基于氨基磺酸盐的CL-20两步合成工艺研究

发布时间：2020-05-22 18:03

【摘要】：六硝基六氮杂异伍兹烷,又称CL-20,是目前已报道的综合性能最好的单质炸药之一,具有极好的应用前景。以苄胺为原料合成CL-20的“三步法”工艺使CL-20的制造成本居高不下,这限制了CL-20的规模化应用。因此,开发CL-20的合成新工艺,实现CL-20的高效、绿色、低成本制造对于拓展CL-20的应用场景,实现武器系统的更新换代具有重要的应用价值和现实意义。本研究首先从理论计算的角度阐述了伯胺(苄胺、苯甲酰胺和苯磺酰胺)的电子结构对其构建笼型骨架的影响机制,建立了以氨基N原子电荷描述醛胺缩合构建C-N键的反应能垒的预测模型。其次,从理论上预测了并从实验上证实了氨基磺酸盐(铵盐、钾盐和钠盐)可作为苄胺替代物用于CL-20的合成。最终,通过工艺优化获得了两步法合成CL-20的较佳工艺参数。具体研究内容和结论如下:(1)计算了苄胺衍生物的电子结构。结果表明,氨基N原子Hirshfeld电荷为-0.230~-0.210 au;N-H键键长为1.0170~1.0195?,键能为105.5~108.5 kcal·mol~(-1);复合物中N---H~+距离为2.10~2.20?,N原子对H~+的吸引势为1.75~1.95 kcal·mol~(-1);醛胺缩合反应能垒为13.0~17.0 kcal·mol~(-1)。苄胺衍生物的氨基H原子的离去能力强,N原子对电正中心的吸引能力强,二者协同作用使醛胺缩合的反应能垒低是苄胺衍生物与乙二醛容易构建笼型骨架的原因。(2)计算了苯甲酰胺衍生物的电子结构。结果表明,氨基N原子Hirshfeld电荷为-0.165~-0.145 au;N-H键键长为1.0075~1.0090?,键能为127.5~131.0 kcal·mol~(-1);复合物中N---H~+距离为2.50~2.80?,N原子对H~+的吸引势为0.15~0.75 kcal·mol~(-1);醛胺缩合反应能垒为26.5~30.5 kcal·mol~(-1)。苯甲酰胺衍生物的氨基H原子的离去能力弱,N原子对电正中心的吸引能力弱,二者协同作用使醛胺缩合的反应能垒高是苯甲酰胺衍生物与乙二醛容易构建笼型骨架的原因。(3)计算了苯磺酰胺衍生物的电子结构。结果表明,氨基N原子Hirshfeld电荷为-0.200~-0.180 au;N-H键键长为1.0135~1.0205?,键能为115.0~119.5 kcal·mol~(-1)。复合物中N---H~+距离为2.75~2.95?,N原子对H~+的吸引势为0.01~0.22 kcal·mol~(-1);胺缩合反应能垒为22.0~28.0 kcal·mol~(-1)。苯磺酰胺衍生物与乙二醛的反应能垒介于苄胺衍生物与苯甲酰胺衍生物之间,预测苯磺酰胺类衍生物可与乙二醛缩合构建笼型骨架,其中氨基磺酸盐(铵盐、钾盐和钠盐)可作为苄胺替代物用于合成CL-20。(4)开展了氨基磺酸盐与乙二醛反应合成笼型骨架的工艺研究。结果表明,氨基磺酸盐与乙二醛摩尔比为2.2:1,缩合温度0℃,缩合时间48 h,pH=3~5时,HSIW得率最高为40.28%,HKIW得率最高为60.27%,HNaIW得率最高为34.67%。(5)开展了缩合产物的硝化工艺研究。结果表明,物料质量比为HSIW:硝酸:醋酸:醋酐:硝酸铵=3:5:25:10:0.5,反应温度50℃,反应时间4 h时,CL-20得率最高为1.81%。物料质量比为HKIW:硝酸:醋酐=3.5:10:20,反应温度为10℃,反应时间为4 h时,CL-20得率最高为3.89%;物料质量比HKIW:硝酸:醋酸:醋酐:硝酸铵=3.5:5:10:10:0.5,反应温度30℃,反应时间4 h时,CL-20得率最高为2.72%。物料质量比为HNaIW:硝酸:醋酐=3.1:5:25,反应温度为50℃,反应时间为4 h,CL-20得率最高为2.46%。物料质量比为HNaIW:硝酸:醋酸:醋酐:硝酸铵=3.1:5:15:10:0.5,反应温度50℃,反应时间4 h时,CL-20得率最高为1.62%。该成果为设计和选择合适的伯胺构建CL-20笼型骨架提供了理论方案,为实现CL-20的低成本制造开辟了新的道路。
【图文】：

苄胺,衍生物

苄胺衍生物结构

苄胺,衍生物,3D结构

e F26 f F57 g F66 h F73图 2.4 部分苄胺衍生物的 3D 结构Fig 2.4 3D structures of some benzylamine and its derivatives
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ560.6

【参考文献】