3,4-二硝基吡唑的合成*

田 新, 李金山, 王 軍

(中國工程物理研究院 化工材料研究所,四川 綿陽 621900)

以梯恩梯(TNT)為基的熔鑄炸藥由于裝藥工藝簡單，價格便宜，又能適應各種形狀藥室，綜合性能較好，而廣泛應用于常規武器中，是當今世界上應用最為廣泛的軍用混合炸藥[1]。

但是這類炸藥存在明顯的缺陷。一方面是TNT的毒性較大，在生產和應用過程中對操作人員及環境存在較大危害[2]。另一方面，在鈍感彈藥標準測試中不能滿足要求，感度較高，在運輸和使用時的安全性較差，容易發生燃燒轉爆轟、炮彈膛炸、殉爆、被破片和射流引爆等，會造成彈藥發射平臺的毀壞和士兵傷亡。因此各國都致力于發展高能低感滿足熔鑄要求的單質或混合炸藥，以期能夠代替TNT作為熔鑄炸藥的載體。3,4-二硝基吡唑(3)符合作為熔鑄炸藥載體的基本條件，是一種潛在的TNT替代物[3]。

本文以吡唑為起始原料，經硝化、重排、硝化三步反應合成了3(Scheme 1),其結構經1H NMR和IR確證。并對第三步硝化反應條件進行了優化，單步收率41%。

Scheme1

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

Büchi B-545熔點儀(溫度未校正);Varian INOVA-400 MHz核磁共振儀(DMSO-d6為溶劑，TMS為內標);Nicolet 800型傅立葉紅外光譜儀(KBr壓片)。

吡唑，硝酸和硫酸，工業品;其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1)N-硝基吡唑(1)的合成

在反應瓶中加入吡唑10 g(150 mmol)和乙酸20 mL,攪拌使其完全溶解，緩慢滴加發煙硝酸8 mL,滴畢，再滴加乙酸酐25 mL，于室溫反應1 h。倒入冰水(100 mL)中(析出白色固體),過濾,濾餅用冰水洗滌，真空干燥得白色晶體18.7 g,收率87%, m.p.92.8℃(93 ℃[4]);1H NMRδ: 8.74(d, 5-H), 7.81(s, 3-H), 6.69(m, 4-H); IRν: 3 123(C-H), 1 618(NO2), 1 289(NO2) cm-1。

(2) 3-硝基吡唑(2)的合成

在反應瓶中加入15 g(44 mmol)的苯甲腈(50 mL)溶液,攪拌下于180 ℃反應3 h。倒入燒杯中冷卻至室溫，過濾，濾餅用環己烷淋洗，真空干燥得白色針狀晶體24.6 g,收率92%, m.p.175.5 ℃(水重結晶,175 ℃[5]);1H NMRδ: 7.91(d, 5-H), 6.99(m, 4-H); IRν: 3 157(N-H), 1 514(NO2), 1 352(NO2) cm-1。

(3)3的合成

在反應瓶中依次加入2 4 g(35 mmol)和濃H2SO410 mL,攪拌使其完全溶解，于10 ℃依次滴加HNO3(1.4 g·cm-3) 4.4 mL和濃H2SO410 mL,滴畢，于100 ℃反應1 h。倒入冰水(100 mL)中，加NaCl至飽和，用乙醚萃取,合并萃取液，真空去除乙醚得黃褐色油狀液體，靜置一段時間后，析出淡黃色固體，用苯重結晶，干燥得白色長片狀晶體31.64 g,收率41%, m.p.87.5 ℃(87.5 ℃～88.5 ℃[6]);1H NMRδ: 8.76(d, 5-H); IRν: 3 300(N-H), 1 553(3-NO2), 1 522(4-NO2), 1 376(3-NO2), 1 342(4-NO2) cm-1。

2 結果與討論

1和2的合成方法國內已有較深入的研究[7，8]，本文重點探討3的合成。按文獻[6]方法合成3，收率32%(以2計算);改進后收率達到41%。主要做了三點改進：一是將使用HNO3的密度由1.5 g·cm-3改為1.4 g·cm-3；二是將兩次H2SO4的用量體積比由1 ∶2調整為1 ∶1，總用量不變；三是反應時間由30 min增加到1 h。

重結晶前的3粗品中夾雜有部分黃色雜質，DSC測試顯示兩個吸熱峰(65.8 ℃和84.9 ℃)，說明此時樣品中至少含有兩種不同的物質(推測另一種物質可能是1,3-二硝基吡唑，有待做進一步鑒定)。3粗品和3(用苯重結晶)的SEM照片見圖1。從圖1可以看出，重結晶后黃色雜質基本去除。3的DSC測試也只在87.5 ℃出現了一個吸熱峰。

3粗品

3圖 1 3粗品與3的SEM照片Figure 1 SEM pectures of 3 crude and 3

[1] 孫業斌,惠君明,曹欣茂. 軍用混合炸藥[M].北京:兵器工業出版社,1995.

[2] 歐育湘. 炸藥學[M].北京:北京理工大學出版社,2006.

[3] David Price, Jacob Morris. Synthesis of new energetic melt-pour candidates[C].Insensitive Munitions and Energetic Materials Technology Symposium,2009.

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