联咪唑及其硝基衍生物的合成研究

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高氮含能材料中含有大量的N-N、C=N和C-N等高能量的化学键,因而具有很高的生成焓。杂环具有一定的稳定性,在杂环的基础上进行修饰和改性,成为潜在能量的又一来源。咪唑是包含C-N杂环的五元环,对其进行硝化,得到了一系列的硝基咪唑类衍生物,如1,4-二硝基咪唑(1,4-DNI)、2,4-二硝基咪唑(2,4-DNI)、4,5-二硝基咪唑(4,5-DNI)、2,4,5-三硝基咪唑(2,4,5-TNI)等。但是在制备过程中发现2-硝基咪唑是最难合成的一类硝基咪唑。为此,本文尝试合成联咪唑避开了2位碳原子上难以硝化的特点,同时,在合成过程中检测到了2-氨基咪唑的存在。在合成联咪唑的过程中,检测到了2-氨基咪唑的存在,进一步优化了联咪唑的合成工艺。由于联咪唑通过2,2′-位的碳原子连在一起,避开了咪唑2位碳原子难以硝化的特点,本文尝试了对联咪唑改用不同的硝化剂硝化,得到了1,1′-二硝基联咪唑,4,4′,5,5′-四硝基联咪唑,并对硝化工艺进行了优化。采用盐酸胍和乙二醛反应,控制了一定的反应条件,最后在冰乙醇中结晶析出,得到了目标产物2-氨基咪唑的硫酸盐,熔点:268~277℃,结构经红外,核磁及质谱确认。优化了该反应的工艺,但是整体得率仍然比较低,只有7%左右,限制着将氨基转变成硝基的进行。采用乙二醛与醋酸铵反应,得到目标产物联咪唑,在DMSO中进行重结晶,得到白色针状结晶联咪唑。产物经元素分析,红外,核磁及质谱确认。探索了不同因素对产物得率的影响,得到了最佳工艺条件:反应温度T=35℃,反应时间t=4h,最终得率60.8%。采用硝酸,乙酸酐组成的硝化体系对联咪唑进行硝化,此类硝化剂是弱质子类硝化剂,控制反应条件进行了硝化,成功得到淡黄色的1,1′-二硝基联咪唑,产物经元素分析、红外、和核磁共振确定。探索了不同因素对产物得率的影响,得到了最佳工艺条件:反应温度T=60℃,反应时间t=6h,摩尔比n(HNO3):n(Bi)=3.6时,最高得率44.6%。采用硝酸、硫酸配成的硝硫混酸对联咪唑进行硝化,在120℃下,反应8h,将反应液冲入冰水中,得淡黄色固体,产物经元素分析,红外,和核磁共振确定为4,4′,5,5′-四硝基联咪唑。探索了不同因素对产物得率的影响,得到了最佳工艺条件:反应温度T=120℃,反应时间t=8h,n(硝酸钠):n(联咪唑)=4:1时,最高得率58.7%。
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