微波辅助合成1，3，5-三取代六氢均三嗪类化合物

余秦伟，李亚妮，杨建明，薛云娜，葛忠学，吕 剑

（西安近代化学研究所，陕西 西安710065）

引 言

新型高能量密度炸药研制开发的重点主要是对其非爆炸性母体环的合成研究。未来高能量密度化合物合成的首要问题是合成它的非爆炸性母体［1］。1，3，5-三取代六氢均三嗪类化合物是RDX合成的重要母体，进一步硝化可制得不含HMX 的高纯RDX［2-4］。1，3，5-三取代六氢均三嗪类化合物主要是由酰胺等与甲醛缩合反应制得，其合成过程中产生大量难以处理、不可回收的废弃物对环境产生较大污染，不符合绿色化学工业的发展方向。探索环境友好的高效合成方法，提高原子利用率是实现其绿色合成急需解决的问题。

微波作用能激发化合物分子某些反应活性中心，选择性进行常规条件下很难发生的反应，并以其高效、清洁等诸多优势受到科研工作者的重视，广泛用于各种有机反应，并且随着微波反应器的发展，将逐步解决其规模化应用问题，具有广阔的应用前景［5-8］。本实验以有机腈和三聚甲醛为原料，采用微波辅助合成1，3，5-三取代六氢均三嗪类化合物，取得了较好的结果。

1 实 验

1.1 材料及仪器

丁腈，苯甲腈，化学纯，成都市科龙化工试剂厂；三聚甲醛，天津Alfa Aesar公司，纯度98%；其他为常规分析纯试剂，未经说明均未经过处理直接使用。

河南巩义市予华仪器有限责任公司WBFY-201型微电脑微波化学反应器；美国Nicolet公司Nexus870型傅里叶变换红外光谱仪；美国Varian公司500MHz INOVA 核磁共振波谱仪。

1.2 1，3，5-三丙酰基六氢均三嗪的合成

向微波反应器专用的50mL 单口烧瓶中加入22.0g（0.4mol）丙腈，3.6g（0.04mol）三聚甲醛和适量催化剂，然后放置于微波反应器中，启动微波反应器，冷凝回流。冷却，得到黄色固体。用N，N-二甲基甲酰胺重结晶，得到白色固体，熔点173.1～173.8℃。

1.3 1，3，5-三取代六氢均三嗪的合成

向微波反应器专用的50mL 单口烧瓶中加入0.12mol有机腈，12mL1，2-二氯乙烷和适量催化剂，启动微波反应器，冷凝回流。将3.6g（0.04mol）三聚甲醛溶于12mL 1，2-二氯乙烷的溶液缓慢滴加到反应烧瓶中，反应50～150s。冷却，过滤，得到白色粉末状固体，溶剂回收循环使用。重结晶，得到白色粉末状固体。

1.4 化合物的表征

1，3，5-三乙酰基六氢均三嗪：m.p.70.3～71.8℃；1H NMR（DMSO，500MHz），δ：2.12（s，9H，CH3），5.22（s，6H，N-CH2-N）；IR（KBr），ν（cm-1）：2 970，1 635。

1，3，5-三丙酰基六氢均三嗪：m.p.173.1～173.8℃；1H NMR（DMSO，500MHz），δ：0.96～0.99（t，9H，CH3），2.45～2.51（q，6H，CH2），5.23（s，6H，N-CH2-N）；IR（KBr），ν（cm-1）：2 980，2 943，2 881，1 464，1 369，1 650。

1，3，5-三丁酰基六氢均三嗪：m.p.69.2～71.2℃；1H NMR（DMSO，500MHz），δ：0.94～0.97（t，9H，CH3），1.61～1.69（q，6H，CH2），2.49～2.52（t，6H，CH2），5.28（s，6H，N-CH2-N）；IR （KBr），ν（cm-1）：2 960，2 934，2 873，1 466，1 649。

1，3，5-三苯甲酰基六氢均三嗪：m.p.220.3～223.0℃；1H NMR（DMSO，500MHz），δ：5.33（s，6H，N-CH2-N），7.36～7.42（m，15H，苯环）；IR（KBr），ν（cm-1）：3 034，3 058，1 670，1 649，1 601，721，697。

2 结果与讨论

2.1 催化剂对1，3，5-三丙酰基六氢均三嗪合成的影响

分别以浓硫酸、对甲苯磺酸、氨基磺酸、苯基磺酸中孔硅基材料（PSA-FMs）［9］和咪唑的硫酸氢盐型离子液体等作为催化剂，研究了其在1，3，5-三丙酰基六氢均三嗪合成中的催化活性，结果如表1所示。

表1 催化剂对1，3，5-三丙酰基六氢均三嗪合成反应的影响Table 1 Effect of catalysts on synthesis reaction of compound 1，3，5-tripropionyl-perhydro-s-triazines

从表1可以看出，三聚甲醛与丙腈反应时，用浓硫酸和离子液体作为该反应的催化剂，转化率和目标产物的选择性分别在98%、96%和97%、95%以上；对甲苯磺酸、盐酸、磷酸和氨基磺酸作为催化剂时，其转化率低，无目的产物生成；用苯基磺酸中孔硅基材料作为催化剂，目的产物选择性92%，转化率仅为48%；用硫酸铜、三氯化铁和三氯化铝作为催化剂，生成不明聚合物，不能得到目的产物。上述结果说明，丙腈与三聚甲醛反应为Brönsted酸（B酸）催化过程，其中浓硫酸和咪唑的硫酸氢盐型离子液体催化活性好。但离子液体是强极性反应介质，微波作用时，丙腈与三聚甲醛反应十分剧烈，很难控制。而在微波作用下，极少量的浓硫酸即可有效催化丙腈与三聚甲醛的反应，顺利生成目的产物。因此，从安全和实用角度考虑选择浓硫酸作为该反应的催化剂。

B酸作为催化剂时，酸的强度对其在该反应中的催化活性具有很大影响。对甲苯磺酸和氨基磺酸的酸强度相对较小，对该反应催化活性低。浓硫酸和离子液体的酸强度都高，对该反应的催化活性高。盐酸的酸强度也较高，但催化活性低。其原因是由于盐酸含有较多水分，反应体系中大量水的引入，会导致反应很难发生。

2.2 微波对1，3，5-三丙酰基六氢均三嗪收率的影响

微波作用下，以1，3，5-三丙酰基六氢均三嗪合成为例，考察了微波照射功率（P）、反应时间（t）、催化剂用量（V）等因素对目标产物收率（y）的影响，结果如表2所示。

表2 微波作用下丙腈与三聚甲醛的反应结果Table 2 Reactions results of propionitrile and trioxane under microwave irradiation

从表2可以看出，在催化剂用量一定的条件下，用不同功率微波照射时，完全反应所用时间有所差异，但表现出相同的规律：随着微波功率的增大，完全反应的时间呈现先减小后逐渐增大的趋势，在240W 微波照射时时间最短。这可能是由于反应活化能一定，而在微波功率较小时，激发体系反应物达到所需能量需要较长时间，微波功率升高则能有效加快这一进程；从宏观上来说，该反应是放热反应，在反应中间体三聚过程中放出大量的热，当微波功率再增大时，由于亚胺中间体分子动能过大，激烈碰撞发生副反应，一定程度上阻碍了中间体三聚合环所致。

从表2还可以看出，微波功率一定时，随着催化剂用量的增加，反应时间明显缩短。在功率400W时，随着催化剂用量的增加，反应时间明显缩短，并且，微波功率的变化对完全反应时间的影响明显减弱。当催化剂用量为0.05mL 时，最短反应时间（93s）和最长反应时间（134s）相差41s；催化剂用量为0.2mL ，最短反应时间（44s）和最长反应时间（50s）则只相差6s，微波功率对反应的影响明显减弱。这可能是由于在催化剂用量较小时催化活性中心较少，微波功率影响反应物活化的幅度较大；催化剂用量较大时，催化活性中心增加，易于活化反应物分子，能有效加快反应速率。

2.3 其他1，3，5-三取代六氢均三嗪化合物的合成

研究了在微波照射下其他取代基的六氢均三嗪类化合物的合成，结果见表3。

表3 微波作用下不同取代基有机腈与三聚甲醛反应结果Table 3 Reactions results of nitriles and trioxane under microwave irradiation

从表3可以看出，丙腈和三聚甲醛不仅有很好的反应结果，微波照射对其他有机腈与三聚甲醛的反应也有很好的促进作用，目标产物的收率较高。但实验中发现，在微波照射下，乙腈、丁腈、苯甲腈和三聚甲醛反应需要加入少量有机溶剂才能顺利进行；无溶剂存在时，乙腈和三聚甲醛不能顺利生成1，3，5-三乙酰基六氢均三嗪，丁睛、苯甲腈与三聚甲醛反应则生成不明黑色液态物质。总体来说，微波照射作用能有效促进有机腈和三聚甲醛的反应，使反应时间大大缩短［10］，是1，3，5-三取代六氢均三嗪类化合物合成的有效方法。

2.4 1，3，5-三取代六氢均三嗪的合成机理

有机腈与三聚甲醛的反应大体可以分为4个步骤：（1）三聚甲醛发生解离并质子化，转变成羟基碳正离子；（2）在溶剂的诱导作用下，腈基N 原子上的电子进攻碳正离子发生亲核加成，形成含碳正离子的亚胺；（3）端基碳上的羟基通过和碳正离子形成一个不稳定的四元环过渡态进行重排，并脱去质子，形成α-羰基亚胺；（4）α-羰基亚胺三聚形成1，3，5-三丙酰基六氢均三嗪。该反应过程为B酸催化过程，其显著特征是质子的转移，这与实验结果一致。实验中发现，有机腈与三聚甲醛发生反应时需要经历一个较长的诱导过程，然后在短时间内剧烈反应，放出大量热，出现强烈的冲温现象。这可能与α-羰基亚胺在三聚时释放出大量的能量有关。

3 结 论

（1）在有机腈与三聚甲醛反应中，微波照射能有效活化反应物分子，加快反应速率，大幅度缩短了反应时间，提高了反应器利用效率。

（2）微波辅助作用实现了1，3，5-三取代六氢均三嗪类化合物无溶剂合成或循环使用溶剂合成，取得了满意的收率，为实现该类化合物的绿色合成提供了一种新方法。

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