1,2-二硝基咪唑转化为2,4-二硝基咪唑的研究现状.doc

1,2-二硝基咪唑转化为2,4-二硝基咪唑的研究现状侯云玥，郑博（中北大学化工与环境学院，山西 太原030051）【摘要】：2, 4-二硝基咪唑的合成方法主要有两个方向：第一个是由2-硝基咪唑硝化生成，第二种是1，4二硝基咪唑热重排生成，有多种热重排方法。第一种为硝化生成法，由于2-硝基咪唑的价格昂贵, 反应生成的副产物比较多, 而且纯度低, 得率低, 因此这种方法很难工业化。到目前为止, 制备2, 4-DNI一般采用将1, 4( 5)-经过热氯苯溶液、热重排的工艺路线, 由于此合成路线原料易得, 价格低廉, 适合工业化生产, 美国现已实现小规模生产。【关键词】:咪唑；氮杂环化合物；1,2-二硝基咪唑 (1,2-DNI)；2,4-二硝基咪唑 (2,4-DNI)；1,4-二硝基咪唑1,4-DNI；2-硝基咪唑硝化法；热重排法；微波重排法咪唑（Imidazole） 【分 子 式】C3H4N2 分子结构图为 咪唑类主要用作环氧树脂的固化剂，在日本占咪唑类消费量的一半以下，其用量为环氧树脂的0.5%-10%咪唑类化合物可用作抗真菌药、抗霉剂、低血糖治疗药、人造血浆等，还可用作治疗、人造血浆等，还可用作治疗滴虫病及火鸡黑头病的药物.2010年J. Med. Chem1通过利用 68GA示踪硝基咪唑衍生物在被移植肿瘤的小白鼠上的测试已经证明了Ga-NOTA-NI 的酰胺氧 有助于利用X射线形成金属络合物。我们把他们用68GA标记起来，发现68Ga-NOTA-NI 和68Ga- SCN-NOTA-NI都被高效率的标记了（96%）并且在室温下的培养基中和37摄氏度的人血清中处于稳状态。在体外细胞摄取实验中使用 CHO和 CT-26 ，在缺氧条件下细胞系对两种药剂的吸收明显增加。含能材料中多氮杂环化合物含氮量高, 分子中含有大量的N-N和C-N高能量的化学键, 因而具有很高的生成焓。同时由于杂环的稳定性而使以环为基础的修饰和改性成为可能, 这包括增加多个含氮量很高的杂环, 或者是叠氮基团, 或者是环上的硝基化改性等 。近几十年来, 唑系含能材料一直是火炸药领域比较活跃的课题, 一系列新的化合物相继被合成出来。然而对于咪唑类含能化合物的研究比较少, 更多的是对于咪唑在医药方面的开发与研究。20世纪70年代以来, 国外在叠氮基取代咪唑方面做了不少研究, 并发现多硝基咪唑在含能材料方面具有许多优点。Young Gu Cheun, Bang Sam Park2等人通过研究指出利用 借鉴半经验法、从头开始研究、密度泛函理论计算的方法研究了咪唑、4-硝基咪唑、5-硝基咪唑、4，5-二硝基咪唑的分子结构。与试验数据相比，B3LYP和MP2与6-31G 进行演算，基组都能提供平均误差小于0.01 的键长和平均误差小于1的键角这些优良的几何特征。即使超临界流体的结果比利用电子相关效应的结果要略差一点，但HF/3-21G 和 HF/6-31G*的计算仍能提供合理的几何特征，并且从现实意义上讲更可能有实用性。2,4-二硝基咪唑：2,4- dinitroimidazole(2,4-DNI)分 子 式：C3H2N4O4 分 子 量：158.072, 4-二硝基咪唑是咪唑的2位和4位氢被硝基取代的一种硝基五元杂环化合物, 有芳香性，黄色固体, 有无定型和晶体两种状态, 不溶于一般的溶剂, 如水、甲醇等。现在主要作为高能不敏感单质炸药。Dr. Damavarpu3首次发现它的能量比TATB 高30%, 摩擦感度、撞击感度、爆发点、真空热稳定性优于RDX和HMX, 此优点被发现以后, 2, 4-DNI在含能材料领域即被广泛研究, 俄罗斯、韩国、日本、印度、澳大利亚等国都对它的爆炸性能进行了研究, 而美国对此研究处于领先地位。2, 4-二硝基咪唑的合成方法主要有两个方向：第一个是由2-硝基咪唑硝化生成，第二种是1，4二硝基咪唑热重排生成，有多种热重排方法。1,4-二硝基咪唑(1,4-dinitroinidazole)简称1,4-DNI，是含能材料2,4-二硝基咪唑、2, 4,5-三硝基咪唑的重要中间体, 其合成普遍采用醋酐法, 即4-硝基咪唑加到乙酸、乙酸酐和浓硝酸混合液中硝化合成2-3。此法会产生大量的有机废酸，经济性不高。新型绿色硝化剂N2O5 与工业上最常用的硝硫混酸等硝化剂相比具有如下优点4: 温度易控制, 反应基本不放热; 无需废酸处理; 产物分离简单, 通常蒸出溶剂即可; 对多官能团反应物硝化选择性高; 不会发生氧化等副反应。本文以五氧化二氮/二氯甲烷为绿色硝化体系，对4-硝基咪唑进行硝化制备1,4-DNI，得到满意的结果。在早年，主要使用2-硝基咪唑硝化法：意大利米兰Lepetits. P. A4实验室的Lancici等人在1963年首次采用2-硝基咪唑硝化法合成2, 4-DNI。具体的工艺路线是将2-硝基咪唑加到0摄氏度的硝酸( 86% )和乙酸酐混合液中, 然后升温至100摄氏度反应2小时, 再升温至115摄氏度反应30分钟, 反应完后, 将反应液冷却至室温, 然后倾入冰水混合液中, 并用乙酸乙酯萃取, 获得2, 4-二硝基咪唑, 得率56%。由于2-硝基咪唑的价格昂贵, 反应生成的副产物比较多, 而且纯度低, 得率低, 因此这种方法很难工业化。所以在2-硝基咪唑硝化法之后人们研究出了另一种相对合理的方法 1, 4-DNI的热重排法，主要通过中间体1, 4-DNI经过热重排得到2, 4-二硝基咪唑。第一个尝试实用热重排法合成2, 4-二硝基咪唑的是前苏联GrigorevaV alent ina N5等人。1983年他们将4-二硝基咪唑, 95%的硫酸和乙酸酐混合, 升温至35 40摄氏度, 在此温度下反应3小时, 再降温到10 15 摄氏度后加硝酸铵, 加完后再升温至35 40 摄氏度, 并在此温度下反应3小时, 反应完后将反应液冷却至室温, 然后将其倾入到冰水混合液中, 用溶剂1, 2-二氯乙烷萃取, 蒸馏溶剂, 得到固体, 干燥, 获得1, 4( 5)-DNI, 最高得率83%。此工艺的条件比较苛刻, 加入硝酸铵易于成团, 反应不易控制, 容易发生冲料的危险。1987年波兰格利维茨西里西亚阶技术大学有机化学技术研究院的Jerzy Suwinski6等人把4-硝基咪唑加入到冰醋酸中, 然后滴加发烟硝酸, 加完后再加乙酸酐, 此时反应温度会上升到40 45摄氏度, 在此温度下持续反应1小时, 把反应液冲到冰水混合液中, 过滤, 用氯乙烯提纯, 得率为88%。1989年新西兰达尼丁的OTAGO大学化学系M.Ross Grimmett7等人将4-硝基咪唑加入到冰醋酸中,然后滴加硝酸( = 1. 50 gcm- 3 ), 滴完后温度上升到50摄氏度,冷却并加乙酸酐, 加完后再反应1小时, 最后把反应液冲到冰水混合液中, 用二氯甲烷萃取, 得率85%。1995年Reddy Damavarpu3等人受美国陆军机要处委托, 在Jerzy Suwinski和M. Ross Grmmett7合成方法的基础对工艺进行了改进, 用冰醋酸把4硝基咪唑溶解, 冷却到0 摄氏度, 滴加98% ( = 1. 52 gcm- 3 )的硝酸, 然后在5摄氏度滴加乙酸酐, 并在此温度下反应2小时 再升温至25摄氏度, 并在此温度下反应8小时, 反应完后将反应液倾入冰水混合液中, 过滤, 干燥, 1, 4-DN I得率83%。此工艺原料便宜, 操作简单, 能量损耗低, 纯度和得率高, 目前国外均采用此方法小批量生产。热重排有两种方式:一种是溶剂热重排法, 另一种是微波重排法。将1, 4-DNI加到氯苯中, 并且加热到120 125摄氏度并在此温度反应3 4 小时。重排得2 , 4-DNI,2004年BhaumikK8等人通过微波加热的方式, 将1, 4( 5)-DN I热重排得2, 4-DNI, 这种方法取代溶剂, 加热均匀, 转化率高, 但目前这种方法主要用于实验室小试制备2, 4-DNI, 工业化还需进一步研究。2010年，刘慧君9等人通过研究发现由1, 4-二硝基咪唑( 1, 4-DNI)重排为2, 4-二硝基咪唑( 2, 4-DNI ), 以微波加热代替常规加热, 可在一定程度提高得率, 并可将重排时间由4 50小时缩短为10分钟。研究了加热用微波功率、加热时间、溶剂及1, 4-DNI浓度对2, 4-DNI得率的影响。重排适宜的反应条件是: 微波功率375W, 加热时间10分钟, 氯苯为溶剂, 1, 4-DNI的浓度为10%, 这时所得2, 4-DNI的得率可达95%, 熔点265 268摄氏度(分解)。到目前为止, 制备2, 4-DNI一般采用将1, 4( 5)-经过热氯苯溶液、热重排的工艺路线, 由于此合成路线原料易得, 价格低廉, 适合工业化生产, 美国现已实现小规模生产。目前，国内外各大数据库均未发现关于1,2-DNI（1,2-dinitroimidazole）的研究。也无法查找到1,2-DNI的化学性能，应用方面合成工艺等方面的信息。所以，目前生成2,4-DNI的方法中还未发现由1,2-DNI的先例，且无相关资料。此种方法有待进一步研究和发展。参考文献：1 J. Med. Chem,Lathika Hoigebazar, Jae Min Jeong.Synthesis and Characterization of Nitroimidazole Derivatives for 68Ga-Labeling and Testing in Tumor Xenografted MiceJ.2010.2 Soo Gyeong Cho，Young Gu Cheun, Bang Sam Park.A computational study of imidazole, 4-nitroimidazole, 5-nitroimidazole and 4,5-dinitroimidazoleJ. THEOCHEM,1998.3 Reddy Damavarpu, Keeri Jayasuriya, Vladmiiroff Theodore, et a.l 2,4-dnitromiidazole: A lesssensitive explosive and propellant made by thermal rearrangement of molten 1, 4-dinitromiidazole P. USP 5 387 297.4 LanciniG C, Maggi N, SensiP. Synthesis of some derivaives of 2-nitroimidazole w ith potential an ti-trichomon as actity J . Ed Sci, 1963,18: 390- 396.5 Grigoreva Valentina N, Fassakhov RafaelKH, Gafarow AjratN, et a.l Method of Producing 1, 4-Dinitroimidazoles P. Su 1416488, 1988.6 Jerzy Suwinsk ,i Ewa Salwinska. Nitroimidazoles, part IX some reactions of 1, 4-DNIs J . Pol J Chem, 1987, 61( 7-12) : 613- 920.7 M. Ross Grimmett, Sio-Tiok Hua, Kuei-Choo Chang, et a.l 1, 4-Dinitroimidazole and derivatives. structure and therm alrearrangement J . Aust J Chem, 1989. 42( 8) : 1281- 1289.8 Baumik K, Akamanchi K G. 2,