阮宏偉， 凌亦飛， 王桂香， 羅 軍

(南京理工大學(xué)化工學(xué)院， 江蘇 南京 210094)

1 引 言

金剛烷具有三維籠狀碳骨架，結(jié)構(gòu)緊密，具有很好的熱穩(wěn)定性，是一類重要的有機(jī)化合物，可廣泛用于藥物、航空航天、功能高分子、含能材料等領(lǐng)域[1]。若在金剛烷的環(huán)上引入一些高能或氧化基團(tuán)，如硝基、硝酰氧基等，得到的硝基和硝酰氧基金剛烷具有較高的密度、爆速、爆壓及能量[2-5]。自1980年Sollott等[6-7]以金剛烷為原料合成出1,3,5,7-四硝基金剛烷以來(lái)，人們已相繼合成了多種硝基和硝酰氧基金剛烷，其中包括: 1,3,5,7-四硝酰氧基金剛烷[8]，2,2,6,6-四硝基金剛烷[9-10]，2,2,4,4-四硝基金剛烷[11-12]，2,2,4,4,6,6-六硝基金剛烷[13-14]，1,2,2-三硝基金剛烷[15]和4,4,8,8-四硝基金剛烷-2,6-二醇二硝酸酯[16]。此外，用一個(gè)或多個(gè)氮原子替換金剛烷環(huán)上碳原子可以提高密度、爆速、爆壓及其能量[17]。因此，硝基和硝酰氧基氮雜金剛烷類化合物是一類具有較好應(yīng)用前景的含能材料。目前關(guān)于硝基和硝酰氧基氮雜金剛烷的合成報(bào)道較少[18]，僅有3,5,7-三硝基-1-氮雜金剛烷[19]和2,4,10-三硝基-2,4,10-三氮雜金剛烷[20]。

本研究以一氮雜金剛烷為母體，在其骨架上引入兩個(gè)硝酰氧基和一個(gè)硝基，合成了一種新的氮雜金剛烷化合物—2-硝基-2-氮雜金剛烷-4,8-二醇二硝酸酯，表征了其結(jié)構(gòu)和熱性能。研究了硝化反應(yīng)因素對(duì)2-硝基-2-氮雜金剛烷-4,8-二醇二硝酸酯收率的影響，確定了最佳的反應(yīng)條件，并預(yù)估了目標(biāo)化合物的爆轟性能。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 合成路線

合成路線見(jiàn)Scheme 1。

Scheme 1

2.2 儀器與試劑

儀器: Nicolet傅里葉變換紅外光譜儀(美國(guó)Thermofisher公司); Bruker Avance-Ⅲ DRX 500 MHz核磁共振儀(德國(guó)Bruker公司); Vario EL-Ⅲ型元素分析儀(德國(guó)Elemetar公司); WRS-1B數(shù)字熔點(diǎn)儀(上海申光儀器儀表有限公司); Finnigan TSQ Quantumultra AM型質(zhì)譜儀(美國(guó)Thermal公司); SDT Q600 DSC-TGA同步熱分析儀(美國(guó)TA儀器公司)。

試劑: 雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二酮(自制[21]); 氨氣(南京上元工業(yè)氣體廠); 其它試劑均為分析純，使用前未經(jīng)處理。

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.3.1 雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二烯(3)的合成

雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二烯采用兩步法(即腙化、消除)合成[22]，具體步驟如下:

腙化: 將2.25 g(14.82 mmol)雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二酮溶于60 mL甲醇中，加入6.6 g(35.5 mmol)對(duì)甲苯磺酰肼，加熱回流4 h后，冷卻，抽濾得淺黃色固體，再用少量乙醇洗滌，真空干燥，得6.75 g(13.81 mmol)白色固體2，收率93%。

消除: 將15.6 mL(15.6 mmol)i-Pr2NH、57 mL(493 mmol)四甲基乙二胺(TMEDA)加入到250 mL三口燒瓶中，0 ℃下磁力攪拌，再在氮?dú)獗Ｗo(hù)下慢慢滴入1.6 mol·L-1的n-BuLi/正己烷溶液45 mL(72 mmol)，將6.75 g(13.81 mmol)化合物2慢慢加入到上述體系，加料過(guò)程持續(xù)約15 min，加料過(guò)程中有大量氣泡產(chǎn)生; 加料完畢后，再常溫?cái)嚢?5 h。反應(yīng)結(jié)束后，0 ℃下緩慢滴加50 mL水淬滅反應(yīng)，分液，有機(jī)相再分別用10%的稀鹽酸100 mL、飽和碳酸氫鈉溶液80 mL、飽和食鹽水80 mL洗滌，洗滌后的有機(jī)相用無(wú)水硫酸鈉干燥，過(guò)濾，40 ℃下減壓蒸餾得1.16 g(9.71 mmol)淺黃色油狀液體3，收率70%。

1H NMR (CDCl3, 500 MHz)δ: 5.79～5.71 (m, 2H), 5.66 (ddd,J1=1.20 Hz,J2=4.8 Hz,J3=9.95 Hz, 2H), 2.50～2.43 (m, 2H), 2.23 (ddd,J1=2.1 Hz,J2=3.60 Hz,J3=18.55 Hz, 2H), 1.86 (dd,J1=4.70 Hz,J2=17.70 Hz, 2H), 1.70 (t,J=2.90 Hz, 2H);13C NMR (CDCl3, 126 MHz)δ: 131.88, 125.15, 30.86, 28.68, 28.36。

2.3.2 2,3;6,7-二環(huán)氧雙環(huán)[3.3.1]壬烷(4)的合成

在250 mL單口瓶中加入5.76 g(85%, 28.41 mmol)間氯過(guò)氧苯甲酸(MCPBA)、60 mL二氯甲烷，0 ℃下攪拌10 min后，向體系緩慢滴入1.42 g(11.80 mmol)化合物3的二氯甲烷溶液60 mL，滴加完畢后，常溫?cái)嚢?4 h。反應(yīng)結(jié)束后，慢慢滴入10%的亞硫酸氫鈉水溶液40 mL，攪拌至水相不再使淀粉-KI試紙變藍(lán)。分液，有機(jī)相再用5%的碳酸氫鈉水溶液80 mL洗滌，收集有機(jī)相，水相繼續(xù)用二氯甲烷萃取兩次，合并有機(jī)相，用無(wú)水硫酸鈉干燥，過(guò)濾，減壓蒸餾得白色黏稠液體。中性氧化鋁柱層析，石油醚/乙醚(V∶V=5∶1)洗脫，得1.25 g(8.20 mmol)白色固體4，收率70%，m.p.171.6～173.2 ℃(文獻(xiàn)值[23]: m.p.173～174 ℃)。

1H NMR (CDCl3, 500 MHz)δ: 3.17～3.06 (m, 2H), 2.97～2.86 (m, 2H), 2.16 (dd,J1=6.85 Hz,J2=15.75 Hz, 2H), 2.10～2.00 (m, 2H), 1.88 (dd,J1=4.70 Hz,J2=15.75 Hz, 2H), 1.42 (t,J=2.95 Hz, 2H);13C NMR (CDCl3, 126 MHz)δ: 56.58, 50.15, 26.53, 24.41, 18.63; IR (KBr,ν/cm-1): 2913, 1446 (C—H), 1267, 825, 780 (C—O—C); Anal. calcd for C9H12O2: C 71.03, H 7.95; found: C 71.09, H 7.97。

2.3.3 2-氮雜金剛烷-4,8-二醇(5)的合成

將0.8 g(5.26 mmol)化合物4、5.5 mL甲醇依次加入到35 mL厚壁耐壓瓶中，再加入6 mL飽和的氨氣甲醇溶液(飽和的氨氣甲醇溶液制備: 向0 ℃下的甲醇緩慢通入氨氣1 h)，密封后，120 ℃下加熱18 h。反應(yīng)過(guò)程中有白色固體析出，反應(yīng)結(jié)束后，冷卻，抽濾得0.78 g白色固體。再用乙醇重結(jié)晶，得0.7 g(4.13 mmol)白色晶體5，收率79%，m.p.322.4～323.9 ℃(文獻(xiàn)值[23]: m.p.321 ℃)。

1H NMR (CD3OD, 500 MHz)δ: 3.86 (t,J=3.15 Hz, 2H), 2.86～2.81 (m, 2H), 2.26 (dt,J1=2.65 Hz,J2=13.0 Hz, 2H), 1.93～1.87 (m, 2H), 1.84 (t,J=2.96 Hz, 2H), 1.65 (dt,J1=3.35 Hz,J2=13.05 Hz, 2H);13C NMR (CD3OD, 126 MHz)δ: 72.70, 51.53, 34.21, 31.04, 24.97; IR (KBr,ν/cm-1): 3291, 3256 (O—H, N—H), 2919, 1468 (C—H), 1109, 1093 (C—OH), 1061, 1049 (C—N); Anal. calcd for C9H15NO2: C 63.88, H 8.93, N 8.28; found: C 63.91, H 8.89, N 8.31; ESI-MS (m/z): 170 [M+H]+。

2.3.4 2-乙?；?2-氮雜金剛烷-4,8-二醇(6)的合成

將1 g(5.90 mmol)化合物5、1.22 mL(8.80 mmol)三乙胺、30 mL二氯甲烷依次加入到100 mL單口瓶中，0 ℃下攪拌均勻，向體系中慢慢滴加1.23 mL(13.00 mmol)乙酸酐，滴加完畢后再常溫?cái)嚢?2 h。反應(yīng)結(jié)束后，減壓蒸餾，硅膠柱層析，二氯甲烷/甲醇(V∶V=15∶1)洗脫，得1.16 g(5.49 mmol)白色固體6，收率93%，m.p.201.7～203.0 ℃。

1H NMR (DMSO-d6, 500 MHz)δ: 5.02 (d,J=3.20 Hz, 1H), 5.00 (d,J=3.30 Hz, 1H), 4.34 (s, 1H), 3.64 (s, 1H), 3.61～3.56 (m, 1H), 3.48～3.42 (m, 1H), 2.15 (dt,J1=3 Hz,J2=12.7 Hz, 1H), 2.08 (dt,J1=3 Hz,J2=12.75 Hz, 1H), 1.80～1.75 (m, 2H), 1.75～1.68 (m, 2H), 1.44 (dt,J1=3 Hz,J2=12.80 Hz, 1H), 1.29 (dt,J1=3 Hz,J2=12.75 Hz, 1H);13C NMR (DMSO-d6, 126 MHz)δ: 167.26, 69.46, 68.77, 52.53, 46.72, 31.99, 28.61, 27.75, 23.00, 21.22; IR (KBr,ν/cm-1): 3327 (O—H), 2930, 2902, 1448 (C—H), 1600 (CO); Anal. calcd for C11H17NO3: C 62.54, H 8.11, N 6.63; found: C 62.51, H 8.13, N 6.61。

2.3.5 2-硝基2-氮雜金剛烷-4,8-二醇二硝酸酯(1)的合成

將95%發(fā)煙硝酸4.0 mL(84 mmol)和20%發(fā)煙硫酸2.5 mL(42 mmol)加入到25 mL茄型瓶中，0 ℃下攪拌20 min后，慢慢加入0.6 g(2.84 mmol)化合物6，再加熱到60 ℃反應(yīng)4 h。反應(yīng)結(jié)束后，將體系迅速倒入冰水中，用二氯甲烷萃取(3×15 mL)，合并有機(jī)相，再用飽和碳酸氫鈉溶液洗滌，分液，水相繼續(xù)用二氯甲烷萃取，合并有機(jī)相，用無(wú)水硫酸鈉干燥，過(guò)濾，減壓蒸餾。硅膠柱層析，石油醚/乙酸乙酯(V∶V=5∶1)洗脫，得0.69 g(2.27 mmol)白色固體1，收率81%，m.p.107.6～109.1 ℃。

1H NMR (CDCl3, 500 MHz)δ: 5.09 (t,J=2.85 Hz, 2H), 5.07～5.03 (m, 2H), 2.37～2.30 (m, 2H), 2.27 (dt,J1=2.85 Hz,J2=14.3 Hz, 2H), 1.98 (dt,J1=2.95 Hz,J2=14.1 Hz, 2H), 1.96 (t,J=2.94 Hz, 2H);13C NMR (CDCl3, 126 MHz)δ: 53.55, 51.67, 27.98, 27.56, 24.04; IR (KBr,ν/cm-1): 2947, 1447 (C—H), 1627, 1271 (O—NO2), 1532, 1271 (N—NO2); Anal. calcd for C9H12N4O8: C 35.53, H 3.98, N 18.42; found: C 35.48, H 3.95, N 18.49。

3 結(jié)果與討論

3.1 雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二烯(3)的合成路線

關(guān)于雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二烯的合成，本研究嘗試過(guò)采用Bishop等人[24]的三步合成法(見(jiàn)Scheme 2): 先用NaBH4將雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二酮還原成相應(yīng)的二醇7，再將羥基進(jìn)行磺酸酯化得到化合物8，再將8溶解在有機(jī)強(qiáng)堿DBU中高溫?zé)嵯玫诫p環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二烯。此法第一、二步收率較高，分別為90%、92%; 但是熱消除反應(yīng)收率較低，僅72%,總收率為60%。而文獻(xiàn)[22]中的兩步法后處理簡(jiǎn)單: 第一步腙化反應(yīng)后處理抽濾、洗滌即可，第二步消除反應(yīng)后處理酸洗、水洗、減壓蒸餾即可。并且兩步法收率更高，腙化、消除兩步總收率達(dá)65%。因此本研究選用兩步法合成化合物3。

Scheme 2

3.2 硝化反應(yīng)條件優(yōu)化

本研究以硝硫混酸為硝化劑，對(duì)2-乙?；?2-氮雜金剛烷-4,8-二醇的羥基和乙?；M(jìn)行硝化，考察了n(H2SO4) :n(HNO3)、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間對(duì)硝化反應(yīng)的影響。

3.2.1 硫酸與硝酸摩爾比對(duì)硝化反應(yīng)收率的影響

控制n(6)∶n(HNO3)=1∶30，反應(yīng)溫度60 ℃，反應(yīng)4 h，考察了不同的硫酸與硝酸摩爾比對(duì)硝化反應(yīng)收率的影響，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，隨著硫酸的增加，反應(yīng)收率呈先增加后減少的趨勢(shì)，在n(H2SO4)∶n(HNO3)=1∶2時(shí)，硝化反應(yīng)收率最高。分析可能的原因是: 當(dāng)硫酸的量過(guò)少時(shí)，硝酸轉(zhuǎn)化為硝酰陽(yáng)離子的濃度低，導(dǎo)致硝化能力不強(qiáng)，硝化不徹底，收率較低; 當(dāng)硫酸的量過(guò)大時(shí)，體系的酸度增大，導(dǎo)致氮雜金剛烷骨架的分解[25]，故收率緩慢下降。因此，硫酸與硝酸的最佳摩爾比是1∶2。

表1硫酸與硝酸摩爾比對(duì)硝化反應(yīng)收率的影響

Table1Effect of the molar ratio between H2SO4and HNO3on the yield of nitrolysis reaction

n(H2SO4)∶n(HNO3)1∶41∶31∶21∶12∶1yield/%4158817764

3.2.2 反應(yīng)溫度對(duì)硝化反應(yīng)收率的影響

控制n(H2SO4)∶n(HNO3)=1∶2，反應(yīng)4 h，考察了不同的反應(yīng)溫度對(duì)硝化反應(yīng)收率的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，隨著反應(yīng)溫度的增加，反應(yīng)收率呈先增加后逐漸減少的趨勢(shì)，在反應(yīng)溫度為60 ℃時(shí)，硝化反應(yīng)收率最高，隨后再增加反應(yīng)溫度，收率反而下降，這可能是因?yàn)?，通常情況，溫度越高硝化體系硝化能力越強(qiáng)，故剛開(kāi)始溫度越高，收率增加; 但溫度太高，在強(qiáng)酸性條件下氮雜金剛烷發(fā)生開(kāi)環(huán)分解的副反應(yīng)也會(huì)相應(yīng)增加[25]，導(dǎo)致收率下降。因此，最佳反應(yīng)溫度為60 ℃。

表2反應(yīng)溫度對(duì)硝化反應(yīng)收率的影響

Table2Effect of reaction temperature on the yield of nitrolysis reaction

temperature/℃2040607080yield/%2659817975

3.2.3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)硝化反應(yīng)收率的影響

控制n(H2SO4)∶n(HNO3)=1∶2，反應(yīng)溫度為60 ℃，考察了不同的反應(yīng)時(shí)間對(duì)硝化反應(yīng)收率的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，硝化反應(yīng)收率增加，反應(yīng)4 h收率高達(dá)81%，繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，收率無(wú)明顯變化。因此，最佳反應(yīng)時(shí)間為4 h。

表3反應(yīng)時(shí)間對(duì)硝化反應(yīng)收率的影響

Table3Effect of reaction time on the yield of nitrolysis reaction

time/h12345yield/%4665768182

3.3 2-硝基-2-氮雜金剛烷-4,8-二醇二硝酸酯的熱穩(wěn)定性研究

采用SDT Q600 DSC-TGA同步熱分析儀，氮?dú)饬髁?0 mL·min-1，溫度范圍50～300 ℃，樣品量為0.3100 mg，升溫速率10 ℃·min-1條件下得到2-硝基-2-氮雜金剛烷-4,8-二醇二硝酸酯的TG-DSC譜圖如圖1所示。TG曲線表明，樣品從170.0 ℃開(kāi)始分解，當(dāng)溫度達(dá)到260.0 ℃，失重為60.5%。該過(guò)程中化合物劇烈分解，由于是負(fù)氧平衡，因此會(huì)有單質(zhì)碳生成。當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，失重繼續(xù)緩慢增加，這可能是單質(zhì)碳與二氧化碳反應(yīng)生成了一氧化碳。DSC曲線表明，該化合物有一個(gè)吸熱峰和一個(gè)放熱峰。吸熱峰峰型尖銳，峰值溫度為106.5 ℃，與化合物的熔點(diǎn)(108.4 ℃)基本相吻合，表明樣品經(jīng)過(guò)吸熱熔融相變過(guò)程; 放熱峰峰型較寬，峰值溫度為193.7 ℃。這表明2-硝基-2-氮雜金剛烷-4,8-二醇二硝酸酯在受熱過(guò)程中先熔融后分解，熱穩(wěn)定性良好。

圖12-硝基-2-氮雜金剛烷-4,8-二醇二硝酸酯的TG-DSC曲線

Fig.1TG-DSC curves of 2-nitro-2-azaadamantane-4,8-diyl dinitrate

3.4 2-硝基-2-氮雜金剛烷-4,8-二醇二硝酸酯的爆轟性能預(yù)估

爆速(D)、爆壓(p)等是衡量炸藥能量特性和爆轟特性的重要指標(biāo)，對(duì)設(shè)計(jì)新型含能材料具有重要參考價(jià)值，因此估算爆轟性能參數(shù)在理論和實(shí)踐中均具有重要的意義。Kamlet-Jacobs公式[26]是計(jì)算CaHbOcNd類高能量密度化合物爆速、爆壓最常用、最簡(jiǎn)易的方法。該計(jì)算公式如下:

經(jīng)計(jì)算得，化合物1的密度為1.71 g·cm-3，爆速為5780 m·s-1，爆壓為11.0 GPa，性能參數(shù)優(yōu)于1,3,5-三硝基金剛烷[18]。

4 結(jié) 論

(1) 以雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二酮為原料，經(jīng)腙化、消除、環(huán)氧化、環(huán)合、乙?；?、硝化，合成了一種新型硝基籠形化合物——2-硝基-2-氮雜金剛烷-4,8-二醇二硝酸酯，總收率27%，并利用IR、NMR、元素分析等對(duì)其進(jìn)行了表征。

(2) 以硝硫混酸為硝化劑，優(yōu)化了硝化反應(yīng)的工藝條件，確定的適宜的反應(yīng)條件:n(H2SO4)∶n(HNO3)= 1∶2，反應(yīng)溫度為60 ℃，反應(yīng)時(shí)間為4 h，硝化反應(yīng)收率為81%。

(3) 利用TG和DSC研究了2-硝基-2-氮雜金剛烷-4,8-二醇二硝酸酯的熱行為，發(fā)現(xiàn)其從170.0 ℃開(kāi)始分解，分解峰值為193.7 ℃，表明熱穩(wěn)定性較好。

(4) 預(yù)估了2-硝基-2-氮雜金剛烷-4,8-二醇二硝酸酯的物化和爆轟性能，其密度為1.71 g·cm-3，爆速為5780 m·s-1, 爆壓為11.0 GPa，可以用于炸藥及推進(jìn)劑的配方中。

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