陸婷婷 閆崢峰 汪營磊 李建康

西安近代化學(xué)研究所(陜西西安，710065)

引言

1，2，4-三嗪氮雜稠環(huán)化合物有著獨(dú)特的生物活性，毒性低，內(nèi)吸性高，常被用作醫(yī)藥和農(nóng)藥的結(jié)構(gòu)組成單元，在醫(yī)藥和農(nóng)藥合成方面起著重要的作用[1-3]。 而高氮含量、可引入高能N—N 鍵和C—N鍵的優(yōu)點(diǎn)，也使氮雜環(huán)化合物在含能材料領(lǐng)域受到持續(xù)關(guān)注[4-6]。 因此，簡單、經(jīng)濟(jì)、高效地合成氮雜稠環(huán)化合物具有較為重要的研究意義。 硝基乙腈是合成氮雜稠環(huán)化合物的關(guān)鍵中間體，其結(jié)構(gòu)為亞甲基上同時(shí)連接氰基和硝基兩個(gè)強(qiáng)吸電子基團(tuán)，使得亞甲基具有較好的反應(yīng)活性。 使用硝基乙腈與α-氨基-1H-五元氮雜環(huán)化合物重氮鹽在溫和條件下發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)，再經(jīng)過分子內(nèi)環(huán)化后，可以生成含有鄰位氨基/硝基的1，2，4-三嗪氮雜稠環(huán)化合物。 目前，該方法反應(yīng)條件溫和，操作方便，安全性高，是合成1，2，4-三嗪氮雜稠環(huán)化合物的重要研究方法[7-9]。Shreeve 曾利用硝基乙腈的活性亞甲基與重氮鹽進(jìn)行偶聯(lián)反應(yīng)，再經(jīng)分子內(nèi)環(huán)化，溫和簡便地合成了含能化合物4-氨基-3，7-二硝基-1，2，4-三唑[5，1-c]并1，2，4-三嗪(TTX)[10]。

常規(guī)制備硝基乙腈的方法是硝基甲烷在堿性條件下縮合制備中間體硝基乙醛肟，后者在乙醚溶液由二氯亞砜脫水后，在氬氣保護(hù)下除去溶劑，經(jīng)過柱分離得到產(chǎn)物[11-12]。 該方法的中間體硝基乙醛肟容易分解，且久置容易生成爆炸性產(chǎn)物，因此需要即用即制[13]；二氯亞砜具有強(qiáng)刺激性和腐蝕性，遇水分解放出二氧化硫、氯化氫等刺激性氣體。 由于氰基、硝基等強(qiáng)吸電基的存在，硝基乙腈的熱穩(wěn)定性較差，常溫放置時(shí)容易分解，甚至發(fā)生燃燒或爆炸。 為了在不影響性能的前提下，提高硝基乙腈的穩(wěn)定性，研究人員利用硝基乙腈的強(qiáng)吸電性，合成了硝基乙腈鉀、硝基乙腈鈉等相應(yīng)的鹽。 其中，硝基乙腈鉀具有合成方法簡單、穩(wěn)定性高、污染性小等特點(diǎn)，是目前最常用代替硝基乙腈的鹽。 Voinkov[14]于2016 年使用2-氰基-2-羥基亞氨基乙酸乙酯(NOCNEt)在堿性條件下經(jīng)KMnO4氧化合成2-硝基-2-氰基乙酸乙酯鉀(CNEAK)，后者在KOH 的催化下水解得到硝基乙腈鉀，硝基乙腈鉀總產(chǎn)率為28.35%。 該方法制備的硝基乙腈鉀穩(wěn)定性比硝基乙腈高，可以穩(wěn)定存在一定時(shí)間。 中間體CNEAK 的穩(wěn)定性也高于硝基乙醛肟，常溫放置不會分解。 但Voinkov 法存在著產(chǎn)率較低(總產(chǎn)率28.35%)、KMnO4用量較大[m(NOCNEt)∶m(KMnO4) ＝3.0∶4.5]、水解反應(yīng)時(shí)間較長(常溫下過夜)的缺點(diǎn)。

本文中，對Voinkov 法的條件進(jìn)行了優(yōu)化，重點(diǎn)考察了物料比、催化劑用量、反應(yīng)溫度和時(shí)間對反應(yīng)產(chǎn)率的影響，確定了較佳的反應(yīng)條件，將硝基乙腈鉀的產(chǎn)率提高到37.71%。 使用硝基乙腈鉀代替現(xiàn)制備的硝基乙腈，與4-氰基-5-氨基-1H-吲哚偶聯(lián)反應(yīng)、環(huán)化反應(yīng)合成了新型氮雜稠環(huán)化合物3-硝基-4-氨基-7-氰基-[1，2，4]三唑[5，1-c][1，2，4]三嗪(AITX)，并表征其結(jié)構(gòu)，測試了性能，為1，2，4-三嗪氮雜稠環(huán)化合物的合成提供一種簡便、高效的方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

NaNO2、濃硫酸、NH4Cl、NaOH、水合肼、濃鹽酸、KMnO4、KOH、醋酸鈉，成都市科龍化工試劑廠。

NEXUS 870 型FT-IR，美國Nicolet 公司；Vario EL-III型元素分析儀，德國Elementar公司；AV 500型超導(dǎo)核磁共振儀，瑞士Bruker公司；Finnigan TSQ Quantumultra AM 型質(zhì)譜儀，美國Thermal 公司；LC-2010A型高效液相色譜儀(歸一法)，日本Shimadzu公司。

1.2 試驗(yàn)過程

1.2.1 CNEAK 的合成

將12.78 g(90 mmol)NOCNEt 溶于220 mL 水中，常溫下滴加30 mL 的KOH(1 mol/L)溶液，滴加完畢后升溫至30 ℃，分批加入9.48 g (0.06 mol)KMnO4，控制加料速度，反應(yīng)液溫度不超過40 ℃。滴加完畢后，在30 ℃反應(yīng)，直至KMnO4消耗完畢(取樣滴在濾紙上沒有紫色斑點(diǎn)為終點(diǎn))。 過濾除去MnO2后旋蒸濃縮(浴溫低于40 ℃)，冰乙醇洗滌固體，過濾。 用乙醇重結(jié)晶，得到白色固體11.67 g，產(chǎn)率66.16%。

1H NMR(CDCl3，500 MHz):δ ＝1.22 (s，3H)，4.05 (s，2H)。 IR(KBr):v＝2 211， 1 700， 1 367，1 337，1 292，1 222，1 089，1 015，772 cm-1。

C5H5N2O4K 元素分析: C 30. 61， H 2. 57， N 14.28； 實(shí)測值:C 30.41， H 2.76， N 14.17。

1.2.2 硝基乙腈鉀的合成

將9.8 g (50 mmol)CNEAK 溶于40 mL KOH 溶液(1.25 mol/L)中，并在30 ℃反應(yīng)4 h，溶液pH 值從14 降到9。 40 ℃以下旋蒸除去溶劑，得到的固體用50 mL 乙醇洗滌，過濾后濾餅用50 mL 甲醇常溫萃取3 次，回流下萃取1 次，合并甲醇溶液，30 ℃以下旋蒸，旋蒸后的固體用乙醇洗滌，干燥后得到淺黃色固體3.2 g，產(chǎn)率56.61%。 爆點(diǎn)137 °C。 合成路線見圖1。

1H NMR (D2O，500 MHz)，δ＝4.70 (s， 1H)。13C NMR (DMSO-d6，125 MHz)，δ ＝161.42，116.68，87.94。

圖1 硝基乙腈鉀合成路線Fig 1 Synthesis of Nitroacetonitrile potassium

1.2.3 AITX 的合成

0.62 g(5 mmol)硝基乙腈鉀溶于10 mL 水中，冷卻至0 ℃，加入2.46 g (30 mmol)醋酸鈉，低溫?cái)嚢璐谩?將1.08 g (10 mmol) 4-氰基-5-氨基咪唑溶解于10 mL 水中，加入2.5 mL (30 mmol)濃鹽酸，加熱使反應(yīng)物全溶后，冰鹽浴使反應(yīng)體系降溫至-5 ～0 ℃，緩慢滴加冰的NaNO2(0.76g，11 mmol)水溶液，滴加完畢后反應(yīng)0.5 h；在4-氰基-5-氨基咪唑溶液中緩慢滴加入硝基乙腈鉀溶液，滴加完畢后，在0 ℃以下反應(yīng)0.5 h，收集灰黃色濾餅，濾餅冰水洗兩次后，進(jìn)行柱分離，得到目標(biāo)產(chǎn)物棕紅色固體AITX。

1H NMR (DMSO-d6，500 MHz)，δ＝10.04(s，1H)，9. 05 (s， 1H)。13C NMR (DMSO-d6，125 MHz):δ ＝144.94，137.79，136.47，129.65，114.28，103. 92。 FT-IR(KBr):v＝ 2 323，3 328，3 193，3 111，2 924，2 854，2 240，2 227，1 752，1 638，1 579，1 549，1 477，1 465，1 374，1 349，1 248，1 169，1 098，1 037，906，856，818 cm-1。

高分辨質(zhì)譜(C6H3N7O2):m/z ＝204. 027 546[M—H]-。

2 結(jié)果與討論

2.1 NOCNEt 與KMnO4 摩爾比對CNEAK 產(chǎn)率的影響

當(dāng)n(NOCNEt)∶n(KOH) ＝3.0∶1.2，固定其他反應(yīng)條件，選取了常用氧化劑KMnO4對NOCNEt進(jìn)行氧化，改變NOCNEt 與KMnO4的摩爾比，考察KMnO4用量對產(chǎn)物CNEAK 的影響，具體結(jié)果見表1。 表1 中，純度使用高效液相色譜儀測試。

表1 KMnO4 用量對CNEAK 產(chǎn)率與純度的影響Tab.1 Effect of KMnO4 on the yield and purity of CNEAK

Voinkov 法使用的NOCNEt 與KMnO4的摩爾比為3.0 ∶4.5，CNEAK 的產(chǎn)率為63. 00%。 但重復(fù)Voinkov法時(shí)，產(chǎn)率僅為32.00%。 分析原因，可能是KMnO4用量太大，導(dǎo)致產(chǎn)率降低。 降低KMnO4用量，NOCNEt 與KMnO4的摩爾比分別為3.0∶2.0、3.0∶2.1、3.0∶2.2 時(shí)，CNEAK 產(chǎn)率(純度)分別為65.74% (98.55%)、65. 77% (98. 44%)、65. 80%(98.47%)，產(chǎn)率和純度均比較接近。 繼續(xù)降低KMnO4用量，NOCNEt 與KMnO4的摩爾比為3.1∶2.0 時(shí)，由于氧化反應(yīng)不完全，CNEAK 的產(chǎn)率僅為59.48%，純度(93. 75%) 也較低。 因此，較佳的NOCNEt 和KMnO4投料摩爾比為3.0∶2.0。

2.2 NOCNEt 與KOH 摩爾比對CNEAK 產(chǎn)率的影響

當(dāng)n(NOCNEt)∶n(KMnO4) ＝3.0∶2.0，固定其他反應(yīng)條件，氧化反應(yīng)選取了KOH 為催化劑，改變NOCNEt 與KOH 的摩爾比，討論了反應(yīng)物與KOH 摩爾比對產(chǎn)物CNEAK 產(chǎn)率的影響，具體結(jié)果見表2。

表2 KOH 用量對CNEAK 產(chǎn)率與純度的影響Tab.2 Effect of KOH on the yield and purity of CNEAK

Voinkov 法使用的NOCNEt 與KOH 的摩爾比為3.0∶1.2，CNEAK 的產(chǎn)率為63.00%。 在重復(fù)試驗(yàn)時(shí)，產(chǎn)率為66. 14%，略高于文獻(xiàn)報(bào)道。 嘗試減少KOH 的用量，n(NOCNEt):n(KOH)分別為3.0 ∶1.1和3.0∶1.0 時(shí)發(fā)現(xiàn)，CNEAK 的產(chǎn)率略有上升(66.01%和66.16%)。 繼續(xù)減少KOH 用量，發(fā)現(xiàn)CNEAK 產(chǎn)率下降較大(63. 75%)，并且純度降低(95.44%)。 因此，選擇較佳的NOCNEt 和KOH 投料比為3.0∶1.0。

2.3 時(shí)間和溫度對硝基乙腈鉀產(chǎn)率的影響

n(NOCNEt)∶n(KMnO4)∶n(KOH) ＝3.0∶2.0∶1.0 時(shí)，固定其他反應(yīng)條件，考察了水解反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間對硝基乙腈鉀產(chǎn)率的影響，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 時(shí)間和溫度對產(chǎn)率影響Fig.2 Effect of time and temperature on yield

Voinkov 法是常溫下水解24 h，產(chǎn)率45.00%。本文中，討論了反應(yīng)溫度與產(chǎn)率之間的關(guān)系，以達(dá)到減少反應(yīng)時(shí)間，提高產(chǎn)率的目的。 反應(yīng)溫度升高至25 ℃，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，產(chǎn)率提高，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為4.5 h 時(shí)，產(chǎn)率升至41.00%。 繼續(xù)升高反應(yīng)溫度至30 ℃，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，產(chǎn)率也相應(yīng)增加，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為4 h 時(shí)，產(chǎn)率達(dá)到56.88%。 繼續(xù)延長反應(yīng)時(shí)間，產(chǎn)率無明顯提高。 繼續(xù)提高反應(yīng)溫度至35℃，反應(yīng)產(chǎn)率雖然隨著反應(yīng)時(shí)間的延長而增加，但總體低于30 ℃時(shí)的產(chǎn)率。 這可能是由于硝基乙腈鉀在高溫下不穩(wěn)定，可能會發(fā)生分解而導(dǎo)致。 因此，選擇較佳的水解反應(yīng)溫度為30 ℃，反應(yīng)時(shí)間為4 h。

2.4 水解反應(yīng)溶劑對反應(yīng)的影響

在水解反應(yīng)后，需要使用高真空度條件40 ℃以下旋蒸除去溶劑水。 除水后得到的產(chǎn)物膠粘于燒瓶壁，板結(jié)嚴(yán)重，難以分離；直接用乙醇洗滌效果較差。因此，嘗試使用乙醇和水的混合溶劑代替水，反應(yīng)后得到懸濁液直接過濾后，甲醇提取產(chǎn)物。

乙醇對水解反應(yīng)的影響見圖3。 但反應(yīng)結(jié)果并不理想。 使用混合溶劑時(shí)，反應(yīng)24 h，硝基乙腈鉀的產(chǎn)率僅為40.21%，純度也只有95.23%(表3)。 造成此結(jié)果的主要原因是2-硝基-2-氰基乙酸乙酯在堿性條件下水解為2-硝基-2-氰基乙酸鹽和乙醇，2-硝基-2-氰基乙酸鹽通過脫羧反應(yīng)得到目標(biāo)產(chǎn)物硝基乙腈鉀。 當(dāng)使用乙醇和水的混合溶劑時(shí)，體系中的大量乙醇使得第一步酯的水解反應(yīng)平衡難以向右移動(dòng)，因此反應(yīng)時(shí)間延長，產(chǎn)率降低。

圖3 乙醇對水解反應(yīng)影響Fig.3 Effect of alcohol on hydrolysis reaction

表3 溶劑對水解反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)率和純度的影響Tab.3 Effect of solvent on yield and purity of hydrolysis product

2.5 AITX 的合成及性能

以4-氰基-5-氨基-1H-吲哚和硝基乙腈鉀為底物，合成了新型氮雜稠環(huán)化合物AITX(圖4)。 4-疊氮基-5-氨基-1H-吲哚與NaNO2反應(yīng)生成相應(yīng)的重氮鹽，后者與硝基乙腈偶聯(lián)反應(yīng)后，得到中間產(chǎn)物，由中間產(chǎn)物環(huán)合生成目標(biāo)產(chǎn)物[15]。 經(jīng)計(jì)算，AITX的密度、氮含量、生成焓等性能參數(shù)見表4。 結(jié)果顯示，AITX 的密度為1. 64 g/cm3，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到47.80%，生成焓為772.43 kJ/mol。 通過AITX 的結(jié)構(gòu)、密度和生成焓可以看出，由于AITX 含能基團(tuán)較少(僅有一個(gè)硝基和一個(gè)疊氮基)，并不適合作為直接應(yīng)用的含能材料。 所以，并未計(jì)算其爆速和爆壓，而會在后續(xù)對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步修飾，嘗試合成新的、性能更好的含能材料。

圖4 AITX 的合成Fig.4 Synthesis of AITX

表4 AITX 的性能Tab.4 Properties of AITX

3 結(jié)論

以NOCNEt為原料，經(jīng)過氧化、水解制備得到硝基乙腈鉀，并表征了其結(jié)構(gòu)。優(yōu)化了Voinkov的合成方法，對物料比、催化劑用量、反應(yīng)溫度和時(shí)間等反應(yīng)條件進(jìn)行了討論，硝基乙腈鉀的總產(chǎn)率達(dá)到37.71%，高于文獻(xiàn)中報(bào)道的28.35%。 使用4-氰基-5-氨基-1H-吲哚和硝基乙腈鉀合成了新型的氮雜稠環(huán)化合物AITX，并計(jì)算了其部分性能。 AITX 的密度為1.64 g/cm3，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到47.80%，生成焓為772.43 kJ/mol。