9-硝基-9-氮雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二醇二硝酸酯的合成與表征

邵航松，凌亦飛，侯天驕，阮宏偉，王晨嬌，羅　軍

(南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇南京210094)

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9-硝基-9-氮雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二醇二硝酸酯的合成與表征

邵航松，凌亦飛，侯天驕，阮宏偉，王晨嬌，羅軍

(南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇南京210094)

摘要：以環(huán)辛二烯為原料，經(jīng)環(huán)氧化、胺化成環(huán)、硝化等合成了一種新型含能材料9-硝基-9-氮雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二醇二硝酸酯，采用NMR、IR、元素分析對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征；利用熱重分析和差示掃描量熱法對其熱性能進(jìn)行了分析；利用Kamlet-Jacobs經(jīng)驗(yàn)公式對其爆轟性能進(jìn)行了理論計算；研究了硝化反應(yīng)過程中反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度和物料配比等因素對收率的影響。結(jié)果表明，硝酸用量為7倍摩爾當(dāng)量時，在30℃下反應(yīng)3h，目標(biāo)產(chǎn)物收率為83%。9-硝基-9-氮雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二醇二硝酸酯熔點(diǎn)為120℃，起始分解溫度為150℃，放熱峰溫為192℃，表明其具有較好的熱穩(wěn)定性。其爆速、爆壓、密度的理論計算值分別為7580m/s、23.82GPa和1.61g/cm3，有望應(yīng)用于炸藥及推進(jìn)劑配方中。

關(guān)鍵詞：有機(jī)合成；氮雜雙環(huán)壬烷；硝胺；硝化；環(huán)辛二烯；熱穩(wěn)定性

引言

含雙環(huán)[3.3.1]壬烷結(jié)構(gòu)的化合物廣泛存在于天然產(chǎn)物中，是很多生物活性物質(zhì)和代謝物質(zhì)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在藥物、燃料、防銹、催化、含能材料等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-8]。Larkin等[1]合成出了一類2,6-二取代-9-氧雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷化合物，其可用作防銹劑，同時在燃料領(lǐng)域可用作防凍劑[3]。Stoss等[2]合成了雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二醇二硝酸酯和9-氧雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二醇二硝酸酯等，在藥物領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價值。Archibald等[3]合成了2,6-二硝基雙環(huán)[3.3.1]壬烷和2,2,6,6-四硝基雙環(huán)[3.3.1]壬烷，可以作為新型的雙環(huán)多硝基含能材料。Graetz等[4]合成了氮雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷骨架的氮氧自由基化合物，可以作為一種氧化催化劑。Frantz等[5]構(gòu)建了氮雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷骨架，并基于此完成了一些具有生物活性的天然化合物的全合成；Darout等[6]也基于氮雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷骨架合成出了一類新型的氮雜金剛烷藥物。本課題組構(gòu)建了雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二酮，再經(jīng)過多步反應(yīng)合成出了2,2,4,4,6,6-六硝基金剛烷[7]；還構(gòu)建了9-羥基雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二酮，并經(jīng)過多步反應(yīng)合成了一種新型含能材料4,4,8,8-四硝基金剛烷-2,6-二醇二硝酸酯[8]。

在雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二酮骨架構(gòu)建成功的基礎(chǔ)上[9]，本研究以1,5-環(huán)辛二烯為原料，經(jīng)過環(huán)氧化和胺化環(huán)合構(gòu)建了9-氮雜[3.3.1]壬烷-2,6-二醇骨架，并通過硝化反應(yīng)合成出了一種新型的含能材料9-硝基-9-氮雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二醇二硝酸酯，采用TG和DSC分析了其熱性能，為其在含能材料中的應(yīng)用提供參考。

1實(shí)驗(yàn)

1.1試劑與儀器

環(huán)辛二烯，分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；過硫酸氫鉀復(fù)鹽(Oxone)，分析純，薩恩化學(xué)技術(shù)有限公司；氨氣，純度99.99%，南京上元工業(yè)氣體廠；冰乙酸，分析純，成都市科龍化工試劑廠；乙酸酐，分析純，江蘇永華精細(xì)化學(xué)品有限公司；發(fā)煙硝酸，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

Nicolet傅里葉變換紅外光譜儀，美國Thermofisher公司；Bruker Avance-Ⅲ DRX 500MHz核磁共振儀、Bruker Avance-Ⅲ DRX 126MHz核磁共振儀，德國Bruker公司；Vario EL-Ⅲ型元素分析儀，德國Elemetar公司；TGA/STDA851e熱重/差熱同步分析儀，瑞士梅特勒托利多公司，樣品量0.5000mg；DSC823e差示掃描量熱儀，瑞士梅特勒托利多公司，樣品量0.3700mg，N2氣氛，流速30mL/min，升溫速率10.0℃/min，升溫區(qū)間50～300℃。

1.2目標(biāo)化合物的合成

1.2.1合成路線

以環(huán)辛二烯為原料，先對其進(jìn)行環(huán)氧化反應(yīng)得到5,10-二氧雜三環(huán)[7.1.0.04,6]癸烷(化合物1)，再對化合物1進(jìn)行胺化成環(huán)反應(yīng)得到9-氮雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二醇[7.1.0.04,6]癸烷(化合物2)，最后對化合物2進(jìn)行硝化反應(yīng)得到9-硝基-9-氮雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二醇二硝酸酯(化合物3)，反應(yīng)路線如下：

1.2.25,10-二氧雜三環(huán)[7.1.0.04,6]癸烷(化合物1)的合成[9]

向三口燒瓶中加入15g(0.179mol)NaHCO3和150mL水，攪拌至固體基本溶解，再加入60mL丙酮、150mL二氯甲烷和5.7mL環(huán)辛二烯(5g，0.046mol)，在冰水浴條件下，緩慢滴加57g(0.093mol)過硫酸氫鉀復(fù)鹽的水溶液，使反應(yīng)溫度保持在30℃以下，滴加結(jié)束后，繼續(xù)保持此溫度反應(yīng)5h。反應(yīng)結(jié)束后，分離出有機(jī)相，水相用CH2Cl2(3×100mL)萃取，合并有機(jī)相，用無水Na2SO4干燥，過濾，減壓蒸餾除溶劑后得到無色液體，經(jīng)硅膠柱層析，體積比為10∶1的石油醚/乙酸乙酯洗脫，得到5.14g無水油狀物，收率為79%。

1H NMR(500MHz，CD3OD，δ)：1.88～1.97(m，4H)，1.99～2.07(m，4H)，2.98～3.06(m，4H)；13C NMR(126MHz，CD3OD3，δ)：22.28，56.30；元素分析(C8H12O2，%)：計算值，C 68.54，H 8.63，O 22.83；實(shí)測值，C 68.62，H 8.71，O 22.67。

1.2.39-氮雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二醇(化合物2)的合成

向密封管中加入3g(0.021mol)化合物1和10mL飽和的氨氣甲醇溶液，密封后加熱到120℃反應(yīng)36h。反應(yīng)結(jié)束后，減壓蒸餾除去溶劑后得黃色固體，經(jīng)三氧化二鋁柱層析，體積比為1∶2的甲醇/乙酸乙酯洗脫，得到2.86g白色固體，收率為85%。

1H NMR(500MHz，CDCl3，δ)：1.67～1.75(m，4H)，1.81～1.9(m，2H)，2.06～2.14(m，2H)，2.78～2.87(m，2H)，3.85～3.92(m，2H)；13C NMR(126MHz，CD3OD，δ)：22.63，29.39，50.48，69.99；FT-IR(KBr)，ν(cm-1)：3302，3247(O-H，N-H)，2908，2944，1445，1400(C-H)，1620(N-H)，1327(O-H)，1086，1057(C-O，C-N)；元素分析(C8H15NO2，%)：計算值，C 61.12，H 9.62，N 8.91，O 20.35；實(shí)測值，C 61.19，H 9.68，N 8.88，

O 20.25。

1.2.49-硝基-9-氮雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二醇二硝酸酯(化合物3)的合成

向圓底燒瓶中加入2.5mL乙酸酐和2.5mL乙酸，在0℃下滴加1mL(22 mmol)發(fā)煙HNO3，使溫度保持在5℃以下?；旌衔飻嚢?0min后，分批加入0.5g(3mmol)化合物2。在30℃下反應(yīng)3h。反應(yīng)結(jié)束后，將體系混合物緩慢加入到NaHCO3的冰水溶液中。然后用CH2Cl2(3×50mL)萃取，合并有機(jī)相，用無水Na2SO4干燥，過濾，減壓蒸餾除溶劑后得到淡黃色固體，經(jīng)硅膠柱層析，體積比為 30∶1的石油醚/乙酸乙酯洗脫，得到0.77g白色固體，收率為83%。

1H NMR(500MHz，CDCl3，δ)：1.89～1.96(m，2H)，2.01～2.06(m，2H)，2.24～2.29(m，4H)，5.17～5.23(m，2H)，5.51～5.57(m，2H)；13C NMR(126MHz，CDCl3，δ)：20.83，23.69，51.15，76.63；FT-IR(KBr)，ν(cm-1)：1644，1281(O-NO2)，1533，1324(N-NO2)，1104，1023(C-O，C-N)；元素分析(C8H12N4O8，%)：計算值，C 32.88，H 4.14，N 19.17，O 43.81；實(shí)測值，C 32.95，H 4.18，N 19.13，O 43.74。

2結(jié)果與討論

2.1胺化成環(huán)反應(yīng)機(jī)理

Henkel等[10]在氮雜金剛烷二醇的構(gòu)建中使用飽和的氨氣甲醇溶液進(jìn)行胺化成環(huán)反應(yīng)；Graetz B等[4]采用相同的方法構(gòu)建了氮雜二甲基金剛烷二醇骨架，產(chǎn)率達(dá)95%，如圖1所示。因此，本實(shí)驗(yàn)也選用飽和的氨氣甲醇溶液對化合物1進(jìn)行胺化成環(huán)反應(yīng)，產(chǎn)率達(dá)85%。

圖1　胺化成環(huán)反應(yīng)構(gòu)建氮雜金剛烷二醇骨架Fig.1　Aminative cyclization to construct azaadamantanediolskeletons

2.2最佳硝化反應(yīng)條件的確定

在對化合物2進(jìn)行硝化合成目標(biāo)產(chǎn)物9-硝基-9-氮雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二醇二硝酸酯的過程中同時涉及到O-硝化和N-硝化反應(yīng)，針對仲胺N-硝化反應(yīng)的特點(diǎn)，本研究采用硝酸-醋酸酐-醋酸體系進(jìn)行硝化反應(yīng)，研究了反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度、發(fā)煙硝酸用量對硝化反應(yīng)的影響。

2.2.1反應(yīng)時間的影響

在溫度為30℃、化合物2與HNO3摩爾比為1.0∶7.0條件下，考察了反應(yīng)時間對9-硝基-9-氮雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二醇二硝酸酯(化合物3)收率的影響。結(jié)果表明，反應(yīng)時間分別為1、2、3、4、5h時，化合物3收率分別為70%、77%、83%、72%、68%。

可以看出，隨著反應(yīng)時間的延長，化合物3收率增大，3h時收率達(dá)到最大，再延長反應(yīng)時間，收率降低。這可能是由于隨著反應(yīng)時間的延長，化合物2先逐漸轉(zhuǎn)化，繼續(xù)延長反應(yīng)時間，因?yàn)榛衔?骨架中含有氮雜原子，長時間在酸性體系中會導(dǎo)致開環(huán)，所以酸性體系對產(chǎn)物的穩(wěn)定性不利，使副產(chǎn)物增多[11]。因此，確定最佳反應(yīng)時間為3h。

2.2.2反應(yīng)溫度的影響

在化合物2與HNO3摩爾比為1.0∶7.0、反應(yīng)時間為3h條件下，考察了反應(yīng)溫度對化合物3收率的影響。結(jié)果表明，當(dāng)反應(yīng)溫度分別為10、20、30、40、50、60℃時，收率分別為69%、76%、83%、73%、68%。

可以看出，隨著反應(yīng)溫度的升高，收率先增加后減小。當(dāng)反應(yīng)溫度為30℃時，硝化產(chǎn)物收率達(dá)到最高(83%)。這是由于隨著反應(yīng)溫度的升高，底物的反應(yīng)活性提高，從而收率也隨之提高。但是隨著溫度的繼續(xù)升高，副反應(yīng)增多，從而影響了收率[11]。因此，確定最佳反應(yīng)溫度為30℃。

2.2.3發(fā)煙硝酸用量的影響

在溫度為30℃、反應(yīng)時間為3h條件下，考察了化合物2與發(fā)煙硝酸摩爾比對化合物3收率的影響。結(jié)果表明，當(dāng)摩爾比分別為1.0∶3.5、1.0∶7.0、1.0∶10.5、1.0∶14.0、1.0∶17.5時，收率分別為72%、83%、71%、68%、55%。

可以看出，化合物2與發(fā)煙硝酸摩爾比為1.0∶7.0時，收率達(dá)到最高(83%)，繼續(xù)增大發(fā)煙硝酸的用量，收率則開始降低。分析原因，可能是隨著發(fā)煙硝酸的加入，體系的酸性隨之變大，硝化反應(yīng)也隨之變得復(fù)雜[11]。因此，化合物2與發(fā)煙硝酸最佳摩爾比為1.0∶7.0。

2.2.4優(yōu)化條件的選取

綜合上述單因素實(shí)驗(yàn)，選取化合物2與HNO3摩爾比(A)、反應(yīng)溫度(B)、反應(yīng)時間(C)三因素，每個因素各取三水平，采用L9(33)正交表進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，最優(yōu)條件為：化合物2與HNO3摩爾比為1.0∶7.0，反應(yīng)時間3h，反應(yīng)溫度30℃。

在此優(yōu)化條件下進(jìn)行4次平行實(shí)驗(yàn)，硝化反應(yīng)的平均收率達(dá)到83%。

2.3熱穩(wěn)定性及爆轟性能分析

采用熱重(TG)和差示掃描量熱法(DSC)分析了9-硝基-9-氮雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二醇二硝酸酯的熱穩(wěn)定性，結(jié)果見圖2。

圖2　9-硝基-9-氮雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二醇二硝酸酯的TG-DSC曲線Fig.2　TG-DSC curves of 9-nitro-9-azabicyclo[3.3.1]nonane-2,6-diyl dinitrate

由圖2可知，DSC曲線在120℃有一個吸熱峰，而此溫度時TG曲線顯示無質(zhì)量變化，表明此段時間化合物正處于熔化過程，即化合物3的熔點(diǎn)為120℃。隨著溫度的上升，當(dāng)超過150℃后，化合物3開始分解，在150～225℃之間失重率為67.37%，DSC曲線顯示化合物3在192℃有一個尖銳的放熱峰，表明在此溫度下發(fā)生了強(qiáng)烈的分解放熱反應(yīng)。以上結(jié)果表明化合物3的熱穩(wěn)定性較好。

采用Kamlet-Jacobs公式估算9-硝基-9-氮雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二醇二硝酸酯的爆轟性能[12]。結(jié)果表明，其爆速為7580m/s, 爆壓為23.82GPa，密度為1.61g/cm3，有望用于炸藥及推進(jìn)劑配方中。

3結(jié)論

(1)以環(huán)辛二烯為原料，經(jīng)環(huán)氧化、胺化成環(huán)、硝化3步反應(yīng)合成了一種新型含能化合物9-硝基-9-氮雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二醇二硝酸酯，并利用核磁共振(NMR)、紅外光譜(IR)、元素分析等對產(chǎn)物進(jìn)行了表征。

(2)優(yōu)化了硝酸-醋酐-醋酸體系下9-氮雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二醇(化合物2)的硝化反應(yīng)條件，得到最佳反應(yīng)條件為：化合物2與HNO3摩爾比1.0∶7.0，反應(yīng)時間3h，反應(yīng)溫度30℃，并在最佳反應(yīng)條件下進(jìn)行了4次平行實(shí)驗(yàn)，平均硝化收率為83%。

(3)TG和DSC分析表明，9-硝基-9-氮雜雙環(huán)[3.3.1]壬烷-2,6-二醇二硝酸酯的熔點(diǎn)為120℃，從150℃開始分解，分解峰溫為192℃，表明其具有較好的熱穩(wěn)定性；采用Kamlet-Jacobs公式估算其爆速為7580m/s, 爆壓為23.82GPa，密度為1.61g/cm3。

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Synthesis and Characterization of 9-Nitro-9-azabicyclo[3.3.1]nonane-2,6-diyl Dinitrate

SHAO Hang-song, LING Yi-fei, HOU Tian-jiao, RUAN Hong-wei, WANG Chen-jiao, LUO Jun

(School of Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:A new energetic compound 9-nitro-9-azabicyclo[3.3.1]nonane-2,6-diyl dinitrate was synthesized via epoxidation, aminative cyclization and nitration using cycloocta-1,5-diene as raw material. Its structure was characterized by nuclear magnetic resonance spectrometry(NMR), infrared spectrometry(IR) and elementary analysis. Its thermal properties were analyzed by thermogravimetry (TG) and differential scanning calorimetry (DSC). The theoretical calculation of detonation performances was carried out by Kamlet-Jacobs empirical formula. The effects of reaction time, reaction temperature and ratio of substrates in the nitration reaction on the yield were studied. The results show that when the amount of nitric acid is seven-fold molar equivalent and the reaction performs at 30℃ for 3 h, the yield of target product is 83%. The melting point, initial decomposition temperature and decomposition peak temperature of 9-nitro-9-azabicyclo[3.3.1]nonane-2,6-diyl dinitrate are 120℃, 150℃ and 192℃ respectively, revealing that it has good thermal stability. The calculated values of detonation velocity,detonation pressure and density are 7580m/s, 23.82GPa, and 1.61g/cm3, respectively, which is expected to be applied in explosive and propellant formulations.

Keywords:organic synthesis; azabicyclononane; nitroamine; nitration; cyclooctadiene; thermal stability

中圖分類號：TJ55; O62

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-7812(2016)02-0064-04

作者簡介:邵航松(1991-)，男，碩士，從事精細(xì)合成研究。E-mail: 15850570982@163.com通訊作者:羅軍(1975-)，男，教授，從事有機(jī)合成化學(xué)研究。E-mail: luojun@njust.edu.cn

收稿日期:2015-09-29；修回日期:2015-10-30

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2016.02.013