含供電基團的吡啶/吡嗪類化合物硝化反應研究

李勤華，陸明，潘仁明，王鵬程，祝潔

(南京理工大學 化工學院，江蘇 南京210094)

0 引言

設計高能量、高安全的含能材料是含能材料領域研究的重點方向之一［1-4］。吡啶和吡嗪類化合物是構成高能低感含能化合物的新型骨架，近期新出現的典型化合物，如二(1，3-二硝基-二氫-1H-咪唑)并［4，5-b:4'，5'-e］-4-硝基吡啶-1-氧化物，二(1，2-二硝基-1，5-二氫咪唑)并［4，5-b:4'，5'-e］吡嗪-1-氧化物等化合物中均嵌入了吡啶和吡嗪結構;成熟化合物如2，6-二氨基-3，5-二硝基吡啶-1-氧化物(ANPYO)和2，6-二氨基-3，5-二硝基-1-氧吡嗪(LLM-105)等是吡啶和吡嗪的氨基和硝基衍生物［5-9］。這些化合物具有較好的爆轟性能，同時能保持較好的感度，是一類重要的高能低感的炸藥，其中LLM-105 因其爆炸性能優異且感度較低，最具應用前景，成為目前高能低感炸藥領域主要的研究對象［10-13］。

2，6-二氨基吡啶和2，6-二甲氧基吡嗪分別是制備ANPYO 和LLM-105 的重要中間體，它們經過硝化、還原、氧化等數步反應可以得到目標產物［14-17］。這些反應中，還原和氧化均較容易進行，且反應條件溫和，產率高，能接近化學計量轉化。而硝化反應卻較難發生，需要在強酸環境下反應，且產率一般約為70%左右，是制約進一步降低成本和工業化的重要影響因素，成為我們研究的重點內容。

本文以2，6-二氨基吡啶和2，6-二甲氧基吡嗪為吡啶/吡嗪類化合物的典型代表底物，研究難硝化底物的硝化反應過程，主要是尋找適宜的硝化體系，分析硝化反應的影響因素，結合量子化學理論計算，對硝化過程給予合理的解釋，并對比二者的硝化反應過程。

2，6-二氨基吡啶和2，6-二甲氧基吡嗪的硝化反應過程如圖1所示。

圖1 2，6-二氨基吡啶和2，6-二甲氧基吡嗪的硝化Fig.1 The nitration process of 2，6-diaminopyridine and 2，6-dimethoxypyrazine

1 實驗部分

1.1 實驗藥品及儀器

2，6-二甲氧基吡啶、2，6-二氯吡嗪、氫氧化鈉、甲醇鈉、二氯甲烷、碳酸氫鈉、無水硫酸鈉、KNO3均為分析純;98% 濃H2SO4、20% 發煙硫酸、95%HNO3. Bruker 500 MHz 核磁共振儀，德國Bruker 公司產;Nicolet 紅外光譜儀，美國Perkin Elmer 公司產;Ultra Am TSQ quntium 型高分辨質譜儀，美國Finnigan 公司產;Vario EL Ⅲ有機元素分析儀，德國Elementar公司產;高壓反應釜，山東威海自控反應有限公司產。

1.2 實驗步驟和表征

1.2.1 2，6-二氨基吡啶的硝化

在250 mL 裝有攪拌器、溫度計的4 口燒瓶中，加入20%發煙H2SO4(130 mL)，攪拌下再加入2，6-二氨基吡啶(30.0 g，0.275 mol)，待固體完全溶解后，冰水浴，溫度控制在20 ℃以下，加入95% HNO3(26 mL，0.58 mol)，繼續攪拌1 h，撤去冰水浴，將混合物緩慢加熱到30 ℃并保溫3 h. 反應完后，將混合物倒入1 L 碎冰中，攪拌，析出大量黃褐色固體，過濾，水洗，再加入10 mol/L NaOH 溶液調pH 10 ～11 左右，過濾，水洗，干燥。然后在蒸餾水(1 g/10 mL)中煮沸1 h，DMSO 重結晶(100 mL/20 g)得純品50.6 g，產率92.5%，熔點＞300 ℃(文獻［18］值為:345 ～347 ℃;348 ℃). 氫譜核磁1HNMR (DMSO-d6，500 MHz)化學位移δ:9.00(s，1H，Py-H)，8.41 (s，2H，NH2)，8.26 (s，2H，NH2). 紅外IR (KBr/cm-1):3 478，3 367，1 627，1 455，1 391，1 370，1 327，1 282，1 236，1 040，721. 元素分析C5N5O4H5(實測值(理論值，%)):C 30.09(30.15)，H 2.47(2.51)，N 35.15(35.18). 質譜MS (m/z):198(M+)，15l，138，66，46.

1.2.2 2，6-二甲氧基吡嗪的硝化

首先以2，6-二氯吡嗪制備2，6-二甲氧基吡嗪:室溫下將14.9 g (0.1 mol)2，6-二氯吡嗪加入到100 mL 30%甲醇鈉-甲醇溶液中，50 ℃下回流反應3 h，冷卻后倒入350 g 碎冰中，有乳白色固體析出，靜置，待燒杯中碎冰完全融化后過濾，濾液用二氯甲烷分3 次萃取(每次20 mL)，濾餅也溶于二氯甲烷，合并二氯甲烷溶液，加入無水硫酸鈉干燥，過濾得到濾液，旋蒸，在真空干燥箱中干燥，得到白色針狀產品，產率95%，熔點30 ～32 ℃. 氫譜核磁1H NMR(CDCl3，500 MHz)化 學 位 移δ:3.964 (s，6H，OCH3)，7.791 (s，2H，吡嗪環上CH). 紅外IR(KBr/cm-1):1 585，1 481，2 868，1 013. 元素分析C6N2O2H8(實 測 值(理 論 值，%)):C 51.39(51.42)，H 5.63(5.65)，N 19.97(19.99). 質譜MS(m/z):139，111，97，79，68，55，42.

室溫下將一定量的硫酸加入到250 mL 3 口燒瓶中，攪拌下緩慢加入14.0 g (0.1 mol)2，6-二甲氧基吡嗪，加料完畢后繼續攪拌30 min，然后緩慢滴加硝酸，滴加完畢后升至反應溫度，反應3 h. 反應結束后將反應液倒入500 mL 冰水中，有乳白色固體析出，過濾，先用10%的碳酸氫鈉洗滌，再用冰水沖洗，直至濾液呈中性，烘干，得到淡黃色粉末狀產品，熔點163 ～164 ℃. 氫譜核磁1HNMR (DMSO-d6，500 MHz)化學位移δ:4.25 (s，6H，OCH3);紅外IR(KBr/cm-1)1 575，1 492，2 863，1 559，1 356;元素分析C6N4O6H6(實測值(計算值，%)):C 31.05(31.31)，H 2.61(2.63)，N 24.06(24.34);質譜MS(m/z):230(M+)，200，154，111，70，59.

2 分析與討論

2.1 2，6-二氨基吡啶的硝化影響因素

2.1.1 硝化體系

硝化強度是影響硝化收率和純度的主要原因［19］。為了降低硝化體系中水的含量，提高硝化強度，本文研究采用不同的硝化體系對2，6-二氨基吡啶(0.05 mol)進行硝化反應，結果見表1.

表1 不同硝化體系對2，6-二氨基吡啶硝化結果的影響Tab.1 Effect of nitration system on the yield

表1結果表明，采用混酸硝化時，硝化中間物(硝酰胺吡啶)［20］容易發生水解和硝解反應，副產物含量相對較高，主產物收率偏低。KNO3代替95%HNO3后，在相同條件下收率略有提高，主要原因是氨基吡啶自身易氧化，95% HNO3比KNO3氧化能力更強;不同濃度的發煙H2SO4對產物收率影響不大，說明硝化劑的硝化能力不是決定產物收率的主要因素，而濃度高的發煙H2SO4得到的產率更低。本文采用的是20%發煙H2SO4和95%HNO3超酸硝化體系。

2.1.2 超酸配比

在發煙H2SO4和95% HNO3的超酸體系中，發煙H2SO4有助于HNO3轉變成硝酰陽離子NO+2，增強了體系的硝化能力。同時H2SO4也是一種強脫水劑，它能夠與硝化反應生成的水結合成為硫酸水合物，使HNO3不被水稀釋，避免HNO3酸式電離，從而提高HNO3的利用率。實驗通過對2，6-二氨基吡啶(0.05 mol)的硝化來考察發煙H2SO4和95%HNO3的體積比對收率的影響，結果見表2.

表2 超酸體積比對硝化反應的影響Tab.2 Effect of V(HNO3)∶V(H2SO4)on the yield

從表2數據可以看出:當95% HNO3和發煙H2SO4體積比為1 ∶5 時，硝化反應產率最高可達92.5%;當95% HNO3和發煙H2SO4體積比大于1∶5時，硝化反應產率較低，說明超酸的硝化能力不夠，硝酸未被充分利用;當95% HNO3和發煙H2SO4體積比小于1∶5時，硝化反應的產率逐漸下降，這可能是因為超酸的硝化能力偏強，硝化反應的副產物增多，而且廢酸量大不利于后處理。因此，硝硫酸最佳體積比為1∶5.

2.1.3 硝酸用量

考察了95%HNO3用量對2，6-二氨基-3，5-二硝基吡啶收率的影響，實驗步驟為:0.05 mol 2，6-二氨基吡啶加到含20%發煙H2SO4中，95% HNO3滴加完畢后，30 ℃下反應3 h，改變95% HNO3的用量。實驗結果如圖2所示。

圖2 95%HNO3的用量對硝化反應的影響Fig.2 Effect of HNO3 addition on nitration

由圖2可以看出，當95% HNO3和2，6-二氨基吡啶的摩爾比為2.1∶1時，硝化產率最高，雖然從動力學的理論看，95% HNO3過量應該能夠促使反應的進行，但實驗結果表明，由于95% HNO3具有氧化性，過量較多就會氧化原料和產物，導致產率的下降。因此，在實際操作中保持稍微過量就行。

2.1.4 硝化溫度

表3 溫度對硝化反應的影響Tab.3 Effect of temperature on the yield

由表3可知，低溫滴加完HNO3后，溫度升至25 ～40 ℃，硝化能達到最佳效果。低于此溫度反應的活化能不足以使硝酰胺中間體全部重排，收率較低;高于此溫度，超酸體系中的氧化作用明顯，副產物增多，收率下降。副產物生成過程如圖3所示。

圖3 2，6-二氨基吡啶的硝化重排過程Fig.3 Nitration and rearrangement process of 2，6-diaminopyridine

2.2 2，6-二甲氧基吡嗪的硝化反應

2.2.1 硝化體系對產率的影響

不同硝化體系對硝化反應的影響結果見表4(后處理采用10%的碳酸氫鈉洗滌后粗品的純度較高，硝化產率是優化后各種體系的最佳值，粗品純度由液相色譜測定，經過乙腈重結晶后純度達99.0%以上)。反應條件:室溫下3 h.

表4 不同硝化體系對硝化反應的影響Tab.4 Effect of different nitration system on the nitration yield

由表4可以看出，隨著硝化體系的增強，產率逐漸升高，但純度逐漸下降。由于氮原子的電負性較強，吡嗪環上的電子云密度較低，不利于硝化反應，需要較強的硝化體系進行硝化，硝化體系越強產生的NO+2越多，越利于硝化反應。

在發煙硫酸體系中，隨硝化體系中SO3含量的升高產率升高，但SO3含量升高至50%時產率下降。SO3含量升高，體系中多余的SO3與形成NO+2 過程中的水反應生成硫酸，減少體系中的含水量，提高了產率;20%發煙硫酸和硝酸鉀體系硝化產率最高，形成超酸體系產生NO+2的過程中，無水生成硝化能力較強。50%發煙硫酸和95%硝酸體系硝化能力最強，但其產率最低，原因是由于SO3具有較強的氧化性。在50%發煙硫酸體系中由于其氧化性太強而導致副反應增多，產生大量的副產物，導致產率、純度下降。

本文對主要產率較高的20%發煙H2SO4-95%HNO3和20%發煙H2SO4-KNO3硝化體系做了具體的工藝研究。

2.2.2 發煙硫酸-硝酸體系下2，6-二甲氧基吡嗪的硝化工藝研究

仍在2，6-二甲氧基吡嗪用量為0.05 mol，硝酸過量100%，反應溫度為25 ℃，反應時間為3 h 的條件下，研究95%硝酸與20%發煙硫酸配比對產率的影響，實驗結果見表5.

表5 硝酸與發煙硫酸摩爾比對產率的影響Tab.5 Effect of n(HNO3)/n(oleum)on the yield

發煙硫酸-硝酸體系的硝化能力要強于混酸體系，由表5可知，在發煙硫酸-硝酸體系下2，6-二甲氧基-3，5-二硝基吡嗪的產率要高于混酸體系，在硝酸與發煙硫酸的摩爾比為1 ∶3 時，產率最高，達到61.9%.

2.2.3 發煙硫酸-硝酸鉀體系下2，6-二甲氧基吡嗪的硝化工藝研究

在2，6-二甲氧基吡嗪用量為0.05 mol，硝酸鉀過量100%，反應溫度為25 ℃，反應時間為3 h 的條件下，研究硝酸鉀與20%發煙硫酸的摩爾比對產率的影響，實驗結果見表6.

表6 硝酸鉀與發煙硫酸摩爾比對產率的影響Tab.6 Effect of n(KNO3)/n(oleum)on the yield

發煙硫酸-硝酸鉀體系的硝化能力要強于發煙硫酸-硝酸體系和混酸體系，由表6可知，在發煙硫酸-硝酸鉀體系下2，6-二甲氧基-3，5-二硝基吡嗪的產率要明顯高于前兩個體系，當硝酸鉀與發煙硫酸的摩爾比為1∶3.5 時，產率最高，達到67.8%.

2.3 含供電基團的吡啶、吡嗪的硝化反應對比

為了進一步研究雜環芳烴硝化反應的內在規律，采用量化計算深入分析，主要從電子云密度和零點能的角度出發，對比取代吡啶、吡嗪的硝化過程。

2.3.1 吡啶、吡嗪電子云密度的比較

通過高斯軟件，計算苯環、吡啶環和吡嗪環的電子云密度，計算結果如圖4所示。從計算結果可以看出，隨著芳環上N 原子個數的增加，C 原子上的電子云密度呈下降趨勢。因硝化是親電取代反應，芳環上C 原子的電子密度降低將導致硝化反應難以進行。實驗結果也表明，2，6-二甲氧基吡嗪的硝化產率較2，6-二氨基吡啶低。

2.3.2 取代基的影響

電子云密度還與芳環上取代基團的供吸電性及數量有關。由于氮原子的電負性較強，吡啶/吡嗪環上的電子云密度不像苯環完全平均化，氮原子附近電子云密度較高，環上碳原子的電子云密度有所降低。α 位的硝化等親電取代反應較苯困難。若分子中含有供電子基團，環上碳原子的電子云密度將增大，親電的硝化反應也會相對容易進行。氨基和甲氧基屬于給電子基團，屬于鄰、對位定位基團，而向吡啶/吡嗪環上引入的氨基/甲氧基恰好在進攻試劑的鄰對位，有利于硝化反應進行。

圖4 吡啶環和吡嗪環的電子云密度比較Fig.4 Comparison of electronic cloud densities of prydine and pyrazine

如圖5所示為2，6-二甲氧基吡嗪硝化的各中間體的能壘圖。圖中數據表明，供電基團如—OCH3、—NH2的引入，可以有效降低零點能，使得分子更加穩定，更有利于硝化反應的進行。硝化之后，分子能量有所上升，這是由于吸電基團—NO2的引入導致的。

圖5 2，6-二甲氧基吡嗪硝化的中間體能壘圖Fig.5 Energy barriers of intermediates in the nitration of 2，6-dimethoxypyrazine

3 結論

本文以2，6-二氨基吡啶和2，6-二甲氧基吡嗪為典型底物，研究了含供電基團的吡啶/吡嗪類的硝化反應。研究結果表明:

1)從硝化體系和硝化收率的實驗數據可知，2，6-二氨基吡啶和2，6-二甲氧基吡嗪的硝化過程較難進行;而芳香環里含有2 個N 的吡嗪類化合物硝化收率低，更難硝化。

2)在H2SO4-SO3/HNO3硝化體系中，95%HNO3和發煙H2SO4體積比為1∶5時，30 ℃下反應，2，6-二氨基-3，5-二硝基吡啶產率可達90% 以上;2，6-二甲氧基吡嗪的硝化中，在硝酸與硫酸(發煙硫酸)的摩爾比在1∶3左右時，硝化產率較高。而在硝化能力更強的20%發煙硫酸-硝酸鉀體系中，當硝酸鉀與發煙硫酸的摩爾比為1∶3.5 時2，6-二甲氧基-3，5-二硝基吡嗪產率達到67.8%.

3)高斯計算的結果也驗證了上述結論。隨著芳環上N 原子個數的增加，C 原子上的電子云密度呈下降趨勢，導致硝化反應難以進行;另一方面，分子中供電子基團的引入使得環上碳原子的電子云密度增大，親電的硝化反應也會相對容易進行。

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