硝基乙腈鉀合成1，2，4-三嗪氮雜稠環化合物的研究?

陸婷婷 閆崢峰 汪營磊 李建康

西安近代化學研究所(陜西西安，710065)

引言

1，2，4-三嗪氮雜稠環化合物有著獨特的生物活性，毒性低，內吸性高，常被用作醫藥和農藥的結構組成單元，在醫藥和農藥合成方面起著重要的作用[1-3]。 而高氮含量、可引入高能N—N 鍵和C—N鍵的優點，也使氮雜環化合物在含能材料領域受到持續關注[4-6]。 因此，簡單、經濟、高效地合成氮雜稠環化合物具有較為重要的研究意義。 硝基乙腈是合成氮雜稠環化合物的關鍵中間體，其結構為亞甲基上同時連接氰基和硝基兩個強吸電子基團，使得亞甲基具有較好的反應活性。 使用硝基乙腈與α-氨基-1H-五元氮雜環化合物重氮鹽在溫和條件下發生偶聯反應，再經過分子內環化后，可以生成含有鄰位氨基/硝基的1，2，4-三嗪氮雜稠環化合物。 目前，該方法反應條件溫和，操作方便，安全性高，是合成1，2，4-三嗪氮雜稠環化合物的重要研究方法[7-9]。Shreeve 曾利用硝基乙腈的活性亞甲基與重氮鹽進行偶聯反應，再經分子內環化，溫和簡便地合成了含能化合物4-氨基-3，7-二硝基-1，2，4-三唑[5，1-c]并1，2，4-三嗪(TTX)[10]。

常規制備硝基乙腈的方法是硝基甲烷在堿性條件下縮合制備中間體硝基乙醛肟，后者在乙醚溶液由二氯亞砜脫水后，在氬氣保護下除去溶劑，經過柱分離得到產物[11-12]。 該方法的中間體硝基乙醛肟容易分解，且久置容易生成爆炸性產物，因此需要即用即制[13]；二氯亞砜具有強刺激性和腐蝕性，遇水分解放出二氧化硫、氯化氫等刺激性氣體。 由于氰基、硝基等強吸電基的存在，硝基乙腈的熱穩定性較差，常溫放置時容易分解，甚至發生燃燒或爆炸。 為了在不影響性能的前提下，提高硝基乙腈的穩定性，研究人員利用硝基乙腈的強吸電性，合成了硝基乙腈鉀、硝基乙腈鈉等相應的鹽。 其中，硝基乙腈鉀具有合成方法簡單、穩定性高、污染性小等特點，是目前最常用代替硝基乙腈的鹽。 Voinkov[14]于2016 年使用2-氰基-2-羥基亞氨基乙酸乙酯(NOCNEt)在堿性條件下經KMnO4氧化合成2-硝基-2-氰基乙酸乙酯鉀(CNEAK)，后者在KOH 的催化下水解得到硝基乙腈鉀，硝基乙腈鉀總產率為28.35%。 該方法制備的硝基乙腈鉀穩定性比硝基乙腈高，可以穩定存在一定時間。 中間體CNEAK 的穩定性也高于硝基乙醛肟，常溫放置不會分解。 但Voinkov 法存在著產率較低(總產率28.35%)、KMnO4用量較大[m(NOCNEt)∶m(KMnO4) ＝3.0∶4.5]、水解反應時間較長(常溫下過夜)的缺點。

本文中，對Voinkov 法的條件進行了優化，重點考察了物料比、催化劑用量、反應溫度和時間對反應產率的影響，確定了較佳的反應條件，將硝基乙腈鉀的產率提高到37.71%。 使用硝基乙腈鉀代替現制備的硝基乙腈，與4-氰基-5-氨基-1H-吲哚偶聯反應、環化反應合成了新型氮雜稠環化合物3-硝基-4-氨基-7-氰基-[1，2，4]三唑[5，1-c][1，2，4]三嗪(AITX)，并表征其結構，測試了性能，為1，2，4-三嗪氮雜稠環化合物的合成提供一種簡便、高效的方法。

1 試驗部分

1.1 試劑與儀器

NaNO2、濃硫酸、NH4Cl、NaOH、水合肼、濃鹽酸、KMnO4、KOH、醋酸鈉，成都市科龍化工試劑廠。

NEXUS 870 型FT-IR，美國Nicolet 公司；Vario EL-III型元素分析儀，德國Elementar公司；AV 500型超導核磁共振儀，瑞士Bruker公司；Finnigan TSQ Quantumultra AM 型質譜儀，美國Thermal 公司；LC-2010A型高效液相色譜儀(歸一法)，日本Shimadzu公司。

1.2 試驗過程

1.2.1 CNEAK 的合成

將12.78 g(90 mmol)NOCNEt 溶于220 mL 水中，常溫下滴加30 mL 的KOH(1 mol/L)溶液，滴加完畢后升溫至30 ℃，分批加入9.48 g (0.06 mol)KMnO4，控制加料速度，反應液溫度不超過40 ℃。滴加完畢后，在30 ℃反應，直至KMnO4消耗完畢(取樣滴在濾紙上沒有紫色斑點為終點)。 過濾除去MnO2后旋蒸濃縮(浴溫低于40 ℃)，冰乙醇洗滌固體，過濾。 用乙醇重結晶，得到白色固體11.67 g，產率66.16%。

1H NMR(CDCl3，500 MHz):δ ＝1.22 (s，3H)，4.05 (s，2H)。 IR(KBr):v＝2 211， 1 700， 1 367，1 337，1 292，1 222，1 089，1 015，772 cm-1。

C5H5N2O4K 元素分析: C 30. 61， H 2. 57， N 14.28； 實測值:C 30.41， H 2.76， N 14.17。

1.2.2 硝基乙腈鉀的合成

將9.8 g (50 mmol)CNEAK 溶于40 mL KOH 溶液(1.25 mol/L)中，并在30 ℃反應4 h，溶液pH 值從14 降到9。 40 ℃以下旋蒸除去溶劑，得到的固體用50 mL 乙醇洗滌，過濾后濾餅用50 mL 甲醇常溫萃取3 次，回流下萃取1 次，合并甲醇溶液，30 ℃以下旋蒸，旋蒸后的固體用乙醇洗滌，干燥后得到淺黃色固體3.2 g，產率56.61%。 爆點137 °C。 合成路線見圖1。

1H NMR (D2O，500 MHz)，δ＝4.70 (s， 1H)。13C NMR (DMSO-d6，125 MHz)，δ ＝161.42，116.68，87.94。

圖1 硝基乙腈鉀合成路線Fig 1 Synthesis of Nitroacetonitrile potassium

1.2.3 AITX 的合成

0.62 g(5 mmol)硝基乙腈鉀溶于10 mL 水中，冷卻至0 ℃，加入2.46 g (30 mmol)醋酸鈉，低溫攪拌待用。 將1.08 g (10 mmol) 4-氰基-5-氨基咪唑溶解于10 mL 水中，加入2.5 mL (30 mmol)濃鹽酸，加熱使反應物全溶后，冰鹽浴使反應體系降溫至-5 ～0 ℃，緩慢滴加冰的NaNO2(0.76g，11 mmol)水溶液，滴加完畢后反應0.5 h；在4-氰基-5-氨基咪唑溶液中緩慢滴加入硝基乙腈鉀溶液，滴加完畢后，在0 ℃以下反應0.5 h，收集灰黃色濾餅，濾餅冰水洗兩次后，進行柱分離，得到目標產物棕紅色固體AITX。

1H NMR (DMSO-d6，500 MHz)，δ＝10.04(s，1H)，9. 05 (s， 1H)。13C NMR (DMSO-d6，125 MHz):δ ＝144.94，137.79，136.47，129.65，114.28，103. 92。 FT-IR(KBr):v＝ 2 323，3 328，3 193，3 111，2 924，2 854，2 240，2 227，1 752，1 638，1 579，1 549，1 477，1 465，1 374，1 349，1 248，1 169，1 098，1 037，906，856，818 cm-1。

高分辨質譜(C6H3N7O2):m/z ＝204. 027 546[M—H]-。

2 結果與討論

2.1 NOCNEt 與KMnO4 摩爾比對CNEAK 產率的影響

當n(NOCNEt)∶n(KOH) ＝3.0∶1.2，固定其他反應條件，選取了常用氧化劑KMnO4對NOCNEt進行氧化，改變NOCNEt 與KMnO4的摩爾比，考察KMnO4用量對產物CNEAK 的影響，具體結果見表1。 表1 中，純度使用高效液相色譜儀測試。

表1 KMnO4 用量對CNEAK 產率與純度的影響Tab.1 Effect of KMnO4 on the yield and purity of CNEAK

Voinkov 法使用的NOCNEt 與KMnO4的摩爾比為3.0 ∶4.5，CNEAK 的產率為63. 00%。 但重復Voinkov法時，產率僅為32.00%。 分析原因，可能是KMnO4用量太大，導致產率降低。 降低KMnO4用量，NOCNEt 與KMnO4的摩爾比分別為3.0∶2.0、3.0∶2.1、3.0∶2.2 時，CNEAK 產率(純度)分別為65.74% (98.55%)、65. 77% (98. 44%)、65. 80%(98.47%)，產率和純度均比較接近。 繼續降低KMnO4用量，NOCNEt 與KMnO4的摩爾比為3.1∶2.0 時，由于氧化反應不完全，CNEAK 的產率僅為59.48%，純度(93. 75%) 也較低。 因此，較佳的NOCNEt 和KMnO4投料摩爾比為3.0∶2.0。

2.2 NOCNEt 與KOH 摩爾比對CNEAK 產率的影響

當n(NOCNEt)∶n(KMnO4) ＝3.0∶2.0，固定其他反應條件，氧化反應選取了KOH 為催化劑，改變NOCNEt 與KOH 的摩爾比，討論了反應物與KOH 摩爾比對產物CNEAK 產率的影響，具體結果見表2。

表2 KOH 用量對CNEAK 產率與純度的影響Tab.2 Effect of KOH on the yield and purity of CNEAK

Voinkov 法使用的NOCNEt 與KOH 的摩爾比為3.0∶1.2，CNEAK 的產率為63.00%。 在重復試驗時，產率為66. 14%，略高于文獻報道。 嘗試減少KOH 的用量，n(NOCNEt):n(KOH)分別為3.0 ∶1.1和3.0∶1.0 時發現，CNEAK 的產率略有上升(66.01%和66.16%)。 繼續減少KOH 用量，發現CNEAK 產率下降較大(63. 75%)，并且純度降低(95.44%)。 因此，選擇較佳的NOCNEt 和KOH 投料比為3.0∶1.0。

2.3 時間和溫度對硝基乙腈鉀產率的影響

n(NOCNEt)∶n(KMnO4)∶n(KOH) ＝3.0∶2.0∶1.0 時，固定其他反應條件，考察了水解反應溫度和反應時間對硝基乙腈鉀產率的影響，結果如圖2 所示。

圖2 時間和溫度對產率影響Fig.2 Effect of time and temperature on yield

Voinkov 法是常溫下水解24 h，產率45.00%。本文中，討論了反應溫度與產率之間的關系，以達到減少反應時間，提高產率的目的。 反應溫度升高至25 ℃，隨著反應時間的延長，產率提高，當反應時間為4.5 h 時，產率升至41.00%。 繼續升高反應溫度至30 ℃，隨著反應時間的延長，產率也相應增加，當反應時間為4 h 時，產率達到56.88%。 繼續延長反應時間，產率無明顯提高。 繼續提高反應溫度至35℃，反應產率雖然隨著反應時間的延長而增加，但總體低于30 ℃時的產率。 這可能是由于硝基乙腈鉀在高溫下不穩定，可能會發生分解而導致。 因此，選擇較佳的水解反應溫度為30 ℃，反應時間為4 h。

2.4 水解反應溶劑對反應的影響

在水解反應后，需要使用高真空度條件40 ℃以下旋蒸除去溶劑水。 除水后得到的產物膠粘于燒瓶壁，板結嚴重，難以分離；直接用乙醇洗滌效果較差。因此，嘗試使用乙醇和水的混合溶劑代替水，反應后得到懸濁液直接過濾后，甲醇提取產物。

乙醇對水解反應的影響見圖3。 但反應結果并不理想。 使用混合溶劑時，反應24 h，硝基乙腈鉀的產率僅為40.21%，純度也只有95.23%(表3)。 造成此結果的主要原因是2-硝基-2-氰基乙酸乙酯在堿性條件下水解為2-硝基-2-氰基乙酸鹽和乙醇，2-硝基-2-氰基乙酸鹽通過脫羧反應得到目標產物硝基乙腈鉀。 當使用乙醇和水的混合溶劑時，體系中的大量乙醇使得第一步酯的水解反應平衡難以向右移動，因此反應時間延長，產率降低。

圖3 乙醇對水解反應影響Fig.3 Effect of alcohol on hydrolysis reaction

表3 溶劑對水解反應產物產率和純度的影響Tab.3 Effect of solvent on yield and purity of hydrolysis product

2.5 AITX 的合成及性能

以4-氰基-5-氨基-1H-吲哚和硝基乙腈鉀為底物，合成了新型氮雜稠環化合物AITX(圖4)。 4-疊氮基-5-氨基-1H-吲哚與NaNO2反應生成相應的重氮鹽，后者與硝基乙腈偶聯反應后，得到中間產物，由中間產物環合生成目標產物[15]。 經計算，AITX的密度、氮含量、生成焓等性能參數見表4。 結果顯示，AITX 的密度為1. 64 g/cm3，氮質量分數達到47.80%，生成焓為772.43 kJ/mol。 通過AITX 的結構、密度和生成焓可以看出，由于AITX 含能基團較少(僅有一個硝基和一個疊氮基)，并不適合作為直接應用的含能材料。 所以，并未計算其爆速和爆壓，而會在后續對其結構進行進一步修飾，嘗試合成新的、性能更好的含能材料。

圖4 AITX 的合成Fig.4 Synthesis of AITX

表4 AITX 的性能Tab.4 Properties of AITX

3 結論

以NOCNEt為原料，經過氧化、水解制備得到硝基乙腈鉀，并表征了其結構。優化了Voinkov的合成方法，對物料比、催化劑用量、反應溫度和時間等反應條件進行了討論，硝基乙腈鉀的總產率達到37.71%，高于文獻中報道的28.35%。 使用4-氰基-5-氨基-1H-吲哚和硝基乙腈鉀合成了新型的氮雜稠環化合物AITX，并計算了其部分性能。 AITX 的密度為1.64 g/cm3，氮質量分數達到47.80%，生成焓為772.43 kJ/mol。