作者简介:陈东旭(1993-),男,博士研究生,从事含能材料的合成与应用研究。E-mail:1124594163@qq.com 通信作者:杨红伟(1979-),女,教授,从事含能材料的合成与应用研究。E-mail:hyang@mail.njust.edu.cn
(南京理工大学 化工学院,江苏 南京 210094)
(School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)
organic chemistry; high energy density materials; azafused ring compounds; crystal structure; thermal properties; enthalpy of formation; sensitivity
备注
作者简介:陈东旭(1993-),男,博士研究生,从事含能材料的合成与应用研究。E-mail:1124594163@qq.com 通信作者:杨红伟(1979-),女,教授,从事含能材料的合成与应用研究。E-mail:hyang@mail.njust.edu.cn
以二氨基呋咱(DAF)为底物,与乙二醛进行醛胺缩合反应,合成4a,5,9a,10-四氢-4H,9H-[1,2,5]噁二唑[3',4':5,6[吡嗪[2,3-b][1,2,5]噁二唑[3,4-e]吡嗪(化合物2),再与甲醛加成,得到1,2,5-恶二唑[3',4':5,6]吡嗪-1,2,5-恶二唑吡嗪-4,9-二甲醇(化合物3),化合物3在硝酸/乙酸酐体系中硝化,生成具有高稳定性的稠环结构5,10-二硝基甲基-1,2,5噁二唑并[3',4':5,6]吡嗪并-1,2,5-噁二唑并吡嗪-4,9-二亚甲基二乙酸酯(化合物4); 用 X-射线单晶衍射仪对其单晶结构进行扫描,用差示扫描量热仪测试其热稳定性,用BAM 撞击感度仪和 BAM 摩擦感度测试仪测试其机械感度,用EXPLO5(V6.02)软件计算化合物的爆轰性能。结果 表明,化合物4属于单斜晶系,空间群为C2/c,晶体密度为1.72g/cm3(173K),热分解温度为210℃,撞击感度为20J,摩擦感度为270N,理论爆压为20.0GPa,理论爆速为7160m/s,综合性能优于TNT,是一种有应用潜力的新型含能材料。
4a,5,9a,10-Tetrahydro-4H,9H-[1,2,5]oxadiazole[3',4:5,6]pyrazine[2,3-b][1,2,5]oxadiazole[3,4-e]pyrazine(compound 2)was synthesized via aldol ammonia condensation reaction from diaminofurazan(DAF)and glyoxal. The addition reaction of compound 2 with formaldehyde was used to synthesis 1,2,5-oxadiazolo[3,4:5,6]pyrazino-1,2,5-oxadiazolopyrazine-4,9-dimethanol(compound 3). Then compound 3 was treated with HNO3/Ac2O to afford 5,10-dinitromethyl-1,2,5-oxadiazolo[3',4':5,6] pyrazino-1,2,5-oxadiazolopyrazine-4,9-dimethyl diacetate(compound 4). The single crystal structure of compound 4 was determined by single crystal X-ray diffractometer. Its thermal stability was determined by differential scanning calorimetry(DSC). The mechanical sensitivity was measured through a BAM friction tester. The detonation performance was calculated with EXPLO5(V6.02)software. The results show that compound 4 crystallizes in the monoclinic space group C2/c with a density of 1.72g/cm3. The thermal decomposition temperature of compound 4 is 210℃. It also has an impact sensitivity of 20J, friction sensitivity of 270N, theoretical detonation pressure of 20.0GPa and theoretical detonation velocity of 7160m/s. Compound 4 has better comprehensive properties than TNT and is a new energetic material with potential application.
引言
高能量密度材料在军事和民用领域发挥着重要作用,因此,其合成与开发越来越受到世界各国的关注[1-2]。氮杂稠环含能化合物是高能量密度材料的重要组成部分,与氮杂单环、连环类含能化合物相比,富氮稠环化合物具有更多的C=N、C—N和N—N键,使其拥有更高的生成焓、密度和优良的爆轰性能,是颇有研究前景的含能化合物[3-9]。
在含能材料的研究中,如何解决能量与安全性之间的矛盾受到国内外学者的广泛关注[10-12]。唑类稠环化合物因其分子内存在类似苯环的共轭大π键,往往具有较好的热稳定性和较低的感度,是高能量密度材料的重要研究方向之一。2018年,Li等[14]以二氯乙二肟和二氨基呋咱为底物,合成4,8-二氢呋咱并[3,4-b,e]吡嗪(DFP),DFP先与羟胺磺酸作用,再经过硝硫混酸体系硝化,合成4,8-二硝胺基二呋咱[3,4-b,e]吡嗪,密度为1.803g/cm3,理论爆速9.15km/s,爆压为36.5GPa,生成热为750.3kJ/mol; 2020年,李亚南等[14]以5,6二氯呋咱并[3,4b]吡嗪(DCFP)为原料,设计合成了4氨基1,2,3三氮唑[4,5e]呋咱并[3,4b]吡嗪-6-氧化物(ATFPO),该化合物密度为1.82g/cm3,理论爆速为8.743km/s,爆压为34.6GPa,生成热为750.3kJ/mol,撞击感度为35J,是一种钝感、爆轰性能优良的新型高能量密度材料。前期理论及实验结果表明,呋咱并吡嗪结构是一种具有良好前景的含能材料骨架,同时,通过向吡嗪环NH位点引入氨基、硝基等基团,可进一步提升化合物的能量,从而设计合成多种性能优良的含能化合物[15]。
本研究以二氨基呋咱(DAF)为底物,与乙二醛进行醛胺缩合反应,再与甲醛加成,用羟甲基取代吡嗪上的N位点,最后在硝酸/乙酸酐体系中硝化,首次合成具有稠环结构的5,10-二硝基甲基-1,2,5-噁二唑并[3',4':5,6]吡嗪并-1,2,5-噁二唑并吡嗪-4,9-二亚甲基二乙酸酯(化合物4)。利用多种仪器确定了其结构并测定了其热稳定性及感度性质,预估其爆轰性能。研究表明,化合物4具有较好的热稳定性和较低的感度,性能略优于TNT,是一种有应用潜力的新型含能材料。
1 实 验
2 结果与讨论
2.1 晶体培养与解析将化合物4溶解在甲醇溶液中,利用挥发法得到棕红色的晶体。选取合适的晶体,采用X射线衍射仪扫描并收集数据,单晶解析结果表明,化合物4属于单斜晶系,空间群为C2/c。单个晶胞中含有4个化合物分子,该化合物的晶体密度为1.721g/cm3。晶体结构、晶胞堆积及氢键图如图1所示。
图1 化合物4的ORTEP图、晶胞图和氢键图
Fig.1 The ORTEP plot, cell stacking diagram and hydrogen bond diagram of compound 4化合物4的晶体参数、键长、键角和氢键数据见表1~表4。从表2可知,C2—C5的键长为1.564Å,其余C—C键长度均在1.54Å以下,小于一般的C—C键; N3—N9的键长为1.413Å,N7—N10的键长为1.422Å,与常见的N—NO2的键长相近,说明化合物4有较好的稳定性。C—H…O和C—H…N均属于弱氢键,但在决定晶体结构和晶体的填充方式以及维持分子的稳定构象等方面仍能发挥着重要作用[20-21]。从图1(c)可以看出,化合物4有4个分子内氢键:C2—H2…O4、C5—H5…O8、C10—H10A…N1和C7—H7B…N5,它们长度分别为2.250、2.260、2.450和2.460Å。同时,在分子间也存在6个氢键C12—H12B…O1、C12—H12B…N1、C12—H12C…N2、C12—H12C…O3、C12—H12B…O3、C7—H 7A…O7。这一系列的氢键有效提升了晶体的稳定性,使化合物具有较低的感度。
2.2 热稳定性分析化合物4的DSC和TG曲线如图2所示。
由图2可知,化合物4 起始分解温度为210.3℃,248.6 ℃时分解速率最快,为化合物的放热峰,其峰形较窄,表明化合物4 在210.3℃时剧烈放热并快速分解,符合含能材料的热力学特性。
2.3 化合物4 的性能参数一般来说,含能化合物密度在1.5~2.0g/cm3之间,密度越大,含能化合物的爆轰性能越好。本研究采用真空密度仪在室温下测试了化合物4 的实测密度,为1.712g/cm3。
基于设计的等键反应和运用B3LYP/6-311+G**方法来计算化合物4 的生成焓。所设计的等键反应如下所示:
上述反应在298k的标准生成热可由式(1)计算:
ΔH298=ΣΔfHP-ΣΔfHR(1)
式中:ΣΔfHP和ΣΔfHR分别为298K下生成物和反应物标准生成热之和。则ΔH298可以用公式(2)进行计算:
ΔH298=ΔE298+Δ(PV)=ΔE0+ΔEZ+ΔHT+ΔnRT(2)
式中:ΔE0为0K时各组分总能量的变化; ΔEZ为各组分零点能的差值; ΔHT为从0~298K的温度校正值。在理想气体条件下,等键反应中的Δ(PV)=ΔnRT=0[22]。化合物4的等键方程中各相关化合物的E0、ZEP、ΔHT以及ΔHf均在表5中列出。得出化合物4的生成焓为12.32kJ/mol。
表5 几种化合物的总能量(E0)、零点能(EZ)、温度校正系数(ΔHT)以及生成焓(ΔHf)
Table 5 E0,EZ,ΔHT and ΔHf for several compounds采用EXPLO5(V6.02)程序[23]预测其爆轰性能[24]。在 25℃下,利用BAM撞击感度仪和BAM摩擦感度测试仪,测试化合物4的机械感度。为了与传统含能材料比较,同时将化合物4、RDX和TNT的热分解温度、生成焓、爆轰性能和机械感度[25]列于表6。由表6可知,化合物4的爆压为20.0GPa、爆速为7160m/s,高于TNT的爆轰性能(爆速6881m/s,爆压19.5GPa)。同时,化合物4的摩擦感度为270N,优于RDX(120N); 撞击感度20J,优于TNT(15J)和RDX(7.5J),这是由于化合物4中有多组分子内氢键,其中C5—H5…O6(2.34Å)与N7、N10原子,C2—H2…O4(2.25Å)与N3、N9原子间构成了五元环的结构,这大大增强了N—NO2键的强度,使化合物4具有较好的机械感度。
3 结 论
(1)以DAF为初始原料,与乙二醛进行醛胺缩合反应,生成具有稠环结构的化合物2。通过在吡嗪环上引入羟甲基增加硝化反应的位点,再利用硝酸/乙酸酐体系对[1,2,5]噁二唑并[3',4':5,6]吡嗪并[1,2,5]噁二唑并吡嗪-4,9-二甲醇(化合物3)进行硝化,在硝化过程中,羟甲基与乙酸酐发生酯化反应,得到新型呋咱并吡嗪类含能化合物5,10-二硝基甲基-1,2,5-噁二唑并[3',4':5,6]吡嗪并-1,2,5-噁二唑并吡嗪-4,9-二亚甲基二乙酸酯(化合物4)。
(2)化合物4的热分解温度为210℃,生成焓为12.32kJ/mol,摩擦感度和撞击感度分别为20J和270N,与TNT(IS=15J,FS=270N)相当,优于RDX(IS=7.5J,FS=150N)。
(3)化合物4的爆压为20.0GPa、爆速为7160m/s,性能略优于TNT,具有一定的应用前景。
1.1 试剂与仪器盐酸羟胺、氢氧化钠、乙二醛、尿素、甲醛、98%硫酸、发烟硝酸、乙酸酐,均为分析纯,成都市科隆化学品有限公司; 37%盐酸、40%乙二醛,均为分析纯,南京宁试化学试剂有限公司。
APEX ⅡCCD X-射线单晶衍射仪,瑞士Bruker公司; 差示扫描量热-热重联用仪(TG/DSC 3+),瑞士Mettler Toledo公司; 500 MHz 核磁共振仪、300 MHz 核磁共振仪,瑞士Bruker公司; FSKM 10 BAM 摩擦感度仪、BFH 12 BAM 撞击感度仪,美国IDEA SCIENCE公司; BOMEM MB 154S傅里叶变换红外光谱仪,加拿大ABB BOMEM公司。
1.2 实验过程具体反应路线如下:
以二氨基呋咱(DAF,化合物1)为原料,与乙二醛通过醛氨缩合反应,得到4a,5,9a,10-四氢-4H,9H-[1,2,5]噁二唑[3',4':5,6]吡嗪[2,3-b][1,2,5]噁二唑[3,4-e]吡嗪(化合物2)。因化合物2硝化后N—NO2会迅速水解,得到化合物4H, 9H-[1,2,5]噁二唑[3', 4':5, 6]吡嗪[2,3-b][1,2,5]噁二唑[3,4-e]吡嗪(化合物5)[16]。为了增加硝化位点,将化合物2与甲醛在98%硫酸中反应,得到[1,2,5]噁二唑并[3',4':5,6]吡嗪并[1,2,5]噁二唑并吡嗪-4,9-二甲醇(化合物3),此时再引入硝基可形成分子内氢键,提升N—NO2键的稳定性。用硝酸/乙酸酐体系硝化化合物3,发现除吡嗪环上的N—H被硝化,还发生羟甲基与乙酸酐间的酯化反应,得到化合物4。由于在硝酸/乙酸酐体系下合成硝酸酯,需要室温或者更高的温度[17]; 同时,乙酸酐中,受到酰氧基的影响,乙酰基带有更强的正电倾向,容易被亲核试剂进攻,因此得到乙酸酯而不是硝酸酯。
1.2.1 3,4-二氨基呋咱(DAF)的合成根据文献[18]合成DAF。
热分解温度为220℃; 1H NMR(DMSO,500MHz):δ5.67(s,4H); 13C NMR(DMSO, 125MHz):δ147.28; IR(KBr),ν(cm-1): 3158,2668,1420,1055,822,630,600,540; 元素分析(C2H4N4O,%): 理论值,C 24.00,H 4.03,N 55.98; 实测值,C 23.78,H 4.12%,N 56.16%。
1.2.2 化合物2的合成将10g(0.100mol)DAF加入20mL蒸馏水中,并加入10g HCl(质量分数37% )。将该混合液在60℃下搅拌,同时加入7.25g乙二醛水溶液(质量分数40%),将混合物搅拌1h,然后冷却,收集产物并用水充分洗涤,干燥后质量为10.86g(0.049mol),产率为98%。
热分解温度为 230℃; 1H NMR(DMSO,300MHz):δ7.56(s,4H), 4.31(s,4H); 13C NMR(DMSO,125MHz): δ 147.26,58.95. IR(KBr),ν(cm-1): 3313,1579,1324,1288,1128,1080,1020,991,900,824,788,741,697,641; 元素分析(C6H6N8O2,%): 理论值,C 32.44,H 2.72,N 50.44; 实测值,C 32.21,H 2.80,N 50.29。
1.2.3 化合物3的合成称取1.11g(0.050mol)化合物2加入2mL水和5mL甲醛的混合溶液中,滴加0.5mL H2SO4(质量分数98%),置于室温下反应3d,过滤,收集滤饼并用10mL冰水洗涤,烘干。得到红棕色的产物1.03g,产率为80%。
热分解温度为220.3℃; 1H NMR(DMSO,300MHz):δ 3.62(s,2H),4.11(s,2H), 5.53(s,4H),7.66(s,2H); 13C NMR(DMSO,125MHz):δ 76.17,93.75,143.78; IR(KBr),ν(cm-1): 3440,2854,2730,1609,1450,1328,1257,1030,998,681,630; 元素分析(C8H10N8O4,%): 理论值,C 34.05,H 3.57,N 39.71; 实测值,C 34.13,H 3.48,N 39.62。
1.2.4 化合物4的合成在25mL两口瓶中加入6mL发烟硝酸,分批缓慢加入0.5g化合物3。反应30min后向混合液中缓慢滴加6mL乙酸酐,滴加过程中控制反应温度在0℃以下。滴加完成后保持温度不变,继续反应2h。反应结束后,用100mL冰水淬灭,过滤,收集滤饼,并用20mL冰水洗涤,烘干。得到棕褐色固体粉末0.35g,产率为86%。
热分解温度为210.3℃; 1H NMR(DMSO,300MHz):δ 1.91(s,2H),5.4(s,2H),7.25(s,2H); 13C NMR(DMSO,125MHz): δ 20.22,63.24,139.48,147.10,169.33; IR(KBr),ν(cm-1): 3440,2922,1609,1555,1517,1450,1328,1257,1212,1112,979,854,775,729, 694; 元素分析(C12H12N10O10,%): 理论值,C 31.59,H 2.65,N 30.70; 实测值,C 31.53,H 2.73,N 30.72。
1.3 性能测试采用TG/DSC测试化合物4的热性能,测试条件:氮气为保护气,气体流量30mL/min,升温速率5.0℃/min,样品质量79mg; 采用真空密度仪在室温下测试其密度,测试条件:室温,氮气保护,氮气压力0.125GPa; 采用BAM标准测试法[19]测试其撞击感度和摩擦感度,测试条件:室温,落锤质量2kg,样品质量10mg。
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