12,52-二羥基-15,55-二甲基-14,16,34,36,54,56,74,76-八硝基-2,4,6,8-四氧橋連-1,3,5,7(1,3)-杯[4]芳烴的合成

鄒芳芳, 張行程, 張夢嬌, 胡文祥,3,4*

(1. 武漢工程大學 化工與制藥學院，湖北 武漢 430205； 2. 信陽師范學院 化學化工學院 信陽市綠色催化和合成重點實驗室，河南 信陽 464000； 3. 北京神劍天軍醫學科學院京東祥鵠微波化學聯合實驗室，北京 101601； 4. 中國人民解放軍戰略支援部隊航天系統部，北京 100101)

杯芳烴類化合物最早是由奧地利科學家Zinke在1942年合成的，并被美國科學家Gutsche命名為杯芳烴[1]。杯芳烴具有獨特的空穴結構，易于修飾，且合成較為簡單，在分析化學、工業、醫學及化學傳感器等領域得到廣泛應用[2-8]。

耐熱炸藥是指經受長時間高溫環境后仍能可靠起爆的一類炸藥。這類炸藥具有較高的熔點和熱分解溫度，以及較低的蒸氣壓，已被廣泛應用于民用射孔彈等領域。如二苦氨基-二硝基吡啶(PYX)[9]，六硝基芪(HNS)[10]， 1,3,5-三硝基-2,4,6-三胺基苯(TATB)[11]，四硝基二苯并四氮雜戊烯(TACOT)[12]， 5,5′-雙(2,4,6-三硝基苯基)-2,2′-二(1,3,4-惡二唑)(TKX-55)[13]等。杯芳烴類化合物通常也具有較高熔點和熱分解溫度，因此被用作耐熱炸藥的母體[14-17]。Katz[18]等報道了一種室溫合成杯芳烴的方法，并發現在杯芳烴結構中引入硝基能有效提高化合物的爆轟性能。

本研究在文獻[14-16]方法的基礎上，以1,5-二氟-2,4-二硝基苯和3,4,5-三羥基甲苯為起始原料進行成環反應得15,55-二甲基-12,52-二羥基-34,36,74,76-四硝基-2,4,6,8-四氧橋連-1,3,5,7(1,3)-杯[4]芳烴(3)；中間體3與硫酸二甲酯在碳酸鉀的作用下進行甲基化反應得12,52-二甲氧基-15,55-二甲基-34,36,74,76-四硝基-2,4,6,8-四氧橋連-1,3,5,7(1,3)-杯[4]芳烴(4)；將中間體4用濃硫酸和硝酸鉀的混合體系硝化后得15,55-二甲基-12,52-二羥基-14,16,34,36,54,56,74,76-八硝基-2,4,6,8-四氧橋連-1,3,5,7(1,3)-杯[4]芳烴(5)；中間體5用氫溴酸脫甲基后得到目標產物12,52-二羥基-15,55-二甲基-14,16,34, 36,54,56,74,76-八硝基-2,4,6,8-四氧橋連-1,3,5,7(1,3)-杯[4]芳烴(6, Scheme 1)。

Scheme 1

Scheme 2

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

JNM-ECZ600R/S3-600 MHz型核磁共振儀(TMS為內標)；K-Alpha X-射線光電子能譜儀；Nicolet iS50 型傅立葉變換紅外光譜儀(KBr壓片)。

三甲氧基甲苯，間二氟苯，北京偶合科技有限公司；硝酸鉀，98%硫酸，無水乙腈，國藥集團化學試劑有限公司；其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1) 1,5-二氟-2,4-二硝基苯(7)的合成

冰水浴冷卻，攪拌下向100 mL茄形瓶中依次加入25 mL硫酸和25 mL發煙硝酸，緩慢滴加間二氟苯11.4 g(0.1 mol)，滴畢，攪拌下反應2 h。緩慢升至室溫，攪拌反應過夜。將混合物緩慢倒入冰水中，有大量沉淀析出，過濾，濾餅用水反復洗滌至中性得米黃色固體718.97 g，收率93.00%;1H NMR(600 MHz, DMSO-d6)δ: 8.286～8.234(m, 1H), 7.539～7.465(m, 1H);13C NMR(150 MHz, DMSO-d6)δ: 156.605～160.439(m, 1C), 133.705, 125.456, 110.784～110.073(m, 2C); Anal. calcd for C6H2N2O4F2: C 35.02, H 1.03, F 18.55, N 13.72, found C 35.31, H 0.99, F 18.62, N 13.73, O 31.36。

(2) 3,4,5-三羥基甲苯(2)的合成

在圓底燒瓶中加入三甲氧基甲苯20.0 g(109.74 mmol)，乙酸30 mL，攪拌下加入47%氫溴酸175 mL，加畢，于105 ℃反應至終點(TLC監測)。將反應混合物在真空條件下濃縮至10 mL,殘余物過濾得粉紅色固體214.17 g，收率92.13%;1H NMR(600 MHz, CDCl3-d1)δ: 6.294(s, 2H), 2.186(s, 3H);13C NMR(150 MHz, CDCl3-d1)δ: 143.766, 130.352, 129.270, 108.790, 21.046; Anal. calcd for C7H8O3: C 60.25, H 5.56, found C 60.00, H 5.75, O 34.25。

(3)3的合成

在圓底燒瓶中依次加入無水乙腈300 mL， 3,4,5-三羥基甲苯14.0 g(0.1 mol, 1.0 eq.)和三乙胺60.6 g(0.6 mol, 6.0 eq.)，緩慢加入1,5-二氟-2,4-二硝基苯，加畢，攪拌反應30 min；緩慢加熱至回流(約80 ℃)，反應30 h。冷卻至室溫，過濾，濾餅依次用乙醇和水洗滌得黃色固體325.75 g，收率84.7%;1H NMR(600 MHz, DMSO-d6)δ: 10.213(s, 2H), 8.872(s, 2H), 7.012(s, 4H), 5.644(s, 2H), 2.147(s, 6H);13C NMR(150 MHz, DMSO-d6)δ: 156.673, 141.037, 139.362, 131.798, 130.994, 126.407, 122.376, 101.714, 20.127; Anal.calcd for C26H16N4O14: C 51.02, H 2.58, N 9.37, found C 51.33, H 2.65, N 9.21, O 36.81。

(4)4的合成

冰水浴條件下，依次將化合物312.16 g(20 mmol)，碳酸鉀6.62 g(48 mmol, 2.4 eq.)加入到二甲亞砜70 mL中，緩慢滴加硫酸二甲酯5.05 g(48 mmol, 2.4 eq.)，滴畢，緩慢升至室溫，繼續反應18 h。緩慢傾入冷卻的1N鹽酸溶液中，有大量沉淀析出，過濾，濾餅用水洗滌至中性，真空干燥得黃色固體412.51 g，收率98.35 %;1H NMR(600 MHz, DMSO-d6)δ: 8.905(s, 2H), 7.174(s, 4H), 5.606(s, 2H), 3.570(s, 6H), 2.227(s, 6H);13C NMR(150 MHz, DMSO-d6)δ: 155.984, 145.949, 141.286, 137.322, 131.970, 126.426, 122.922, 102.451, 62.764, 20.663. Anal.calcd for C28H20N4O14: C 52.77, H 3.19, N 8.92, found C 52.84, H 3.17, N 8.80, O 35.19。

(5)5的合成

冰水浴冷卻，攪拌下將濃硫酸(98%, 75 mL)加入到250 mL 三口燒瓶中，緩慢加入粉末狀硝酸鉀10.2 g(0.1 mol, 6.0 eq.)，待硝酸鉀完全溶解后，加入化合物49.7 g(15.25 mmol, 1.0 eq.)，加畢，攪拌下于0 ℃反應2 h；攪拌下于室溫反應20 h。緩慢傾入劇烈攪拌的冰水中，過濾，濾餅依次用冷水、冰乙醇(100 mL)洗滌得淡黃色固體510.02 g，收率80.5%;1H NMR(600 MHz, DMSO-d6)δ: 8.956(s, 2H), 7.272(s, 2H), 3.535(s, 6H), 2.325(s, 6H);13C NMR(150 MHz, DMSO-d6)δ:152.259, 142.713, 141.487, 134.153, 125.689, 122.568, 105.888, 63.357, 13.837; Anal. calcd for C28H16N8O22: C 41.01, H 1.85, N 13.92, found C 41.19, H 1.98, N 13.72, O 43.11。

(6)6的合成

在100 mL圓底燒瓶中加入化合物55.0 g(6.12 mmol)，乙酸20 mL，攪拌下加入47%氫溴酸50 mL，于60 ℃反應至終點。在真空條件下，將反應液濃縮至10 mL，殘余物過濾得黃色固體64.51 g，收率93.4%;1H NMR(600 MHz, DMSO-d6)δ: 8.822(s, 2H), 7.145(s, 2H), 2.241(s, 6H);13C NMR(150 MHz, DMSO-d6)δ: 153.015, 143,211, 142.244, 136.825, 133.866, 125.478, 115.885, 104.684, 13.454; Anal. calcd for C26H12N8O22: C 39.77, H 1.48, N 14.26, found C 39.61, H 1.53, N 14.21, O 44.64。

2 結果與討論

以1,5-二氟-2,4-二硝基苯和3,4,5-三羥基甲苯為起始原料，合成出化合物12,52-二羥基-15,55-二甲基-14,16,34,36,54,56,74,76-八硝基-2,4,6,8-四氧橋連-1,3,5,7(1,3)-杯[4]芳烴(化合物6)，該方法具有合成簡便、產率較高、產物不溶于水，易于純化等優點。化合物6的空腔內具有兩個羥基，可以進行諸如杯芳烴類化合物的分子識別等研究。