혼합물 중에서 선택된 것이며, 촉매는 가수소 환원 반응에서 일반적으로 사용되는 Pd, Pt, Rh, Ru, Ni 등의 금속 및 이를 함유하는 화합물 중에서 선택된 것이다.
상기 반응식 1의 HArIW는 헥사아릴메틸헥사아자이소부르치탄을 나타내며, 아릴기는 페닐 혹은 치환된 페닐기를 나타내며, 그의 치환체로는 o-, m-, p-클로로, 메틸, 메톡시 등을 들 수 있다. 특별히 이에 국한되는 것은 아니지만, 대체로 치환기가 없는 화합물, 즉 헥사벤질헥사아자이소부르치탄(HBIW)이 바람직하다.
상기 반응식 1의 첫 번째 단계는, HArIW를 가수소 분해 반응으로 아릴메틸기를 제거하면서 동시에 아실기를 도입하는 것인데, 반응 조건에 따라 아릴메틸기 6 개가 모두 아실기로 전환될 수 있으나, 전환된 아실기중 일부가 재차 환원되어 알킬기로 변환되는 경우도 있다. 본 발명에서는 아실기가 알킬기로 전환되지 않는 완화된 조건에서 6 개의 아릴메틸기 중 일부를 아실기로 전환시키는 조건에서 반응을 수행한다. 일반적으로, 가수소 분해반응은 가수소 환원 반응 조건과 거의 비슷한데, 상기 반응식 1의 첫 단계에서 사용된 촉매, 수소 분압, 아실화제, 용매, 반응 온도는 다음과 같다.
먼저, 촉매는 가수소 환원 반응에서 일반적으로 사용되는 Pd, Pt, Rh, Ru, Ni 등의 금속 및 이를 함유하는 화합물을 탄소, 실리카, 알루미나 등의 담체에 담지시킨 형태로 이용하며, 쉽게 구입할 수 있는 Pd/C 또는 Pd(OH)2/C 등을 사용할 수 있다. 반응 조건은 기지의 통상 범위로 수행할 수 있는데, 사용 촉매량은 HArIW에 대해 중량비로 0.001∼1 정도가 바람직하다. 또한, 수소 분압은 1∼200 기압, 반응시간은 0.1∼200 시간, 반응 온도는 0∼200 ℃가 적합하다.
또한, 상기 반응식 1 중 첫 단계의 아실화제는 (R1CO)2O의 카르복실산 무수물이 바람직한데, 여기서 R1은 H 또는 C1∼C10의 알킬기이다. 특히, 아세트산 무수물이나 프로피온산 무수물이 적합하다. 이러한 아실화제는 단독으로 혹은 용매와 혼합하여 사용할 수 있다.
용매로는 벤젠, 톨루엔, 아세트산에틸, THF, DMF 등 HArIW를 녹일 수 있는 물질은 모두 사용 가능하나, DMF, 디메틸아세트아미드, N-메틸피롤리디논 등의 아미드 계열의 용매를 단독으로 혹은 다른 용매와 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다. 일반적으로 이러한 가수소 분해 반응에서 수율을 높이기 위해서는 벤질기가 제거된 후 아실기가 도입되는 단계가 빨라야 하는데, 그렇지 못하면 IW 골격이 분해되며 분해된 물질은 촉매의 활성을 떨어뜨린다. 따라서, 브로모벤젠기나 벤질브로마이드를 사용하고 또한, DMF와 같은 아미드류의 용매를 사용하면 아실화 반응을 촉진시킬 뿐만 아니라 약간의 염기성을 띠므로 IW 골격이 안정화될 수 있다. 따라서, 본 발명 전체 공정에 있어서, 용매로는 아미드계 용매가 특히 바람직하다.
상기 반응식 1의 첫 단계 반응은 HArIW, 아실화제, 용매, 촉매를 넣고 수소 분압을 맞춘 후 온도를 0∼200 ℃로 유지하여 교반하면서 수행한다. 반응이 끝나면 용매를 감압 증류하여 제거한다. 그 잔유물에 첫 번째 아실화제와 같거나 다른 두 번째 아실화제를 단독으로 또는 용매와 혼합하여 첨가한 후 반응 온도를 0∼200 ℃로 유지하여 교반하면서 상기 반응식 1의 두 번째 단계의 반응을 수행한다.
상기 반응식 1의 두 번째 단계에서 아실화제는 카르복실산, 그의 염화물이나 무수물, 및 그의 혼합물을 사용할 수 있으며, 이들을 R2CO2H, R2COX 또는 (R2CO)2O로 나타낼 수 있는데, 여기서 R2는 H 또는 C1∼C10의 알킬기이고, X는 할로겐 원소이다.
반응 조건은 아실화제에 따라 약간씩 다르나 아실화제가 용매의 역할을 겸할 수 있어 단독으로 사용할 수 있으며, 용매를 사용하는 경우 상기 반응식 1의 첫 번째 단계에서 전술한 바와 같다. 또한, 촉매도 상기 반응식 1의 첫 단계에서 사용한 촉매를 그대로 사용하거나 동일하거나 상이한 촉매를 추가할 수도 있으며, 수소의 분압은 0∼100 기압, 반응온도 0∼200 ℃, 반응시간 0.1∼100 시간이 적합하다. 여기서 수소 분압 0 기압은 수소를 사용하지 않는 것을 의미하며 아실화제에 따라 이 조건에서도 반응이 충분히 진행된다. 이상과 같은 방법으로 반응식 1의 두 번째 단계 반응이 종결되면, 감압 증류하여 용매를 제거함으로써 목적하는 본 발명의 폴리아실헥사아자이소부르치탄(AIW)를 얻을 수 있다.
이상과 같은, 상기 반응식 1의 두 번째 단계의 반응은 4 개 이상의 아실기가 치환된 헥사아자이소부르치탄 유도체, 예컨대 펜타아세틸헥사아자이소부르치탄 (PAIW) 등에 추가로 반복 실시될 수도 있다.
상기 반응식 1의 첫 번째 단계로부터 테트라아실헥사아자이소부르치탄을 합성한 후에, 두 번째 단계의 아실화 반응을 통해 본 발명의 폴리아실헥사아자이소부르치탄(AIW)을 제조할 수도 있다. 특히, HBIW를 출발 물질로 하여 테트라아세틸디벤질헥사아자이소부르치탄(TADBIW)을 제조할 수 있으며, 이 TADBIW로부터 또는, 이를 가수소 환원 반응시킨 후에 생성되는 테트라아세틸헥사아자이소부르치탄(TAIW)로부터, 본 발명의 AIW를 제조할 수 있다.
본 발명에서 구입이 용이한 통상의 아실화제를 사용하고, 아미드류의 용매를 사용한다는 것 또한 본 발명의 특징 중의 하나이며, 반응이 끝나면 메탄올 등을 첨가하여 정제할 수 있다.
또한, 종래 기술에 의해 제조된 헥사아자이소부르치탄 유도체로부터도 본 발명의 AIW를 제조할 수 있는데, 벨라미 등이 얻은 TADBIW로부터 다음 반응식 2와 같이 본 발명의 AIW를 제조할 수도 있는데:
상기 식 중에서, 아실화제, 촉매 및 반응 조건은 상기 반응식 1의 두 번째 반응 단계에서 전술한 바와 같다.
고다마 등이 얻은 TAIW로부터도 다음 반응식 3과 같이 본 발명의 AIW를 제조할 수 있는데:
상기 식 중에서, 아실화제는 상기 반응식 1의 두 번째 반응 단계에서 사용한 것과 동일하며, 이 경우에는 촉매 없이 반응이 수행된다.
본 발명의 AIW로부터 다음 반응식 4에서와 같이 HNIW를 얻을 수 있는데:
상기 식 중에서, 니트로화제는 니트로화 반응이나 니트로 분해 반응에 이용되는 시약을 의미하는 것으로, HNO3, HNO3-Ac2O, HNO3-H2SO4, HNO3-P2O5, HNO3-(CF3CO)2O, N2O5, NOBF4, 및 NOCl 등으로 이루어진 군 중에서 선택된 것이며, 그 중에서도 특히 HNO3-H2SO4가 바람직하다.
상기 반응식 4의 니트로화 반응은 상기 반응식 1∼3을 수행한 후에 연속적으로 수행할 수도 있는데, 각 반응이 끝나고 촉매를 여과한 후 용매를 감압 증류하여 제거하고, 바로 니트로화제를 첨가하여 -20∼100 ℃에서 0.1∼100 시간 교반하면 HNIW를 흰색 고체로 얻을 수 있다.
본 발명의 HNIW 제조 방법은 니트로소기로 치환하는 단계 없이 직접 니트로화 반응을 수행함으로써, 좀더 우수한 수율로 HNIW를 제조할 수 있다는 장점이 있다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명하고자 하지만, 본 발명이 이에 국한 되는 것은 아니다.
실시예 1
고압 반응기에서 HBIW(2.13 g, 3.0 mmol), 브로모벤젠(0.03 mL, 0.3 mmol)을 DMF(30 mL)와 아세트산 무수물(Ac2O: 10 mL)에 녹이고 10% Pd/C(1.0 g, 0.94 mmol)을 넣었다. 이 혼합물의 온도를 60 ℃로 올린 후 수소 압력을 3 기압으로 고정하여 10 시간 반응시켰다. 반응 후 진공 증류하여 용매를 제거한 후, 아세트산(30 mL)를 넣어 수소 압력을 1 기압으로 고정하고, 60 ℃에서 10 시간 동안 교반하였다. 다시 반응 혼합물에 Ac2O(20 mL)을 넣고 60 ℃에서 24 시간 동안 교반하였다. 촉매를 여과하고 모액을 진공 증류하여 제거하고 남은 잔류물에 메탄올을 넣어 결정화시킨 후 이 고체를 여과하여 흰색 고체인 펜타아세틸헥사아자이소부르치탄(PAIW, 0.81 g, 72%)을 얻었다.
mp 288-292 ℃;1H-NMR(DMSO-d6) δ 1.90∼2.12(m, 12H, CH3), 2.31(s, 3H, CH3), 4.60∼4.90(m, 1H, NH), 5.48∼5.70(m, 2H, CH), 6.20∼6.96(m, 4H, CH); EI-MS (m/z) 378(M+).
실시예 2
상기 실시예 1에서와 같이 HBIW를 반응 시킨후에 촉매를 제거하고 용매를 진공 증류하여 제거하고, 잔류물에 85% HCO2H(10 mL)를 넣고 60 ℃에서 10 시간 교반하였다. 그후 다시 용매를 감압 증류로 제거한 후 잔류무에 메탄올을 넣어 결정화시킨 후 여과하여 펜타아세틸모노포밀헥사아자이소부르치탄(PAMFIW: 0.84 g, 69%)을 얻었다.
mp 220-235 ℃;1H-NMR(CDCl3) δ 2.03∼2.19(m, 12H, CH3), 2.43(s, 3H, CH3), 6.00∼7.10(m, 6H, CH), 8.33(s, 1H, CHO); EI-MS (m/z) 406(M+).
실시예 3
고압 반응기에서 HBIW(2.13 g, 3.0 mmol), 브로모벤젠(0.03 mL, 0.3 mmol)을 DMF(30 mL)와 아세트산 무수물(10 mL)에 녹이고 10% Pd/C(1.0 g, 0.94 mmol)을 넣는다. 이 혼합물을 60 ℃로 가열한 후 수소의 압력을 3 기압으로 고정시키고 10 시간 교반시킨다. 그 후 촉매는 여과하여 제거하고, 모액을 진공 증류하여 제거시킨 후 그 잔류물을 메탄올로 씻어 흰색 고체인 테트라아세틸디벤질헥사아자이소부르치탄(TADBIW, 1.32 g, 85%)을 얻었다. 이 물질의 NMR 스펙트럼은 공지된 자료와 일치하는 것이다.
비교예 1
DMF를 사용하지 않고 THF만 사용하여 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 HBIW의 벤질기를 제거하면서 아세틸기로 전환시키면 35%의 수율로 TADBIW를 얻을 수 있다. 이와 같이 아미드계 용매를 사용하지 않은 반응 수율이 현저히 저하되는 결과로부터, 본 발명의 용매로서 아미드계 용매가 바람직함을 알 수 있다.
실시예 4
PAIW(1.0 g, 2.65 mmol)에 85% HCO2H(10 mL)를 넣고 60 ℃에서 10 시간 교반하였다. 용매를 감압 증류로 제거한 후 잔류물에 메탄올을 넣어 결정화시킨 후 여과하여 흰색 고체인 펜타아세틸모노포밀헥사아자이소부르치탄(PAMFIW, 1.02 g, 95%)를 얻었다.
실시예 5
TADBIW(1.55 g, 3.0 mmol)를 아세트산(30 mL)에 녹이고 10% Pd/C(1.0 g, 0.94 mmol)을 넣고 이 혼합물을 60 ℃로 올린 후 수소 압력을 1 기압으로 고정하여 10 시간 교반하였다. 이 반응 혼합물에 Ac2O(20 mL)를 넣은 후 다시 60 ℃에서 24 시간 교반하였다. 반응후 촉매를 여과하고 용매를 진공 증류하여 펜타아세틸헥사아자이소부르치탄(PAIW, 0.96 g, 85%)를 얻었다.
실시예 6
TADBIW(1.55 g, 3.0 mmol)을 아세트산(30 mL)에 녹이고 10% Pd/C(1.0 g, 0.94 mmol)을 넣고 이 혼합물을 60 ℃로 올린 후 수소 압력을 1 기압으로 고정하여 10 시간 교반하였다. 반응 혼합물에 Ac2O(20 mL)를 넣은 후 다시 60 ℃에서 24 시간 동안 교반하였다. 반응후 촉매를 여과하고 용매를 감압 증류로 제거한 후 그 잔류물에 85% HCO2H(20 mL)을 넣고 60 ℃에서 10 시간 교반하였다. 반응을 마치고, 용매를 감압 증류로 제거한 후 잔류물에 메탄올을 첨가하여 결정을 생성시키고 여과하여 흰색 고체 PAMFIW(0.99 g, 81%)를 얻었다.
실시예 7
TAIW(1.0 g, 2.95 mmol)에 아세트산(15 mL)과 아세트산 무수물(10 mL)을 넣고 60 ℃에서 24 시간 교반하였다. 용매를 진공 증류로 제거하여 PAIW(1.06 g, 95%)를 얻었다.
실시예 8
TAIW(1.0 g, 2.95 mmol)에 아세트산(15 mL)과 아세트산 무수물(55 mL, 59 mmol)을 넣고 60 ℃에서 24 시간 교반하였다. 용매를 감압 증류로 제거한 후, 그 잔류물에 85% HCO2H(20 mL)을 넣고 60 ℃에서 10 시간 교반한다. 반응후 용매를 감압 증류로 제거한 후 잔류물에 메탄올을 넣어 결정화시킨 후 여과하여 흰색 고체 PAMFIW(1.09 g, 91%)를 얻었다.
실시예 9
PAIW(1.0 g, 2.65 mmol)에 진한 질산(5 mL)과 진한 황산(5 mL)을 넣고 60 ℃에서 10 시간 교반하였다. 반응 혼합물을 물에 넣으면 흰색 고체가 생성되면 여과하여 HNIW(1.13 g, 97%)를 얻었다. 이 물질의 NMR 자료는 기존의 문헌에 보고된 내용과 같다.
실시예 10
PAMFIW(0.5 g, 1.23 mmol)을 이용하여 상기 실시예 9와 동일한 방법으로 HNIW(0.52 g, 96%)을 얻었다.
실시예 11
HBIW(2.0 g, 2.82 mmol)을 이용하여 실시예 1과 같이 수행하여 PAIW를 제조한 후에, 이를 분리하지 않고 연속적으로 상기 실시예 9에서와 같은 방법을 적용하여, 분리 공정 없이 HNIW(0.83 g, 67%)를 얻었다.
실시예 12
HBIW(2.0 g, 2.82 mmol)을 이용하여 상기 실시예 2와 같이 수행하되 PAMFIW를 제조한 후에, 상기 실시예 11에서와 같이 분리 공정 없이 HNIW(0.82 g, 66%)를 얻었다.
HNIW는 복합화약 및 로켄 추진제 원료로 매우 유망한 화합물로 알려져 있는데, 이상과 같이, 본 발명의 AIW 유도체를 이용하여 니트로소기 치환 단계 없이 니트로화 반응을 수행함으로써 좀더 효율적으로 HNIW를 제조할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (14)

  1. 다음 화학식 1을 갖는 폴리아실헥사아자이소부르치탄(AIW: polyacyl-2,4,6,8,10, 12-hexaaza-tetracyclo [5.5.0.05,9.03,11]dodecane) 유도체와 그의 이성질체:
    화학식 1
    식 중, X는 RCO(여기서, R은 H 또는 C1∼C10의 알킬기임)이며, X'는 H 또는 R'CO(여기서, R'은 H 또는 C1∼C10의 알킬기임)이며, X"는 H 또는 R"CO(여기서, R"은 H 또는 C1∼C10의 알킬기임)이며, R, R' 및 R"은 동일하거나 상이한 것임.
  2. 제 1 항에 있어서, 펜타아세틸헥사아자이소부르치탄(PAIW) 또는 펜타아세틸모노포밀헥사아자이소부르치탄(PAMFIW)인 폴리헥사아자이소부르치탄 유도체.
  3. a) 헥사아릴메틸헥사아자이소부르치탄(HArIW; 2,4,6,8,10,12-hexaarylmethyl -2,4, 6,8,10,12-hexaazatetracyclo[5.5.0.05,9.03,11] dodecane)을, Pd, Pt, Rh, Ru 및 Ni로 이루어진 군 중에서 선택된 금속 및 이를 함유하는 화합물의 탄소, 실리카 또는 알루미나에 담지시킨 형태의 금속 촉매 및 유기 용매의 존재 하에서, H2를 가압하며 (R1CO)2O의 카르복실산 무수물(여기서, R1은 H 또는 C1∼C10의 알킬기임)을 아실화제로 사용하여 반응시키고,
    b) 상기 반응이 종결된 후에 용매를 제거하여 그 잔류물에, 상기 a) 단계의 아실화제와 동일하거나 상이하고, (R2CO)2O, R2COX 및 R2COOH(여기서, R2은 H 또는 C1∼C10의 알킬기이며, X는 할로겐 원소임)으로 구성되는 군 중에서 선택된 아실화제를 단독으로 또는 유기 용매와 혼합하여 반응시키는 것으로 이루어지는, 제 1 항의 폴리아실헥사아자이소부르치탄(AIW)의 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 금속 촉매를 제거한 후에, 상기 b) 단계를 추가로 반복 실시하는 것으로 이루어지는 방법.
  5. 테트라아세틸디아릴헥사아자이소부르치탄(TADArIW)를, Pd, Pt, Rh, Ru 및 Ni로 이루어진 군 중에서 선택된 금속 및 이를 함유하는 화합물의 탄소, 실리카 또는 알루미나에 담지시킨 형태의 금속 촉매 및 유기 용매의 존재 하에서 H2를 가압하며, (R2CO)2O, R2COX 및 R2COOH(여기서, R2은 H 또는 C1∼C10의 알킬기이며, X는 할로겐 원소임)으로 구성되는 군 중에서 선택된 아실화제를 단독으로 또는 유기 용매와 혼합하여 반응시키는 것으로 이루어지는, 제 1 항의 폴리아실헥사아자이소 부르치탄(AIW)의 제조 방법.
  6. 헥사니트로헥사아자이소부르치탄(HNIW:2,4,6,8,10,12 - hexanitro-2,4,6,8, 10,12-hexaazatetracyclo[5.5.0.05,9.03,11] dodecane)의 제조 방법으로서, 다음 화학식 1을 갖는 폴리아실헥사아자이소부르치탄(AIW) 유도체와 그의 이성질체를 니트로화제와 반응시키는 것으로 이루어지는 헥사니트로헥사아자이소부르치탄 (HNIW)의 제조 방법:
    화학식 1
    식 중, X는 RCO(여기서, R은 H 또는 C1∼C10의 알킬기임)이며, X'는 R'CO(여기서, R'은 H 또는 C1∼C10의 알킬기임)이며, X"는 H 또는 R"CO(여기서, R"은 H 또는 C1∼C10의 알킬기임)이며, R, R' 및 R"은 동일하거나 상이한 것임.
  7. 헥사니트로헥사아자이소부르치탄(HNIW)의 제조 방법으로서,
    a) 헥사아릴메틸헥사아자이소부르치탄(HArIW)을, Pd, Pt, Rh, Ru 및 Ni로 이루어진 군 중에서 선택된 금속 및 이를 함유하는 화합물의 탄소, 실리카 또는 알루미나에 담지시킨 형태의 금속 촉매 및 유기 용매의 존재 하에서, H2를 가압하며 (R1CO)2O의 카르복실산 무수물(여기서, R1은 H 또는 C1∼C10의 알킬기임)을 아실화제로 사용하여 반응시키고,
    b) 상기 a) 단계 반응이 종결된 후에 용매를 제거하여 그 잔류물에, 상기 a) 단계의 아실화제와 동일하거나 상이하고, (R2CO)2O, R2COX 및 R2COOH(여기서, R2은 H 또는 C1∼C10의 알킬기이며, X는 할로겐 원소임)으로 구성되는 군 중에서 선택된 아실화제를 단독으로 또는 유기 용매와 혼합하여 반응시키고,
    c) 상기 b) 단계 반응이 종결된 후에 촉매를 여과하고 용매를 제거한 후에 니트로화제를 첨가하여 반응시키는 것으로 이루어지는 헥사니트로헥사아자이소 부르치탄(HNIW)의 제조 방법.
  8. 제 3 항, 5 항 또는 7 항에 있어서, 상기 유기 용매로서 아미드류의 용매를 포함하는 용매를 사용하는 방법.
  9. 제 3 항 또는 7 항에 있어서, 상기 HArIW로서 헥사벤질헥사아자이소부르치탄 (HBIW)를 사용하는 방법.
  10. 제 3 항 또는 7 항에 있어서, 상기 a) 단계에서 테트라아세틸디아릴헥사아자이소부르치탄(TADArIW)을 제조하고, b) 단계를 수행하는 것으로 이루어지는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 a) 단계에서 생성된 테트라아세틸디아릴메틸헥사아자이소부르치탄(TADArIW)과, b) 단계에서 생성된 펜타아세틸헥사아자이소부르치탄 (PAIW) 또는 펜타아세틸모노포밀헥사아자이소부르치탄(PAMFIW)을 분리하지 않고 니트로화제와 반응시키는 것으로 이루어지는 헥사니트로헥사아자이소부르치탄(HNIW)의 제조 방법.
  12. 제 6 항, 7 항 또는 11 항에 있어서, 상기 니트로화제로서 NO2BF4, NO2Cl, NO2F, N2O5, HNO3, HNO3-H2SO4, HNO3-(CH3CO)2O, HNO3-(CF3CO)2O, HNO3-HClO4및 HNO3-P2O5로 이루어진 군 중에서 선택된 것을 사용하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 니트로화제로서 HNO3-H2SO4를 사용하는 방법.
  14. 제 6 항에 있어서, 상기 폴리아실헥사아자이소부르치탄(AIW)으로서 펜타아세틸헥사아자이소부르치탄(PAIW), 펜타아세틸모노포밀헥사아자이소부르치탄(PAMFIW), 헥사아세틸이소부르치탄(HAIW), 테트라아세틸이소부르치탄(TAIW) 및 테트라아세틸디포밀헥사아자이소부르치탄(TADFIW)으로 이루어진 군 중에서 선택된 헥사아자이소부르치탄 유도체를 사용하는 방법.
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