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4-氨基-1,2,4-三氮唑二硝基胍盐的合成及量子化学研究

来源:小奈知识网
第36卷第6期 2 0 1 3年1 2月 火炸药学报 Chinese Journal of Explosives&Propellants 15 4一氨基一1,2,4一三氮唑二硝基胍盐的合成 及量子化学研究 金兴辉,胡炳成,贾欢庆,刘祖亮,吕春绪 (南京理工大学化工学院,江苏南京210094) 摘要:以二硝基胍和4一氨基1,2,4一三氮唑为原料,经中和反应制备了一种新型含能离子盐4一氨基一1,2,4三氮唑 二硝基胍盐并对其结构进行了表征。运用密度泛函理论(DFT),在B3LYP/6—31+G 理论水平下,计算了该含能 离子盐的几何结构、红外光谱、热力学参数(比热容、焓、熵)及这些参数和温度之间的函数关系。用Monte—Carlo方 法,Born—Haber循环和Kamlet—Jaeobs公式估算了该离子盐的理论密度、生成热、爆速和爆压。结果表明,该离子盐 的理论密度、生成热、爆速和爆压分别为1.72 g/cm。、313.92 kJ/mol、8.15 km/s和28.53 GPa。 关键词:有机化学;4-氨基一1,2,4一三氮唑;二硝基胍;含能离子盐;密度泛函理论 中图分类号:TJ55;O629.6 文献标志码:A 文章编号:l007—7812(2Ol3)06—0015-05 Synthesis and Quantum Chemical Studies of 4-Amion一1,2,4-Triazole Dinitroguanidium JIN Xing-hui,HU Bing—cheng,JIA Huan-qing,LIU Zu—liang,Ln Chun—XU (School of Chemical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China) Abstract:A new energetic ionic salt,4-amion-1,2,4-triazole dinitroguanidium,was prepared via neutralization reaction U— sing 4-amino-1,2,4-triazol and dinitroguanidine as raw materials.Its structure was characterized.The geometry,infrared spectrum and thermodynamic parameters(specific heat capacity,enthalpy and entropy)and function relation between these parameters and temperature of the energetic ionic salt were calculated at the B3LYP/6—31+G level using density function— al theory(DFT).The theoretical density,enthalpy of formation,detonation velocity and detonation pressure of the ionic salt were estimated using Monte-Carlo method,Born-Haber cycle and Kamlet-Jacobs formulae,respectively.The results show that theoretical density,enthalpy of formation,detonation velocity and detonation pressure of the ionic salt were 1.72 g/era3,313.92 kJ/mol,8.15 km/s and 28.53 GPa,respectively. Key words:organic chemistry;4-amino一1,2,4-triazol;dinitroguanidine;energetic ionic salt;density functional theory 含能离子盐也日渐成为含能材料研究领域的热点, 引 言 现代军事科学技术和高科技武器装备的发展, 与其分子类似物相比,多氮含能离子盐具有蒸汽压 低、密度高、热稳定性好等优点E3-5]。文献报道的有 对弹药技术提出更高的要求。新型高能量密度化 合物(HEDC)作为重要参与者,其稳定性和环境友 好性受到广泛关注_1 ]。在所有的HEDC中,多氮 化合物因其分子结构中含有大量N—N,C—N,C— 机含能离子盐多为含氮杂环化合物阴离子,如3,4, 5一三硝基吡唑盐[6]、4一氨基一3一(5一四唑基)呋咱盐_7] 和三羟基三硝基苯盐 等。这些含能阴离子存在合 成步骤繁琐、成本较高等缺陷。二硝基胍作为一种 新型含能材料,不仅合成步骤简单、原料易得,而且 密度(1.884 g/cm。)_9]也仅低于HMX(1.9O g/ cm。)Ⅲl 。因此,以二硝基胍阴离子为基的含能离子 N及N—N键并且具有很高的生成焓而备受关注。 近年来,在研究多氮中性单质炸药的基础上,多氮 收稿日期:2013—06—18; 修回日期:2013—09—08 基金项目:国家自然科学基金一中国工程物理研究院联合基金资助(11076017)。 作者简介:金兴辉(1986一),男,博士研究生,从事含能材料的合成与性能研究。 通讯作者:胡炳成(1969一),男,博士,教授,从事含能材料的合成及性能研究。 16 火炸药学报 第36卷第6期 盐是一种较为理想的新型高能炸药候选物,具有广 阔的应用前景。 传统的硝基化合物能量主要来自碳骨架燃烧, 而富氮化合物的能量大部分来自正的生成焓。因 此,将富氮阳离子引入呈酸性的二硝基胍阴离子非 常有意义。研究表明,唑类环状化合物因其拥有较 高的氮含量以及较高的密度和生成热而成为最佳 含能阳离子配体的候选之一。同时在唑环上加入 氨基不仅会增加氮含量,而且能提高生成焓,进而 提高爆轰性能。本研究设计并合成了一种新型含 能离子盐4一氨基一1,2,4三氮唑二硝基胍盐,并用量 子化学方法预估了其结构和相关性质。 1 实 验 1.1仪器与试剂 IR 435型红外光谱仪,日本岛津公司;500 MHz 核磁共振仪,德国Bruker公司;Finnigan TSQ Qua— ntumuhra AM型质谱仪,美国Thermal公司; WRS一1B型数字熔点仪,上海精密科学仪器有限 公司。 纯硝酸,自制;硝基胍,吴江市东吴农化有限公 司;其他试剂和溶剂均为市售分析纯或化学纯。 1.2二硝基胍的合成 参照文献_1 并进行了改进,取3.8mL硝酸与 9.75 mI 质量分数2O 发烟硫酸配成混酸,倒入 装有搅拌器、温度计及恒压漏斗的100 mL三口烧 瓶中,然后向混酸中加入1.0 g硝酸铵,冰浴冷却 至约10。C。取2.6 g(0.25 oto1)硝基胍溶于4 mI 发烟硝酸配成二硝基胍一发烟硝酸溶液,剧烈搅拌 下缓慢滴加到混酸中(温度控制在10℃以下),滴 加完毕继续反应8 h。反应完毕将酸液倒人约50 g 冰中,乙酸乙酯萃取(4×50 mI ),冷水洗涤(2× 10 mL),然后用冷却的质量分数为10 氢氧化钠 溶液洗涤萃取液至pH值为4左右,无水硫酸镁干 燥,旋蒸除去乙酸乙酯(回收再次用于萃取),得白 色固体2.43 g,用无水甲醇重结晶得2.3 g片状晶 体,产率61.76 。 m.P.168~169。C; H NMR(DMSO-d , 500MHz) :9.61(s,2H),13.25(S,lH); C NMR(DMSO-d ,125 MHz) :156.4;IR(KBr),u (cm一 ):3 418,3 318,1 649,1 621,1 292,1 248, 1 038;ESI—MS, /z:147.9 I M—H l。 1.3 4-氨基一1,2,4,一三氮唑的合成 参照文献… 方法合成4一氨基一1,2,4三氮唑,产 率85.5 ,m.P.88 ̄89℃,其他数据参见文献E12]。 1.4 4一氨基一l,2,4一三氮唑二硝基胍盐的合成 取1.49 g(0.01too1)二硝基胍,搅拌使其完全 溶于无水甲醇;称取等摩尔量的4一氨基一1,2,4一三氮 唑溶于无水甲醇,然后将4一氨基一1,2,4一三氮唑一无 水甲醇溶液缓慢滴加到上述二硝基胍一无水甲醇溶 液中,滴加过程中立即产生白色沉淀。滴加完毕, 室温下继续搅拌l h,抽滤得白色固体,用无水甲醇 洗涤多次,50℃下烘干,产率83.46 。其分子结构 式见图1。 NH、  l‘ N HCOO N--NH: N—N NO NH l XN/NO ̄图1 4-氨基一1。2。4-三氮唑二硝基胍盐的合成路线 Fig.1 Synthetic route of 4-amion l,2,4-triazole dinitroguanidium m.P.137~138。C; H NMR(DMSO—d ,500 MHz)H  :6.86(3H,S,NH。。和NH 2),9.23(2H, S,CH),9.49(2H,S,NH2);Z\  C NMR(DMSO— d ,125 MHz) :144.6,l63.0;IR(KBr), u(cm ):3 344,3 249,3 106,2 857,2 706,1 620, 138,1 221,734;ESI—MS, /z:147.9 I M—H , 85.0[M+HI’’。 1.5计算原理与方法 运用Gaussian 03程序u ,采用密度泛函理论 的B3I YP法,在6-31+G 基组水平上首先对1氨 基三唑二硝基胍盐的结构进行几何全优化,得到其 稳定的几何构型并在此基础上分析了自然原子电 荷以及前线轨道能量;通过Fred关键词进行频率分 析计算得到其IR谱以及不同温度下的热力学常 数;采用Monte—Carlo方法计算体积,进一步得到理 论密度[1们;运用Born—Haber循环计算生成焓;基于 理论密度以及生成焓,用Kamlet—Jacobs公式[1 预 估了爆速、爆压和爆热等爆轰性能。 2结果与讨论 2.1 几何构型与自然原子电荷 4一氨基一1,2,4一三氮唑二硝基胍盐在DFT的 N=]<N 旦 18 火炸药学报 第36卷第6期 D一1.01(NM / Q / ) / (1+1.3p) 一三氮唑二硝基胍盐其他热力学性质和爆炸性能具 有重要作用。 2.3 爆轰性能 (4) 1.558p NM /。Q /。 (5) 式中:D为爆速,km/s;户为爆压,GPa;N为每克炸 药爆轰生成气体的摩尔数,mol/g;M为气体产物的 平均摩尔质量,g/mol;Q为每克炸药的爆轰化学 Kamlet—Jacobs公式是计算CHON类高能量密 度化合物爆速(D)、爆压( )和爆热(Q)最常用、最 简易的方法。对于分子式为C H O N 的炸药,其 爆速、爆压和爆热可以用下述公式计算: 能,cal/g;p为采用Monte—Carlo方法计算的理论密 度,g/cm。,N,一M及Q可通过表3中的公式得到。 表3 Kamlet Jacobs方程中各参数求解方法(化合物为C HbO。Nd形式) Table 3 Calculation methods of parameters in Kamlet—Jacobs equation(C。H b O Nd) 根据表3中的公式并结合Kamlet Jacobs方程 可知,为得到爆轰参数D和p的计算值,必须得到 该化合物的标准摩尔生成焓。因此,对于离子晶体 离子取5,非线型多原子离子取6,品格能方程中 U… 可由方程(8)得到: U T(kJ/mo1)一l 981.2(p/M) 。+l03.8(8) 化合物,可以运用Born—Haber循环(见图4)计算该 化合物的标准摩尔生成焓。 eg ̄41:#ga(固态或液态)二 Ld c(s)+b H,(g)+fH,(g)+dO (g) 式中:p为计算得到的理论密度,g/cm。;M为离子盐 的相对分子质量,g/mol。通过设计等键反应计算 阴阳离子的生成焓,通过质子化反应计算母体离子 的生成焓,其中△H}(H。。)===1 530kJ/tool。 阳离子(气态 综合以上各式计算得到该离子盐的生成热为 313.92 kJ/mol,爆轰性能参数P,D,P,OB的值分别 为1.72 g/cm。,8.15 km/s,28.53 GPa,37.76 。性 图4 由离子液体形成的Born—Haber体系 能优于TNT炸药(fD,D,P,OB值分别为1.65 g/ cm ,6.90km/s,28.1GPa,一74 )E j (产物摩尔量分别为a。b。c。d) Fig.4 The Born—Haber circle of ionic liquids (n,6,C,d are molar weights of the products) 3 结 论 (1)以二硝基胍和l,2,4一三氮唑为原料,制备 出4一氨基一1,2,4-三氮唑二硝基胍盐,产率为 61.76 。此外,在硝化剂中加入硝酸铵,当发烟硫 (6) 根据该循环体系,涉及到的含能盐生成热可由 以下方程计算得到: △H (ionic salt,298K)一∑△H (cation,298K)+ ∑△H?(anion,298 K)一△H1 l酸中S()。的质量分数由65 降至20 时,其产率 高于文献报道值(60 )。 (2)采用密度泛函理论,在B3LYP/6 31+G” 式中:△H 为离子盐的品格能;对1:1型离子盐, 考虑阳离子和阴离子非线性性质,△H 由方程 (7)l】 得到: 理论水平下得到4一氨基一1,2,4一三氮唑二硝基胍盐 的优化结构,并在此基础上计算得到4一氨基1,2,4 三氮唑二硝基胍盐的红外光谱;计算了该化合物在 2004800K内的热力学参数C ,S:, 和H:, 均随 温度的升高而增大;利用Born—Haber循环求得该 △H 一U T+Ep(n /2—2)+q( /2—2)]/RT (7) 式中:n 和 分别由离子MI 和X 的性质决定; p、q分别为阳、阴离子的电荷数;R为压力常数值; T为温度。n的值对于单原子离子取3,线型多原子 化合物的生成热为313.92 kJ/mol,进一步得到该化 第36卷第6期 金兴辉,胡炳成,贾欢庆,等:4一氨基一1,2,4一三氮唑二硝基胍盐的合成及量子化学研究 19 合物的密度为1.72g/cm。,爆速8.15 km/s,爆压 28.53 GPa,氧平衡37.76 。 参考文献: E l i Kerth J,L6bbecke S.Propellants,synthesis and cha— rac—terization of 3,3 一azobis(6-amino—l,2,4,5一 tetrazine)DAAT——a new promising nitrogen—。rich corn— pound[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics, 2002,27(3):111-118. 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