（应用化学专业论文）季戊四胺的制备及其反应研究.pdf

l、- 卜、摘要本文提出了一种制备季戊四胺的改进方法，即先由两步法制得四溴代季戊烷，然后使之与对甲苯磺酰胺钠反应制得季戊四胺一四一( 4 一甲基苯基)磺酰胺，再用浓硫酸水解制得季戊四胺，总收率达3 3 8 0 , 4 。通过对影响反应的各个因素，如反应温度、反应时间、溶剂、相转移催化剂等的实验研究，得到了制备四溴代季戊烷的较佳反应条件。本文还计算了两种螺环硝胺和四硝基季戊烷的晶体密度、爆速和爆压，并且尝试了以季戊四胺的曼尼希反应来合成前两种物质的母环。文中还对四硝基季戊烷的合成作了初步探讨。关键词：季戊四胺螺环硝胺曼尼希反应第3 页a b g r r a c ta ni m p r o v e dm e t h o dt op r e p a r ep e n t a e u a h f i t y lt e t r a a m i n ew a sd e s c r i b e di nt h i st h e s i s i nt h ep r o c e s sc ( c h 2 1 3 r ) 4w a sf i r s tp r e p a r e db yat w o s t e pm e t h o dt h ep r o d u c tt h e nr e a c t e dw i t hs o d i u mp - t o h e n e s u l p h o n a m i d et of o r m8 1 1a m i d ei n t e r m e d i a t ew h i c hw a sc o n v e r t e dt op t a 百蛳t y lt e t r a a m m es a l tb yc o n c e n t r a t e ds u l p h u r i ca c i dh y d r o l y s i s t h co v e r a l ly i e l dw a s3 3 蝴b ys t u d i n gf a c t o r st h a tm a ya f f e c tt h ep r e p a r i n go fc ( c f h b r ) ，s u c ha st h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e 、t h er e a c t i o nt i m e 、s o l v e n t 、t h eu s eo fp h a s e - t r a n s f e r - c a t a l y s t s ,p r o p e rr e a c t i o nc o n d i t i o n s 、慨f o u n d t h em y s t a ld e n s i t y 、e x p l o s i v es p e e da n dp r e s s u r eo ft w os p i r o - n i t m n i n ea n dc ( c i - i j q 0 2 ) , w c a l ge a l e u h t e d t os y n t h e t i z et h em t e rm e d i a t e so f t h ef o r m e rt w oe o m p o u a d s , m a n n i e hr e a c t i o no fc ( c h n 蝴w a ss t u d i e d i na d d i t i o n ，t h es y n t h e s i so fc ( c 琏n 0 嘎w 豁a l s os t u d i e d k e yw o r d ：p e n t a e r y t h r i t y lt e t r a a m i n e , j p i r o n i t r a m i n e , m a n n i c hr e a c t i o n第4 页| k1 绪论1 1 概述季戊四胺( 图1 1 1 ) 的系统命名为2 ，2 - z 氨甲基- 1 ，3 一二氨基丙烷。六十多年前，g o v a e r t 将四溴代季戊烷与氨的乙醇溶液在密封的试管中共热，第一次制备出季戊四胺，他还分离出季戊四胺的各种盐i l j a 三、四年后，v a na l p h 吼重复j g o v a c f t 做过的实验，他将季戊四胺以液态一水合物的形式分离出来。他在实验中发现：四溴代季戊烷与氨的反应进行得很困难，反应混合物中含有高度缩合的各种胺，仅仅只有少量的季戊四胺可以被分离出来1 4 。很明显，这种制备方法不能令人满意：季戊四胺的产量很低，不适宜大量制各季戊四胺。在文献中我们能查到的制备季戊四胺较可靠的方法只有两种：一种是l i t h e r l m a d 和m a n n 的方法1 1 ，他们将四溴代季戊烷与对甲苯磺酰胺钠反应，再将缩合产物经酸水解制得季戊四胺，此方法反应激烈、冗长，产率低：另一种方法是f l e i s e h e r ：报导鲥4 ，制备过程中生成易爆炸的中间产物四叠氮基甲基甲烷，大量制备很危险，一般不采用此方法( 季戊四胺的制备方法详见第二章) 。x 呶图1 1 1季戊四胺的结构式图1 1 2螺环聚亚酰胺的结构式以季戊四胺为原料合成的化合物公开发表的多为高分子聚合物”t6 l 及配合4 勿f 7 一。例如：j 啷eh d l e r 等人利用季戊四胺与l ，2 ，4 ，5 苯四酸酐合成出螺环聚亚酰胺( 图1 12 ) ，它的骨架中含有螺键，因而是介于梯形聚合物与线性聚合物之间的中间物闱。早先人们研究季戊四胺的配位化学常常是将游离季戊四胺与金属离子构成配合物，而a m c 叭l k y 等人报导了季戊四胺二一1 闷h壹壅垄王态堂亟迨塞至盛四壁笪剑釜丛基区查盟塑硫酸盐与金属离- t n i ”反应生成配合物n i ( h t a m ) 2 ”的方测8 。【注：t a m 代表c ( c i - h n 黾) 4o近十几年来，人们开始用季戊四胺合成氮杂螺环化合物。氮杂螺环化合物是含有螺碳原子及含有骨架氮原子的一类化合物。量子力学计算例表明：氮杂螺环化合物分子中的两个环在螺碳原予处形成的二面角为9 0 度，并分别向不同方向伸展，而且是一个较密堆积。这样在螺环上引入较大的基团，如：- n c h 、c h 2 c ( n 0 2 ) 3 、c i - h c ( n 0 2 h r 、- n o 、= n n c h 等时，这些基团在空间受到的位阻较小，如果选择适当的母体环及含能取代基，就有可能合成出既具有高能量又具有良好稳定性及低感度的含能材料。1 2 以季戊四胺为原料合成的高能量密度材料以季戊四胺为原料合成的氮杂螺环硝基化合物及其相关物，文献报导的很少。在国外公开发表的只有美国海军水面武器中心( n w c ) 的炸药合成专家r l w i l i e r 合成的三种单质炸药，其结构式分别为：n on oiir 灯n )n _ l niin on o( t n s s u )pp仪iln 0 21 1 0 2( t n s d )1 9 8 2 年，他利用季戊四胺与甲醛反应后进行亚硝化、硝化分别合成了2 ，4 ，8 ，1 0 - 四亚硝基2 ，4 ，8 ，l m 四氮杂螺( 5 ，5 ) 十一烷( t n s s u )和2 ，4 ，8 ，10 - 四硝基2 ，4 ，8 ，1 0 四氮杂螺( 5 ，5 】十一烷( t n s u ) 【l q。t n s u 可用作含能材料，它具有高能、低感和良好的热稳定性，其综合性能与1 ，3 ，5 - 三硝基1 ，3 ，5 - 三氮杂环已烷( r d x ) 相当，而且其撞击感度是所有硝胺单质炸药中最低的品种之一。t n s u 的部分性能如下：密度1 7 2 +1 0 3 k g m 3 ，爆速8 2 8 0 m s ( 计算值为7 4 7 0m s ) ，爆压为2 9 5 g p a ( 计算值为一2 ，l煎塞垄羔盔堂亟迨塞至毽四壁笪型釜丛基匡廛丛塞2 6 9 g p a ) 。r l w i u 盯报导的另一个硝基氮杂螺环化合物是1 ，3 ，7 ，9 四硝基一l ，3 ，7 ，9 四氮杂螺 4 ，5 】癸烷( t n s d ) h “，但是没有报道t n s d 的合成方法及性能。1 9 7 5 、1 9 7 6 年英国人f f a r t l a u r 等分别报道了他们在研究7 硝基1 。3 ，5 一三氮杂金刚烷的硝解反应时制得y t n s t ) 【“。”。在我国，西安近代化学研究所的符全军曾经专门研究了以季戊四胺为原料合成氮杂螺环化合物这一课题，他合成了n 一多硝基烷基氮杂螺环化合物、螺脲环硝胺、螺环硝胺连同中间产物一起共计三十二种未见文献报道的新化合物】，为我国含能材料的合成开创了一个崭新的领域。在他合成的这些新化合物中，尤为引人注目的是2 ，4 ，8 ，1 0 四硝基2 ，4 ，8 ，1 0 - 四氮杂螺 5 ，5 ) 十一烷3 ，9 二酮( t n s l ) ，其结构式为：ppn 、厂_ no = on l n甚0 2 0 2( t n s u k )t n s u k 是具有高密度、高爆速、良好的热稳定性和低的撞击感度的新型螺环高能炸药，其水解安定性与6 6 2 炸药相当。d s c 分解实验表明t n s u k 能在很窄时间范围内将能量释放殆尽。具有起爆药的特点。它的摩擦感度为1 0 0 ，冲击感度比, p e t n 、r d x 、 m d ( 低，与t n s u 相当。爆速与m ) x 相近，综合性能幽r d x 、1 n s u 稍女子【”。它的密度、爆速、爆压数值列于表4 2 1 。- 3 查壅墨三盎堂亟迨塞至送璺壁曲墅鱼垦基匡匡婴壅1 3研究内容氮杂环化合物在含能材料合成领域有着重要的地位，为数不少的氮杂环硝基化合物的合成为开发新型单质炸药、增塑剂及含能添加剂等增加了新材料【l q 。目前，硝基氮杂螺环化合物的合成在国内外是一个崭新的课题。分子结构模型及量子化学计算表明：螺环分子是合成含能材料的良好母体骨架。t n s u 、t n s d 、t n s u k 等单质炸药的优良性能充分说明了这一点，同时也说明季戊四胺在含能材料合成领域占有重要的地位，它是合成含能材料的良好原料。但是，从现有的文献资料来看，季戊四胺的合成缺乏一种安全简便的方法。因此，研究改进季戊四胺的合成路线意义重大。在本人的毕业论文中，主要研究季戊四胺的制备，通过实验研究，总结出合成季戊四胺的较佳反应路线。另外还将尝试合成两种未见文献报道的硝基氮杂螺环化合物的母环。直塞堡三盔堂亟迨塞至毽四壁鲤型釜巫基匡垄婴窭2 季戊四胺的制备2 1 方法简介目前，制备季戊四胺主要有以下两种方法：方法一：以季戊四醇为起始物，先用苯磺酰氯使之酯化，再叠氮化，然后用活性炭上的钯作催化剂，将叠氮基还原为氨基以生成季戊四胺。此方法的中间体四叠氮甲基甲烷是一个非常猛烈的炸药( 其撞击感度为2 c m ，2 5 k g 落锤) ，大量制各比较危险。所以尽管此路线最后的总得率高达8 9 ，仍不宜采用h 。反应过程如下：c ( c u 2 0 h ) 4 + 4 c 拙s 0 2 c l 型! 壁- c ( c h ：o s 0 2 c 6 h 5 ) 4n a n 31 矿c ( c h 2 n 3 ) 4普c ( c i - i , z n h 2 ) 4 ( 2 1 t 1 )方法二：季戊四醇与三溴化磷反应生成四溴代季戊烷，再使之与对甲苯磺酰胺钠反应生成季戊四胺四( 缸甲基苯基) 磺酰胺，然后季戊四胺四( 4 一甲基苯基) 磺酰胺与浓硫酸反应生成季戊四胺二硫酸盐，用氢氧化钠中和即可制得季戊四胺咖，其反应过程可表示为：c ( c h 2 0 h ) 4 坠c ( c h 2 b r ) 4竺箕掣竺删毗nc咄210ho c 8v 屹”1 ”。2 。：= 。1 1 3 辟1 9 6 0 d - 1 2 s 0 42 n a o hc ( c h 2 n h 2 ) 4( 2 1 2 )壹壅墨王太堂亟迨塞至虐四壁笪剑鱼盈基匡厘盟塞在此反应路线中，第一步合成四溴代季戊烷条件较苛刻，需在2 1 0 c 的高温下连续反应至少1 7 h 。反应过程中，必须严格控制升温速度，缓慢升温，否则极易生成易自燃的磷化氢，引起着火。这一步产物的分离、提纯也比较麻烦，纯品得率 2 0 0 4 。第二步是四溴代季戊烷与对甲苯磺酰胺钠的高温固相反应。在实验中发现：由于固相传热慢，受热不均，反应混和物易被烧焦，导致产物收率低。通过采用机械搅拌、研磨反应物并混合均匀、使升华至瓶壁的四溴代季戊烷及时返回到反应体系等改进，即可使反应时间由1 0 h 缩短为8 h ，反应收率稳定在4 0 5 0 。第三步较易完成，基本无副反应，得率高达8 9 0 , 4 。我们对以上两种方法进行了分析比较和实验研究，提出了一种改进方法。即溴化反应由一步改为两步：先由季戊四醇与苯磺酰氯发生酯化反应，制得季戊四醇四苯磺酸酯，再使之与溴化钠发生亲核取代反应，制得四溴代季戊烷1 1 9 】。虽然步骤上多了一步，但操作简便，反应温度适中，操作稍作改进后，两步反应的粗品总收率达到9 0 4 ( 纯度很好) ，较文献值高1 2 2 2 。为了缩短此方法制四溴代季戊烷的反应时间，我们在改变溶剂、使用相转移催化剂等方面作了有益的尝试。改进方法的反应过程可表示为：c ( c i - h o h 0 4 + 4 c 挑s 0 2 c l 骂c ( c h 2 0 s 0 2 c 6 - 1 5 ) 4n a b r- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一c ( c h 2 b r ) 4h 3 c 誓s 0 2 n h n a高蕙鬲一c ( c h 2 n 璐0 2 c 6 h 4 c h 3 ) 42 n a o h6 -c ( c h 2 n h 2 ) 4( 2 1 3 )壹室壅王盔堂亟迨童差虐骂壁丝型釜壁墓星鏖班塞2 2 四溴代季戊烷的制备2 2 i 一步法制四溴代季戊烷( i ) 反应方程式为：3 c ( c h 2 0 h ) 4 + 4 p b r 3 3 c ( c h 2 b r ) 4 + 4 h 3 p 0 3( 2 211 )( 2 ) 实验操作：将1 2 5 9 ( 0 9 2 l n 0 1 ) 季戊四醇装入5 0 0 m l 三1 2 1 烧瓶中，电热碗预热到7 0 ( 2 左右，机械搅拌下慢慢滴力i p b r 31 7 5 m 1 ( 1 8 5 m 0 1 ) ，加料时间约3 h ，加完料后使反应温度上升至1 2 0 ( 2 ，此温度下搅拌反应3 h ，然后在3 h 内将反应温度慢慢升高至2 1 0 ( 2 ，保温反应8 h ，反应终了后，将反应混合物用水煮洗3 4 次，每次1 52 0 分钟，可得灰黑色松散固体( 结块) 1 1 8 7 9 。用1 ，2 一二氯乙烷( 或无水乙醇) 重结晶粗品。两次实验结果见表2 2 1 1 。表2 2 1 1一步法制四溴代季戊烷的实验结果( 3 ) 结果讨论：在第一次实验中，我们观察到以下文献中未提及的实验现象：将p b b滴加到季戊四醇中时，反应瓶内温度上升较快，及时调整浴温使反应温度不致太高。此时反应混合物呈浅橙色，慢慢变得很粘稠，不断有刺激性气体从反应瓶内挥发出去，当反应快结束时，我们发现反应瓶内的反应混合物粘锅现象严重，后处理较麻烦。究其原因，可能是反应系统未密封，p b b7 壶室墨王盔堂亟迨塞奎送璺壁丝剑量丛基匡壁塑塞大部分都挥发了，而且反应温度没控制好，导致大部分季戊四醇不能参加反应，烧焦粘在瓶壁上，从而影响了产品的收率。针对实验中的这些问题，我们在第二次实验时将加热装置换成油浴，使反应受热均匀稳定，并且在滴加p b r 3 时，选择了恒压滴液漏斗，便于在密闭条件下加料，以防止p b r 3 在滴加过程中挥发。在第二次实验中，我们细致地记录了反应现象：当反应温度升至1 2 0 时，反应瓶内充满白色气体，约1 5 h 后明显见少，可观察到反应混合物为桔红色。当反应温度升至约1 4 0 时，反应瓶内充盈的气体颜色变为浅黄色，当温度继续升至1 7 0 1 2 时，气体颜色变为橙黄色。此时，取下恒压滴液漏斗，接水冷凝管。据文献资料 2 l 】介绍：反应温度升高过快容易生成易自燃的磷的氢化物，使反应体系着火。在实际的反应中，我们确实观察到这一现象，在取下滴液漏斗时，三口烧瓶的瓶口有气体自燃。此时开大冷凝管的进水速度，使气体降温，尽可能地避免磷的氢化物自燃。冷凝管上端外缘有冷凝的液滴，测其p h 值在1 4 以下，可能是反应放出的i - h 3 r 或h o ，冷凝所致。反应温度保持在2 1 0 ( 2 搅拌反应6 h 后，撤去油浴，自然冷却至1 0 0 以下，小心地打开插有温度计的瓶塞，瓶口有气体迅速燃烧，并烧至瓶内，不时地排除这种易燃气体。当瓶内温度降下来后，反应混和物逐渐凝固起来，用水煮洗若干次后，反应混和物变成鲜艳的红色，且很粘，估计是所含杂质较多。经提纯后，产品收率为1 7 o 虽较第一次实验有所提高，但仍不尽理想。因此我们放弃了这种制备四溴代季戊烷的方法，在文献资料的基础上，采用改进的两步法制四溴代季戊烷。- 8 壹塞堡王盔堂亟迨塞至瑾四壁鲢型鱼壁基匡匡婴塞2 2 2 两步法制四溴代季戊烷( 1 ) 反应方程式为：c s h 5 nc ( c h 幻h ) 4 + 4c 羽5 s 0 2 c l 一c ( c h 2 0 s 0 2 c 6 1 - 1 5 ) 4 + 4h c lc ( c 飓o s o _ c 6 飓) 4 + 4n a b r c ( c h 2 b r ) 4 + 4c 龇s 0 3 n a( 2 2 2 1 )( 2 ) 实验操作及结果：季戊四醇四苯磺酸酯的制各：将1 3 9 ( 0 0 9 6 m 0 1 ) 季戊四醇和6 5 m l吡啶装入2 5 0 m l 三颈瓶，将三颈瓶装上机械搅拌器、 o o o c 温度计及长颈滴液漏斗。将5 5 m i ( 0 4 2 4 m 0 1 ) 的苯磺酰氯装入滴液漏斗中。开始搅拌后，将苯磺酰氯慢慢滴加至烧瓶中的悬浮液中。滴加速度控制为使反应温度不超过3 0 。c 3 5 。c ，1 5 h 滴完。将所得的浅橙色淤浆在4 0 。c 搅拌反觑5 h 。剧烈搅拌下，缓缓将淤浆加到一只盛有8 0 r a l 浓h c i 、1 0 0 m l 水、2 0 0 m l 甲醇的8 0 0 m l 大烧杯中，立即生成白色粒状季戊四醇四苯磺酸酯的沉淀。用1 0 0 9 冰使之冷却，过滤。用5 0 0 m l 水分若干次洗滤饼，再用1 0 0 m l 冷甲醇分两次洗滤饼，滤千。7 a 8 驴c 烘干，得白色粉末状产品6 5 1 7 9 ，收率：9 7 4 ，熔点：1 0 0 。c 1 0 3 。c 。( 文献值：( 1 ) 1 0 3 c l 丑j ，( 2 ) 1 0 0 s 1 0 2 )四溴代季戊烷的制备：在2 5 0 m l = 颈瓶中，装入8 7 5 9 ( o 0 1 2 5 m 0 1 )干的季戊四醇四苯磺酸酯，加入2 0 m 1 - - - 甘醇( d e g ) 和7 7 5 9 n a b r ( 约0 0 7 5 m 0 1 ) ，在1 4 0 c 1 4 4 。c 下搅拌反应。固体大部分溶解，形成浅橙色液体，约2 0 m i n 后即有无色晶粒析出，在反应瓶上部的内壁上，有升华的四溴代季戊烷凝结。保温反应1 2 h 后，撤去油浴。待温度降至6 0 。c 时，加入2 0 0 m l 冰水，析出大量白色粒状沉淀。待温度降至i o o c 以下，过滤，用3 0 0 m l 冰水分若干次洗滤饼，抽干。8 0 烘干。得白色粉末( 夹带无色闪光片) 状产品4 5 9 ，收率：9 2 8 ，熔点：1 6 0 ( 2 1 6 2 ( 2 ( 文献值：( 1 ) 1 5 81 6 0 ，( 2 ) 1 5 9 c 1 6 0 【1 9 1 ，( 3 ) 1 6 3 ( 2 ) 。0 塑塞壅王盔堂亟主盈塞垩毽四壁丝剑鱼丛基匡痊婴窭( 3 ) 讨论：由两步法制四溴代季戊烷总收率达n 9 0 4 较文献值( 6 8 7 8 ) 高1 2 以上，并且粗品晶型好，纯度较高，作为下一步制季戊四胺四( 4 甲基苯基) 磺酰胺的反应物不需要提纯。分析收率提高的原因，主要在于以下改进：文献中将第一步得到的微湿的季戊四醇四苯磺酸酯作为第二步的反应物，而我却把它烘干研碎后再让它参与到第二步反应。因为考虑到第二步反应属于两相反应，一相为固态盐类，另一相是溶有反应物质的有机介质溶液，如果使用极性质子溶剂，易发生阴离子溶剂化作用，而导致反应速率降低。按文献的做法，在第二步反应中带入微量水，可能会使n a b r 的溴离子与地o 中的质子形成氢键而发生溶剂化，降低了亲核基团b r 的反应性，从而使反应速率下降。为了验证这点，我们以1 8 6 9 季戊四醇为起始物，按照文献方法做，实验结果见表2 2 3 1 中的实验2 ，其收率接近于文献收率的最低值，比改进方法的收率低2 2 。2 2 3 两步法反应影响因素的实验研究上述两步法制四溴代季戊烷的第步反应比较成熟，第二步反应的实验结果也令人满意，但反应时间仍很长，为了进一步优化反应条件，我们又进一步研究了对该反应可能产生影响的若干因素，例如：反应温度、反应时间、溶剂、催化剂等等。实验步骤：在2 5 0 m l - - 颈瓶中，装入8 7 5 9 ( 0 0 1 2 5 m 0 1 ) 干的季戊四醇四苯磺酸酯，加, k 2 0 m l 溶剂和7 7 5 9 n a b r ( 约0 0 7 5 m 0 1 ) ，在不同温度(t ) 下保温搅拌反应不同时间( t ) 。反应混和物自然冷却至约6 0 ( 2 时，加入2 0 0 m l 冰水，待温度降至1 0 c 以下后，过滤，用3 0 0 m l 冰水洗滤饼3 5 次，抽干，将粗品置入烘箱8 0 烘干后称重( w ) ，计算收率( y ) ，测其熔点，用无水乙醇重结晶后烘干，称重( w ) ，计算收率( y ) ，再测其熔点。实验条件及结果如下表2 _ 2 3 1 所示：- l o 直壅壅王盔堂亟主丝皇重瑾璺照丝型鱼丞基匡瘗堑壅表22 3l 不同条件下由季戊四醇四苯磺酸酯制四溴代季戊烷的实验结果萼t t h 溶剂裟w g 粗品删w g 删y 嘣注：由1 8 6 9 季戊四醇与7 8 6 m l 苯磺酰氯反应制得1 2 o g 季戊四醇四苯磺酸酯( 未经烘干遭接溴化的收率。1 l -壹鏖堡王态堂亟迨塞垩毽囵壁笪型鱼丛基星查堡塞2 2 3 1反应温度的影响固定其它条件，以二甘醇为溶剂，仅改变反应温度，反应7 h 的各实验结果如下表所示：表2 2 3 1 1 反应温度对四溴代季戊烷的收率及熔点的影响由上表可以看出，反应温度在1 2 2 1 2 6 c 时重结晶后的产品收率最低，熔程也较长，说明反应不完全，产品中混有较多的未溴化或未溴化完全( 含1 ，2 ，3 个溴) 的副产物。当反应温度由1 2 2 1 2 6 升至1 5 2 1 5 8 时，产品收率和熔点均提高，说明反应趋于完全。当反应温度升至1 6 2 1 6 7 时，产品收率反而有所下降，可能是因为反应温度高导致易升华的产物四溴代季戊烷从反应体系中逸出一部分，使收率降低。2 2 3 2反应时间的影响选择反应温度为1 4 2 1 4 8 ，以二甘醇为溶剂，仅改变反应时间的各实验结果如表2 2 3 2 1 所示。由表2 _ 2 3 1 及表2 2 _ 3 2 i w 以看出，反应时间是影响产品收率的重要因素，反应时间增加，收率明显增加。反应5 h 后的收率虽较7 h 的收率高，但产品的熔程长达l o ，纯度明显不及反应7 h 后的产品纯度。当反应1 2 h 后，已接近完全反应，粗品的收率高达9 2 8 0 , 4 ，其熔点为1 6 0 1 6 2 ( 3 ，重结晶后的产品纯度提高，但以损失一部分产品为代价，所以在下一步制季戊四胺四- ( 4 甲基苯基) 磺酰胺时，直接将该步完全反应后的租品作为反应物。一1 2 -塑壅堡王盔堂亟主迨塞至虐四堕丝剑釜丞基区廛堕塞表2 2 32 1反应时间对四溴代季戊烷的收率及熔点的影响2 2 3 3溶剂的影响选择反应温度为1 4 2 , - , 1 4 8 ( 2 ，分别以二甘醇和环丁砜为溶剂，反应7 小时的实验结果列入表2 2 3 3 1 。表2 2 3 3 1 溶剂对四溴代季戊烷的收率及熔点的影响编号溶剂w g熔点，y ，4d e g3 _ 1 01 5 8 1 6 26 4 09环丁砜3 7 31 5 9 1 6 17 70由表2 2 3 3 1 中的数据可以看出，以环丁砜作溶剂，比以二甘醇作溶剂的产品收率提高1 3 ，且纯度提高。这说明它对反应有促进作用。环丁砜的结构为：ec 三 兰- 1 3 壹塞垄王盔堂亟主途塞至盛四堕麴劁鱼区基匡壁塑塑从环丁砜的结构可以看出，分子中两个外伸的氧原予带有较多的负电荷可以在一定程度上和带有正电荷的离子配合，而分子中带正电荷的硫原予被分子中其它原子包围，这样就使负离子难以接近。当在溴化钠的反应体系中加入环丁砜作溶剂后，环丁砜分子中的两个带负电荷的氧即可与溴化钠中带正电荷的钠配合，而由于空间位阻效应带负电荷的溴难以接近环丁砜中的带正电荷的硫原子，即可使b r 裸露在外，使其非常富有反应性。同时环丁砜以此配合物的形式，将难溶于有机物的n a b r 带入有机相，与季戊四醇四苯磺酸酯发生亲核取代反应，形成生成物，起到类似于相转移催化剂的作用。 c s n - h ，o - h ，或s - h 等有酸性氢，能按曼尼希胺烷基化进行反应的化合物包括了进去。曼尼希反应可以用下面的通式例表示： n h + h 叫一 n 一一y + h 2 00( 4 1 1 )abcda ：伯、仲胺或氨( 胺组分，亲核)b ：甲醛或其它醛( 醛，亲电)c ；含有一个或多个活泼氢的化合物( 酸组分，亲核)d ：曼尼希碱在式4 1 1 中，如果酸组分含有多个活泼氢，在反应中，则可以引入两个或更多的胺烷基。从所用胺看亦如此，伯胺的氮上带有两个氢原子，氨的氮上有三个氢原予，因此可以参加反应的氢就不止一个。当同一个分子的不同碳原子上有两个活泼氢时，与伯胺或氨所进行的曼尼希反应就有可能形成环状化合物【叫。2 8 v i壹塞理王盔堂亟土造塞至盛婴照鲍剑釜丛基匡查壁塞曼尼希反应的重要标志是生成不对称的亚甲基衍生物，因此在反应中，就要求胺组分的亲核性大于酸组分。( 亲核性是指亲核试剂进攻饱和碳原子的能力或与之形成共价键的能力) 如果酸组分的亲核性大于胺组分，那么酸组分和醛就要生成c 羟甲基化物。如果c - 羟甲基化物很容易脱水生成碳正离子，它很自然地就要和亲核性较大的酸组分，而不是同胺组分进行反应，这样生成的不是曼尼希碱而是对称的亚甲基衍生物h ay - - h + c h 2 0 y 删2 0 h 且一y 一曲j 墨y c h 2 y( 4 1 2 )实际上碳正离子的形成或c 羟甲基化物的脱水，在曼尼希反应条件下并不太可能，文献 3 9 】中有详细的论述。因此曼尼希反应的中间体，只能是胺组分与醛反应生成的n - 羟甲基胺或亚甲基二胺。r 2 n h + c h 2 0 - r 2 n c h 2 0 h或2 r 2 n h4 - c h 2 0 + r 2 n c h 2 - n r 2 + h 2 0 ( 4 1 3 )n 羟甲基胺和亚甲基二胺对酸都极为敏感，在酸存在下，两者都可以一发生以下的反应：r 2 n c h 2 0 h + h 扣型盆晒r 2 n - c h 2 。n r 2- 2 9 -( 4 1 4 )壹塞墨三杰堂亟主诠塞至盛四壁丝型鱼丛基匡廛婴塞式4 1 4 中的亚甲基胺正离子的存在，已由极谱仪测定而得到证实h “，其前身n 羟甲基胺、亚甲基二胺( 包括希夫碱) 都是曼尼希反应的中间体。此中间体以什么形式再和酸组分进行反应视具体反应而论。曼尼希反应要求胺组分的亲核性要大于酸组分，但是胺组分的亲核性只能适度地大于酸组分。当胺组分的亲核性过大时，由于胺组分氮原子的未共用电子对的推力会使酸组分与醛组分之间的c y 键断裂，这样就使曼尼希反应不能进行：簧：鑫h s 一姑= c h 2 + y -( 41 5 )在曼尼希反应中我们往往希望不改变胺组分和酸组分而仍能使曼尼希反应进行。此时可以在胺组分或酸组分的分子中引入某些基团以调节两种亲核组分的酸碱性，由此达到适度的亲核性差值使曼尼希反应得以进行。( 亲核性和酸碱性之间一般来说并不存在严格的平行关系，两者也不等同。但是当亲核试剂含有相同的亲核原子，且在亲核原子一边含有近似的结构形式时，亲核性和酸碱性之间确实存在着平行关系。) 另外，对某些反应可以在反应时加入某些试剂使曼尼希碱稳定化，然后将曼尼希缩合产物分出。- 3 0 壶壅翌三盔堂亟主迨塞垩盛四照丝剑墨丛基至查l 堡塞4 2目标化合物的分子设计在1 n s u 和1 n s l 结构的启发下，我们设计了以下两种氮杂螺环硝基化合物作为目标化合物。其结构如下：b 耽nonin 0 2o 炉n( )为了了解我们所设计的目标化合物和的性能，我们根据结晶化学法圳估算了两种目标化合物的密度，又根据n m q 公_ 式l 蚓估算了它们的爆速、爆压，估算结果与t n s u 、斑) x 等单质炸药的实测值列于表4 2 1 。表4 2 1目标化合物与几种单质炸药的性能比较巡合物1 n s u1 1 惦u kr d xh m xji i拦艟密度2 0 0i 9 1( g c m )1 7 21 9 l1 7 9 9b 型1 9 0 5。爆速8 2 8 0 i 7 8 。1 。1 t 8 6 3 1 8 99 0 9 8 。2 0 08718。1828017 28 6 3 9 17 6 79 1 1 0 18 9。9 1( m s )爆压3 3 8 33 9 0 63 4 9 3( g p a )2 9 5。3 3 7 93 9 5 0。注：密度采用结晶化学法计算：抖爆速、爆压采用m 哟法计算，其中化合物的标准生成焓( h f 。)按键能加和法计算；其余数值均为实测值3 l -直壅壅王丕堂亟迨塞垩廛璺壁笪剑釜星基医廑堕塞由表4 2 1 的对比可以看出：目标化合物( i ) 的密度、爆速、爆压的估算值优于t n s u 、t n s u k 、r d x ，与h m x 的爆炸性能相仿：目标化合物( ) 的综合性能略逊于h m x ，但是比t n s u 及r i ) x 稍好，与t n s u k 的爆炸性能相仿。对于这两个目标化合物的合成路线，我们初步打算先利用曼尼希反应直接合成化合物的母环【母环( i i i ) 、( i v ) 的合成方案详见4 3 节1 ，然后再选择合适的硝化剂将母环硝化，可用下式表示：( m )n 0 2n 0 2n 0 2严n 胃onin 0 2刚一一旦刚一赫一( i v )( )( 4 2 2 )- 3 2 壹壅堡王盔堂亟迨塞至盛四堕笪剑釜丛基匡廛l 堡塞4 3 目标化合物母环的合成方法设计为了合成目标化合物o ) 的母环( 1 i d ，我们设计了以季戊四胺、乙二醛、尿素分别为胺组分、醛组分、酸组分的曼尼希反应( 4 3 1 ) 为了合成目标化合物( i i ) 的母环( i v ) ，我们又设计了以季戊四胺、甲醛、二羟甲基硝胺分别为胺组分、醛组分、酸组分的曼尼希反应( 4 3 2 ) 。也嚣+ 蛰c o( i l i )+ ：h c h o + ：。删端其中，二羟甲基硝胺根据式( 4 3 _ 3 ) 制得：( )0 2 ( 4 3 2 )n 删。0 ：2 + 3 h c h o + h 2 0 2 。删搿蚴)前面设计的这两个曼尼希反应都未曾有人做过，我们在设计合成方法时主要参考以乙二胺、乙二醛、尿素的曼尼希反应合成三并哌嗪及合成别的氦杂螺环化合物的方法。- 3 3 h啦h一直壅垄王盔堂亟迨塞至虐四壁的型圣丛基区廛堑基( 1 ) 加料方式胺、醛、酸三组分参加的曼尼希反应，一般有以下几种加料方式：( a ) 醛胺混合后，滴加酸组分。( b ) 醛与酸组分混合后，滴加胺。( c ) 胺与酸组分混合后，滴加醛。在文献 1 6 1 中，研究了季戊四胺、甲醛、硝仿三组分的曼尼希反应，并且根据不同的加料方式得到不同结构的产物这一现象，提出以下观点：季戊四胺有四个反应中心，在反应体系中可形成多种中间体，并且在反应体系中存在着竞争，在加料方式( a ) 时，醛胺缩合液中螺环中间体( s p i r o -i n t ) 是主要的，( 已用苦昧酸捕获到螺环四仲胺中间体) ，在加料方式(b ) 时，由于没有足够时间使季戊四胺与甲醛缩合成螺环中间体，因此席夫碱型中间体( s h i t i - b a s e - i n t ) 是主要的，不同的中间体导致了不同的产物。hhf y n _ ，一nhh( s p l r o i n t )h瑟x h 2 c n l nh( s h i f t b a s e i n t )另外三并哌嗪阍也只有采用加料方式( a ) 才能合成出来：首先是胺组分乙二胺与醛组分乙二醛发生反应，生成加成物二羟哌嗪( v ) 或醛胺缩合物席夫碱( ) ：，n h 2【+、n h 2hr ，n y o hi1n - k - o hh( v )3 4 一一( ( )盼c l c壹塞垄三盔堂亟主迨塞至盛婴堕鲤型釜丛基医廑堑塞然后中间体( v ) 或( ) 与甲酰胺缩合：( y ) h z h 2愚、面r( ) 肌1鉴于这些前人的经验，我们初步打算以加料方式( a ) 进行化合物(1 1 1 ) 和( i v ) 的合成反应。对于季戊四胺、乙二醛、尿素的曼尼希反应，我们大胆地设想它将按如下方式进行：，早h oh o 丫2 c i h o = 肿ih o 一e 、j 些n h 2 , , 竺。丁一耋些：。工hh i ho ( 4 3 6 )对于季戊四胺、甲醛、二羟甲基硝胺的曼尼希反应，我们猜想它的反应过程如下：hh+ 2n c 哟一嚣x hh蚴一1 鲨c h 2 0 h h 哨x 吼3 乃一0 2 n 弋xn 2 尸0 2 ( 4 3 乃3 5 $3o也4毗6、_ 、h nn h丫_ h nn h丫人h nn h，l壶壅垄王友堂亟土迨塞垩盛四壁丝型鱼丛基匡廑受塞( 2 ) 介质p i 值的控制对于季戊四胺、乙二醛、尿素的曼尼希反应，控制其反应的p h 值，主要在于两个方面：一是醛胺反应的p h 值，二是醛胺反应中间体与尿素反应的p h 值。从机理上讲，醛与胺反应，既可以是酸催化的也可以是碱催化的，考虑到季戊四胺碱性较强，在酸性介质里，容易成盐，因此反应在碱性介质中进行。参照合成三并哌嗪的方法，控制醛胺反应前的p h 值为9 ，醛胺反应中间体与尿素反应以浓盐酸为介质。4 4 目标化合物m 的合成尝试尝试一：在1 0 0 i i l l - - - 颈瓶内装入1 5 9 ( o 0 0 4 5 6 8 m 0 1 ) 季戊四胺二硫酸盐粉末，放入搅拌子，加入1 1 m l4 0 的乙二醛水溶液。不溶。开动磁力搅拌器，慢慢加入3 0 的n a o h 水溶液，不时地测反混和物的p h 值，当加入1 1 m l n a o h 时，p h = 5 ，混浊液变澄清，呈暗黄色；当加入l8 m l n a o h 时，p h介与7 和8 之间，开始出现白色沉淀，结块；加入1 7 m ln a o h 时，p h = 9 ，反应混和物都结块，搅拌子无法搅拌，人工搅一会儿，反应温度不超过3 0，共反应4 5 m i n 后，过滤，水洗三次，丙酮洗一次。烘干，得黄色粉末1 0 9 。用温台测其熔点，当加热到2 6 0 ( 2 时仍未熔化，但粉末的颜色加深，变为褐色，此粉末不溶于二甲基亚砜、乙腈及氯仿。其傅里叶红外谱图参见附图八。( 图中3 4 4 6 e m 1 、1 6 4 7 e m 1 处的峰分别是伯胺的n h 的伸缩振动和弯曲振动吸收蜂，可能未发生预期的反应。)在l o o r a l 三颈瓶中加z 1 s 尿素和1 0 t n l 浓h c l ，搅拌下慢慢加入o8 6 9 上一步制得的黄色粉末，起始温度2 l ，加入粉末后，上升2 ，3 0 m i n 内加完。尿素h c l 混和液溶解了粉末后变为淡黄色，后又逐渐变暗，搅拌4 5 h后无沉淀产生，静置过夜，隔日搅拌1 h 后过滤，只有极少量褐色沉淀，未作分析。( 此步参照制7 2 0 1 的方法删)3 6 直塞墨王盔堂亟主迨塞至瑾四壁笪剑墨丛基星廛堑塞尝试二：在一只小烧杯中袈入3 5 m l 水，加入1 5 0 9 季戊四胺二硫酸盐，用4 3 m l1 0 n a 0 h 溶液调p h 为9 。将此配好的季戊四胺溶液慢慢滴加入一只装有1 1 m l4 0 * 0 的乙二醛水溶液的三颈瓶中，冰水浴控制反应温度为1 0 c 。搅拌反应，4 0 m i n 加完。此时反应混合物p h 直：55 - - 6 0 。继续反应3 0 m i n ，混合物为浅棕色澄清液，无沉淀产生。加入0 6 9 尿素，慢慢滴加1 0 m l 浓h c i ，3 m n i n 滴完，反应3 5 m i n 后，反应液出现混浊，共反应5 5 h 后密闭存入冰箱冷藏一夜，过滤，无水乙醇洗滤渣三次，放入烘箱6 0 烘干。得灰白色粉末，称萤0 1 4 8 。1h _ q q m r ( d 2 0 ) 3 ，3 8 ( s ) ，4 7 6 ( s ) 。参见附图九。由谱图推测反应得到的可能是尿素与乙二醛的缩合物，不是我们预期的化合物。尝试三：1 0 0 m l 三颈瓶中装有1 5 0 9 - 季戊四胺二硫酸盐，放入搅拌予，以2 0 的n a o h 调p h = 9 ，共用了2 1n l l 。反应温度为2 5 慢慢滴加1 1 m 1 4 ( p , 的乙二醛水溶液。当滴加了0 7 m l 后，搅拌子无法搅动，瓶内已形成透明胶状物，继续滴加乙二醛，人工搅拌，胶状物大部分溶解，反应混合物变成黄棕色溶液，将此溶液慢慢滴加至另一装有1 1 9 尿素、1 0 5 m l 浓h c l 的三颈瓶中。冰水浴控制反应温度4 ，立即形成沉淀，1 5 r a i n 滴完，反应1 5 h 后过滤，用无水乙醇洗滤渣三次。置于p ：o 。保干器中真空干燥后称重：0 7 9 。该滤渣为浅绿色粉末，难溶于d m s o 。易溶于水形成棕色溶液该粉末未作分析尝试四：在一只小烧杯中装有1 5 0 9 季戊四胺二硫酸盐，以2 0 的n a o h调p h = 9 。在一1 0 0 m l 三颈瓶中装有1 1 m 1 4 0 的乙二醛水溶液，用2 0 n a o h溶液调p h 为7 将配好的季戊四胺溶液慢慢滴加至乙二醛中，3 s 分钟加完控制反应温度2 6 搅拌反应，混合物变成黄棕色溶液反应1 h 后，将此溶液慢慢滴加至另一装有1 1 9 尿素、1 0 m l 浓h c i 的三颈瓶中，加入即产生沉淀，3 0 m i n 加完，冰水浴控制反应温度1 0 ( 2 以下反应5 5 h 后过滤，用无水- 3 7 壹壅垄兰盔堂亟土地塞垩虐璺壁笪型鱼丞基星廛l ! 窒乙醇洗滤渣三次，该滤渣呈黄绿色，抽千后似乎又变湿，置于p ：o s 保干器中真空干燥后呈浅黄色粉末，称重：0 8 9 。测其熔点：1 i o c 以上颜色渐深，变为棕色其1h - 叫q 褓谱图复杂，无法解析( 见附图十) 此粉末不溶于一般的有机溶剂，易溶于水以水作溶剂重结晶后的1h _ 叫卜j m r 谱图及”c n 谱图仍较难解析( 见附图十一、十二)纵观以上四种尝试，主要改变了以下几种条件：( 1 ) 中和季戊四胺的二硫酸盐的n a o h 溶液的浓度，它影响反应体系中水的含量。若n a o h 浓度太高，反应体系中水的含量很少，反应混合物易结块( 由尝试一可以看出这一点) ；若n a o h 农度太低，反应体系中含较多的水，可能会溶解部分产物，易使产率减少( 由尝试二可以看出这一点) 。( 2 ) 醛与胺的反应方式，主要采用了三种方式：( a ) 胺盐与醛混合，再慢慢滴加n a 0 h 溶液，使游离胺慢慢释放出来，与醛反应；( b ) 醛滴加入胺溶液中；( c ) 胺溶液滴加入醛中。从四次尝试的实验结果比较，方式( c ) 更合理些，在方式( b ) 下，醛与胺容易生成胶状物( 可能是聚合物) 。( 3 ) 醛胺缩合液与尿素的反应方式，主要有两种：第一种方式参照制三并哌嗪的方法，将尿素加入醛胺缩合液，再慢慢滴加浓h c l ；第二种方式，参照制7 2 0 l 的方法，即将醛胺缩合液慢慢滴加入尿素- 浓h c l 的混合液中。由实验结果来看，不同的反应条件下都可以得到一定的产物，但这些产物的熔点及溶解性差异较大。按尝试四的条件反应，可能有目标化合物生成，但因纯度不高，未得到可以明确解析的核磁共振谱图。以后如果再深入研究下去，找到合适的加料方式和反应条件，成功的几率还是很大的。- 3 8 -壶壅墨王盔堂亟主鲨塞垩虐四壁的剑釜丛基医廛堑塞4 5目标化合物的合成尝试操作步骤：1 0 0 m l 三颈瓶中装有l ，5 0 9 季戊四胺二硫酸盐，n a 5 ml水，放入搅拌子，用1 0 n a o h 溶液溶解，稀h c i 调p h 为9 1 0 ，慢慢滴加1 5 i n l 甲醛，搅拌反应l h 后加入1 5g ( 0 0 1 1 t 0 0 1 ) 亚甲基二硝胺，亚甲基二硝胺逐渐溶解，p h 值不断下降，全部溶解后p h - - - - 5 5 左右3 0 m i n 后混合液出现混浊，反应4 h 后静置过夜次日，混合液已变清，p h 接近7 ，补加入2g 贬甲基二硝胺，一会j h l l l 出现混浊，冰水浴控制反应温度4 c ，搅拌反应1 5 l l 后过滤，用冰水洗滤渣两次，无水乙醇洗一次，置于p ：o s 保千器中真空干燥后得到白色结块颗粒o 5g ，其1h _ 1 q 谱图见附图十三。由谱图可以断定，上述反应制得的产品，不是我们想要的化合物i v 。后来我们又尝试先使季戊四胺与甲醛反应生成螺环中间体，使水、甲醛、亚甲基二硝胺反应生成二羟甲基硝胺，再将醛胺缩合液慢慢加入二羟甲基硝胺中，反应只得到极少量的白色颗粒物，未作分析。总结反应失败的原因，可能是因为二羟甲基硝胺不稳定，只在一定的p h 值范围内才能存在，在我们设计的反应条件下分解了，所以反应不能制得化合物i v 。- 3 9 壶壅壅王盔堂亟主丝塞垩盛磐壁的剑圣丛基区廛婴塑5 结论( 1 ) 在文献资料的基础上，通过实验比较，我们提出了一种制备季戊四胺的改进方法，由此方法制季戊四胺总收率可达3 3 8 0 0 。其中，制备四溴代季戊烷的两步法，比文献方法收率提高1 2 2 2 。( 2 ) 在由季戊四醇四苯磺酸酯制四溴代季戊烷的反应过程中，加入相转移催化剂聚乙二醇对反应有利，可提高收率，较佳反应条件为：以二甘醇为溶剂，千的季戊四醇四苯磺酸酯与6 倍量的n a b r 在1 4 2 1 4 8搅拌反应1 2 h ；或者以环丁砜为溶剂，干的季戊四醇四苯磺酸酯与6 倍量的n a b r 在1 5 2 1 5 8