張 倩,劉 寧,馬 玲,段秉蕙,盧先明,王伯周
(1. 西安近代化學(xué)研究所,陜西 西安 710065;2. 氟氮化工資源高效開發(fā)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065)
隨著現(xiàn)代軍事科學(xué)技術(shù)、航天事業(yè)以及深海油氣田開發(fā)等相關(guān)領(lǐng)域的飛速發(fā)展,對(duì)于炸藥的使用環(huán)境和各種極端條件下其所具備的耐熱性能、能量水平提出了更高的要求。耐熱炸藥由于具有優(yōu)良的熱安定性、較高的能量、適當(dāng)?shù)淖矒舾卸鹊葍?yōu)點(diǎn)[1],其設(shè)計(jì)、合成及熱性能研究成為了含能材料領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一[2]。
目前,國(guó)內(nèi)外報(bào)道的耐熱炸藥主要基于含硝基的共軛體系共價(jià)化合物,代表化合物有2,2′,4,4′,6,6′-六硝基二苯基乙烯(HNS)[3-4]、1,3,5-三氨基-2,4,6-三硝基苯(TATB)[5-6]、2,6-二氨基-3,5-二硝基-1-氧吡嗪(LLM-105)[7-8]、2,6-雙(苦氨基)-3,5-二硝基吡啶(PYX)[9-10]、四硝基-2,3,5,6-二苯并-1,3a,4,6a-四氮雜戊搭烯(TACOT)[11-13]、九硝基聯(lián)三苯(NONA)[14]。其中,TACOT 由美國(guó)Dupont 公司首先完成了其制備,并于1962 年解密而公諸于世[15]。TACOT 是具有四個(gè)氮原子且兩個(gè)氮原子位于橋頭的稠環(huán)芳香系統(tǒng),高度的芳香性賦予了四氮雜戊搭烯類化合物優(yōu)異的耐熱性能和較低的機(jī)械感度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)指出,其熱分解溫度高于TATB[16-17],撞擊感度略低于TNT。但是,TACOT的合成工藝較為復(fù)雜,在一定程度上限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。為了進(jìn)一步提高能量水平,簡(jiǎn)化合成工藝,Maquestiau 等[18]于1986 年 首 次 報(bào) 道 了NBTTP 的 制備方法,并通過質(zhì)譜和紅外光譜對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。2005 年,Huynh 等[19]優(yōu)化了該化合物的制備方法,并對(duì)其單晶結(jié)構(gòu),能量特性等進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究。結(jié)果表明,NBTTP 的晶體密度1.868 g·cm-3,爆速7430 km·s-1(壓 藥 密 度1.78 g·cm-3),爆 壓294 kbar(2.94×107kPa),該化合物的熱分解峰溫375 ℃,其耐熱性能高于傳統(tǒng)的TATB,是一種綜合性能較好的耐熱炸藥。
Huyuh 等[19]雖然公開了NBTTP 的合成路線及相關(guān)性能參數(shù),但并未報(bào)道該化合物的具體合成條件,同時(shí),有關(guān)該化合物的熱性能報(bào)道亦不詳盡。特別是其中間體苯基吡啶基-1,3a,6,6a-四氮雜戊搭烯(BTTP)的合成過程中,需使用大量的亞磷酸三乙酯,工藝環(huán)保性差。為此,本課題組前期開展了多巴胺/氧化石墨烯改性的NBTTP 的制備和熱性能研究[20],但未進(jìn)一步研究其合成工藝。為了進(jìn)一步優(yōu)化反應(yīng)條件、減少亞磷酸三乙酯用量并降低成本,本研究對(duì)該NBTTP 的合成條件進(jìn)行了優(yōu)化,采用差示掃描量熱儀(DSC)和熱失重分析儀(TG)對(duì)NBTTP 的熱分解及熱失重歷程、熱分解動(dòng)力學(xué)及相關(guān)熱爆炸參數(shù)進(jìn)行了研究。
試劑:苯并三氮唑,分析純,派尼化學(xué)試劑廠;2-氯-3-硝基吡啶,亞磷酸三乙酯,分析純,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;碳酸鈉,分析純,天津市紅巖化學(xué)試劑廠;乙腈,分析純,成都市科龍化工試劑廠;二甲苯,濃硫酸、濃硝酸,丙酮,分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。
儀器:AV 500 型超導(dǎo)核磁共振儀,瑞士Bruker 公司;DSC 204HP 型差示掃描量熱儀,德國(guó)Netzsch 公司,高 純 動(dòng) 態(tài) 氣 氛,N2流 量10 mL·min-1;升 溫 速 率10 K·min-1,實(shí)驗(yàn)量0.5 mg,試樣皿為鋁坩堝。TG 209F3 型熱失重分析儀,德國(guó)Netzsch 公司,高純動(dòng)態(tài)氣氛,N2流量10 mL·min-1;升溫速率10 K·min-1,實(shí)驗(yàn)量0.5 mg;LC-20AT 高效液相色譜儀,日本島津公司。
以苯并三氮唑和2-氯-3-硝基吡啶為原料,經(jīng)過取代、環(huán)化和硝化三步反應(yīng)合成NBTTP[19]。其合成路線如Scheme 1 所示:
Scheme1 The synthesis routes of NBTTP
2.3.1 1-(3-硝基-2-吡啶)-1H-苯并三唑(BTP)的合成
在配有冷凝器和磁力攪拌裝置的圓底燒瓶中,加入苯并三氮唑(1.310 g,11 mmol),2-氯-3-硝基吡啶(1.685 g,10 mmol),碳酸鈉(1.282 g,12.1 mmol)及10 mL 乙腈,充分?jǐn)嚢柚馏w系均勻后,緩慢升溫至80 ℃,反應(yīng)48 h,反應(yīng)結(jié)束后,將反應(yīng)體系冷卻至室溫后,倒入冰水浴中,過濾洗滌析出的固體,乙腈重結(jié)晶,得到BTP 產(chǎn)品1.961 g,收率:81.31%。
IR(KBr,ν/cm-1):1593,1540,1493,1472,1360,1237,1078,1036,854,756;1H NMR(400 MHz,CDCl3-d6,25 ℃)δ:8.81(d,1H,Ar),8.32(d,1H,Ar),8.18(t,2H,Ar),7.65(t,1H,Ar),7.58(m,1H,Ar),7.50(t,1H,Ar);13C NMR(400 MHz,CDCl3-d6,25 ℃)δ:151.39,145.25,141.95,139.90,134.49,131.70,129.45,125.39,123.27,120.32,112.73;Anal. Calcd for C11H7N5O2:C 54.77,H 2.93,N 29.03;found C 54.61,H 2.90,N 29.15。
2.3.2 苯基吡啶基-1,3a,6,6a-四氮雜戊搭烯(BTTP)的合成
在配有冷凝器和磁力攪拌裝置的圓底燒瓶中,加入BTP(3.618 g,15 mmol),亞磷酸三乙酯(7.477 g,45 mmol)及20 mL 二甲苯,充分?jǐn)嚢柚馏w系均勻后,緩慢升溫至125 ℃,反應(yīng)24 h,反應(yīng)結(jié)束后,蒸出體系內(nèi)二甲苯溶劑,冷卻至室溫,過濾析出的固體,二甲苯重結(jié)晶,得到BTTP 產(chǎn)品2.618 g,收率:83.44%。
IR(KBr,ν/cm-1):1670,1579,1508,1459,1436,1387,1315,1277,1223,1143,1010,969,862,802,743;1H NMR(400 MHz,CDCl3-d6,25 ℃)δ:8.48(d,1H,Ar),8.27(d,1H,Ar),8.13(d,1H,Ar),7.91(d,1H,Ar),7.59(t,1H,Ar),7.50(m,2H,Ar);13C NMR(400 MHz,CDCl3-d6,25 ℃)δ:143.87,142.57,137.28,136.07,126.75,123.41,123.24,121.89,124.40,116.63,110.60;Anal.Calcd for C11H7N5:C 63.15,H 3.37,N 33.48;found:C 63.32,H 3.43,N 33.29。
2.3.3 2,4,8,10-四硝基-苯基吡啶基-1,3a,6,6a-四氮雜戊搭烯(NBTTP)的合成
在配有冷凝器和磁力攪拌的圓底燒瓶中加入12 mL 濃硫酸,冰水浴降溫至5 ℃,向體系中分批緩慢加入BTTP,待BTTP 充分溶解后,控制反應(yīng)溫度在0~5 ℃緩慢滴加18 mL 濃硝酸,濃硝酸滴加完畢后,于0~5 ℃下繼續(xù)反應(yīng)10 min,將反應(yīng)體系緩慢升溫至80 ℃,繼續(xù)反應(yīng)2 h,反應(yīng)結(jié)束后,將反應(yīng)體系冷卻至室溫,緩慢倒入冰水浴中,過濾并洗滌所得橙黃色固體,丙酮分散后即得NBTTP 產(chǎn)品1.946 g,收率:46.65%。
IR(KBr,ν/cm-1):3089,1616,1540,1451,1416,1336,1242,1122,937,781,726;1H NMR(400 MHz,DMSO-d6,25 ℃)δ:9.29(s,1H,Ar),9.30(d,1H,Ar),9.38(d,1H,Ar);13C NMR(400 MHz,DMSO-d6,25 ℃)δ:143.87,142.57,137.28,136.07,126.75,123.41,123.24,121.89,124.40,116.63,110.60;Anal.Calcd for C11H3N9O8:C 33.95,H 0.78,N 32.29;found:C 33.86,H 0.82,N 32.37。
在NBTTP 中間體的制備過程中,亞磷酸三乙酯作為重要的反應(yīng)物兼溶劑,對(duì)反應(yīng)的進(jìn)行有著重要的影響。一方面,亞磷酸三乙酯具有還原性,在加熱條件下發(fā)生Cadogan 反應(yīng)將BTP 中的硝基還原成氮賓,然后氮賓進(jìn)攻分子內(nèi)苯并三唑環(huán)上2-位的氮原子生成四氮雜戊搭烯環(huán),而亞磷酸三乙酯自身奪取氧原子后生成磷酸三乙酯;另一方面,亞磷酸三乙酯極性較大,對(duì)于多氮雜環(huán)化合物溶解性好,因此在Cadogan 反應(yīng)中可同時(shí)兼作反應(yīng)物和溶劑,避免額外溶劑的使用。亞磷酸三乙酯參與反應(yīng)的原理如Scheme 2 所示。
Scheme 2 Mechanism of cyclization reaction
據(jù)文獻(xiàn)[21]報(bào)道,在制備類似化合物時(shí)亞磷酸三乙酯的用量高達(dá)6 倍之多。因此,本研究對(duì)環(huán)化反應(yīng)的條件進(jìn)行了優(yōu)化,主要研究亞磷酸三乙酯與BTP 投料比對(duì)反應(yīng)收率的影響,反應(yīng)收率和純度結(jié)果見表1。
表1 亞磷酸三乙酯用量對(duì)反應(yīng)收率的影響Table 1 Relation between the molar ratio of triethylphosphite and 1-(3-nitropyridin-2-yl)-1H-benzo[1,2,3]triazole(BTP)
結(jié)合表1 及scheme 2 可以看出,理論上,亞磷酸三乙酯與原料BTP 的投料比大于或等于2∶1,反應(yīng)就能正常進(jìn)行。但是,當(dāng)亞磷酸三乙酯與BTP 投料量為理論當(dāng)量比2∶1 時(shí),隨著反應(yīng)的進(jìn)行,亞磷酸三乙酯逐漸減少,由于濃度效應(yīng)使得反應(yīng)很難進(jìn)行徹底,從而導(dǎo)致收率較低;反之,由于亞磷酸三乙酯在反應(yīng)中兼做溶劑,在實(shí)際操作過程中也發(fā)現(xiàn),亞磷酸三乙酯對(duì)產(chǎn)物NBTTP 也具有一定的溶解性,同時(shí),該物質(zhì)的沸點(diǎn)較高,很難除去,因此當(dāng)投料量過大時(shí),在反應(yīng)后處理過程中,因亞磷酸三乙酯的溶解性損失掉的產(chǎn)物就會(huì)增多,從而導(dǎo)致收率具有一定程度的下降。研究發(fā)現(xiàn)BTTP 的純度與其收率成正相關(guān)性,當(dāng)亞磷酸三乙酯與BTP 投料比為3∶1,其收率和純度均達(dá)到最高值,分別為83.44%和99.6%。
NBTTP 的熱分解曲線如圖1 所示。
由圖1 可以看出:在測(cè)試溫度范圍內(nèi),該化合物僅存在一個(gè)劇烈的放熱階段,該放熱階段的外推起始分解溫度為388.79 ℃,分解峰溫在406.23 ℃。NBTTP的熱分解溫度大于350 ℃,說明NBTTP 化合物具有良好的耐熱性能,這是由于NBTTP 分子結(jié)構(gòu)中存在戊搭烯環(huán),使整個(gè)分子結(jié)構(gòu)成為一個(gè)大的π 鍵離域體系,從而提高了化合物的熱穩(wěn)定性。
圖1 10 K·min-1時(shí)NBTTP 的DSC 曲線Fig.1 DSC curve of NBTTP at a heating rate of 10 K·min-1
NBTTP 的熱失重曲線如圖2 所示。
由圖2NBTTP 的熱失重曲線可以看出:在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi),NBTTP 的熱分解反應(yīng)只有一個(gè)失重階段,在380~390 ℃開始熱分解,當(dāng)溫度達(dá)到388.90 ℃時(shí),其質(zhì)量損失約為5%;當(dāng)溫度升至500 ℃時(shí),殘?jiān)|(zhì)量約為33%。由圖2DTG 曲線可知,該化合物在380~430 ℃具有較窄的熱失重分解峰,說明該溫度范圍內(nèi),化合物的熱分解對(duì)溫度極為敏感,可以在較短的溫度范圍分解完畢,同時(shí),可以看出NBTTP 發(fā)生最大質(zhì)量損失時(shí)的溫度在414.90 ℃。綜上所述,TG-DTG 所體現(xiàn)的熱性質(zhì)與DSC 曲線基本吻合。
圖2 10 K·min-1 NBTTP 的TG-DTG 曲線Fig.2 TG-DTG curves of NBTTP at a heating rate of 10 K·min-1
為了揭示化合物NBTTP 熱分解反應(yīng)機(jī)理,獲得相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)(表觀活化能Ea、指前因子A)及最可幾動(dòng)力學(xué)方程,在不同升溫速率(5,10,15,20 K·min-1)下獲 得 了DSC 曲 線(如 圖3 所 示)以 及Te和Tp值(見表2)。
圖3 NBTTP 在不同升溫速率下的DSC 曲線Fig.3 DSC curves of NBTTP at different heating rates
由于Kissinger 法[22]和Ozawa 法[23]均不涉及模式函數(shù)的選擇,是較常用的兩種非等溫動(dòng)力學(xué)研究方法[24]。因 此,本 研 究 首 先 采 用 基 礎(chǔ) 的Kissinger 法 和Ozawa 法對(duì)NBTTP 的熱分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算過程及結(jié)果見下文所述。
根據(jù)NBTTP 在不同升溫速率時(shí)DSC 熱分解曲線的峰溫,用Kissinger 法通過線性回歸求得熱分解動(dòng)力學(xué)參數(shù)。
式中,βi為試樣升溫速率,℃·min-1;Tpi為DSC 曲線上的第一個(gè)峰溫,K;EK為表觀活化能,J·mol-1;AK為指前因 子,s-1;R 為 理 想 氣 體 常 數(shù),8.314 J·mol-1·K-1。由lnβi/Tpi2-1/Tpi的關(guān)系,經(jīng)回歸分析求得NBTTP 的表觀活化能EK及指前因子AK列于表2。
通過不同升溫速率下的DSC 曲線用非等溫法進(jìn)行熱分解動(dòng)力學(xué)研究時(shí),常用的Ozawa 公式為:
式中,β為試樣升溫速率,℃·min-1;A為指前因子,s-1;EO為表觀活化能,J·mol-1;T為溫度,K;R 為理想氣體常數(shù),8.314 J·mol-1·K-1;α為反應(yīng)深度;f(α)為機(jī)理函數(shù)的積分形式。由lnβi-1/Tpi的關(guān)系,經(jīng)回歸分析求得NBTTP 的表觀活化能EO及指前因子AO列于表2。
此外,考慮到活化能隨不同反應(yīng)深度有變化,因此我們又采用了Kissinger 迭代法和Ozawa 迭代法[25]對(duì)NBTTP 的熱分解動(dòng)力學(xué)進(jìn)行計(jì)算。Kissinger 迭代方程和Ozawa 迭代方程分別為:
其中:
式中,β為試樣升溫速率,℃·min-1;A為指前因子,s-1;E為表觀活化能,J·mol-1;T為溫度,K;R 為理想氣體常數(shù),8.314 J·mol-1·K-1;α為反應(yīng)深度;f(α)為機(jī)理函數(shù)的積分形式。兩種方程在求解E的過程中,首先設(shè)定Q4(u)=1 和H(u)=1,由ln(β/T2)-1/T 和lnβ-1/T的直線關(guān)系,用最小二乘法從斜率得初值E;然后,將初值E代入Q4(u)和H(u),由以ln[β/H(u)]-1/T和ln[β/Q4(u)T2]-1/T的直線關(guān)系,用線性最小二乘法從斜率得新的E值;再將這個(gè)修正過的E值作為初值,再次按照上述方式迭代,可得到另外一個(gè)修正值。這樣經(jīng)過幾次迭代后,就會(huì)得到滿足Ei-Ei-1小于0.1 kJ·mol-1的較合理的E值。兩種迭代法計(jì)算的活化能值EK′和EO′列入表2。
表2 不同升溫速率下DSC 曲線的參數(shù)Table 2 The parameters determined by DSC curves at different heating rates
從表2 結(jié)果可看出,四種方法計(jì)算的NBTTP 的熱分解活化能值較為接近,且相應(yīng)線性相關(guān)系數(shù)(rK,rO,rK′,rO′)都大于0.990,接近于1,說明計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確。
根據(jù)在不同升溫速率β下的DSC 曲線原始數(shù)據(jù),整理得到的αi(任何時(shí)刻的反應(yīng)分?jǐn)?shù))和Ti(任意點(diǎn)α對(duì)應(yīng)的溫度)值(其中i=1,2,3…),并將其逐一帶入Ozawa 方程中,得出不同升溫速率下的活化能隨反應(yīng)分?jǐn)?shù)的變化曲線(圖4)。對(duì)不同β和α,通過Ozawa法計(jì)算得到的Ea值是否穩(wěn)定,是檢驗(yàn)分解機(jī)理一致性的標(biāo)準(zhǔn)[26]。由圖4 可知,α在0.20~0.90 之間的Ea值變化較小,且與上述四種方法計(jì)算結(jié)果相近。
圖4 化合物不同β 下由Ozawas 法得到的Ea-α 曲線圖Fig.4 Ea-α curve obtained by Qzawa′s method at different rates
根據(jù)非等溫?zé)岱纸獾膭?dòng)力學(xué)方程[27]:
其中,f′(α)為熱分解反應(yīng)機(jī)理函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)在αp處的數(shù)值。將41 種機(jī)理函數(shù)[26]的一階導(dǎo)數(shù)、Tpi和βi都帶入式(9)中,最后找出相關(guān)系數(shù)r大、偏差d小,邏輯合理的f(α)。
根據(jù)計(jì)算,NBTTP熱分解反應(yīng)過程的最可幾機(jī)理函數(shù)為16函數(shù)。該機(jī)理函數(shù)的表達(dá)式為:G(α)=-ln(1-α),f(α)=1-α,其相關(guān)系數(shù)為0.9986、偏差為9.37×10-4,計(jì)算出的表觀活化能和指前因子與Kissinger 方法和Ozawa 方 法 的 結(jié)果最為接近。將Ea=234.38 kJ·mol-1,A=6.30×1014min-1帶入方程(3)中,得到NBTTP 的熱分解動(dòng)力學(xué)方程如式(10)所示。
活化熵、活化焓和活化吉布斯自由能是表征化學(xué)物質(zhì)熱性質(zhì)的重要參數(shù),NBTTP 作為耐熱含能材料,有必要對(duì)其熱性質(zhì)參數(shù)進(jìn)行表征和計(jì)算。由方程(11)~(13)[28-30]計(jì)算得到NBTTP 的熱分解反應(yīng)的活化熵(ΔS≠)、活化焓(ΔH≠)及活化自由能(ΔG≠)分別為23.60 J·mol·K-1、228.97 kJ·mol-1和213.46 kJ·mol-1。
式 中,kB為Bolzmann 常 量,1.3807×10-23J·K-1;h為Plank 常量,6.625×10-34J·s。
自加速分解溫度(Self Accelerating Decomposition Temperature)是一定包裝材料和尺寸的反應(yīng)性化學(xué)物質(zhì)在實(shí)際應(yīng)用過程中的最高允許環(huán)境溫度,是試劑包裝品中的反應(yīng)性化學(xué)物質(zhì)在7 日內(nèi)發(fā)生自加速分解的最低環(huán)境溫度,該參數(shù)與物質(zhì)的化學(xué)及物理性質(zhì)緊密相連。由此可見,自加速分解溫度(TSADT)是一個(gè)非常重要的安全數(shù)據(jù),NBTTP 作為含能材料,有必要計(jì)算其TSADT,為其在實(shí)際應(yīng)用及存貯過程中提供參考數(shù)據(jù)。TSADT的計(jì)算,依據(jù)表1,按照文獻(xiàn),由式(14)[31]計(jì)算得β→0 時(shí)的Te0和Tp0。
式中,βi為試樣升溫速率,K·min-1;To0、Te0和Tp0分別為β→0 時(shí)的To、Te和Tp值,K。
根 據(jù)TSADT=Te0,可 得 到,NBTTP 的TSADT和Tp0分 別為655.11 K 和657.01 K。根據(jù)文獻(xiàn)[32]報(bào)道,奧克托金(HMX)的自加速分解溫度為546.45 K,因此,可以看出,NBTTP 比HMX 具有更好的貯存穩(wěn)定性。
本研究以苯并三氮唑和2-氯-3-硝基吡啶為原料,通過取代、環(huán)化和硝化三步反應(yīng)合成出了耐熱炸藥NBTTP,在對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征的同時(shí),對(duì)合成反應(yīng)進(jìn)行了工藝條件優(yōu)化,并研究了其熱分解動(dòng)力學(xué)及相關(guān)熱爆炸參數(shù),得到結(jié)論如下:
(1)以苯并三氮唑和2-氯-3-硝基吡啶為原料,合成出了耐熱炸藥NBTTP,對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征;研究了環(huán)化反應(yīng)過程中亞磷酸三乙酯與BTP 的投料比對(duì)反應(yīng)的影響,當(dāng)亞磷酸三乙酯與BTP 的投料比為3∶1時(shí),反應(yīng)收率最高(83.44%)。
(2)采用差示掃描量熱儀和熱失重分析儀對(duì)NBTTP 的熱分解及熱失重歷程,結(jié)果表明:NBTTP 僅存在一個(gè)劇烈的放熱階段,該放熱階段的起始分解溫度為388.79 ℃,分解峰溫在406.23 ℃;同時(shí),其熱分解反應(yīng)只有一個(gè)失重階段,在380~390 ℃開始熱分解,當(dāng)溫度達(dá)到388.90 ℃時(shí),其質(zhì)量損失約為5%;當(dāng)溫度升至500 ℃時(shí),殘?jiān)|(zhì)量約為33%。
(3)NBTTP 的熱分解反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為dα/dt=(6.36×1014/β)(1-α)exp[-2.34×105/(RT)],熱分解反應(yīng)的活化熵(ΔS≠)、活化焓(ΔH≠)及活化自由能(ΔG≠)分 別 為23.60 J·mol-1·K-1)、228.97 kJ·mol-1和213.46 kJ·mol-1;自加速分解溫度TSADT為655.11 K。