呋咱含能化合物的合成及其衍生物反应研究进展

阐述了二肟脱水和氧化呋咱还原2种构建呋咱环的主要方法,以及氨基取代呋咱衍生物、硝基取代呋咱衍生物和氰基取代呋咱衍生物的反应;列举了几种典型的呋咱含能化合物如二硝基呋咱(DNF)、二氨基偶氮呋咱(DAAF)、3,4–双(4′–硝基呋咱–3′–基)氧化呋咱(DNTF)、呋咱醚类化合物(FOF–1,FOF–2,FOF–13)和稠环类呋咱含能化合物(MNOTO、4,5,9,10–四硝基–1,4,5,8–四氮杂氢化萘(2,3,–6,7)并双呋咱)的合成方法及性能。     

新型含能材料呋咱类化合物的研究进展

介绍了几种呋咱类含能化合物3,4–二氨基呋咱(DAF)、3,3′–二氨基–4,4′–氧化偶氮呋咱(DAAF)、3,3′–二氨基–4,4′–偶氮呋咱(DAAzF)、3,4–二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)、3–硝基呋咱–4–甲醚(NFME)、(3 E,4 E)–二肟甲基氧化呋咱(DPX1)的合成方法和性能。通过与其他含能材料的性能对比,可知呋咱类化合物是一类性能优良、具有广阔应用前景、可应用于推进剂的含能材料。     

3-氨基-4-酰胺肟基呋咱合成过程动态模拟

利用ChemCAD间歇动态反应器模块,根据3,4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)中间体3-氨基-4-酰胺肟基呋咱(AAOF)合成反应实际情况,建立新化合物基础物性数据模型,在采集合成实验数据的基础上,定义工艺模拟流程,输入反应器的模型参数,建立合成动态反应器模型,进行3-氨基-4-酰胺肟基呋咱合成过程动态模拟,得到动态反应器内各组分、热负荷随时间的变化情况和实时数据。计算表明,模拟结果同实验小试的结果相吻合,能够很好地反映合成实际情况,且具有较好的动态特性。通过模拟来分析和考察其合成工艺中相关的复杂物理、化学反应、动力学反应、热量平衡,解释合成实验数据,本研究对AAOF的工艺放大和工程化设计具有十分重要的意义和实用价值。     

3-氨基-4-氰基呋咱（CNAF）的合成及表征

以丙二腈为原料,一步法合成了3-氨基-4-酰氨肟基呋咱(AAOF),然后用过氧化铅氧化得到了标题化合物,利用IR、1HNMR、13CNMR、元素分析进行结构表征,并确定最佳氧化反应条件:冰乙酸与AAOF的物质的量比为9:1,过氧化铅与AAOF的物质的量比为1:1,时间为1.5 h,温度为30～35℃,收率达到71.4%,高于文献报道(54%);初步探索自行设计的CNAF分步合成路线,并从理论上分析3-氨基-2,3-二肟基丙腈未能脱水环化得到CNAF的原因.     

几种呋咱类含能化合物的合成、热行为及理论爆轰性能预估

用双氧水、钨酸钠及甲磺酸氧化3,4-二氨基呋咱(DAF)合成了3-氨基-4-硝基呋咱;用100%硝酸硝化DAF得到3,4-二硝胺基呋咱;用NaNO_2、H_2SO_4及NaN_3DAF重氮、取代DAF得到3-氨基-4-叠氮基呋咱;用30%的双氧水、钨酸钠及甲磺酸氧化3-氨基-4-叠氮基呋咱,得到3-叠氮基-4-硝基呋咱及3,3′-二叠氮基-4,4′-氧化偶氮呋咱。用TG-DSC研究了这些化合物的热行为。采用B3LYP/6-31G*方法预估了化合物的理论密度、标准生成、爆速、爆压。结果表明,氧化偶氮基的引入增强了呋咱类化合物的热稳定性;叠氮基的引入提高了化合物的生成焓。3-氨基-4-硝基呋咱中氨基转化为叠氮基,生成焓由183.26kJ/mol增至571.40 kJ/mol;硝胺基的引入显著提高了含能化合物的密度、爆速和爆压。     

3,4-二(4′-氨基-3′,5′-二硝基苯基)氧化呋咱的合成及热性能

以4-甲氧基苯腈为原料,经肟化、重氮化、脱氮、关环、硝化及胺化等六步反应合成3,4-二(4′-氨基-3′,5′-二硝基苯基)氧化呋咱(DANBF),并优化了肟化、氧化呋咱成环及硝化反应的条件,用DSC、TG等对目标化合物的热性能进行了表征。结果表明,氧化呋咱成环反应的最适宜条件为:Na2CO3摩尔量为理论摩尔量的1.35倍,反应温度2～10℃,反应时间5h,收率58.1%,纯度不小于99.0%(HPLC)。芳基取代的氧化呋咱化合物具有较好的热稳定性。     

3,4-二氨基呋咱基氧化呋咱合成的反应动力学模型

以3-氨基-4-酰胺肟基呋咱为原料合成了3,4-二氨基呋咱基氧化呋咱,考察了反应体系中反应物浓度、温度和反应时间对反应速率的影响。通过ChemCAD速率回归计算程序对实验数据进行回归计算,并将速率方程进行线性化处理,得到反应级数、反应活化能和频率因子,建立了3,4-二氨基呋咱基氧化呋咱合成反应的动力学模型,计算值与实验值的相对误差均小于1%,说明动力学方程及动力学参数与3,4-二氨基呋咱基氧化呋咱的反应动力学行为相吻合。从反应动力学模型得出,降低反应温度、提高起始原料AAOF浓度、降低硫酸浓度、采用分批加入硫酸的间歇操作方式都可抑制副反应的发生,提高目标产物的转化速率和选择性。     

偶氮及氧化偶氮呋咱化合物的合成与表征

以3,4-二氨基呋咱(DAF)为原料,次氯酸钠为氧化剂合成出3,3′-二氨基-4,4′-偶氮呋咱(DAAF);用相对较强的氧化剂过硫酸氢钾的复合盐(OXONETM)氧化DAF得到3,3′-二氨基-4,4′-氧化偶氮呋咱(DAOAF);以100%硝酸为硝化剂硝化DAAF制得3,3′-二硝氨基-4,4′-偶氮呋咱(DNAAF);DAAF和DAOAF分别经重氮化叠氮取代得到3,3′-二叠氮基-4,4′-偶氮呋咱(DADAF)和3-氨基-3′-叠氮基-4,4′-氧化偶氮呋咱(AAAF);DADAF久置一段时间完全转化成5-[4-叠氮基呋咱基]-5H-[1,2,3]三唑并[4,5-c][1,2,5]呋咱内盐(I)。采用红外、质谱、核磁等分析手段对所合成化合物进行表征。     

4,4'-二硝基双呋咱醚的合成与表征

以3,4-二氨基呋咱(DAF)为原料,经Caro-acid氧化生成二硝基呋咱(DNF),碱性条件下DNF分子间硝基醚化后合成目标化合物4,4′-二硝基双呋咱醚(FOF-1).采用红外光谱、质谱、元素分析及核磁共振进行了结构表征;初步探讨了硝基分子间醚化合成FOF-1的反应机理;优化了氧化、分子间醚化工艺,确定了最佳合成条件:氧化反应时间为3.5 h, H2SO4的起始浓度为51.7%,醚化反应时间为2.5 h,水质量分数小于0.03%.总收率达到42%,纯度为99.6%.     

4-氨基-4″-硝基-[3,3′,4′,3″]-三呋咱(ANTF)的合成及工艺研究

以3,4-双(3′-氨基呋咱基-4′-)氧化呋咱(BAFF)为原料,经SnCl2·2H2O/CH3OH体系还原,得到中间体3,4-双(3′-氨基呋咱基-4′-)呋咱(BAFF-1),再通过Caro′s acid氧化制得4-氨基-4″-硝基-[3,3′,4′,3″]-三呋咱(ANTF),用IR、NMR、MS和元素分析对其结构进行了表征。考察了BAFF-1与H2O2摩尔比、反应时间、反应温度和过氧化氢含量对收率的影响,得到最佳合成工艺条件为n(BAFF-1)∶n(35%H2O2)∶n(浓H2SO4)为1∶8∶40,反应时间为4h,反应温度为30℃,收率为45.6%。用Kamlet公式计算密度为1.782g/cm3时ANTF的爆速、爆压分别为8.20km/s、29.64GPa,有望成为一种可替代TNT的新型熔铸炸药。     

4,4′-二硝基双呋咱醚的合成与表征

以3,4-二氨基呋咱（DAF）为原料,经Caro-acid氧化生成二硝基呋咱（DNF）,碱性条件下DNF分子间硝基醚化后合成目标化合物4,4′-二硝基双呋咱醚（FOF-1）。采用红外光谱、质谱、元素分析及核磁共振进行了结构表征;初步探讨了硝基分子间醚化合成FOF-1的反应机理;优化了氧化、分子间醚化工艺,确定了最佳合成条件：氧化反应时间为3.5h,H2SO4的起始浓度为51.7%,醚化反应时间为2.5h,水质量分数小于0.03%。总收率达到42%,纯度为99.6%。     

3,4-二(4'-氨基-3',5'-二硝基苯基)氧化呋咱的合成及热性能

以4-甲氧基苯腈为原料,经肟化、重氮化、脱氮、关环、硝化及胺化等六步反应合成3,4-二(4'-氨基-3',5'-二硝基苯基)氧化呋咱(DANBF),并优化了肟化、氧化呋咱成环及硝化反应的条件,用DSC、TG等对目标化合物的热性能进行了表征.结果表明,氧化呋咱成环反应的最适宜条件为:Na2CO3摩尔量为理论摩尔量的1.35倍,反应温度2～10℃,反应时间5h,收率58.1％,纯度不小于99.0％(HPIC).芳基取代的氧化呋咱化合物具有较好的热稳定性.     

α-多硝甲基氧化偶氮含能化合物合成研究进展

综述了α-多硝甲基氧化偶氮基团的构建方法,重点介绍了以伯胺和2,2-二甲基-5-硝基-5-亚硝基-1,3-二氧环己烷为原料,经过氧化偶联、水解、脱羟甲基、硝化等步骤合成该类含能基团的研究现状。根据文献及理论计算数据,对比分析了3,3′-双(α-二硝甲基氧化偶氮基)-4,4′-氧化偶氮呋咱、3,3′-双(α-三硝甲基氧化偶氮基)-4,4′-氧化偶氮呋咱等8种已报道的典型化合物的物化性能和爆轰性能。指出α-多硝甲基氧化偶氮基团是合成高能量密度化合物理想的结构单元,将其引入现有的氮杂含能母体结构,有望设计合成出性能优异的新型含能化合物。     

3,4-二(吡嗪-2′-基)氧化呋咱的合成与表征

以2-氰基吡嗪为原料,经肟化、重氮化、脱氮、环化四步反应合成出-3,4-二(吡嗪-2′-基)氧化呋咱(DPF),总收率为51.0%,纯度99.3%;利用红外光谱、核磁共振、质谱、元素分析等手段对中间体与目标化合物的结构进行表征;探讨了氧化呋咱成环反应机理以及肟化、重氮化/脱氮及氧化呋咱成环的影响因素.氧化呋咱成环的最佳反应条件:Na_2CO_3摩尔量为理论值的1.10～1.25倍,反应温度2～10℃,反应时间4 h,收率75.6%,纯度不小于99.0%(HPLC).     

4H,8H-双呋咱并[3,4-b:3′,4′-e]吡嗪的合成及热性能

以3,4-二氨基呋咱为原料,经缩合、氯化、肟化、成环合成了4H,8H-双呋咱并[3,4-b:3′,4′-e]吡嗪(DFP)。用红外光谱、核磁共振、元素分析、质谱对中间体及目标化合物的结构进行了表征。改进了呋咱成环合成方法,最佳条件为:n(尿素)∶n(DOFP)=3∶1,反应时间为24h,反应温度为120℃,收率81.3%,纯度不小于98.0%(HPLC)。用DSC和TG-DTG考察了目标化合物的热性能。结果表明,呋咱并吡嗪类化合物有较好的热稳定性。     

1,3,4-噁二唑联呋咱含能化合物的设计及构效关系理论研究

在4种1,3,4-噁二唑联呋咱分子骨架上引入三硝基甲基、氟代偕二硝基、硝基及硝氨基等含能基团,设计了5类共10种含能化合物;采用密度泛函方法B3LPY/6-31G(d, p)基组,研究了化合物的物化性能、爆轰性能(密度、生成焓、氧平衡、爆速、爆压)与安全性能(静电势分布和键解离能)间的构效关系。结果表明,三硝基甲基及氟代偕二硝基可大大改善呋咱衍生物的爆轰性能,而联四芳环的1,3,4-噁二唑联呋咱的共轭母体骨架可有效提高致爆基团中C—NO_2的键离解能,是设计高能不敏感含能化合物的有效方法;其中,3,3′-二(5-三硝基甲基-1,3,4-噁二唑)-4,4′-偶氮呋咱(E-1)密度为1.969g/cm~3,爆速达9130m/s,爆压为38.82GPa,最弱键(C—NO_2)键离解能为131.57kJ/mol,表现出优异的综合性能。     

7H-三呋咱并[3,4-b∶3',4'-f∶3",4"-d]氮杂环庚三烯及新型含能衍生物合成及性能的理论计算

以3,4-双(3'-硝基呋咱-4'-基)氧化呋咱(DNTF)为原料,经亲核取代、环化、还原反应得到7H-三呋咱并[3,4-b:3',4'-f:3″,4″-d]氮杂环庚三烯(HTFAZ);利用HTFAZ的反应活性,自主设计合成了两种新型含能化合物7-(2,4,6-三硝基苯基)-三呋咱并[3,4-b:3',4'-f:3″,4″-d]氮杂环庚三烯(化合物1)和7-(2,4,6-三硝基-3,5-二氨基苯基)-三呋咱并[3,4-b:3',4'-f:3″,4″-d]氮杂环庚三烯(化合物2),并采用红外、核磁(1H NMR、13C NMR)、元素分析等进行了结构表征;采用DSC方法研究了化合物1和化合物2的热性能;采用Kamlet-Jacobs方程预估了两种化合物的爆轰性能。结果表明,改进HTFAZ的合成路线后,HTFAZ的收率达到63. 2%;化合物1和化合物2的热分解温度分别为371. 7℃和296. 3℃,表现出良好的热稳定性;化合物1的密度为1. 90 g/cm~3,理论爆速为8033 m/s,理论爆压为30. 11 GPa,其爆轰性能优于TNT,密度和热稳定性高于TNT和RDX。     

7-氨基三呋咱并[3,4-b:3′,4′-f:3″,4″-d]氮杂环庚烯的合成、晶体结构及热行为

以3,4-双(3′-氨基呋咱-4′-基)呋咱为原料,经氧化和环化2步反应合成了7-氨基三呋咱并[3,4-b:3′,4′-f:3″,4″-d]氮杂环庚烯(ATFAZ),收率66%;用红外光谱、核磁共振、元素分析和质谱对其结构进行了表征,用DSC和TG-DTG研究了ATFAZ的热分解过程;培养了ATFAZ单晶,用X-射线单晶衍射对晶体结构进行分析。结果表明,ATFAZ晶体属正交晶系,空间群为Pbca,a=1.273nm,b=0.876(3)nm,c=1.560(6)nm,V=1.740(11)nm3,Z=8,Dc=1.788g·cm-3,μ=0.141mm-1,F(000)=944,R1=0.033 8,wR2=0.097 6。在10℃/min的升温条件下,其熔点为204~207℃,在210~282℃具有明显的挥发现象。     

亚甲基-双-(3-硝氨基-4-甲基呋咱)的合成与性能

以乙酰乙酸乙酯为起始原料,用高压法合成了前体化合物4-甲基-3-氨基呋咱(AMF),在盐酸催化下使AMF与甲醛反应得到亚甲基-双-(3-氨基-4-甲基呋咱)(MBAMF),对MBAMF硝化得到目标化合物亚甲基-双-(3-硝氨基-4-甲基呋咱)(MBNMF).用DSC-TG研究了MBNMF的热分解特性,测定了MBNMF的...     

3,4–二(4'–氯–3'–硝基苯–1'–基)氧化呋咱的合成及热性能

以4–氯苯腈(CCB)为原料,经肟化、重氮化–氯化、缩合环化、硝化多步反应设计并合成了一种新型氧化呋咱化合物——3,4–二(4'–氯–3'–硝基苯–1'–基)氧化呋咱(DCNBF),采用红外、核磁共振、质谱及元素分析等表征方法鉴定了目标物与中间体的结构,确定了肟化和环化反应的较佳合成条件;采用差示扫描量热、热重等热分析方法研究了目标化合物的热性能。