火炸药学报    2017, Vol. 40 Issue (4): 33-37   DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2017.04.006
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引用本文  

张俊林, 王伯周, 毕福强, 王锡杰, 周静, 张家荣. 六氮杂[3, 3, 3]螺桨烷的多位点烷基化反应[J]. 火炸药学报, 2017, 40(4): 33-37. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2017.04.006
ZHANG Jun-lin, WANG Bo-zhou, BI Fu-qiang, WANG Xi-jie, ZHOU Jing, ZHANG Jia-rong. Multiple Site N-Alkylation Reactivity of Hexaaza[3, 3, 3] propellane[J]. Chinese Journal of Explosives & Propellants, 2017, 40(4): 33-37. DOI: 10.14077/j.issn.1007-7812.2017.04.006

基金项目

国家自然科学基金(No.21503162)

作者简介

张俊林(1986-), 男, 博士, 从事含能材料合成研究。E-mail:junlin-111@163.com

通信作者

毕福强(1982-), 男, 博士, 高级工程师, 从事含能材料合成研究。E-mail:bifuqiang@msn.com

文章历史

收稿日期:2016-09-16
修回日期:2017-04-29
六氮杂[3, 3, 3]螺桨烷的多位点烷基化反应
张俊林1, 王伯周1,2, 毕福强1, 王锡杰1, 周静1, 张家荣     
1. 西安近代化学研究所, 陕西 西安 710065;
2. 氟氮化工资源高效开发与利用国家重点实验室, 陕西 西安 710065
摘要: 以2,4,6,8,9,11-六氮[3,3,3]杂螺桨烷-3,7,10-三酮(PTO)为原料,通过与亲电试剂发生烷基化反应,获得了具有含能化衍生前景的六烯丙基六氮杂螺桨烷、六乙氧羰甲基六氮杂[3,3,3]螺桨烷和六羧甲基六氮杂螺桨烷;系统研究了不同亲电试剂与六氮杂[3,3,3]螺桨烷之间的反应活性,探讨了不同取代基六氮杂螺桨烷化合物的酸碱稳定性和热稳定性。结果表明,不同取代基结构对于六氮杂[3,3,3]螺桨烷的骨架修饰具有显著影响,亲电试剂活性的增加和溶剂极性的增大对反应有利,但过高活性的亲电试剂因副反应过多无法获得相应的烷基化产物;烷基化取代后的六氮杂[3,3,3]螺桨烷体系的水解稳定性大大增加,酸性条件下可保持稳定而碱性条件下多数烷基化产物发生降解;烷基化取代的产物其热稳定性较PTO有所增强。
关键词: 六氮杂[3, 3, 3]螺桨烷     空间位阻     多位点     烷基化     三维立体骨架    
引言

具有紧密构型的三维立体骨架化合物往往具有较大的环应变力及分子密度,是含能材料的理想母体结构[1-4],从传统二维平面骨架向三维立体骨架发展是提升含能化合物能量密度水平的高效途径[5-6]。六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20) [7-10]及八硝基立方烷(ONC)[11-12]等分子的综合性能优异,是三维立体骨架型含能化合物的典型代表。氮杂[3.3.3]螺桨烷是一类含有连续季碳中心的紧凑空间结构,同时具有较大的环张力,是理想的三维立体含能化合物母体骨架[13]。2014年,Shreeve团队首次报道了多硝基五氮杂[3.3.3]螺桨烷含能化合物的理论研究结果,其表明氮杂[3.3.3]螺桨烷含能化合物可能成为重要的高能量密度含能化合物[14],之后Young团队首次利用五氮杂[3.3.3]螺桨烷中裸露的氮原子通过烷基化反应获得了含苄基和烯丙基的五氮杂[3.3.3]螺桨烷骨架[15]

虽然通过缩合反应构建紧密三维立体骨架(如六苄基六氮杂异伍兹烷体系)具有较高的反应效率,但通过缩合反应实现该类骨架种类单一,继CL-20之后鲜有通过缩合反应实现多氮杂紧密三维立体含能化合物骨架构建的报道,限制了三维立体含能化合物的研究,因而通过非缩合方式实现三维立体骨架的构建成为含能材料研究人员面临的巨大挑战[16]。烷基化反应对于非缩合方式构建的多氮杂三维立体骨架的研究具有极其重要的意义,与五氮杂[3.3.3]螺桨烷相比,六氮杂[3.3.3]螺桨烷体系的空间位阻大大增加,在具有更大环张力的同时其烷基化反应难度也随之明显增大,但国内外尚无有关六氮杂[3.3.3]螺桨烷多位点同时烷基化的研究报道。

本研究以六氮杂[3.3.3]螺桨烷为母体进行不同条件下的烷基化取代反应,通过控制反应条件,选择性地对乙氧羰甲基进行了碱性水解而保持脲环体系不开环,获得了六羧甲基六氮杂[3.3.3]螺桨烷,为多氮杂[3.3.3]螺桨烷的研究提供参考。

1 实验 1.1 试剂与仪器

烯丙基氯、烯丙基溴、氯乙酸乙酯、溴乙酸乙酯、氯化苄、溴化苄、氯丙酮、溴丙酮、溴代硝基甲烷,分析纯,上海迈瑞尔试剂公司;溴甲烷、碘甲烷,分析纯,北京偶合试剂公司;溴乙醛缩二乙醇、N, N-二甲基甲酰胺(DMF,超干溶剂)、二甲基亚砜(DMSO,超干溶剂),分析纯,北京百灵威试剂公司;氢化钠(质量分数60%),成都市科龙化工试剂厂;2, 4, 6, 8, 9, 11-六氮杂[3.3.3]螺桨烷-3, 7, 10-三酮(PTO),自制。

NEXUS87型傅里叶变换红外光谱仪,美国Thermo Nicolet公司;AV 500型(500 MHz)超导核磁共振仪,瑞士Bruker公司;SYNAPT型UPLC-Q-TOFMS液质联用仪,美国Waters公司。

1.2 实验过程 1.2.1 合成路线

2, 4, 6, 8, 9, 11-六氮杂[3.3.3]螺桨烷(PTO)在强碱性条件下与不同亲电试剂进行烷基化反应,获得不同取代基结构的烷基化产物。具体合成路线如下:

1.2.2 2, 4, 6, 8, 9, 11-六甲基-2, 4, 6, 8, 9, 11-六氮杂[3.3.3]螺桨烷(化合物1) 的合成

0 ℃下,将1.98 g (10.0 mmol) PTO溶解于50 mL DMF,冰浴冷却至0 ℃,分批加入2.4 g (60.0 mmol)氢化钠,0 ℃反应0.5 h;缓慢滴加碘甲烷8.46 g (60.0 mmol),撤去冰浴,室温下(25 ℃)反应3 h。滴加冰水淬灭反应,将体系导入分液漏斗中,乙酸乙酯(50 mL)萃取3次,无水硫酸镁进行干燥后减压旋蒸去除溶剂,进行柱色谱分离(乙酸乙酯与石油醚体积比1:3) 得到固体1.24 g,收率44%。

1H NMR (DMSO-d6, 500 MHz), δ: 3.09 (s, 18H); 13C NMR (DMSO-d6, 125MHz), δ:158.1, 88.3, 27.3; IR (KBr), ν (cm-1): 3 569, 2 924, 1 717, 1 507, 1 459, 1 414, 1 348, 1 289, 1 106, 1 041, 886, 871, 759, 578; MS,m/z (%): 282。

1.2.3 2, 4, 6, 8, 9, 11-六苄基-2, 4, 6, 8, 9, 11-六氮杂[3.3.3]螺桨烷(化合物2) 的合成

0 ℃下,将1.98 g (10.0 mmol) PTO溶解于50 mL DMSO,冰浴冷却至0 ℃,分批加入2.4 g (60.0 mmol)氢化钠,0 ℃反应0.5 h;缓慢滴加溴化苄10.19 g (60.0 mmol),撤去冰浴,室温下(25 ℃)反应3 h。滴加冰水淬灭反应,将体系导入分液漏斗中,乙酸乙酯(50 mL)萃取3次,无水硫酸镁进行干燥后减压旋蒸去除溶剂,旋蒸剩余体系加入乙醚(5 mL),析出白色固体,抽滤干燥得固体2.12 g,收率29%。

1H NMR (DMSO-d6, 500 MHz), δ: 7.29~7.23 (m, 18H), 7.11~7.09 (m, 12H), 4.32 (s, 12H); 13C NMR (DMSO-d6, 125 MHz), δ:157.1, 136.7, 128.6, 127.6, 126.4, 89.3, 45.6; IR (KBr), ν(cm-1): 3 088, 3 062, 2 967, 2 929, 1 718, 1 471, 1 452, 1 425, 1 333, 1 142, 1 075; MS,m/z (%): 738。

1.2.3 2, 4, 6, 8, 9, 11-六烯丙基-2, 4, 6, 8, 9, 11-六氮杂[3.3.3]螺桨烷(化合物3) 的合成

0 ℃下,将1.98 g (10.0 mmol) PTO溶解于50 mL二甲基亚砜中,冰浴冷却至0 ℃,分批加入2.4 g (60.0 mmol)氢化钠,0 ℃反应0.5 h;缓慢滴加烯丙基溴7.2 g (60.0 mmol),撤去冰浴,室温下(25 ℃)反应3 h。滴加冰水淬灭反应,将体系导入分液漏斗中,乙酸乙酯(50 mL)萃取3次,无水硫酸镁进行干燥后减压旋蒸去除溶剂,旋蒸剩余体系加入乙醚(5 mL),析出白色固体,抽滤干燥得固体2.58 g,收率61%。

1H NMR (CDCl3, 500 MHz),δ: 5.80~5.72 (6H, m), 5.14~5.19 (12H, m),4.01 (12H, d, J=5.2 Hz);13C NMR (CDCl3, 500 MHz, 125 MHz),δ: 156.5, 133.2, 117.2, 88.1, 44.5;IR (KBr), ν (cm-1): 3 048, 2 985, 2 924, 1 709, 1 639, 1 481, 1 421, 1 334, 1 295, 1 223, 1 152, 1 101, 991, 950, 926, 857, 744; MS,m/z (%): 438。

1.2.4 2, 4, 6, 8, 9, 11-六乙氧羰甲基-2, 4, 6, 8, 9, 11-六氮杂[3.3.3]螺桨烷(化合物4) 的合成

0 ℃下,将1.98 g (10.0 mmol) PTO溶解于50 mL二甲基亚砜中,冰浴冷却至0 ℃,分批加入2.4 g (60.0 mmol)氢化钠,0 ℃反应0.5 h;缓慢滴加溴乙酸乙酯9.9 g (60.0 mmol),撤去冰浴,室温下(25 ℃)反应3 h。滴加冰水淬灭反应,将体系导入分液漏斗中,乙酸乙酯(5 mL)萃取3次,无水硫酸镁进行干燥后减压旋蒸去除溶剂,进行柱色谱分离(乙酸乙酯:石油醚/1:2) 得黄棕色油状液体3.8 g,产率54%。

1H NMR (CDCl3, 500 MHz),δ: 4.26 (12H, s), 4.18 (12H, q, J=7.05Hz), 1.26 (18H, t, J=7.05Hz);13C NMR (CDCl3, 500 MHz, 125 MHz),δ: 169.5, 159.7, 90.3, 61.6, 44.1, 14.0;IR (KBr), ν (cm-1): 2 985, 2 940, 1 739, 1 455, 1 376, 1 299, 1 209, 1 026, 974, 944, 857, 753; MS,m/z (%): 714。

1.2.5 2, 4, 6, 8, 9, 11-六羧甲基-2, 4, 6, 8, 9, 11-六氮杂[3.3.3]螺桨烷(化合物5) 的合成

0 ℃下,将719 mg (1.0 mmol)化合物4溶解于30 mL乙醇中,冰浴冷却至0 ℃,将6 mL浓度为1mol/L的NaOH溶液冷却至10 ℃左右,缓慢滴入化合物4的乙醇溶液中,加完后0 ℃反应;TLC实时监测,待原料消耗完后立即滴加稀盐酸调节pH值为5~6,将反应体系直接进行减压蒸馏除去溶剂得絮状固体产物335 mg,收率62 %。

1H NMR (CDCl3, 500 MHz),δ: 4.70 (12 H, s), 3.92 (6 H, s);13C NMR (CDCl3, 500 MHz, 125 MHz),δ: 175.0, 158.3, 88.3, 46.0;IR (KBr), ν (cm-1): 3 418, 1 713, 1 598, 1 506, 1 394, 1 313, 1 152, 975, 658; MS,m/z(%): 546。

2 结果与讨论 2.1 亲电试剂和溶剂对烷基化反应的影响

实验结果表明,PTO与亲电试剂的烷基化反应仅在DMF与DMSO溶剂中发生,且溶剂的选择对反应收率影响明显。表 1为溶剂和亲电试剂对烷基化反应的影响。

表1 溶剂和亲电试剂对烷基化反应的影响 Table 1 Effect of solvent and electrophilic reagent on alkylation reaction

表 1可知,碘甲烷(MeI)与PTO的烷基化反应在DMF溶剂体系下能够顺利实现转化,在DMSO中收率急剧降低。烯丙基溴、溴乙酸乙酯与PTO的烷基化反应在DMF中无法实现,在DMSO中转化率则较高。苄溴(BnBr)与PTO的烷基化反应收率在DMSO中比DMF中略高。

碱作用下氮负离子与卤代物反应均以双分子亲核取代反应(SN2) 为主,而DMF (偶极矩3.82) 与DMSO (偶极矩3.96) 两者偶极矩差距并不明显,但溶剂选择对PTO烷基化反应收率影响较大,原因尚不完全明确。此外,碘甲烷的甲基化反应在DMSO中基本上得不到目标产物,可能的原因是碘甲烷与DMSO反应生成锍盐,在碱存在下生成了硫叶立德[17]

苄基卤素、烯丙基卤素、乙氧羰甲基卤素等有利于形成共轭正离子,因而反应活性较高, 此外,卤化物反应性表明:碘代物活性>溴代物活性$\gg$氯代物活性。从表 1数据可知,对于甲基卤素等活性较差的亲电试剂,需要利用活性最高的碘代物方能发生相应转化,溴代物等无法实现转化;苄基卤素、烯丙基卤素和乙氧羰甲基卤素中利用溴化物即能够实现烷基化反应,而氯化苄不反应。丙酮基溴和硝酸乙烷溴卤素无法获得相应烷基化产物,可能的原因是对于该类试剂,两个吸电子官能团的存在造成中间的亚甲基酸性很强,PTO与氢化钠脱氢后形成的氨基钠是强碱,在氨基钠作用下造成亚甲基碱性下被拔氢使得无法实现预期的转化过程。

2.2 烷基化取代对六氮杂[3.3.3]螺桨烷体系稳定性的影响 2.2.1 对水解稳定性的影响

对于未进行烷基化取代反应的PTO,在较强的酸性条件下,化合物迅速发生降解反应,表明脲羰基在氮原子无保护的情况下极易水解导致开环。相反,如果将PTO进行烷基化保护,则其稳定性将大大增强。表 2为化合物1~5及PTO在酸性条件下的稳定性对比。对比化合物3与PTO在酸性条件下的稳定性可知,化合物3在质量分数37%的浓盐酸体系加热条件下依然保持稳定。化合物1、2、4、5也表现出类似的特性,表明烷基化取代反应后,六氮杂[3.3.3]螺桨烷环系具有相对较强的水解稳定性。

表2 化合物1~5及PTO在酸性条件下的稳定性 Table 2 Stabilities of compounds 1-5 and PTO under acid conditions

在强碱性条件下,PTO及烷基化取代的六氮杂[3.3.3]螺桨烷环系在1mol/L NaOH中均完全降解,表明脲环结构在碱性条件下容易发生水解反应。由于酯基在碱性条件下的皂化反应速率快于脲羰基的碱性水解反应,故化合物4有可能通过控制反应条件实现选择性的酯基水解并保持脲羰基结构不变。通过条件筛选,发现乙醇存在的条件下,通过降低反应温度并进行实时监测,在原料消耗完全之后立刻加入1 mol/L盐酸进行中和,发现化合物4优先发生酯基水解反应,获得羧基结构5,收率62%。

2.2.2 对热稳定性的影响

图 1为PTO及化合物1~5的DSC曲线。

图 1 PTO及化合物1~5的DSC曲线 Figure 1 DSC curves of PTO and compounds 1-5

六氮杂[3.3.3]螺桨烷将3组五元环通过碳碳键进行连接,形成连续的四级碳中心,高度紧凑的结构迫使环系之间存在较大排斥力,从而降低了环系的稳定性,因而六氮杂[3.3.3]螺桨烷类化合物的热稳定性较差。由图 1可知,PTO在温度升高过程中全程缓慢发生热分解,无明显的强放热峰,表明PTO在加热过程中较易发生键的断裂。与不同结构的亲电试剂发生烷基化反应之后所形成的多取代六氮杂[3.3.3]螺桨烷体系,热稳定性有所增强,多数在300℃以下稳定性较好。

3 结论

(1) 以PTO为原料,通过亲电试剂发生烷基化反应,首次获得了具有含能化衍生前景的六烯丙基六氮杂[3.3.3]螺桨烷、六乙氧羰甲基六氮杂[3.3.3]螺桨烷和六羧甲基六氮杂[3.3.3]螺桨烷。

(2) 探讨了溶剂效应及亲电试剂对大位阻六氮杂[3.3.3]螺桨烷多位点同时烷基化的影响,表明亲电试剂活性的增加和溶剂极性的增大对反应有利,过高活性的亲电试剂因副反应过多无法获得相应的烷基化产物。

(3) 烷基化取代后的六氮杂[3.3.3]螺桨烷体系的水解稳定性大大增加,在强酸性条件下依然保持稳定;碱性条件下,多数烷基化产物无法稳定存在,表明大张力脲环羰基结构在碱性条件下易发生水解反应,但通过控制反应条件,可以实现酯基结构的选择性皂化反应。烷基化取代的产物其热稳定性较PTO有所增强。


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Multiple Site N-Alkylation Reactivity of Hexaaza[3, 3, 3] propellane
ZHANG Jun-lin1, WANG Bo-zhou1,2, BI Fu-qiang1, WANG Xi-jie1, ZHOU Jing1, ZHANG Jia-rong     
1. Xi'an Modern Chemistry Research Institute, Xi'an 710065, China;
2. State Key Laboratory of Fluorine & Nitrogen Chemicals, Xi'an 710065, China
Abstract: Taking 2, 4, 6, 8, 9, 11-hexaaza[3, 3, 3] propellane-3, 7, 10-trione (PTO) as raw material, the reactivity of the hexaaza[3, 3, 3] propellane with different electrophilic reagents was systematically investigated. N-hexallyl-hexaaza[3, 3, 3] propellanes, N-hexethylacetic -hexaaza propellanes and N-hexacetoxyl-hexaaza[3, 3, 3] propellanes with energetic derivative prospect were designed and synthesized for the first time. The acid-stability, base-stability and thermal stability of hexaaza[3, 3, 3] propellane with different substituent were discussed. The results show that different substituent structure has significant effect on the modification of the hexaaza[3, 3, 3] propellane skeleton.Increasing the activity of electrophilic reagent and solvent polarity enhanced the reaction process, but extremely high activity failed to obtain the corresponding alkylation products due to the adverse reactions. The hydrolytic stability of the N-alkylated hexaaza[3, 3, 3] propellane system is greatly increased. Most of them remained stable under acidic conditions while decomposed under alkaline conditions. The thermal stability of the products was enhanced by alkylation compared with PTO.
Key words: hexaaza[3, 3, 3] propellane     steric hindrance     multiple reactive sites     alkylation     three-dimensional skeleton