2,4,6,8-四硝基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷的合成及表征

以氨基磺酸盐、甲醛、乙二醛为起始原料,对2,4,6,8-四硝基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷(BCHMX)的合成工艺进行了优化,得到了无需中间体(2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷磺酸盐)提纯的高效合成工艺;采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、核磁共振氢谱(1H NMR)、核磁共振碳谱(13 C NMR)、热重-差式扫描量热(TG-DSC)等分析测试手段对目标产物的分子组成、晶体结构、热稳定性进行了分析表征。结果表明,最优缩合工艺条件为:每摩尔氨基磺酸钾加入1.07 mol甲醛、1.77 mol乙二醛,以8.4 mol的水作为溶剂,0.023 mol的甲酸作为酸催化剂,反应时间为12 h;硝化工艺条件为:以摩尔比为1.3∶1的发烟硝酸和乙酸酐为硝化体系,在40℃下进行反应。通过缩合和硝化两步反应,能够以65.29%的总收率得到纯度97.8%的2,4,6,8-四硝基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷(BCHMX);BCHMX晶体属单斜晶系,空间群为P2(1)/c;BCHMX热分解温度为223℃。

3,7-二硝亚胺基-2,4,6,8-四硝基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷结构与性能的量子化学研究

设计了一种新型高能量密度化合物——3,7-二硝亚胺基-2,4,6,8-四硝基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷,应用密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法在6-31G(d,p)基组水平上对该化合物进行了结构全优化,并计算得到其红外(IR)光谱;通过键级分析获得热解引发键的位置为N7—N22,同时求得校正后的键离解能为91.47 kJ/mol.采用Monte-Carlo方法预测该化合物的理论密度为2.16 g/cm3;基于理论密度并结合等键反应及Kamlet-Jacobs公式预测了生成焓、爆速、爆压和爆热值分别为1219.94 kJ/mol,10.43 km/s,53.44 GPa和7407.84 J/g.以上性能参数显示,该目标化合物达到了高能量密度化合物的基本要求,是一种潜在的含能材料.同时给出了该化合物的逆合成路线.

3,7-二硝亚氨基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷的结构和性能(英文)

用TG-DTG-DSC方法研究富氮含能化合物3,7-二硝亚氨基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷的热性能,用量子化学方法研究其电子结构及爆轰性能。结果表明,3,7-二硝亚氨基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷热分解是一个二阶段过程,在320℃左右有一个剧烈的放热峰。其热分解活化能和指前因子分别为225.80 k J·mol-1和1017.71s-1。考虑到其热爆炸临界温度为600.25 K,活化熵为80.18 J·mol-1·k-1,活化焓为220.92 k J·mol-1,吉布斯自由能为173.87 k J·mol-1。利用K-J公式得到其爆速为8.70km·s-1,爆压为34.34 GPa,表明3,7-二硝亚氨基-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷可用作潜在的高能、稳定的含能材料的候选物。

3，3，7，7-四(三氟甲基)-2，4，6，8-四氮杂双环［3．3．0］辛烷及其多硝基取代物结构与性能的理论研究

采用密度泛函理论，在 B3LYP／6-31＋G（d）理论水平下，研究了3，3，7，7-四（三氟甲基）-2，4，6，8-四氮杂双环[3．3．0]辛烷及其多硝基取代物的结构和性能；在简谐振动分析的基础上，求解了该类化合物的振动频率、红外光谱及273～1000 K 内的热力学性质；采用 Monte-Carlo 随机算法预估了其密度；借助 Kamlet-Jacobs 公式预估了其爆热、爆速和爆压。结果表明，构型、密度及振动频率的计算值与实验值符合较好，其中2，4，6-三硝基取代物与2，4，6，8-四硝基取代物的爆速预估值分别为9．14、9．67 km／s，爆压预估值分别为40．91、46．69 GPa，满足了高能量密度化合物的标准。

铵离子对3,7-二硝基-1,3,5,7-四氮杂双环[3.3.1]壬烷(DPT)硝解反应影响（英文）

基于3,7-二硝基-1,3,5,7-四氮杂双环[3.3.1]壬烷(DPT)在HNO3-N H4N O3及HNO3中两种硝解机理,分别通过实验和理论计算方法对NH+4在DPT硝解反应中的作用进行了研究。将三种不同的铵盐(NH4)2H PO4,(NH4)2SO4和CH3C O O N H4添加到硝解体系中,考察了NH+4对HM X产率的影响。结果表明,与NH4N O3的作用相似,以上三种铵盐可提高HM X产率,提高率分别为41.5%、37.4%和20.7%。在不同的HNO3-铵盐体系中,当N H+4与DPT的摩尔比接近10时,HM X的产率均达到最大值,分别为56.3%、52.2%和35.5%。对比了HNO3-铵盐和H N O3-硝酸盐体系中D PT硝解反应的结果,发现N H+4对HM X产率的提高起主导作用。采用密度泛函理论(DFT)对NH+4在DPT硝解反应过程中的作用机理进行了理论解释,得出HNO3/N H+4体系中D PT硝解反应的活化能为133.95 k J·m ol-1,低于HNO3体系中的376.73 k J·mol-1。

1,5-二甲基-2-(S)-(1′-苯基乙基)-2-氮杂-8-氧杂-双环[3.3.0]辛烷-3,7-二酮的合成及其结构表征

利用 2 ,3 丁二酮与丙二腈缩合形成双甲基双氰基环并内酰胺 ,经酸性水解得到双甲基环并内酯 ,然后和 (S) ( -) ( 1 苯基乙基 )胺反应生成 1,5 二甲基 2 (S) ( 1′ 苯基乙基 ) 2 氮杂 8 氧杂 -双环 [3 .3 .0 ]辛烷 3 ,7 二酮 ,通过元素分析、红外光谱、核磁共振氢谱和质谱对其结构进行了表征 .用X射线单晶衍射法测定了目标产物的晶体结构 ,结果表明 ,晶体属单斜晶系 ,P2 1 空间群 ,a =0 8777( 18)nm ,b =1 0 10 2 ( 2 )nm ,c =0 90 0 9( 18)nm ,β =118 75 ( 3 )° ,V =0 70 0 3 ( 2 )nm3 ,Dc=1 2 96g·cm-3 ,μ =0 0 89mm-1 ,F( 0 0 0 ) =2 92 ,Z =2 ,R1 =0 0 3 93 ,wR2 =0 0 95 5 .

多硝基3,3,7,7-四(三氟甲基)-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷的合成与性能

为了探索三氟甲基对含能材料性能的影响,以偕二氨基六氟丙烷和乙二醛为原料构建了氮杂稠环类含能材料的硝化前体——3,3,7,7-四(三氟甲基)-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷,通过改进的合成路线,用发烟硝酸多步硝化分别得到2,6-二硝基-3,3,7,7-四(三氟甲基)-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷(4)、2,4,6-三硝基-3,3,7,7-四(三氟甲基)-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷(5)和2,4,6,8-四硝基6-3,3,7,7-四(三氟甲基)-2,4,6,8-四氮杂双环[3.3.0]辛烷(6)。利用核磁共振氢谱、碳谱和氮谱表征了产物结构;采用排惰性气体法测试了三种硝化产物的密度,其中6的密度最大,高达2.08 g·cm^-3;分别用落锤升降法和BAM法测得三种产物的撞击感度均大于30 J、摩擦感度均大于360 N;热重-微商热重(TG-DTG)分析发现三种产物的质量损失均大于90%,其热稳定性随硝基的增加而下降;利用Gaussian 09计算包,通过Monte-Carlo统计学方法以及Kamlet-Jacbos方程和VLW爆轰产物状态方程等理论模型预估了产物的爆速、爆压,其中化合物6的爆速为11937 m·s^-1,爆压为74.3 GPa。与四硝基甘脲(TNGU)的性能及感度对比发现,在含能材料的分子结构中引入具有更高密度和更大电负性的三氟甲基,可在维持较高密度和良好爆轰性能的同时降低感度。

1-亚硝基-3,5,7-三硝基-1,3,5,7-四氮杂环辛烷急性毒性研究

选用SD大鼠和白兔分别进行1-亚硝基-3,5,7-三硝基-1,3,5,7-四氮杂环辛烷(MNX)急性经口毒性、皮肤及眼刺激试验。结果发现,雄性和雌性大鼠MNX经口LD;分别为316 mg/kg、43 mg/kg;4只白兔皮肤刺激试验评分均为0,但3只染毒24 h后死亡;4只白兔眼刺激试验均出现轻微刺激症状,1只染毒48 h后恢复正常,其余3只死亡。提示MNX对雄性和雌性大鼠急性经口毒性等级分别为中等毒和高毒;对白兔皮肤无刺激性,对眼睛具有可逆性的轻度刺激。

硝酸-硝酸铵体系中DPT硝解制备HMX工艺研究

在硝酸-硝酸铵体系硝解3,7-二硝基-1,3,5,7-四氮杂双环[3,3,1]壬烷(DPT),制备HMX,通过正交实验确定最佳工艺条件。结果表明,最佳工艺条件为:10 mL硝酸与3 g硝酸铵配制硝解液,控制5℃下加入0.735 g DPT,保温溶解30 min,升温至25℃,反应40 min,HMX的平均收率为61.2%;各因素对HMX产率的影响顺序为:硝酸铵加入量>DPT加料温度>反应时间>反应温度。采用HPLC离线监测最佳工艺条件下的硝解反应,得到DPT和HMX浓度的变化规律,并对相关反应过程进行了推测。

DPT与红烟硝酸反应制备MNX

1-亚硝基-3,5,7-三硝基-1,3,5,7-四氮杂环辛烷(MNX)是3,7-二硝基-1,3,5,7-四氮杂双环[3.3.1]壬烷(DPT)硝解制备奥克托今(HMX)的中间体。为了研究DPT与发烟硝酸反应生成MNX的机理,在反应中加入甲醛。研究了DPT与红烟硝酸(HNO_3/N_2O_4)反应制备MNX新工艺。考察了硝酸、N_2O_4、NH_4NO_3的加入量和反应温度对反应的影响。通过正交实验确定了最佳的反应条件。用GJB772A-97方法和WJ/T9038.3-2004方法测试了MNX的感度。结果表明,甲醛可以促进DPT与发烟硝酸反应生成MNX,提出了DPT在硝酸中经过氧化还原过程的亚硝解反应机理。在-25℃时,其最优反应条件是N_2O_4与DPT的摩尔比为1∶1,NH_4NO_3与DPT的摩尔比为2.5∶1,MNX的收率为83.5%。MNX撞击感度和静电火花感度低于RDX和HMX,摩擦感度介于黑索今(RDX)和HMX之间。

N-羟甲基叔胺的乙酰解反应及其在DAPT合成TAT反应机理中的应用

为研究3,7-二乙酰基-1,3,5,7-四氮杂双环[3.3.1]壬烷（DAPT）乙酰解制备1,3,5,7-四乙酰基-1,3,5,7-四氮杂环辛烷（TAT）的反应机理,以仲胺为原料与甲醛进行缩合反应合成了N-羟甲基叔胺,并在乙酸酐中研究其乙酰解反应。结果表明：N-羟甲基叔胺在进行乙酰化时,反应发生在氮原子而不是氧原子,脱去羟甲基得到相应的N-乙酰化产物。DAPT乙酰解先得到7-乙酰氧基亚甲基-1,3,5-三乙酰基-1,3,5,7-四氮杂环辛烷,再经水解、乙酰化得到TAT;考察了硝酸铵在N-羟甲基叔胺乙酰解过程中的作用,发现硝酸铵在乙酰解过程中参与反应,释放的硝酸与仲胺反应生成硝酸盐,抑制了乙酰化反应的进行;加入硝酸铵后,乙酰化收率降低了18%~41%。

甲胺盐酸盐/发烟硝酸体系中DPT硝解?亚硝解反应制备MNX

用CH_3NH_2·HCl代替NH4NO3作为3,7-二硝基-1,3,5,7-四氮杂双环[3.3.1]壬烷(DPT)与发烟硝酸反应的添加剂,考察了CH_3NH_2·HCl对生成1-亚硝基-3,5,7-三硝基-1,3,5,7-四氮杂环辛烷(MNX)的影响。研究了CH_3NH_2·HCl促进DPT与发烟硝酸反应制备MNX的工艺,考察了发烟硝酸和CH_3NH_2·HCl的加入量、反应时间和反应温度对反应的影响。结果表明,通过正交实验确定的最佳反应条件为:n(DPT):n(CH_3NH_2·HCl)=1:2.5,反应时间10 min,反应温度-25℃。在最优反应条件下MNX的收率为78.5%。本方法避免使用NaNO_2溶液和N_2O_4作为亚硝基来源,简化了MNX的制备工艺,且反应废液容易处理,硝酸回收率为75%。CH_3NH_2·HCl对DPT与发烟硝酸反应的促进作用比NH_4NO_3的显著,提出了CH_3NH_2·HCl(或NH_4NO_3)分解成CH_3NH_3(或NH_3)作为Lewis碱催化剂促进DPT与发烟硝酸反应的可能机理,其中涉及到硝酸通过氧化还原反应生成亚硝酸作为亚硝基来源的过程。

N_2O_5/HNO_3/有机溶剂混合体系硝解DPT制备HMX

为了提高以N_2O_5为硝化剂的硝化体系硝解3,7-二硝基-1,3,5,7-四氮杂双环[3,3,1]壬烷(DPT)制备HMX的收率,考察了在N_2O_5/HNO_3/有机溶剂混合体系中,乙酸酐、乙腈、硝基甲烷、二氯甲烷4种有机溶剂与HNO_3在不同体积比下对DPT的硝解,测定了体系的H+浓度和N_2O_5的电导率,并分析了其对HMX收率的影响。结果表明,与4种N_2O_5/有机溶剂体系相比,N_2O_5/HNO_3/有机溶剂混合体系中产品收率明显提高;体系的酸度和硝化能力是影响HMX收率的两个重要因素,低酸度且硝化能力介于乙酰硝酸酯和NO2+之间时,有利于HMX生成;N_2O_5/HNO_3/乙酸酐混合体系为最适宜的硝解体系,当HNO_3与乙酸酐的体积比为3∶2时制备的HMX收率最高,为87.9%。

盐酸帕洛诺司琼中间体的合成研究

通过对盐酸帕洛诺司琼中间体多种合成路线及工艺的对比分析,确定以5,6,7,8-四氢-1-萘甲酸、(S)-3-氨基-1-氮杂双环[2.2.2]辛烷为主要原料,经过酰化、酰胺化、环化、提纯处理制得目标产物(S)-2-(1-氮杂双环[2.2.2]辛-3-基)-2,4,5,6-四氢-1 H-苯并[de]异喹啉-1-酮盐酸盐,即盐酸帕洛诺司琼中间体。经研究表明:合成路线可靠易行、原料廉价易得,工艺操作简单,对中间体进行氢化处理,可得到盐酸帕洛诺司琼。通过对目标产物关键合成步骤的工艺影响因素进行考察研究,确定了适宜的合成条件,利用晶体生长理论,对目标产物提取方法进行改良优化。研究结果表明:(S)-2-(1-氮杂双环[2.2.2]辛-3-基)-2,4,5,6-四氢-1 H-苯并[de]异喹啉-1-酮合成适宜条件为n((S)-N-(1-氮杂双环[2.2.2]辛-3-基)-5,6,7,8-四氢-1-萘甲酰胺)∶n(正丁基锂)∶n(DMF)=1.0∶4.0∶5.0,反应温度为-70^-80℃;提取目标产物的适宜条件为采用异丙醇盐酸溶液作为结晶稀释剂,结晶稀释剂用量/(S)-2-(1-氮杂双环[2.2.2]辛-3-基)-2,4,5,6-四氢-1 H-苯并[de]异喹啉-1-酮质量=10mL/g,结晶温度为-15^-20℃。在适宜的合成条件和提取条件下可得到目标产物HPLC纯度为99.77%,相对5,6,7,8-四氢-1-萘甲酸的摩尔收率为86.5%。采用核磁共振氢谱、液相色谱及熔点测定等方法对目标产物结构及纯度进行了分析表征。