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1 引 言
全氮类含能材料分子具有高密度、高生成焓、分解产物无污染(仅有
N2 的释放)等优点[1,2,3] ,有希望成为新一代超高能含能材料。其中N5 -是最具有代表性的离子型全氮化合物之一,国内外科研人员在N5 -合成方面进行了广泛的探索[4] ,但一直未取得突破性进展。量子化学计算表明[5,6,7,8] ,N5 -因其环状共轭结构而具有芳香性,是全氮阴离子中相对稳定的结构,有望被合成并作为高能密度材料应用于发射药、推进剂和航空航天领域。1956年,Huisgen
等[9] 首次成功合成了低温下稳定存在的芳基五唑化合物,之后多种稳定存在的芳基五唑被陆续合成[10,11,12,13,14] 。1998年,Christe等[15,16,17] 首次成功合成具有线状结构的N5 +,这是自N3 -后近百年来第一次得到全氮离子。2002年Vij等[18] 通过质谱首次检测到N5 -离子信号峰。直到2017年,南京理工大学[19] 在N5 -合成方面取得了历史性突破,成功合成了五唑离子化合物(N5 )6 (H3 O)3 (NH4 )4 Cl,同时对其进行了全面的分析表征,解决了困扰含能材料领域长达半个多世纪的世界性难题。同年,陆明[20] 课题组在Nature上报道了5种五唑金属含能盐[Na(H2 O)(N5 )]·2H2 O、[M(H2 O)4 (N5 )2 ]·4H2 O(M=Mn、Fe、Co[21] )和[Mg(H2 O)6 (N5 )2 ]·4H2 O,除钴盐外,其它离子分解温度均高于100 ℃,具有良好的热稳定性,为与阳离子组装形成离子型全氮超高能材料奠定了一定的科学基础。同年8月陆明等[22] 报道了另一个新的五唑金属盐[Zn(H2 O)4 (N5 )2 ]·4H2 O。2018年张庆华等[23] 合成了由Na+ 与N5 -通过强金属配位键形成的纳米笼状金属框架Na20 N60 和Na24 N60 ,但是芳基五唑的氧化切断产物及可能的机理至今未有报道。基于此,本研究以2,6‑二甲基‑4‑五唑基苯酚钠盐为原料,采用氧化切断C—N键的方法,合成制备了五唑钠,优化并确定了芳基五唑反应的较佳条件,并通过核磁等对其进行了表征分析;利用质谱等从不同角度分析了影响五唑钠产率的因素;在芳基五唑的切断副产物和多组平行实验的基础上,提出芳基五唑C—N键断裂的反应机理。
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2 实验部分
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2.1 试剂与仪器
试剂2,6‑二甲基‑4‑氨基苯酚盐酸盐(自制),盐酸(36%,国药集团化学试剂有限公司),亚硝酸钠(分析纯,阿拉丁试剂有限公司),叠氮化钠,2,6‑二甲基‑4‑五唑基苯酚钠盐(自制),甲醇、乙腈、四氢呋喃、正己烷、乙酸乙酯、乙醇、石油醚(分析纯,上海泰坦科技股份有限公司),间氯过氧苯甲酸(85%,上海迈瑞尔化学技术有限公司),甘氨酸亚铁。
仪器:EYELAPSL‑1810型磁力搅拌低温恒温水槽,日本东京理化器械株式会社;Finnigan TSQ Quantumultra AM型质谱仪,美国Thermal公司;Coolingway公司-86 ℃超低温冰箱,Bruker公司;Avance Ⅲ 500 MHz核磁共振仪,瑞士Bruker公司;TGA/SVTA 851°热重分析仪,瑞士梅特勒‑托利多;Vario EL Ⅲ型元素分析仪;傅立叶变换红外光谱仪,Nicolet is‑10,美国Thermal公司。
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2.2 合成路线
五唑钠的合成路线见Scheme 1。
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2.3 实验步骤
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2.3.1 2,6‑二甲基‑4‑五唑基苯酚钠盐(1)的合成
在500 mL单口圆底烧瓶中加入2,6‑二甲基‑4‑氨基苯酚盐酸盐(15 g,0.0965 mol)、50 mL四氢呋喃和50 mL去离子水,室温搅拌至澄清;加入盐酸(7.565 mL,36%),放入-5 ℃的低温反应器中,调节转速至400 r·mi
n-1 ;之后滴加NaNO2 (6.26 g,0.0907 mol),12.75 mL水,反应40 min后,加入已冷却的甲醇和正己烷混合溶剂,降温至-40 ℃后,加入NaN3 溶液(5.9 g,0.0908 mol),注意此期间调节转速为550 r·min-1 ,严格控制温度在-40 ℃,反应1.5~3.0 h,低温过滤,滤饼冷冻干燥得目标化合物1,产率65.3%。 -
2.3.2 五唑钠的合成
在-45 ℃的冰箱中,2,6‑二甲基‑4‑五唑基苯酚钠盐(10 g,0.0498 mol)溶解于甲醇和乙腈的混合溶剂中(各100 mL),加入500 mL单口圆底烧瓶中,放在-45 ℃、400 r·mi
n-1 的低温反应槽中,搅拌10 min,加入Fe(Gly)2 (32.04 g,0.1571 mol),加料结束后调节转速至600 r·min-1 ,反应40 min后,加入m‑CPBA(47.83 g,0.2772 mol),反应24 h,经过一系列后处理步骤得到目标产物2和副产物3。 -
2.3.3 目标产物分离
将反应24 h的反应液低温过滤(最好在低温冰箱中),收集滤饼,分离过柱得副产物3;收集滤液,减压旋蒸去除溶剂(注意其中有大量的过氧化物,不可旋得过干),向旋干的固体中加入适量甲醇和水的混合溶剂(1∶1),室温搅拌2~4 h,过滤,收集滤液,减压旋蒸去除溶剂,硅胶制样,过柱,旋蒸去除溶剂,干燥得目标化合物2的粗品,粗品收率28%。
化合物2
:15 N NMR (DMSO‑d6,500 MHz)δ:5.7;Anal.calcd forN5 Na(%):N 75.14;MS (EI) m/z:70 [M- ];IR (KBr,v/cm‑1 ):1377,1226。化合物3
:1 H NMR (DMSO‑d6,500 MHz)δ:3.34, 6.67;Anal.calcd forC2 H8 O2 (%):C 70.49,H 5.93 -
2. 4 五唑钠的单晶培养
称取25 mg充分干燥的五唑钠样品,将其溶解在适量乙醇与乙酸乙酯的混合溶剂中,可适当升温使其完全溶解,得到无色澄清的溶液,趁热过滤,滤液冷却至室温,将滤液放置到干净的5 mL小烧杯中,室温(5~25 ℃)下缓慢自然挥发3~7天,得无色方型晶体,挑选合适晶体进行测试。
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3 结果与讨论
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3.1 催化剂和氧化剂的选择
由于
N5 -结构类似于环戊二烯负离子[24] ,极有可能与过渡金属离子络合,形成类似于二茂铁的结构。同时考虑到氧化剂的溶解性。因此,选择过渡金属盐作为催化剂,间氯过氧苯甲酸作为氧化剂,做了以下探究实验,结果如表1所示:(1)由表1中序号1、2可知,除F
e2+ 外,其他过渡金属离子(Co2+ ,Mn2+ ,Ni2+ ,Cu2+ )对芳基五唑反应不灵敏,不能对芳基五唑C—N键进行有效切断。(2)由表1中序号3、4可知,改变亚铁盐的阴离子,甘氨酸盐效果最为明显,五唑钠质谱信号峰最强,其他阴离子盐(FeS
O4 、Fe(NO3 )2 、FeBr2 、FeCO3 )对芳基五唑的切断并没有起到实质性作用。(3)考虑到甘氨酸盐对氧化切断C—N键效果较佳,选取了不同甘氨酸盐(甘氨酸钠,甘氨酸镁,甘氨酸钙、锌)与甘氨酸亚铁进行比较,发现其他甘氨酸盐的效果很不理想,在质谱仪中难以检测到五唑的信号峰。
因此,由实验结果确定Fe(Gly
)2 作为稳定催化剂,m‑CPBA作为切断氧化剂。 -
3.2 五唑钠合成条件优化
低温条件下,芳基五唑经过氧化切割生成五唑钠。由3.1实验结果,选取Fe(Gly
)2 作为催化剂,m‑CPBA作为氧化剂,分别考察了芳基五唑、Fe(Gly)2 与m‑CPBA 的摩尔比(a∶b∶c)、反应温度、反应时间对五唑钠收率的影响,结果见表2。由表2确定该反应的适宜合成条件为:化合物1与Fe(Gly)2 和m‑CPBA加料摩尔比为1∶3∶4.5,反应温度为-45 ℃,反应时间为24 h,粗品收率最高为28 %。 -
3.3 目标化合物产率低的原因分析
通过3.2实验可知,芳基五唑反应条件优化之后,五唑钠的产率依然很低。其原因主要来自两个方面:①即使在低温条件下,2,6‑二甲基‑4‑五唑基苯酚钠盐也极不稳
定[25] 。对芳基五唑反应液取样,运用电喷雾离子化串联质谱(ESI‑MS‑MS)其进行二级裂解。结果如图1所示,主要峰属于:m/z=261为[化合物1+N5 -];m/z=381为化合物1的二聚;m/z=155为m‑CPBA的还原产物间氯苯甲酸(m‑CBA);m/z=226为[化合物1+Cl- ];m/z=70为五唑负离子。在低裂解能量轰击(10 eV),m/z=190为芳基五唑负离子,m/z=162为芳基五唑开环分解为芳基叠氮和一分子N2 ;m/z=134为芳基叠氮失去一分子N2 。这说明芳基五唑在反应过程中还在一直缓慢分解。至于分解量,由于反应体系成分复杂,目前没有确切的方法对芳基叠氮进行定量分析及其他表征。②在氧化切割时,虽然m‑CPBA与Fe(Gly)2 体系会使芳基五唑C—N键的键能降低,但在断裂时,仍有外界环境因素使部分五唑环的N—N键断裂而开环,从而导致五唑钠产率降低。在目标化合物分离最后一步,过柱层析时会分离出部分NaN3 ,这也间接证明了五唑环在切割过程中会断开。 -
3.4 五唑钠晶体结构解析
五唑钠的分子结构和分子在晶胞中的堆积如图2所示,其晶胞参数与文献[25]结果在一定程度上具有相似性。测试结果表明,该晶体空间群为‑P62,每个五唑钠单元由1个五唑负离子,1个钠离子组成。晶体学参数为:a=18.388(5) Å,b=18.388(5) Å,c=18.305(6) Å, α=β=90°,γ=120°,V=5360(3),Z=24,μ=0.172 m
m-1 ,F(000)=2078。由于钠离子的影响,五唑钠的5个N—N键长度有些许的区别,从1.289到1.476 Å不等。五元环内部夹角范围为103.56°到110.79°。五元环的二面角都是0°,表明五个氮是处于同一平面的,形成一个共轭体系。同时如图3所示,N5 -氮谱图中只出现一处峰,这也说明了五氮唑环中5个氮原子具有相同的化学环境,形成共轭结构。 -
3.5 五唑钠的热稳定性和红外图谱分析
在氮气流速为30 mL·mi
n-1 ,升温速率5 ℃·min-1 ,温度范围50~500 ℃,样品量为0.2000 mg条件下得到五唑钠的TG‑DSC曲线,结果见图4。由TG‑DSC曲线可知,在50~110 ℃时,样品无明显质量损失和放热峰出现,说明样品中并无水分子。同时TG‑DSC曲线表明,五唑钠存在一个放热峰:139.14 ℃,当温度达到110.24 ℃时,样品开环分解失重,当温度为149.50 ℃时,样品失重37.5%,之后随着温度的升高,失重曲线趋于平缓。五唑钠红外光谱和水的标准光谱如图5所示,根据参考文献[25]中的类似化合物波谱归属及结构特征,1256 cm-1 和1244 cm-1 可归属为五唑钠中N—N键的伸缩振动吸收峰。与水的标准图谱相比,五唑钠图谱中未出现其特征吸收峰,这也直接说明了制备的五唑钠中没有水分子。 -
3.6 m‑CPBA和Fe(Gly)2氧化切割机理推测分析
由于反应体系中加入过量的过氧化物,猜测可能是自由基参与的反应。因此,我们尝试加入Tempo、BHT、1,4‑环己二烯等常用的自由基捕捉剂进行反应,但是在反应体系中并未检测到自由基的存在。根据上述的实验结果和相关文
献[26,27,28] ,本研究对Fe(Gly)2 与m‑CPBA切割芳基五唑C—N键的机理进行了如Scheme 2所示的推测:首先在-45 ℃条件下,Fe(Gly)2 与m‑CPBA在CH3 OH和CH3 CN混合溶剂中发生反应,Fe(Gly)2 中的Fe2+ 得到一个活性的配位氧[26] ,配位氧来自于m‑CPBA,生成中间体4。由3.3的质谱分析可知,m‑CPBA参与反应后失去一个氧原子,生成m‑CBA。之后中间体4中的活性氧进攻芳基五唑C—N键中带部分正电荷的碳原子,与碳正原子及其旁边的碳原子形成一个三元环,使得芳基五唑中的C—N键键能减弱,更加容易断裂,得到过渡态5。之后C—N键断裂,N5 -离去,芳基五唑以2,6‑二甲基对苯醌的形式出现。而中间体4会失去配位氧,重新变成Fe(Gly)2 ,循环参与反应。在此机理中,甘氨酸离子和亚铁离子缺一不可,甘氨酸作为Fe2+ 的载体,同时又起到稳定五唑环的作用,与3.1的探索实验结果相符合。Fe(Gly)2 在其中起到催化剂的作用,反应前后质量基本不变,并且可以回收重复利用。多次实验结果显示,Fe(Gly)2 重复利用可在5次以上,五唑钠的收率浮动不超过5%。此外,多次实验结果和单晶结构也表明:2,6‑二甲基‑4‑五唑基苯酚钠中C—N键被切断后,芳基五唑分为两部分,即五唑钠和2,6‑二甲基对苯醌,二者摩尔比接近0.9∶1。2,6‑二甲基对苯醌(3)的单晶结构图图6所示。由图6可见,2,6‑二甲基对苯醌是一个平面分子,其空间群为P
121 /c1。晶体学参数为a=10.5173(5) Å,b=3.8997(2) Å,c=17.0674(8) Å,α=γ=90°,β=92.487°,V=699.35(6),Z=4,μ=0.093 mm-1 ,F(000)=288。以氘代二甲基亚砜(DMSO‑d6)为溶剂,对化合物3进行核磁(1 H HNR)测试,结果如图7所示,谱图中出现两处单峰,化学位移值符合化合物2的结构。 -
4 结 论
(1) 以2,6‑二甲基‑4‑五唑基苯酚钠盐等为原料,甘氨酸亚铁、间氯过氧苯甲酸为催化剂和氧化剂,在低温条件下合成了五氮唑钠盐确定了Fe(Gly
)2 与m‑CPBA作为芳基五唑的氧化切断试剂体系,对五唑钠的合成条件优化确定最优条件为:芳基五唑、Fe(Gly)2 与m‑CPBA摩尔比为1∶3∶4.5,反应时间为24 h,反应温度为-45 ℃,粗品收率为28%。芳基五唑的不稳定性是五唑钠产率低的主要原因。(2) 在实验、核磁及晶体结构的基础上,提出Fe(Gly
)2 和m‑CPBA氧化切断芳基五唑C—N键的机理历程:在混合溶剂中Fe(Gly)2 得到配位氧,进而进攻芳基五唑C—N键中显示部分正电荷的碳原子,形成三元环,减弱C—N键键能,使其比较容易断开,之后C—N键断裂,得到五唑负离子和氧化副产物2,6‑二甲基苯醌。 -
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摘要
以2,6‑二甲基‑4‑五唑基苯酚钠盐为原料,间氯过氧苯甲酸(m‑CPBA)与甘氨酸亚铁(Fe(Gly
Abstract
odium pentazole salt was prepared by treating 2,6‑dimethyl‑4‑(2H‑pentazol‑2‑yl)phenolate with m‑chloroperbenzoic acid (m‑CPBA) and ferrous bisglycinate [Fe(Gly