高纯3，5-二氨基-2，4，6-三硝基氯苯的合成
时间：2023-06-16 08:25:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
罗郑航，王嘉璇，王雨晴，王鑫雨，张笑天，张 理，张 勇，黄 明，杨海君
（1. 西南科技大学材料与化学学院，四川 绵阳 621010；
2. 中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621999）
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）中的杂质之一［1-8］。杂质会对TATB 贮存稳定性、药柱成型和强度、装备寿命等产生不良影响［9］，因此，必须准确测定TATB 的纯度，以确保TATB 应用质量。
高效液相色谱法内标法（HPLC）是测定物质纯度的一种常用方法［10］，具有简便快捷、误差小、可靠性高等优点。DATNCB 与TATB 结构类似，其色谱和光谱行为与TATB 相似［11］，可将高纯DATNCB 作为HPLC内标法检测无氯TATB 纯度的内标物质。此外，DATNCB 也可以作为TATB 衍生物的合成中间体，用于合成潜在的高能低感含能材料［12］。DATNCB 作为含氯法合成TATB 过程中的杂质，含量极少，很难大量获得。2013 年，刘祖亮等［13-14］首次以1，3，5-三氯-2，4，6-三硝基苯（TCTNB）为原料合成了DATNCB，但该路线存在原料难得，选择性差，产品分离纯化困难，目标化合物纯度较低等问题，不适于大量高纯DATNCB的合成。除此以外，还没有针对DATNCB 合成的研究报道。因此，开展高纯DATNCB 的合成方法研究，对TATB 质量控制和新型含能材料的合成都具有重要意义。
本研究对高纯DATNCB 的合成路线和工艺条件进行了探索，采用红外光谱、核磁共振、质谱、差示扫描量热、热重分析、高效液相色谱对合成得到的高纯DATNCB 进行了结构表征、热稳定性分析以及纯度鉴定。
1.1 试剂与仪器
试剂：三氟乙酸（分析纯，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）（上海麦克林生化科技有限公司）；
三氯氧磷（POCl3）、碳酸氢钾（KHCO3）、二 氯 甲 烷（DCM）、乙 醇 钠、二 甲 亚 砜（DMSO）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF）、N，N-二甲基苯胺（DMB）、叔丁胺（分析纯，成都市科隆化学品有限公司）；
三硝基苯酚（苦味酸）、TCTNB（实验室合成）。
仪器：美国Perkin Elmer 公司傅里叶变换红外吸收光谱仪；
Ultimate 3000DGLC 双三元、二维液相色谱，中国赛莫飞世尔科技；
瑞士Brucker Avance 600型核磁共振波谱仪；
美国TA 公司Q200 DSC 测试仪；
美国TA 仪器公司SDT Q600 同步热分析仪。
1.2 DATNCB 的合成
分 别 以TCTNB、苦 味 酸（2）等 为 原 料，合 成DATNCB 路 线 如Scheme 1 所 示。
Scheme 1 Synthesis of DATNCB from TCTNB and picric acid（2）
1.2.1 以TCTNB 为原料合成DATNCB
将TCTNB（1.00 g，3.16 mmol）和KHCO3（1.27 g，12.70 mmol）置于100 mL 圆底烧瓶中，加入二氯甲烷（20 mL）。室温搅拌30 min 后，逐滴加入叔丁胺（0.46 g，6.32 mmol）和二氯甲烷（20 mL），滴加时间大约1 h，室温反应24 h。过滤不溶物，向滤液中缓慢滴加CF3COOH（5 mL），室温搅拌反应12 h。将反应液倒入冰水中，搅拌10 min，用饱和K2CO3水溶液调pH 至弱酸性。过滤后滤液用二氯甲烷萃取（20 mL×3），合并有机相，硫酸镁干燥，过滤，真空旋干，硅胶柱层析分离得到DATNCB（0.11 g），产率12.5%。
1.2.2 以苦味酸（2）为原料合成DATNCB
3，5-二氨基-2，4，6-三硝基苯酚（3）的合成 将ATA（7.34 g，87.30 mmol）和乙醇钠（12.00 g，176.47 mmol）置于250 mL 圆底烧瓶中，加入DMSO（180 mL）。室温搅拌1 h，逐滴滴加含有苦味酸（4.00 g，17.46 mmol）的DMSO（40 mL）溶液，滴加时间约1 h。然后，加热至90 ℃，反应3 h。冷却至室温，缓慢倒入260 mL 冰水混合物中。用盐酸调节pH 至3，析出大量固体，过滤，乙醇和水各洗2 次，DMSO/H2O 重结晶得到有金属光泽的黄绿色固体化合物3（3.38 g），产率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 将化合物3（0.10 g，0.39 mmol）置于25 mL 圆底烧瓶中，加入POCl3（0.8 mL），搅拌下缓慢滴加N，N-二甲基甲酰胺（0.06 g，0.77 mmol），滴加完毕后加热至50 ℃反应7 h。冷却至室温，缓慢倒入冰水混合物中，搅拌使POCl3完全水解，整个水解过程温度不超过40 ℃。体系中有大量黄色固体析出，过滤，水洗，干燥得到化合物4（0.13 g），产率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 将化合物4（0.05 mg，0.13 mmol）悬 浮 于pH=2 的HCl/H2O（10 mL）中，45 ℃下搅拌6 h，用乙酸乙酯萃取（10 mL×3），合并有机相，饱和碳酸氢钠洗涤（10 mL×3），硅胶柱层析 分 离 得 到 黄 色DATNCB 固 体（3.40 mg），产 率9.4%。
DATNCB 的合成——化合物4 醇解法 将化合物4（0.05 g，0.13 mmol）溶解于乙醇（10 mL）中，加入无水氯化锌（35.2 mg，0.26 mmol），常温下搅拌8 h，减压蒸出溶剂，硅胶柱层析得到黄色DATNCB 固体（1.90 mg），产率5.3%。
DATNCB 的合成——化合物3 氯代法 将化合物3（0.98 g，3.78 mmol）置于25 mL 圆底烧瓶中，加入POCl3（8 mL），搅 拌 下 缓 慢 滴 加N，N-二 甲 基 苯 胺（DMB，0.46 g，3.78 mmol），反应体系变为墨绿色。滴加完毕后，80 ℃下反应10 h，冷却，将反应液缓慢倒入50 mL 冰水混合物中，搅拌使得POCl3完全水解，整个过程体系温度不得超过40 ℃。体系中有大量固体析出，过滤，水洗，干燥后得1.00 g 棕色固体。用乙酸乙酯提取（20 mL×3），合并乙酸乙酯相，干燥，旋蒸除去溶剂，得黄色DATNCB 固体（0.55 g），产率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
采用高效液相色谱（HPLC）对未经纯化的DATNCB 和经乙酸乙酯/石油醚重结晶纯化的DATNCB 进行了检测。
测试条件：色谱柱（Zorbax-SB-C18，4.6 mm×250 mm，5 μL），流动相为甲醇：水=70∶30，流速0.8 mL·min-1，检测波长230 nm，进样量10 μL。
采用热重及差示扫描量热联用仪（DSC-TG）对DATNCB 进行了热分析。测试条件：N2氛围，升温速率10 K·min-1，升温范围25～500 ℃。
2.1 DATNCB 合成路线筛选
研究分别以TCTNB 或苦味酸（2）为原料，对DATNCB 的合成路线进行了筛选研究。
以TCTNB 为原料，通过叔丁胺亲核取代合成DATNCB。研究发现，在不同反应条件下都始终得到一、二和三取代产物的混合物［15］。虽然该方法原料基本转化完全，也确实可以得到DATNCB，但反应选择性太差，导致分离纯化困难，产率低，不适于较大量高纯DATNCB 的合成。
以苦味酸（2）为原料，通过VNS 氨基化合成得到3，5-二氨基-2，4，6-三硝基苯酚（3），然后通过氯代试剂将化合物3 的酚羟基氯代［16］，成功得到DATNCB。实验以SOCl2或POCl3为氯代试剂，对化合物3 进行了氯代条件筛选研究，结果见表1。
表1 化合物3 的氯代反应Table 1 The chlorination of compound 3
由表1 可知，以POCl3作为氯代试剂和溶剂时，无法得到DATNCB；
加入DCM 作为溶剂，薄层色谱法（TCL）检测发现反应依旧无法进行；
加入DMF 作为助溶剂，化合物3 会迅速发生反应，但酚羟基被氯代的同时，其氨基也与DMF 反应生成了甲脒，最终高产率地得到化合物4；
采用SOCl2/DMF 体系，也高产率地得到了化合物4。
化合物4 会在酸性体系下氨解形成胺类化合物。实验采用HCl/H2O 或ZnCl2/EtOH 体系对化合物4 进行水解或醇解研究。TLC 监测发现有DATNCB 生成，但反应速度很慢，产物复杂，经后处理HCl/H2O 产率为9.4%，ZnCl2/EtOH 产率为5.3%。虽然化合物4 的产率很高，但其水解或醇解反应复杂、产率低、纯化困难，因而该方法也不适于高纯DATNCB 的大量合成。
通常N，N-二甲基苯胺（DMB）可以促进酚羟基氯代，并且不与氨基发生反应［17］。实验中，尝试以POCl3/DMB 体系对化合物3 进行氯代。结果证明，化合物3 可以顺利反应得到所需要的DATNCB 产品，并且该反应后处理简单，产物单一，纯度较高，是高纯DATNCB 大量合成的适宜路线。
路线筛选研究确定了高纯DATNCB 适宜的合成路线，即以苦味酸（2）为原料，经VNS 氨基化、POCl3/DMB 氯代来合成DATNCB。
2.2 DATNCB 合成条件优化
2.2.1 反应温度和后处理pH 值对3，5-二氨基-2，4，6-三硝基苯酚（3）产率的影响
化合物3 是DATNCB 合成的关键中间体。P. F.Pagoria 等［18］最初将VNS 氨基化反应用于多硝基芳环上引入氨基，发现温度是影响VNS 反应产率的关键因素，并且由于化合物3 具有两性，后处理溶液的酸碱度对产物产率也会有较大影响，因此研究了当反应温度为3 h 时，温度和后处理pH 对化合物3 产率的影响。
反应温度对化合物3 产率的影响如图1 所示。由图1 可知，随着温度上升，化合物3 的产率先逐渐增加，当温度超过90 ℃后，有所下降。这是因为氨基为给电子基，芳环上引入1 个氨基后，会降低VNS 氨基化的反应活性，因而在较低温下难以继续氨化使得反应速度变慢，导致产率偏低；
而温度较高时，由于ATA热分解等原因，体系内出现明显碳化现象，导致产率偏低。综合考虑，确定苦味酸（2）二氨化反应的最佳温度为90 ℃。
图1 温度对3，5-二氨基-2，4，6-三硝基苯酚（3）产率的影响Fig.1 Effects of temperatures on the yields of 3，5-diamino-2，4，6-trinitrophenol（3）
不同后处理pH 值对化合物3 产率的影响如图2所示。由图2 可知，随着后处理溶液pH 值的降低，化合物3 产率先逐渐增加，当pH 值低于3 后，有所下降。这是由于化合物3 同时拥有酸性的酚羟基和碱性的氨基，过酸时氨基会与溶液中氢离子成铵盐而溶于水；
过碱时酚羟基会被夺取活泼氢成酚盐也会溶于水，两者都会导致化合物3 产率降低。结果表明，适宜的后处理溶液pH 为3。
图2 pH 对3，5-二氨基-2，4，6-三硝基苯酚（3）得率的影响Fig.2 Effects of pH values on the yields of 3，5-diamino-2，4，6-trinitrophenol（3）
2.2.2 氯代温度对DATNCB 产率的影响
在氯代酚羟基反应中，温度是影响产物产率的重要因素之一。本实验在以POCl3作为氯代试剂和溶剂，DMB 作为氯代促进剂，反应时间为10 h 条件下，考察了不同温度对DATNCB 的产率的影响，结果见图3。
图3 氯代温度对DATNCB 产率的影响Fig.3 Effects of temperatures on the yields of DATNCB
由图3 可知，DATNCB 的产率随着氯代温度的上升先增加，后降低。当温度较低时，体系中始终会有部分原料未反应，导致产率偏低；
而反应温度超过80 ℃后通过TCL 检测发现，反应体系中副产物明显增加，分析认为是由于POCl3、DMB 和化合物3 发生了一系列复杂的取代、加成反应，从而导致DATNCB 产率偏低，因此氯代反应的最佳温度为80 ℃。
2.3 DATNCB 的分析表征
2.3.1 DATNCB 的高效液相色谱（HPLC）分析
对未经纯化的DATNCB 和重结晶纯化的DATNCB 进行了HPLC 分析，结果如图4 所示。由图4可以看出，未经纯化的DATNCB 纯度较好，达97.09%（图4a），并且HPLC 图谱中未见明显杂峰；
利用二氯甲烷、乙醇、DMSO、乙酸乙酯/石油醚混合溶液等溶剂进行重结晶纯化探究，发现经乙酸乙酯/石油醚混合溶液重结晶纯化后，可得到高纯的DATNCB，纯度高达99.8%（图4b），满足其作为内标物质的纯度要求。
图4 DATNCB 未纯化和纯化后的HPLC 图Fig.4 HPLC diagrams of DATNCB no purification and purification
2.3.2 DATNCB 的热分析（DSC-TG）测试
对DATNCB 进行了热分析，结果如图5 所示。由图5 可知，DATNCB 在224.0 ℃处有1 个熔融吸热峰；
在179.7～270.9 ℃范围内存在一明显质量损失过程，失重率达91.6%，在同一温度区间内DSC 曲线上有1个尖锐的放热峰，峰值分解温度为256.1 ℃，表明该阶段为DATNCB 的固相分解过程。热分析测试表明DATNCB 是一个热稳定性良好的含能化合物，有望作为新型高能低感含能化合物的合成中间体，推动含能材料创新发展。
图5 DATNCB 的TG-DSC 曲线图Fig.5 TG-DSC curves of DATNCB
（1）分别以1，3，5-三氯-2，4，6-三硝基苯（TCTNB）和苦味酸（2）为原料，对高纯3，5-二氨基-2，4，6-三硝基氯苯（DATNCB）进行了合成反应过程筛选研究，得出了适于大量高纯DATNCB 合成的新路线，即以苦味酸（2）为原料，经VNS 氨基化、POCl3/DMB 氯代合成高纯DATNCB。
（2）优化了高纯DATNCB 的合成反应条件，确定了当VNS 氨化温度为90 ℃，后处理溶液pH 为3 时，3，5-二 氨 基-2，4，6-三 硝 基 苯 酚（3）的 产 率 最 高 达74.8%；
氯代反应温度为80 ℃时，DATNCB 产率最高达52.4%，总产率39.2%。经HPLC 检测未经纯化的DATNCB 纯度达97.09%，经乙酸乙酯/石油醚重结晶后DATNCB 纯度达99.8%。
（3）热分析结果表明，DATNCB 的熔融温度为224.0 ℃，存在一个尖锐的分解放热峰，峰值分解温度为256.1 ℃，是个热稳定性良好的含能化合物，有望作为新型高能低感含能化合物的合成中间体。
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