2,6-二氨基吡嗪-1-氧化物的合成優(yōu)化

王金敏，杜 楊

(南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094)

2,6-二氨基吡嗪-1-氧化物的合成優(yōu)化

王金敏，杜 楊

(南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094)

以亞胺基二乙腈為起始原料，經(jīng)過亞硝化、環(huán)化兩步反應(yīng)得到2,6-二氨基吡嗪-1-氧化物(DAPO)，總產(chǎn)率為66.6%。采用1H NMR、IR、MS對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。研究了環(huán)化反應(yīng)的催化劑、氫氧化鈉用量、反應(yīng)起始溫度等因素對DAPO總收率的影響。將傳統(tǒng)合成方法中的催化劑三乙胺用氫氧化鈉代替，確定了環(huán)化反應(yīng)制備DAPO的最佳工藝條件為：N-亞硝基亞氨基二乙腈、鹽酸羥胺、氫氧化鈉質(zhì)量比為1.0∶0.6∶1.0，初始溫度5～10℃，反應(yīng)時(shí)間30min，隨后反應(yīng)溫度20℃，反應(yīng)時(shí)間2h。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)三乙胺作催化劑的合成方法相比，以氫氧化鈉作環(huán)化反應(yīng)催化劑合成DAPO的收率由57.0%提高至78.7%。結(jié)合DAPO的合成過程，提出了2,6-二氨基吡嗪-1-氧化物(DAPO)的成環(huán)機(jī)理為：羥胺親核加成N-亞硝基亞氨基二乙腈的氰基，生成N-亞硝基亞氨基二乙腈單縮合產(chǎn)物，在堿作用下與羥胺縮合成環(huán)，得到最終產(chǎn)物DAPO。

有機(jī)化學(xué)；亞氨基二乙腈；2,6-二氨基吡嗪-1-氧化物；DAPO；合成優(yōu)化

引 言

1994年，美國勞倫斯利菲莫爾國家實(shí)驗(yàn)室首次合成出2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-1-氧化物(LLM-105)[1]。LLM-105為亮黃色針狀晶體，密度為1.913g/cm3，氧平衡為-37.03%，放熱峰溫為342℃，綜合性能介于HMX和TATB之間，能量比TATB高25%，是HMX的81%～90%，晶體密度下的理論爆速為8560m/s[2]。研究發(fā)現(xiàn)，LLM-105在較寬的溫度范圍內(nèi)具有較高的熱穩(wěn)定性，面對沖擊波、火花和摩擦撞擊非常鈍感，與TATB相當(dāng)[3]。

目前，傳統(tǒng)合成LLM-105的方法是以2,6-二氯吡嗪為起始原料，經(jīng)過取代、硝化、氨化、氧化4步反應(yīng)[3-5]。此方法存在合成過程復(fù)雜、合成原料昂貴等缺點(diǎn)。另外，該方法氧化過程要用到雙氧水和三氟乙酸氧化吡嗪環(huán)，產(chǎn)生難以處理的廢水，造成嚴(yán)重環(huán)境問題，且反應(yīng)不完全，有5%～8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))原料殘留在產(chǎn)物中，造成分離困難。另一種合成方法則以亞氨基二乙腈為原料，經(jīng)過亞硝化、環(huán)化、硝化、氧化4步合成LLM-105[6]，從該方法發(fā)展出以亞氨基二乙腈為原料經(jīng)亞硝化、環(huán)化、硝化3步反應(yīng)合成LLM-105[7]。此方法解決了合成原料昂貴、環(huán)境污染大的問題，但是環(huán)化步驟采用三乙胺作催化劑，產(chǎn)率為57.1%[7]，難以滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)要求。

亞氨基二乙腈為淺黃色至褐色粉末，熔點(diǎn)為75～78℃，主要用于除草劑草甘膦的合成，另外，作為一種重要的精細(xì)化工中間體，在染料、電鍍、水處理、合成樹脂等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，且價(jià)格低廉，因此，用亞氨基二乙腈合成LLM-105可以解決傳統(tǒng)方法中合成原料昂貴的難題。

本研究對以亞氨基二乙腈為原料，經(jīng)亞硝化、環(huán)化，合成LLM-105中間體2,6-二氨基吡嗪-1-氧化物(DAPO)，對比研究了多種催化劑對中間體DAPO收率的影響，確定了最佳反應(yīng)條件，顯著提高了DAPO的合成收率，同時(shí)提出了DAPO可能的成環(huán)機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試劑與儀器

亞氨基二乙腈，質(zhì)量分?jǐn)?shù)92%，上海達(dá)瑞精細(xì)化學(xué)品有限公司；亞硝酸鈉，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；吡啶，分析純，上海試劑一廠；碳酸氫鈉、碳酸鈉、三乙胺、氫氧化鈉、鹽酸羥胺，均為分析純，成都市科龍化工試劑廠；硫酸、甲醇、其他試劑，均為分析純。

Bruker Avance Ⅲ核磁共振氫譜儀，德國Bruker公司；Nicolet紅外光譜儀，美國Thermo Fisher公司；Finnigan TSQ Quantum ultra AM型質(zhì)譜儀，美國Thermo Finnigan公司；X-5纖維熔點(diǎn)測定儀,南京嘉美倫科學(xué)儀器有限公司。

1.2 DAPO的合成路線

DAPO的合成路線如圖1所示。

圖1 DAPO的合成路線Fig.1 Systhesis route of DAPO

1.3 N-亞硝基亞氨基二乙腈(化合物2)的合成

稱取5.0g(52.6mmol)亞氨基二乙腈(化合物1)加入盛有45mL 濃度為1mol/L 硫酸水溶液的100mL三口燒瓶中,攪拌至溶解；室溫下，向攪拌的溶液中加入4.0g(58.0mmol)亞硝酸鈉。待反應(yīng)溫度冷卻下來，加入第2份等量亞硝酸鈉。過濾得到黃色沉淀，干燥，用乙酸乙酯-石油醚重結(jié)晶，得到5.6g淡黃色固體(化合物2)，收率為84.6%，m.p.38～39℃。

1H NMR(500MHz,DMSO-d6)δ：4.82(s，2H，CH2)，5.62(s，2H，CH2)；ESI-MS，m/z：159[M+Cl]-。

1.4 2，6-二氨基吡嗪-1-氧化物(化合物3)的合成

將1.0g(8.06mmol)N-亞硝基亞氨基二乙腈(化合物2)加至10g無水甲醇中，攪拌至溶解；冰水浴控制溫度在5～10℃，緩慢加入0.6g(8.80mmol)鹽酸羥胺，待其溶解后，邊攪拌邊加入氫氧化鈉1.0g(25.0mmol)，加料完畢后，控制溫度反應(yīng)30min，溶液出現(xiàn)渾濁，渾濁由白色變?yōu)辄S色，然后水浴20℃，TLC跟蹤反應(yīng)，2h后結(jié)束。過濾，甲醇洗滌沉淀，干燥，得到0.8g淡黃色固體(DAPO)，收率為78.7%，m.p.294～295℃。

1H NMR(500MHz,DMSO-d6)δ：6.69(s，4H，NH2)，7.32(s，2H，CH)；IR，υ(cm-1)：3398，3242，3200，3115，1609，1540，1229，837；ESI-MS，m/z：127[M+H]+。

2 結(jié)果與討論

2.1 DAPO收率的影響因素

2.1.1 環(huán)化反應(yīng)催化劑對DAPO收率的影響

不同的堿性催化劑對DAPO收率的影響結(jié)果見表1，反應(yīng)條件為先冰水浴控溫5～10℃，反應(yīng)30min，再控溫20℃，反應(yīng)2h。

表1 5種催化劑對DAPO收率的影響

從表1可以看出，常用的無機(jī)堿Na2CO3和NaHCO3對成環(huán)反應(yīng)沒有效果，原因在于Na2CO3和NaHCO3在甲醇中溶解度很差，并且兩者的堿性較弱，難以拔除與亞氨基相連的α碳上的氫質(zhì)子，不能形成碳負(fù)離子，無法催化反應(yīng)進(jìn)行。傳統(tǒng)方法使用的有機(jī)堿三乙胺合成DAPO收率為57.0%[7]，而堿性較三乙胺強(qiáng)的氫氧化鈉和甲醇鈉的合成效率則更好，其中氫氧化鈉作催化劑時(shí)DAPO的收率達(dá)78.7%，主要是因?yàn)闅溲趸c在甲醇中溶解度有限，使反應(yīng)緩慢，不易發(fā)生副反應(yīng)。所以，合成DAPO較好的催化劑為氫氧化鈉。

2.1.2 氫氧化鈉質(zhì)量對DAPO收率的影響

在環(huán)化反應(yīng)中，反應(yīng)條件為先冰水浴控溫5～10℃，反應(yīng)30min，再控溫20℃，反應(yīng)2h?？疾炝藲溲趸c質(zhì)量對DAPO收率的影響，結(jié)果見表2。

表2 氫氧化鈉質(zhì)量對DAPO收率的影響

注：m為N-亞硝基亞氨基二乙腈質(zhì)量；m1為鹽酸羥胺質(zhì)量；m2為氫氧化鈉質(zhì)量。

從表2可以看出，隨著氫氧化鈉質(zhì)量的增加，目標(biāo)產(chǎn)物DAPO的收率逐漸提高，當(dāng)氫氧化鈉質(zhì)量達(dá)到1.0g時(shí)，DAPO收率最大達(dá)到78.7%。因?yàn)殡S著溶液中氫氧化鈉濃度的增大，有利于亞氨基二乙腈亞硝基衍生物環(huán)化反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)進(jìn)行得較徹底，從而提高了收率。隨著氫氧化鈉質(zhì)量的繼續(xù)增大，反應(yīng)中副反應(yīng)增多，導(dǎo)致DAPO收率降低。此外，DAPO微溶于甲醇中，氫氧化鈉質(zhì)量的增加有助于降低DAPO在反應(yīng)液中的溶解度。因此，N-亞硝基亞氨基二乙腈、鹽酸羥胺、氫氧化鈉質(zhì)量比為1.0∶0.6∶1.0時(shí)，DAPO的收率較佳。

2.1.3 反應(yīng)初始溫度對DAPO收率的影響

環(huán)化反應(yīng)中，初始溫度反應(yīng)30min，控溫20℃，反應(yīng)2h，其他條件一致的情況下，考察了反應(yīng)初始溫度對DAPO收率的影響。結(jié)果表明，當(dāng)反應(yīng)初始溫度為5～10℃時(shí)，DAPO收率為78.8%。當(dāng)反應(yīng)初始溫度為10～20℃時(shí)，反應(yīng)收率為54.1%，收率大幅下降；反應(yīng)初始溫度高于20℃時(shí)，鹽酸羥胺與氫氧化鈉的反應(yīng)劇烈放熱，反應(yīng)會失控，羥胺會受熱分解，此時(shí)不能生成DAPO。當(dāng)反應(yīng)初始溫度低于5℃時(shí)，由于氫氧化鈉在甲醇中溶解度降低，反應(yīng)進(jìn)行緩慢。只有當(dāng)反應(yīng)初始溫度處于5～10℃時(shí)，氫氧化鈉溶解度有限，反應(yīng)易于控制。因此，5～10℃為較佳反應(yīng)初始溫度。

2.2 DAPO的成環(huán)反應(yīng)機(jī)理

借鑒Harrington、趙曉峰等[6-8]對2-氨基-6-甲氧基吡嗪、2,6-二氨基吡嗪-1-氧化物(DAPO)的成環(huán)機(jī)理研究，并結(jié)合DAPO的合成過程，提出本研究中2,6-二氨基吡嗪-1-氧化物(DAPO)的成環(huán)機(jī)理，如圖2所示。

圖2 DAPO的成環(huán)反應(yīng)機(jī)理Fig.2 Cyclization reaction mechanism of DAPO

在初始溫度5～10℃下，溶于甲醇中的少量氫氧化鈉首先與鹽酸羥胺反應(yīng)釋放出親核活性很高的羥胺，羥胺對亞氨基二乙腈亞硝基衍生物的氰基親核進(jìn)攻，生成反應(yīng)中間體化合物4，化合物4在氫氧化鈉堿性條件下脫去質(zhì)子和NO-，生成反應(yīng)過渡態(tài)化合物5，化合物5與鏈端的羥胺縮合成環(huán)，經(jīng)共振得到最終產(chǎn)物DAPO。

3 結(jié) 論

(1)以亞氨基二乙腈為原料，通過亞硝化、成環(huán)兩步反應(yīng)合成LLM-105的中間體DAPO，篩選出最佳環(huán)化反應(yīng)催化劑為NaOH,并確定了最佳工藝條件：N-亞硝基亞氨基二乙腈、鹽酸羥胺、氫氧化鈉質(zhì)量比為1.0∶0.6∶1.0，反應(yīng)初始溫度5～10℃，反應(yīng)時(shí)間30min，隨后反應(yīng)溫度20℃，反應(yīng)時(shí)間2h。

(2)提出了以氫氧化鈉為催化劑合成2,6-二氨基吡嗪-1-氧化物(DAPO)的成環(huán)機(jī)理。與傳統(tǒng)方法相比，解決了合成原料昂貴、環(huán)境污染大的問題，與以三乙胺為催化劑的方法相比，將環(huán)化反應(yīng)的收率從57.0%提高至78.7%。

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Optimization of Synthetic Method of 2,6-Diamino-pyrazine-1-oxide

WANG Jin-min，DU Yang

(School of Chemical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)

2,6-Diamino-pyrazine-1-oxide(DAPO) was synthesized by two-step reactions of nitrosylation and cyclization,using iminodiacetonitrile as starting material.The total yield of DAPO was 66.6%.Its structure was characterized by1H NMR,IR and MS.The effects of catalyst,dosage of sodium hydroxide and initial temperature etc factors for cyclization reaction on the total yield of DAPO were investigated.Triethylamine used in traditional synthesis method was replaced by sodium hydroxide as the catalyst.The optimum process conditions of preparing DAPO via cyclization reaction were determined as∶ONN(CH2CN)2∶NH2OH·HCl∶NaOH=1.0∶0.6∶1.0 (mass ratio)，the initial temperature was 5-10℃，the reaction time was 30min，then，the reaction temperature was 20℃,the reaction time was 2h.The results show that compared with the method of triethylamine as catalyst,the yield of synthesizing DAPO by cyclization reaction is significantly increased from 57.0% to 78.7% with sodium hydroxide as catalyst.According to the synthetic process of DAPO，the cyclization mechanism of DAPO is proposed： nucleophilic addition occurs between hydroxylamine and N-nitrosobis(cyanomethyl)amine,generating the condensation product of N-nitroso-bis(cyanomethyl)amine,this compound cyclizes with hydroxylamine under the effect of alkali,and the final product DAPO is obtained.

organic chemistry; iminodiacetonitrile; 2,6-diamino-pyrazine-1-oxide; DAPO; synthetic optimization

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.01.005

2016-07-14；

2016-08-12

王金敏(1992-)，男，碩士研究生，從事含能材料制備與精細(xì)有機(jī)合成。E-mail:913375290@qq.com

杜楊(1968-)，男，高級工程師，從事含能材料制備與精細(xì)有機(jī)合成。E-mail:duy@mail.njust.edu.cn

TJ55；TQ560

A

1007-7812(2017)01-0025-3