含能材料中間體3,7,10-三氧代-2,4,6,8,9,11-六芐基-2,4,6,8,9,11-六氮雜[3,3,3]螺槳烷(HBPTO)的合成、表征及工藝改進

王錫杰， 畢福強， 肖 川， 王伯周， 張俊林， 周 誠， 胡 銀

(西安近代化學研究所， 陜西 西安 710065)

1 引 言

螺槳烷是一種特殊的稠合三環(huán)體系，三環(huán)共用一個C—C共價鍵，其空間張力很大，反應活性很強，具有重要的生物和藥理活性，是構(gòu)建許多天然產(chǎn)物的基本骨架結(jié)構(gòu)[1-3]，在過去的30年里，因其獨特的結(jié)構(gòu)吸引了諸多化學工作者的興趣[4-8]。而氮雜[3.3.3]螺槳烷由于具有較多的氮原子數(shù)、較好的對稱性、緊湊的骨架，使其密度較高，同時其空間張力大有助于提高生成焓、爆速及作功能力，結(jié)構(gòu)中的氮原子也為進一步引入含能基團提供了活性反應位點，適宜作為含能化合物的骨架結(jié)構(gòu)。近年，含能材料科研工作者已將氮雜[3.3.3]螺槳烷結(jié)構(gòu)應用于含能材料的設計與合成中[9]，理論研究結(jié)果表明[9-12]，硝基氮雜[3.3.3]螺槳烷可能突破傳統(tǒng)CHON材料的能量閾值，同時保持一定的穩(wěn)定性和安全性。3,7,10-三氧代-2,4,6,8,9,11-六芐基-2,4,6,8,9,11-六氮雜[3,3,3]螺槳烷(HBPTO)是韓國國防局于2013年最新報道一種螺槳烷化合物[13]，其合成以尿酸(UC)為起始原材料，經(jīng)氧化-取代反應合成二氨甘脲(DAGU)，DAGU再經(jīng)縮合、原位脫BOC保護二步反應合成3,7,10-三氧代-2,4,6,8,9,11-六氮雜[3,3,3]螺槳烷(PTO)，再經(jīng)取代反應共計四步合成目標化合物HBPTO。在HBPTO的環(huán)上引入疊氮基、硝基及氨基等基團設計合成新型高能量密度材料，如2,4,6,8,9,11-六硝基-2,4,6,8,9,11-六氮雜[3,3,3]螺槳烷(HNHAP)，其理論密度為2.01 g·cm-3，理論爆速9665 m·s-1，理論爆壓45.0 GPa，氧平衡為-3.75%，綜合性能優(yōu)異，在武器裝備中具有潛在的應用前景。

本研究參考文獻[13]，以尿酸為起始原材料，經(jīng)氧化-加成、縮合、取代反應等在國內(nèi)首次合成了HBPTO(Scheme 1)，并采用紅外光譜、核磁共振、質(zhì)譜以及元素分析對中間體和目標化合物的結(jié)構(gòu)進行了表征。針對PTO二步合成方法存在工藝路線較長、工藝操作復雜等問題，對PTO的合成工藝進行了重大改進，自行設計了一步縮合反應合成PTO的新方法，縮短了反應步驟、簡化了操作工藝，且收率較高。首次探討了DAGU合成反應機理，優(yōu)化了合成工藝條件，確定了最佳合成工藝參數(shù)。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

德國Bruker公司TENSOR 27型傅里葉變換紅外光譜儀; 德國Elementar公司Vario EL Ⅲ型自動微量有機元素分析儀; 瑞士Bruker公司AV 500型(500 MHz)超導核磁共振波譜儀; 美國Waters公司的SYNAPT型UPLC-Q-TOFMS液質(zhì)聯(lián)用儀; 日本島津GC-2010型高效液相色譜儀。

尿酸(≥98%)，分析純，東京化成工業(yè)株式會社; 鐵氰化鉀(≥99.5%)，分析純，鄭州派尼化學試劑廠; 氨水(25%-28%)，分析純，西隴化工股份有限公司; 羰基二咪唑(≥97%)，分析純，Aladdin Industrial Coporation; 芐溴，化學純; 二甲亞砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF) 、氫化鈉(≥60%)均為分析純，均為成都市新都區(qū)木蘭鎮(zhèn)工業(yè)開發(fā)區(qū)生產(chǎn)廠。

2.2 實驗

2.2.1合成路線

Scheme 1 Synthetic route of HBPTO

2.2.23a,6a-二氨基四氫咪唑并[4,5-d]咪唑-2,5(1H,3H)-二酮(DAGU)的合成

室溫下，將40.36 g(23.4 mmol)尿酸與153.6 mL氨水、408 mL水混合后，冷卻至0 ℃后，溫度保持在0～5 ℃分批加入316.8 g(96.3 mmol)鐵氰化鉀，加料完畢后，升溫至25 ℃反應0.5 h，過濾，濾液放置2天后析出白色固體; 濾餅用冰水洗滌至水為無色，然后將濾餅加入到50 mL的氨水中，常溫下攪拌反應12 h，過濾，水洗，乙醇、乙醚洗，與濾液析出的白色固體合并干燥，得DAGU固體17.9 g，收率43.2%。1H NMR (DMSO-d6, 500 MHz),δ: 2.35(S,4H), 7.04(S,4H);13C NMR (DMSO-d6, 125 MHz),δ: 157.88, 87.28; IR (KBr,ν/ cm-1), 3349, 3302, 1737, 1687, 1489, 1208, 927; MS(ESI)m/z(%): 173(M+H)+; Anal.calcd for C4H8N6O2: C 27.91, H 4.65, N 48.84 ; found C 27.89, H 4.67, N 48.38。

2.2.33,7,10-三氧代-2,4,6,8,9,11-六氮雜[3,3,3]螺槳烷的合成(PTO)

氮氣保護下，將二氨基甘脲6 g(35.0 mmol)與羰基二咪唑6 g(37.0 mmol)分別加入到123 mL DMSO中，室溫下反應60 h，反應完畢后，將反應液倒入到530 mL丙酮中，析出白色固體，過濾，甲醇洗滌，干燥得5.96 g PTO產(chǎn)品，收率85.6%。1H NMR (DMSO-d6, 500 MHz),δ: 8.04(s);13C NMR (DMSO-d6, 125 MHz),δ: 159.57, 85.25; MS(ACPI)m/z(%): 197(M-H)-。

2.2.43,7,10-三氧代-2,4,6,8,9,11-六芐基-2,4,6,8,9,11-六氮雜[3,3,3]螺槳烷(HBPTO)的合成

氮氣保護下，將PTO 0.45 g(2.27 mmol)加入到5 mL DMF和2 mL DMSO中，冷卻至0 ℃后，加入NaH 0.85 g(21.27 mmol)后，0 ℃反應1 h，再加入卞溴3.4 mL(28.28 mmol)，升至常溫，反應12 h后，倒入水中，乙酸乙酯萃取，蒸餾，柱分離后得0.32 g HBPTO產(chǎn)品，收率23.2%，純度98.5%(HPLC)。1H NMR (DMSO-d6, 500 MHz),δ: 7.29-7.23(m, 18H), 7.11-7.09(m, 12H), 4.32(s, 12H);13C NMR (DMSO-d6, 125 MHz),δ: 157.1, 136.7, 128.6, 127.6, 126.4, 89.3, 45.6; IR (KBr,ν/cm-1):3088, 3062, 2967, 2929, 1718, 1471, 1452, 1425, 1333, 1142, 1075; MS(ACPI)m/z(%): 739.3394(M+H)+; Anal.calcd for C47H42N6O3: C 76.40, H 5.73, N 11.37; found C 76.01, H 5.63, N 10.92。

3 結(jié)果與討論

3.1 譜學解析

3.1.1 紅外光譜解析

HBPTO的紅外光譜見圖1。圖1中，3088 cm-1，3063 cm-1為苯環(huán)上CH鍵的伸縮振動，1355 cm-1為苯環(huán)上CH鍵的彎曲振動， 2929 cm-1為芐基CH2鍵伸縮振動，1452 cm-1芐基CH2的彎曲振動，1718 cm-1為羰基的伸縮振動。1496 cm-1，1471 cm-1為苯環(huán)骨架振動， 738，699 cm-1為苯環(huán)上CH面外彎曲振動，紅外光譜反映了HBPTO結(jié)構(gòu)中的苯環(huán)、亞甲基、次甲基特征官能團的存在。

圖1HBPTO的FT-IR圖

Fig.1FT-IR spectrum of HBPTO

3.1.2 質(zhì)譜解析

HBPTO的大氣化學電離質(zhì)譜(APCI-MS) 如圖2所示。采用液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜，選擇正離子模式測定，并通過已知內(nèi)標物校正，獲得HBPTO的精確分子量，譜圖中m/z739.3394恰好與HBPTO分子量相差1，判斷m/z739.3394為樣品的準分子離子峰(M+H)+，m/z761.3216恰好與HBPTO分子量相差23，判斷m/z761.3216為樣品的(M+Na)+峰，碎片m/z563.2896正好為m/z739.3394失去一個H，三個CO，一個Bn形成的碎片離子，碎片m/z290.2875正好為碎片m/z563.2896失去三個Bn形成的碎片離子，而碎片m/z91.0714為Bn碎片離子。

圖2HBPTO的質(zhì)譜圖

Fig.2Mass spectrum of HBPTO

3.1.3 核磁共振光譜

3.1.3.11H NMR譜

HBPTO的質(zhì)子結(jié)構(gòu)及化學位移歸屬如圖3 (1H NMR譜圖)所示。由圖3可見， 3組氫共42個質(zhì)子，其積分比(由高場到低)約為18∶12∶12。

圖3HBPTO的1H NMR譜圖

Fig.31HNMR spectrum of HBPTO

3.1.3.213C NMR譜

HBPTO的13C NMR譜圖如圖4所示。圖4顯示，HBPTO為對稱結(jié)構(gòu)，共有7個吸收峰，表明分子中有7種處于不同化學環(huán)境下的碳原子。δc157.281為螺槳烷上的—CO 碳，δc136.831為苯環(huán)上的季碳，δc128.776為苯環(huán)上的間位碳，δc127.741為苯環(huán)上鄰位碳，δc126.572為苯環(huán)上的對位碳，δc89.472為螺槳烷上的季碳，δc45.769為芐基上的—CH2由以上分析表明，其碳原子種類數(shù)及化學位移值與預定分子一致。

圖4HBPTO的13CNMR譜圖

Fig.413CNMR spectrum of HBPTO

3.2 DAGU反應機理

尿酸環(huán)內(nèi)雙鍵結(jié)構(gòu)在氨水體系中首先與一分子氨發(fā)生雙鍵加成反應，得到順式5,6-雙環(huán)結(jié)構(gòu)Ⅰ，其中酰胺羰基較之脲羰基活性較高，堿性環(huán)境下，氫氧根負離子進攻酰胺羰基結(jié)構(gòu)之后水解開環(huán)得到羧酸負離子，在氧化劑存在條件下羰基負離子被氧化得到自由基，繼而誘導脫羧形成不飽和烯胺化合物Ⅲ，其同分異構(gòu)體Ⅳ與氨發(fā)生1,4-加成反應得到化合物Ⅴ，Ⅴ分子內(nèi)脲胺基發(fā)生5-exo的1,2-加成得到DAGU。推測其反應機理如Scheme 2所示。

Scheme 2 Possible mechanism of synthesizing DAGU by uric acid

3.3 DAGU工藝優(yōu)化

3.3.1 氧化劑使用量的影響

反應溫度為25 ℃，反應時間為0.5 h的條件下，考察氧化劑K3Fe(CN)3加入量(n(UC)∶n(K3Fe(CN)3)分別為1∶2, 1∶3, 1∶3.5, 1∶4, 1∶4.2, 1∶5, 1∶6)對DAGU收率及純度的影響，實驗結(jié)果見表1。從表1可見，n(UC)∶n(K3Fe(CN)3)為1∶4.2時，收率、純度最高，這是由于理論上鐵氰化鉀的摩爾量是DAGU的兩倍，且該反應為非均相反應，在反應溫度不高的情況下，反應活性差，因此鐵氰化鉀的用量較理論量高，n(UC)∶n(K3Fe(CN)3)=1∶4.2為較佳用量，進一步提高鐵氰化鉀使用量，收率未見提高。

表1n(UC)∶n(K3Fe(CN)3)對DAGU收率的影響

Table1Effectofn(UC)∶n(K3Fe(CN)3)ontheyieldofHBPTO

n(UC)∶n(K3Fe(CN)3)yield/%purity/%1∶2．0//1∶3．017．592．61∶3．520．293．21∶4．042．498．21∶4．243．298．51∶4．543．298．61∶6．043．198．2

3.3.2 反應溫度的影響

n(UC)∶n(K3Fe(CN)3)∶1∶4.2，反應時間為0.5 h的條件下，考察溫度對DAGU收率的影響，結(jié)果見表2。從表2 可見，當反應溫度為25 ℃時，反應收率最高，溫度進一步提高時，反應收率降低，這是因為當溫度提高時，產(chǎn)物DAGU易水解，造成收率與純度的下降。故25 ℃為適宜的反應溫度。

表2反應溫度對DAGU收率的影響

Table2EffectofreactiontemperatureontheyieldofDAGU

temperature/℃10253040yield/%32．343．242．134．8purity/%98．799．298．697．4

3.3.3 反應時間的影響

n(UC)∶n(K3Fe(CN)3)為1∶4.2，反應溫度為25 ℃的條件下，考察反應時間對DAGU收率的影響，結(jié)果見表3。從表3可見，當反應時間為0.5 h，反應收率最高，反應時間進一步延長，收率沒有明顯提高，當反應時間為3 h，收率反而有所降低，這是因為反應時間過長，產(chǎn)物DAGU溶解于水中可能會產(chǎn)生一定水解所致。因此，最優(yōu)反應時間為0.5 h。

表3反應時間對DAGU收率的影響

Table3EffectofreactiontimeontheyieldofDAGU

time/h0．513yield/%43．243．142．1purity/%99．299．299．0

3.4 PTO工藝優(yōu)化

3.4.1 PTO工藝改進

文獻[13]在2013年公開了3,7,10-三氧代-2,4,6,8,9,11-六氮雜[3,3,3]螺槳烷的合成方法，其合成路線見Scheme 3。

Scheme 3 Two-step synthetic route of PTO

該方法分為兩步，第一步DAGU與二碳酸二叔丁酯發(fā)生縮合反應后，采用乙醚萃取，蒸餾后，色譜柱純化后，得到化合物2,4,6,8,9,11-六叔丁氧羰基-3,7,10-三氧代-2,4,6,8,9,11-六氮雜[3,3,3]螺槳烷(HBOCP); 第二步HBOCP在三氟乙酸作用下脫掉保護基團叔丁氧羰基(BOC)，減壓蒸餾，過濾、洗滌，干燥后得到PTO，兩步反應總收率為80.2%。

本文自行設計了PTO的合成路線及合成工藝，采用與羰基二咪唑一步合成PTO，具體合成工藝見2.2.3，合成路線見Scheme 4。

Scheme 4 One-step synthetic route of PTO

兩種方法相比，本研究采用的PTO的合成方法反應步驟較少，總反應步驟為一步，反應收率為85.6%，比文獻[13]兩步總收率80.2%較高，相比參考文獻[13]需要涉及萃取、蒸餾、色譜柱純化、過濾、洗滌等操作過程，工藝復雜，而本方法僅需將反應液過濾、洗滌后即可得到PTO，操作工藝簡單。

3.4.2 PTO純化研究

PTO僅在DMSO中有一定的溶解度，但在DMSO中易形成過飽合態(tài)，難于重結(jié)晶，造成PTO的純化有一定難度。本研究將PTO溶解在DMSO中，然后滴加到丙酮中，固體析出，過濾，濾餅用甲醇煮洗，過濾，干燥后純度僅能達到93.5%( HPLC)，故PTO的提純尚需進一步研究。

3.5 中間體PTO純度對合成 HBPTO的影響

反應條件同2.2.4，考察PTO純度對HBPTO收率的影響，見結(jié)果見表4。

表4PTO純度對HBPTO收率的影響

Table4EffectofpurityofPTOontheyieldofHBPTO

purity/%75．380．686．493．5yield/%//523．2purity/%//98．298．5

中間體PTO的純度對HBPTO的收率影響較大，但PTO在大多數(shù)的溶劑中不溶，造成其提純較為困難， 純度為75.3%、80.6%的PTO樣品均為前期獲得的粗品純度，沒有提純即投入下一步使用。86.4%、93.5%為采用不同提純方法獲得的PTO樣品純度，均為實測樣品純度。從表4可以看出，當PTO純度小于80.6%，不能合成出HBPTO，這可能一方面是由于PTO的雜質(zhì)中含有活潑氫，優(yōu)先與PTO發(fā)生反應，隨著純度的提高，雜質(zhì)對反應的影響降低，當PTO純度為93.5%，收率達到23.2%。另一方面是由于PTO的6個N上的活潑H首先與NaH反應成鹽后，原位進攻芐溴，發(fā)生烷基化反應，該反應具有反應位次較多，位阻較大的特點，因此造成該化合物的收率較低。

4 結(jié) 論

(1)首次在國內(nèi)合成了3,7,10-三氧代-2,4,6,8,9,11-六芐基-2,4,6,8,9,11-六氮雜[3,3,3]螺槳烷(HBPTO)，該化合物的合成以尿酸為起始原材料，經(jīng)加成、氧化、縮合、取代反應等三步反應合成了含能材料中間體HBPTO，采用紅外光譜、核磁共振、質(zhì)譜以及元素分析等進行了結(jié)構(gòu)表征，總收率為8.58%。

(2)探討了尿酸合成DAGU反應機理，揭示了其氧化-加成微觀反應過程。

(3)優(yōu)化了氧化-加成反應合成DAGU條件，其最佳反應條件為:n(UC)∶n(K3Fe(CN)3)=1∶4.2，反應溫度為25 ℃，反應時間為0.5 h。

(4)自行設計了二氨基甘脲與N,N′-羰基二咪唑一步縮合合成了PTO的新方法，與文獻的兩步法相比，具有反應步驟少、工藝簡單的特點。

參考文獻:

[1] Ibuka T, Inubushi Y, Tanaka K. Total Synthesis of the alkaloid hasubanonine[J].Chemical&PharmaceuticalBulletin, 1974, 22(4): 782-796.

[2] Zu L, Boal B W, Garg N K. Total synthesis of Aspidophyline A[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety, 2011, 133: 8877-8879.

[3] Jian M H, Ritsuko Y, Chun S Y. Solid phase synthesis of 1,3-disubsituted succinimides[J].TetrahedronLetters, 2000, 41: 6111-6114.

[4] Sha C K, Wong D C. Intramolecular radical cyclization of silylacetylenic or olefinic α-iodo ketones application to the total synthesis of modhephene[J].TetrahedronLetters, 1990, 31(26): 3745-3748.

[5] Lee H Y, Kim S, Kim D I. Tandem radical cyclization reation of N-aziridinyl imines to [3,3,3]propellanes:formal total synthesis of di-modhephene[J].JournaloftheChemicalSociety, 1996, 61: 1539-1540.

[6] Nicolaou K C, Snyder S A, Montagnon T. The diels-alder reaction total synthesis[J].AngewandteChemieInternationalEdition, 2002, 41: 1668-1698.

[7] Trost B M, Shi Y. A Pd-Catalyzed zipper Reaction[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety, 1991, 113(2): 701-703.

[8] Asahi K, Nishino H. Manganese(III)-based dioxapropellane synthesis using tricarbonyl compounds[J].Tetrahedron, 2008, 64: 1620-1634.

[9] ZHANG Qing-hua, ZHANG Jia-heng, QI Xiu-juan. Molecular design and property prediction of high density polynitro[3,3,3]-propellane-derivatized frameworks as potential high explosives[J].TheJournalofPhysicalChemistry, 2014, 118: 10857.

[10] 王伯周，李輝，李亞南, 等. 呋咱醚含能化合物研究進展[J]. 含能材料, 2012,20(4): 385-390.

WAGN Bo-zhou, LI Hui, LI Ya-nan, et al. Review on energetic compounds based on furoxanyl ether[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2012, 20(4): 385-390.

[11] 賈思媛, 張海昊, 王伯周, 等. 3,4- 雙(3′-氨基呋咱-4′-基)呋咱合成與表征[J].含能材料, 2013, 21(3): 289-293.

JIA Si-yuan, ZHANG Hai-hao, WANG Bo-zhou, et al. Synthesis and characterization 3,4-bis(3′-aminofurazal-4′-yl)furazan[J].CheineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2013, 21(3): 289-293.

[12] 王錫杰，王伯周，賈思媛, 等.三呋咱并氧雜環(huán)庚三烯的合成研究(TFO)[J]. 含能材料, 2012, 20(2): 258-259.

WANG Xi-jie,WANG Bo-zhou, JIA Si-yuan, et al. Trifurazanooxaheptatrien (TFO) synthesis[J].CheineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailiao), 2012, 20(2): 258-259.

[13] Young G K, Kyoo H C.Hexaaza[3,3,3]propellane compounds as key intermedlates for new molecular explosives and a method for preparing the same: US 8609861[P]. 2013.