2,6-二氨基吡嗪-1-氧化物的合成优化

王金敏，杜 杨

(南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094)

2,6-二氨基吡嗪-1-氧化物的合成优化

王金敏，杜 杨

(南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094)

以亚胺基二乙腈为起始原料，经过亚硝化、环化两步反应得到2,6-二氨基吡嗪-1-氧化物(DAPO)，总产率为66.6%。采用1H NMR、IR、MS对其结构进行了表征。研究了环化反应的催化剂、氢氧化钠用量、反应起始温度等因素对DAPO总收率的影响。将传统合成方法中的催化剂三乙胺用氢氧化钠代替，确定了环化反应制备DAPO的最佳工艺条件为：N-亚硝基亚氨基二乙腈、盐酸羟胺、氢氧化钠质量比为1.0∶0.6∶1.0，初始温度5～10℃，反应时间30min，随后反应温度20℃，反应时间2h。结果表明，与传统三乙胺作催化剂的合成方法相比，以氢氧化钠作环化反应催化剂合成DAPO的收率由57.0%提高至78.7%。结合DAPO的合成过程，提出了2,6-二氨基吡嗪-1-氧化物(DAPO)的成环机理为：羟胺亲核加成N-亚硝基亚氨基二乙腈的氰基，生成N-亚硝基亚氨基二乙腈单缩合产物，在碱作用下与羟胺缩合成环，得到最终产物DAPO。

有机化学；亚氨基二乙腈；2,6-二氨基吡嗪-1-氧化物；DAPO；合成优化

引 言

1994年，美国劳伦斯利菲莫尔国家实验室首次合成出2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-1-氧化物(LLM-105)[1]。LLM-105为亮黄色针状晶体，密度为1.913g/cm3，氧平衡为-37.03%，放热峰温为342℃，综合性能介于HMX和TATB之间，能量比TATB高25%，是HMX的81%～90%，晶体密度下的理论爆速为8560m/s[2]。研究发现，LLM-105在较宽的温度范围内具有较高的热稳定性，面对冲击波、火花和摩擦撞击非常钝感，与TATB相当[3]。

目前，传统合成LLM-105的方法是以2,6-二氯吡嗪为起始原料，经过取代、硝化、氨化、氧化4步反应[3-5]。此方法存在合成过程复杂、合成原料昂贵等缺点。另外，该方法氧化过程要用到双氧水和三氟乙酸氧化吡嗪环，产生难以处理的废水，造成严重环境问题，且反应不完全，有5%～8%(质量分数)原料残留在产物中，造成分离困难。另一种合成方法则以亚氨基二乙腈为原料，经过亚硝化、环化、硝化、氧化4步合成LLM-105[6]，从该方法发展出以亚氨基二乙腈为原料经亚硝化、环化、硝化3步反应合成LLM-105[7]。此方法解决了合成原料昂贵、环境污染大的问题，但是环化步骤采用三乙胺作催化剂，产率为57.1%[7]，难以满足大规模工业化生产要求。

亚氨基二乙腈为浅黄色至褐色粉末，熔点为75～78℃，主要用于除草剂草甘膦的合成，另外，作为一种重要的精细化工中间体，在染料、电镀、水处理、合成树脂等领域应用广泛，且价格低廉，因此，用亚氨基二乙腈合成LLM-105可以解决传统方法中合成原料昂贵的难题。

本研究对以亚氨基二乙腈为原料，经亚硝化、环化，合成LLM-105中间体2,6-二氨基吡嗪-1-氧化物(DAPO)，对比研究了多种催化剂对中间体DAPO收率的影响，确定了最佳反应条件，显著提高了DAPO的合成收率，同时提出了DAPO可能的成环机理。

1 实 验

1.1 试剂与仪器

亚氨基二乙腈，质量分数92%，上海达瑞精细化学品有限公司；亚硝酸钠，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；吡啶，分析纯，上海试剂一厂；碳酸氢钠、碳酸钠、三乙胺、氢氧化钠、盐酸羟胺，均为分析纯，成都市科龙化工试剂厂；硫酸、甲醇、其他试剂，均为分析纯。

Bruker Avance Ⅲ核磁共振氢谱仪，德国Bruker公司；Nicolet红外光谱仪，美国Thermo Fisher公司；Finnigan TSQ Quantum ultra AM型质谱仪，美国Thermo Finnigan公司；X-5纤维熔点测定仪,南京嘉美伦科学仪器有限公司。

1.2 DAPO的合成路线

DAPO的合成路线如图1所示。

图1 DAPO的合成路线Fig.1 Systhesis route of DAPO

1.3 N-亚硝基亚氨基二乙腈(化合物2)的合成

称取5.0g(52.6mmol)亚氨基二乙腈(化合物1)加入盛有45mL 浓度为1mol/L 硫酸水溶液的100mL三口烧瓶中,搅拌至溶解；室温下，向搅拌的溶液中加入4.0g(58.0mmol)亚硝酸钠。待反应温度冷却下来，加入第2份等量亚硝酸钠。过滤得到黄色沉淀，干燥，用乙酸乙酯-石油醚重结晶，得到5.6g淡黄色固体(化合物2)，收率为84.6%，m.p.38～39℃。

1H NMR(500MHz,DMSO-d6)δ：4.82(s，2H，CH2)，5.62(s，2H，CH2)；ESI-MS，m/z：159[M+Cl]-。

1.4 2，6-二氨基吡嗪-1-氧化物(化合物3)的合成

将1.0g(8.06mmol)N-亚硝基亚氨基二乙腈(化合物2)加至10g无水甲醇中，搅拌至溶解；冰水浴控制温度在5～10℃，缓慢加入0.6g(8.80mmol)盐酸羟胺，待其溶解后，边搅拌边加入氢氧化钠1.0g(25.0mmol)，加料完毕后，控制温度反应30min，溶液出现浑浊，浑浊由白色变为黄色，然后水浴20℃，TLC跟踪反应，2h后结束。过滤，甲醇洗涤沉淀，干燥，得到0.8g淡黄色固体(DAPO)，收率为78.7%，m.p.294～295℃。

1H NMR(500MHz,DMSO-d6)δ：6.69(s，4H，NH2)，7.32(s，2H，CH)；IR，υ(cm-1)：3398，3242，3200，3115，1609，1540，1229，837；ESI-MS，m/z：127[M+H]+。

2 结果与讨论

2.1 DAPO收率的影响因素

2.1.1 环化反应催化剂对DAPO收率的影响

不同的碱性催化剂对DAPO收率的影响结果见表1，反应条件为先冰水浴控温5～10℃，反应30min，再控温20℃，反应2h。

表1 5种催化剂对DAPO收率的影响

从表1可以看出，常用的无机碱Na2CO3和NaHCO3对成环反应没有效果，原因在于Na2CO3和NaHCO3在甲醇中溶解度很差，并且两者的碱性较弱，难以拔除与亚氨基相连的α碳上的氢质子，不能形成碳负离子，无法催化反应进行。传统方法使用的有机碱三乙胺合成DAPO收率为57.0%[7]，而碱性较三乙胺强的氢氧化钠和甲醇钠的合成效率则更好，其中氢氧化钠作催化剂时DAPO的收率达78.7%，主要是因为氢氧化钠在甲醇中溶解度有限，使反应缓慢，不易发生副反应。所以，合成DAPO较好的催化剂为氢氧化钠。

2.1.2 氢氧化钠质量对DAPO收率的影响

在环化反应中，反应条件为先冰水浴控温5～10℃，反应30min，再控温20℃，反应2h。考察了氢氧化钠质量对DAPO收率的影响，结果见表2。

表2 氢氧化钠质量对DAPO收率的影响

注：m为N-亚硝基亚氨基二乙腈质量；m1为盐酸羟胺质量；m2为氢氧化钠质量。

从表2可以看出，随着氢氧化钠质量的增加，目标产物DAPO的收率逐渐提高，当氢氧化钠质量达到1.0g时，DAPO收率最大达到78.7%。因为随着溶液中氢氧化钠浓度的增大，有利于亚氨基二乙腈亚硝基衍生物环化反应的进行，反应进行得较彻底，从而提高了收率。随着氢氧化钠质量的继续增大，反应中副反应增多，导致DAPO收率降低。此外，DAPO微溶于甲醇中，氢氧化钠质量的增加有助于降低DAPO在反应液中的溶解度。因此，N-亚硝基亚氨基二乙腈、盐酸羟胺、氢氧化钠质量比为1.0∶0.6∶1.0时，DAPO的收率较佳。

2.1.3 反应初始温度对DAPO收率的影响

环化反应中，初始温度反应30min，控温20℃，反应2h，其他条件一致的情况下，考察了反应初始温度对DAPO收率的影响。结果表明，当反应初始温度为5～10℃时，DAPO收率为78.8%。当反应初始温度为10～20℃时，反应收率为54.1%，收率大幅下降；反应初始温度高于20℃时，盐酸羟胺与氢氧化钠的反应剧烈放热，反应会失控，羟胺会受热分解，此时不能生成DAPO。当反应初始温度低于5℃时，由于氢氧化钠在甲醇中溶解度降低，反应进行缓慢。只有当反应初始温度处于5～10℃时，氢氧化钠溶解度有限，反应易于控制。因此，5～10℃为较佳反应初始温度。

2.2 DAPO的成环反应机理

借鉴Harrington、赵晓峰等[6-8]对2-氨基-6-甲氧基吡嗪、2,6-二氨基吡嗪-1-氧化物(DAPO)的成环机理研究，并结合DAPO的合成过程，提出本研究中2,6-二氨基吡嗪-1-氧化物(DAPO)的成环机理，如图2所示。

图2 DAPO的成环反应机理Fig.2 Cyclization reaction mechanism of DAPO

在初始温度5～10℃下，溶于甲醇中的少量氢氧化钠首先与盐酸羟胺反应释放出亲核活性很高的羟胺，羟胺对亚氨基二乙腈亚硝基衍生物的氰基亲核进攻，生成反应中间体化合物4，化合物4在氢氧化钠碱性条件下脱去质子和NO-，生成反应过渡态化合物5，化合物5与链端的羟胺缩合成环，经共振得到最终产物DAPO。

3 结 论

(1)以亚氨基二乙腈为原料，通过亚硝化、成环两步反应合成LLM-105的中间体DAPO，筛选出最佳环化反应催化剂为NaOH,并确定了最佳工艺条件：N-亚硝基亚氨基二乙腈、盐酸羟胺、氢氧化钠质量比为1.0∶0.6∶1.0，反应初始温度5～10℃，反应时间30min，随后反应温度20℃，反应时间2h。

(2)提出了以氢氧化钠为催化剂合成2,6-二氨基吡嗪-1-氧化物(DAPO)的成环机理。与传统方法相比，解决了合成原料昂贵、环境污染大的问题，与以三乙胺为催化剂的方法相比，将环化反应的收率从57.0%提高至78.7%。

[1] Pagoria P F.Synthesis of LLM-105[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,1995,20(1)：38-42．

[2] Laurence E,Riad M,Pagoria F,et al.Design and synthesis of energetic materials[J].Annual Review of Materials Research ,2001,31: 291-321.

[3] Pagoria F,Gregory S,Alexander R.A review of energetic materials synthesis[J].Thermochimica Acta,2002,384(1): 187-204.

[4] Pagoria P F.Synthesis,scale-up and characterization of 2,6-diamino-3,5-dinitro-pyrazine-1-oxide[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics,1998,23(3): 156-160．

[5] 郭峰波,刘玉存,刘登程,等.2,6-二氨基-3,5-二硝基-1-氧吡嗪合成工艺优化[J].火炸药学报,2006,29(1)：17-19.GUO Feng-bo,LIU Yu-chun,LIU Deng-cheng,et al.Optimization of the synthetical craft of 2,6-diamino-3,5-dinitropyrazine-1-oxide[J].Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao),2006,29(1)：17-19.

[6] 赵晓锋,刘祖亮.2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-1-氧化物合成及爆炸性质研究[J].高校化学工程学报,2013,27(2)：248-253.ZHAO Xiao-feng,LIU Zu-liang.2,6-Diamino-3,5-dinitropyrazine-1-oxide synthesis and its explosion properties[J].Journal of Chinese Chemical Engineering of Chinese Universities,2013,27(2): 248-253.

[7] 赵晓峰,刘祖亮,姚其正,等.2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-1-氧化物的合成[J].火炸药学报,2012,35(3):15-17.ZHAO Xiao-feng,LIU Zu-liang,YAO Qi-zheng,et al.Synthesis of 2,6-diamino-3,5-dinitropyrazine-1-oxide[J].Chinese Journal of Explosives & Propellants(Huozhayao Xuebao),2012,35(3): 15-17.

[8] Vohra S,Harrington G,Zaehanas D,et al.New synthesis of 2-amino-6-alkoxypyrazines from N-nitrosobis(cyanomethyl)amine and alkcxides[J].Journal of Organic Chemistry,1979,7(44): 1130.

Optimization of Synthetic Method of 2,6-Diamino-pyrazine-1-oxide

WANG Jin-min，DU Yang

(School of Chemical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)

2,6-Diamino-pyrazine-1-oxide(DAPO) was synthesized by two-step reactions of nitrosylation and cyclization,using iminodiacetonitrile as starting material.The total yield of DAPO was 66.6%.Its structure was characterized by1H NMR,IR and MS.The effects of catalyst,dosage of sodium hydroxide and initial temperature etc factors for cyclization reaction on the total yield of DAPO were investigated.Triethylamine used in traditional synthesis method was replaced by sodium hydroxide as the catalyst.The optimum process conditions of preparing DAPO via cyclization reaction were determined as∶ONN(CH2CN)2∶NH2OH·HCl∶NaOH=1.0∶0.6∶1.0 (mass ratio)，the initial temperature was 5-10℃，the reaction time was 30min，then，the reaction temperature was 20℃,the reaction time was 2h.The results show that compared with the method of triethylamine as catalyst,the yield of synthesizing DAPO by cyclization reaction is significantly increased from 57.0% to 78.7% with sodium hydroxide as catalyst.According to the synthetic process of DAPO，the cyclization mechanism of DAPO is proposed： nucleophilic addition occurs between hydroxylamine and N-nitrosobis(cyanomethyl)amine,generating the condensation product of N-nitroso-bis(cyanomethyl)amine,this compound cyclizes with hydroxylamine under the effect of alkali,and the final product DAPO is obtained.

organic chemistry; iminodiacetonitrile; 2,6-diamino-pyrazine-1-oxide; DAPO; synthetic optimization

10.14077/j.issn.1007-7812.2017.01.005

2016-07-14；

2016-08-12

王金敏(1992-)，男，硕士研究生，从事含能材料制备与精细有机合成。E-mail:913375290@qq.com

杜杨(1968-)，男，高级工程师，从事含能材料制备与精细有机合成。E-mail:duy@mail.njust.edu.cn

TJ55；TQ560

A

1007-7812(2017)01-0025-3