高純3，5-二氨基-2，4，6-三硝基氯苯的合成

羅鄭航，王嘉璇，王雨晴，王鑫雨，張笑天，張 理，張 勇，黃 明，楊海君

（1. 西南科技大學(xué)材料與化學(xué)學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621010；2. 中國(guó)工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽(yáng) 621999）

0 引言

3，5-二氨基-2，4，6-三硝基氯苯（DATNCB）是含氯法合成1，3，5-三氨基-2，4，6-三硝基苯（TATB）中的雜質(zhì)之一［1-8］。雜質(zhì)會(huì)對(duì)TATB 貯存穩(wěn)定性、藥柱成型和強(qiáng)度、裝備壽命等產(chǎn)生不良影響［9］，因此，必須準(zhǔn)確測(cè)定TATB 的純度，以確保TATB 應(yīng)用質(zhì)量。

高效液相色譜法內(nèi)標(biāo)法（HPLC）是測(cè)定物質(zhì)純度的一種常用方法［10］，具有簡(jiǎn)便快捷、誤差小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。DATNCB 與TATB 結(jié)構(gòu)類似，其色譜和光譜行為與TATB 相似［11］，可將高純DATNCB 作為HPLC內(nèi)標(biāo)法檢測(cè)無(wú)氯TATB 純度的內(nèi)標(biāo)物質(zhì)。此外，DATNCB 也可以作為T(mén)ATB 衍生物的合成中間體，用于合成潛在的高能低感含能材料［12］。DATNCB 作為含氯法合成TATB 過(guò)程中的雜質(zhì)，含量極少，很難大量獲得。2013 年，劉祖亮等［13-14］首次以1，3，5-三氯-2，4，6-三硝基苯（TCTNB）為原料合成了DATNCB，但該路線存在原料難得，選擇性差，產(chǎn)品分離純化困難，目標(biāo)化合物純度較低等問(wèn)題，不適于大量高純DATNCB的合成。除此以外，還沒(méi)有針對(duì)DATNCB 合成的研究報(bào)道。因此，開(kāi)展高純DATNCB 的合成方法研究，對(duì)TATB 質(zhì)量控制和新型含能材料的合成都具有重要意義。

本研究對(duì)高純DATNCB 的合成路線和工藝條件進(jìn)行了探索，采用紅外光譜、核磁共振、質(zhì)譜、差示掃描量熱、熱重分析、高效液相色譜對(duì)合成得到的高純DATNCB 進(jìn)行了結(jié)構(gòu)表征、熱穩(wěn)定性分析以及純度鑒定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試劑：三氟乙酸（分析純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；4-氨基-1，2，4-三氮唑（ATA）（上海麥克林生化科技有限公司）；三氯氧磷（POCl3）、碳酸氫鉀（KHCO3）、二 氯 甲 烷（DCM）、乙 醇 鈉、二 甲 亞 砜（DMSO）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、N，N-二甲基苯胺（DMB）、叔丁胺（分析純，成都市科隆化學(xué)品有限公司）；三硝基苯酚（苦味酸）、TCTNB（實(shí)驗(yàn)室合成）。

儀器：美國(guó)Perkin Elmer 公司傅里葉變換紅外吸收光譜儀；Ultimate 3000DGLC 雙三元、二維液相色譜，中國(guó)賽莫飛世爾科技；瑞士Brucker Avance 600型核磁共振波譜儀；美國(guó)TA 公司Q200 DSC 測(cè)試儀；美國(guó)TA 儀器公司SDT Q600 同步熱分析儀。

1.2 DATNCB 的合成

分 別 以TCTNB、苦 味 酸（2）等 為 原 料，合 成DATNCB 路 線 如Scheme 1 所 示。

Scheme 1 Synthesis of DATNCB from TCTNB and picric acid（2）

1.2.1 以TCTNB 為原料合成DATNCB

將TCTNB（1.00 g，3.16 mmol）和KHCO3（1.27 g，12.70 mmol）置于100 mL 圓底燒瓶中，加入二氯甲烷（20 mL）。室溫?cái)嚢?0 min 后，逐滴加入叔丁胺（0.46 g，6.32 mmol）和二氯甲烷（20 mL），滴加時(shí)間大約1 h，室溫反應(yīng)24 h。過(guò)濾不溶物，向?yàn)V液中緩慢滴加CF3COOH（5 mL），室溫?cái)嚢璺磻?yīng)12 h。將反應(yīng)液倒入冰水中，攪拌10 min，用飽和K2CO3水溶液調(diào)pH 至弱酸性。過(guò)濾后濾液用二氯甲烷萃取（20 mL×3），合并有機(jī)相，硫酸鎂干燥，過(guò)濾，真空旋干，硅膠柱層析分離得到DATNCB（0.11 g），產(chǎn)率12.5%。

1.2.2 以苦味酸（2）為原料合成DATNCB

3，5-二氨基-2，4，6-三硝基苯酚（3）的合成 將ATA（7.34 g，87.30 mmol）和乙醇鈉（12.00 g，176.47 mmol）置于250 mL 圓底燒瓶中，加入DMSO（180 mL）。室溫?cái)嚢? h，逐滴滴加含有苦味酸（4.00 g，17.46 mmol）的DMSO（40 mL）溶液，滴加時(shí)間約1 h。然后，加熱至90 ℃，反應(yīng)3 h。冷卻至室溫，緩慢倒入260 mL 冰水混合物中。用鹽酸調(diào)節(jié)pH 至3，析出大量固體，過(guò)濾，乙醇和水各洗2 次，DMSO/H2O 重結(jié)晶得到有金屬光澤的黃綠色固體化合物3（3.38 g），產(chǎn)率74.8%。

FT-IR（KBr，ν/cm-1）：3441，3370，3316，3265，1615，1493，1553，1334，786，695；13C-NMR（DMSO-d6，100 MHz）δ：113.38，117.75，147.09，157.52；1H-NMR（DMSO-d6，400 MHz）δ：3.67（H，s），9.15（2H，s）；MS（ESI），m/z：257.93［M-H］-。

N，N’-5-氯-2，4，6-三硝基苯-1，3-二（N，N-二甲基甲脒）（4）的合成 將化合物3（0.10 g，0.39 mmol）置于25 mL 圓底燒瓶中，加入POCl3（0.8 mL），攪拌下緩慢滴加N，N-二甲基甲酰胺（0.06 g，0.77 mmol），滴加完畢后加熱至50 ℃反應(yīng)7 h。冷卻至室溫，緩慢倒入冰水混合物中，攪拌使POCl3完全水解，整個(gè)水解過(guò)程溫度不超過(guò)40 ℃。體系中有大量黃色固體析出，過(guò)濾，水洗，干燥得到化合物4（0.13 g），產(chǎn)率86.0%。

FT-IR（KBr，ν/cm-1）：3480，3375，2931，1645，1541，1428，1089，1072，965；13C-NMR（DMSO-d6，100 MHz）δ：34.27，119.23，137.70，139.51，141.09，156.02；1H-NMR（DMSO-d6，400 MHz）δ：2.82（3H，s），3.02（3H，s），7.72（H，s）；MS（ESI），m/z：388.07645［M+H］+。

DATNCB 的合成——化合物4 水解法 將化合物4（0.05 mg，0.13 mmol）懸 浮 于pH=2 的HCl/H2O（10 mL）中，45 ℃下攪拌6 h，用乙酸乙酯萃?。?0 mL×3），合并有機(jī)相，飽和碳酸氫鈉洗滌（10 mL×3），硅膠柱層析 分 離 得 到 黃 色DATNCB 固 體（3.40 mg），產(chǎn) 率9.4%。

DATNCB 的合成——化合物4 醇解法 將化合物4（0.05 g，0.13 mmol）溶解于乙醇（10 mL）中，加入無(wú)水氯化鋅（35.2 mg，0.26 mmol），常溫下攪拌8 h，減壓蒸出溶劑，硅膠柱層析得到黃色DATNCB 固體（1.90 mg），產(chǎn)率5.3%。

DATNCB 的合成——化合物3 氯代法 將化合物3（0.98 g，3.78 mmol）置于25 mL 圓底燒瓶中，加入POCl3（8 mL），攪 拌 下 緩 慢 滴 加N，N-二 甲 基 苯 胺（DMB，0.46 g，3.78 mmol），反應(yīng)體系變?yōu)槟G色。滴加完畢后，80 ℃下反應(yīng)10 h，冷卻，將反應(yīng)液緩慢倒入50 mL 冰水混合物中，攪拌使得POCl3完全水解，整個(gè)過(guò)程體系溫度不得超過(guò)40 ℃。體系中有大量固體析出，過(guò)濾，水洗，干燥后得1.00 g 棕色固體。用乙酸乙酯提?。?0 mL×3），合并乙酸乙酯相，干燥，旋蒸除去溶劑，得黃色DATNCB 固體（0.55 g），產(chǎn)率52.4%。

Tm：224 ℃（DSC，10 K·min-1）；FT-IR（KBr，ν/cm-1）：3349，3335，1604，1556，1509，1278，785；13C-NMR（DMSO-d6，100 MHz）δ：120.15，126.21，127.07，142.12；1H-NMR（DMSO-d6，400 MHz）δ：8.08（4H，d）；MS（ESI），m/z：275.97595［M-H］-。

1.3 分析表征

采用高效液相色譜（HPLC）對(duì)未經(jīng)純化的DATNCB 和經(jīng)乙酸乙酯/石油醚重結(jié)晶純化的DATNCB 進(jìn)行了檢測(cè)。 測(cè)試條件：色譜柱（Zorbax-SB-C18，4.6 mm×250 mm，5 μL），流動(dòng)相為甲醇：水=70∶30，流速0.8 mL·min-1，檢測(cè)波長(zhǎng)230 nm，進(jìn)樣量10 μL。

采用熱重及差示掃描量熱聯(lián)用儀（DSC-TG）對(duì)DATNCB 進(jìn)行了熱分析。測(cè)試條件：N2氛圍，升溫速率10 K·min-1，升溫范圍25～500 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 DATNCB 合成路線篩選

研究分別以TCTNB 或苦味酸（2）為原料，對(duì)DATNCB 的合成路線進(jìn)行了篩選研究。

以TCTNB 為原料，通過(guò)叔丁胺親核取代合成DATNCB。研究發(fā)現(xiàn)，在不同反應(yīng)條件下都始終得到一、二和三取代產(chǎn)物的混合物［15］。雖然該方法原料基本轉(zhuǎn)化完全，也確實(shí)可以得到DATNCB，但反應(yīng)選擇性太差，導(dǎo)致分離純化困難，產(chǎn)率低，不適于較大量高純DATNCB 的合成。

以苦味酸（2）為原料，通過(guò)VNS 氨基化合成得到3，5-二氨基-2，4，6-三硝基苯酚（3），然后通過(guò)氯代試劑將化合物3 的酚羥基氯代［16］，成功得到DATNCB。實(shí)驗(yàn)以SOCl2或POCl3為氯代試劑，對(duì)化合物3 進(jìn)行了氯代條件篩選研究，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 化合物3 的氯代反應(yīng)Table 1 The chlorination of compound 3

由表1 可知，以POCl3作為氯代試劑和溶劑時(shí)，無(wú)法得到DATNCB；加入DCM 作為溶劑，薄層色譜法（TCL）檢測(cè)發(fā)現(xiàn)反應(yīng)依舊無(wú)法進(jìn)行；加入DMF 作為助溶劑，化合物3 會(huì)迅速發(fā)生反應(yīng)，但酚羥基被氯代的同時(shí)，其氨基也與DMF 反應(yīng)生成了甲脒，最終高產(chǎn)率地得到化合物4；采用SOCl2/DMF 體系，也高產(chǎn)率地得到了化合物4。

化合物4 會(huì)在酸性體系下氨解形成胺類化合物。實(shí)驗(yàn)采用HCl/H2O 或ZnCl2/EtOH 體系對(duì)化合物4 進(jìn)行水解或醇解研究。TLC 監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)有DATNCB 生成，但反應(yīng)速度很慢，產(chǎn)物復(fù)雜，經(jīng)后處理HCl/H2O 產(chǎn)率為9.4%，ZnCl2/EtOH 產(chǎn)率為5.3%。雖然化合物4 的產(chǎn)率很高，但其水解或醇解反應(yīng)復(fù)雜、產(chǎn)率低、純化困難，因而該方法也不適于高純DATNCB 的大量合成。

通常N，N-二甲基苯胺（DMB）可以促進(jìn)酚羥基氯代，并且不與氨基發(fā)生反應(yīng)［17］。實(shí)驗(yàn)中，嘗試以POCl3/DMB 體系對(duì)化合物3 進(jìn)行氯代。結(jié)果證明，化合物3 可以順利反應(yīng)得到所需要的DATNCB 產(chǎn)品，并且該反應(yīng)后處理簡(jiǎn)單，產(chǎn)物單一，純度較高，是高純DATNCB 大量合成的適宜路線。

路線篩選研究確定了高純DATNCB 適宜的合成路線，即以苦味酸（2）為原料，經(jīng)VNS 氨基化、POCl3/DMB 氯代來(lái)合成DATNCB。

2.2 DATNCB 合成條件優(yōu)化

2.2.1 反應(yīng)溫度和后處理pH 值對(duì)3，5-二氨基-2，4，6-三硝基苯酚（3）產(chǎn)率的影響

化合物3 是DATNCB 合成的關(guān)鍵中間體。P. F.Pagoria 等［18］最初將VNS 氨基化反應(yīng)用于多硝基芳環(huán)上引入氨基，發(fā)現(xiàn)溫度是影響VNS 反應(yīng)產(chǎn)率的關(guān)鍵因素，并且由于化合物3 具有兩性，后處理溶液的酸堿度對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率也會(huì)有較大影響，因此研究了當(dāng)反應(yīng)溫度為3 h 時(shí)，溫度和后處理pH 對(duì)化合物3 產(chǎn)率的影響。

反應(yīng)溫度對(duì)化合物3 產(chǎn)率的影響如圖1 所示。由圖1 可知，隨著溫度上升，化合物3 的產(chǎn)率先逐漸增加，當(dāng)溫度超過(guò)90 ℃后，有所下降。這是因?yàn)榘被鶠榻o電子基，芳環(huán)上引入1 個(gè)氨基后，會(huì)降低VNS 氨基化的反應(yīng)活性，因而在較低溫下難以繼續(xù)氨化使得反應(yīng)速度變慢，導(dǎo)致產(chǎn)率偏低；而溫度較高時(shí)，由于ATA熱分解等原因，體系內(nèi)出現(xiàn)明顯碳化現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)率偏低。綜合考慮，確定苦味酸（2）二氨化反應(yīng)的最佳溫度為90 ℃。

圖1 溫度對(duì)3，5-二氨基-2，4，6-三硝基苯酚（3）產(chǎn)率的影響Fig.1 Effects of temperatures on the yields of 3，5-diamino-2，4，6-trinitrophenol（3）

不同后處理pH 值對(duì)化合物3 產(chǎn)率的影響如圖2所示。由圖2 可知，隨著后處理溶液pH 值的降低，化合物3 產(chǎn)率先逐漸增加，當(dāng)pH 值低于3 后，有所下降。這是由于化合物3 同時(shí)擁有酸性的酚羥基和堿性的氨基，過(guò)酸時(shí)氨基會(huì)與溶液中氫離子成銨鹽而溶于水；過(guò)堿時(shí)酚羥基會(huì)被奪取活潑氫成酚鹽也會(huì)溶于水，兩者都會(huì)導(dǎo)致化合物3 產(chǎn)率降低。結(jié)果表明，適宜的后處理溶液pH 為3。

圖2 pH 對(duì)3，5-二氨基-2，4，6-三硝基苯酚（3）得率的影響Fig.2 Effects of pH values on the yields of 3，5-diamino-2，4，6-trinitrophenol（3）

2.2.2 氯代溫度對(duì)DATNCB 產(chǎn)率的影響

在氯代酚羥基反應(yīng)中，溫度是影響產(chǎn)物產(chǎn)率的重要因素之一。本實(shí)驗(yàn)在以POCl3作為氯代試劑和溶劑，DMB 作為氯代促進(jìn)劑，反應(yīng)時(shí)間為10 h 條件下，考察了不同溫度對(duì)DATNCB 的產(chǎn)率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 氯代溫度對(duì)DATNCB 產(chǎn)率的影響Fig.3 Effects of temperatures on the yields of DATNCB

由圖3 可知，DATNCB 的產(chǎn)率隨著氯代溫度的上升先增加，后降低。當(dāng)溫度較低時(shí)，體系中始終會(huì)有部分原料未反應(yīng)，導(dǎo)致產(chǎn)率偏低；而反應(yīng)溫度超過(guò)80 ℃后通過(guò)TCL 檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)體系中副產(chǎn)物明顯增加，分析認(rèn)為是由于POCl3、DMB 和化合物3 發(fā)生了一系列復(fù)雜的取代、加成反應(yīng)，從而導(dǎo)致DATNCB 產(chǎn)率偏低，因此氯代反應(yīng)的最佳溫度為80 ℃。

2.3 DATNCB 的分析表征

2.3.1 DATNCB 的高效液相色譜（HPLC）分析

對(duì)未經(jīng)純化的DATNCB 和重結(jié)晶純化的DATNCB 進(jìn)行了HPLC 分析，結(jié)果如圖4 所示。由圖4可以看出，未經(jīng)純化的DATNCB 純度較好，達(dá)97.09%（圖4a），并且HPLC 圖譜中未見(jiàn)明顯雜峰；利用二氯甲烷、乙醇、DMSO、乙酸乙酯/石油醚混合溶液等溶劑進(jìn)行重結(jié)晶純化探究，發(fā)現(xiàn)經(jīng)乙酸乙酯/石油醚混合溶液重結(jié)晶純化后，可得到高純的DATNCB，純度高達(dá)99.8%（圖4b），滿足其作為內(nèi)標(biāo)物質(zhì)的純度要求。

圖4 DATNCB 未純化和純化后的HPLC 圖Fig.4 HPLC diagrams of DATNCB no purification and purification

2.3.2 DATNCB 的熱分析（DSC-TG）測(cè)試

對(duì)DATNCB 進(jìn)行了熱分析，結(jié)果如圖5 所示。由圖5 可知，DATNCB 在224.0 ℃處有1 個(gè)熔融吸熱峰；在179.7～270.9 ℃范圍內(nèi)存在一明顯質(zhì)量損失過(guò)程，失重率達(dá)91.6%，在同一溫度區(qū)間內(nèi)DSC 曲線上有1個(gè)尖銳的放熱峰，峰值分解溫度為256.1 ℃，表明該階段為DATNCB 的固相分解過(guò)程。熱分析測(cè)試表明DATNCB 是一個(gè)熱穩(wěn)定性良好的含能化合物，有望作為新型高能低感含能化合物的合成中間體，推動(dòng)含能材料創(chuàng)新發(fā)展。

圖5 DATNCB 的TG-DSC 曲線圖Fig.5 TG-DSC curves of DATNCB

3 結(jié)論

（1）分別以1，3，5-三氯-2，4，6-三硝基苯（TCTNB）和苦味酸（2）為原料，對(duì)高純3，5-二氨基-2，4，6-三硝基氯苯（DATNCB）進(jìn)行了合成反應(yīng)過(guò)程篩選研究，得出了適于大量高純DATNCB 合成的新路線，即以苦味酸（2）為原料，經(jīng)VNS 氨基化、POCl3/DMB 氯代合成高純DATNCB。

（2）優(yōu)化了高純DATNCB 的合成反應(yīng)條件，確定了當(dāng)VNS 氨化溫度為90 ℃，后處理溶液pH 為3 時(shí)，3，5-二 氨 基-2，4，6-三 硝 基 苯 酚（3）的 產(chǎn) 率 最 高 達(dá)74.8%；氯代反應(yīng)溫度為80 ℃時(shí)，DATNCB 產(chǎn)率最高達(dá)52.4%，總產(chǎn)率39.2%。經(jīng)HPLC 檢測(cè)未經(jīng)純化的DATNCB 純度達(dá)97.09%，經(jīng)乙酸乙酯/石油醚重結(jié)晶后DATNCB 純度達(dá)99.8%。

（3）熱分析結(jié)果表明，DATNCB 的熔融溫度為224.0 ℃，存在一個(gè)尖銳的分解放熱峰，峰值分解溫度為256.1 ℃，是個(gè)熱穩(wěn)定性良好的含能化合物，有望作為新型高能低感含能化合物的合成中間體。