12,52-二羟基-15,55-二甲基-14,16,34,36,54,56,74,76-八硝基-2,4,6,8-四氧桥连-1,3,5,7(1,3)-杯[4]芳烃的合成

邹芳芳, 张行程, 张梦娇, 胡文祥,3,4*

(1. 武汉工程大学 化工与制药学院，湖北 武汉 430205； 2. 信阳师范学院 化学化工学院 信阳市绿色催化和合成重点实验室，河南 信阳 464000； 3. 北京神剑天军医学科学院京东祥鹄微波化学联合实验室，北京 101601； 4. 中国人民解放军战略支援部队航天系统部，北京 100101)

杯芳烃类化合物最早是由奥地利科学家Zinke在1942年合成的，并被美国科学家Gutsche命名为杯芳烃[1]。杯芳烃具有独特的空穴结构，易于修饰，且合成较为简单，在分析化学、工业、医学及化学传感器等领域得到广泛应用[2-8]。

耐热炸药是指经受长时间高温环境后仍能可靠起爆的一类炸药。这类炸药具有较高的熔点和热分解温度，以及较低的蒸气压，已被广泛应用于民用射孔弹等领域。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]，四硝基二苯并四氮杂戊烯(TACOT)[12]， 5,5′-双(2,4,6-三硝基苯基)-2,2′-二(1,3,4-恶二唑)(TKX-55)[13]等。杯芳烃类化合物通常也具有较高熔点和热分解温度，因此被用作耐热炸药的母体[14-17]。Katz[18]等报道了一种室温合成杯芳烃的方法，并发现在杯芳烃结构中引入硝基能有效提高化合物的爆轰性能。

本研究在文献[14-16]方法的基础上，以1,5-二氟-2,4-二硝基苯和3,4,5-三羟基甲苯为起始原料进行成环反应得15,55-二甲基-12,52-二羟基-34,36,74,76-四硝基-2,4,6,8-四氧桥连-1,3,5,7(1,3)-杯[4]芳烃(3)；中间体3与硫酸二甲酯在碳酸钾的作用下进行甲基化反应得12,52-二甲氧基-15,55-二甲基-34,36,74,76-四硝基-2,4,6,8-四氧桥连-1,3,5,7(1,3)-杯[4]芳烃(4)；将中间体4用浓硫酸和硝酸钾的混合体系硝化后得15,55-二甲基-12,52-二羟基-14,16,34,36,54,56,74,76-八硝基-2,4,6,8-四氧桥连-1,3,5,7(1,3)-杯[4]芳烃(5)；中间体5用氢溴酸脱甲基后得到目标产物12,52-二羟基-15,55-二甲基-14,16,34, 36,54,56,74,76-八硝基-2,4,6,8-四氧桥连-1,3,5,7(1,3)-杯[4]芳烃(6, Scheme 1)。

Scheme 1

Scheme 2

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

JNM-ECZ600R/S3-600 MHz型核磁共振仪(TMS为内标)；K-Alpha X-射线光电子能谱仪；Nicolet iS50 型傅立叶变换红外光谱仪(KBr压片)。

三甲氧基甲苯，间二氟苯，北京偶合科技有限公司；硝酸钾，98%硫酸，无水乙腈，国药集团化学试剂有限公司；其余所用试剂均为分析纯。

1.2 合成

(1) 1,5-二氟-2,4-二硝基苯(7)的合成

冰水浴冷却，搅拌下向100 mL茄形瓶中依次加入25 mL硫酸和25 mL发烟硝酸，缓慢滴加间二氟苯11.4 g(0.1 mol)，滴毕，搅拌下反应2 h。缓慢升至室温，搅拌反应过夜。将混合物缓慢倒入冰水中，有大量沉淀析出，过滤，滤饼用水反复洗涤至中性得米黄色固体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) 3,4,5-三羟基甲苯(2)的合成

在圆底烧瓶中加入三甲氧基甲苯20.0 g(109.74 mmol)，乙酸30 mL，搅拌下加入47%氢溴酸175 mL，加毕，于105 ℃反应至终点(TLC监测)。将反应混合物在真空条件下浓缩至10 mL,残余物过滤得粉红色固体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

在圆底烧瓶中依次加入无水乙腈300 mL， 3,4,5-三羟基甲苯14.0 g(0.1 mol, 1.0 eq.)和三乙胺60.6 g(0.6 mol, 6.0 eq.)，缓慢加入1,5-二氟-2,4-二硝基苯，加毕，搅拌反应30 min；缓慢加热至回流(约80 ℃)，反应30 h。冷却至室温，过滤，滤饼依次用乙醇和水洗涤得黄色固体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

冰水浴条件下，依次将化合物312.16 g(20 mmol)，碳酸钾6.62 g(48 mmol, 2.4 eq.)加入到二甲亚砜70 mL中，缓慢滴加硫酸二甲酯5.05 g(48 mmol, 2.4 eq.)，滴毕，缓慢升至室温，继续反应18 h。缓慢倾入冷却的1N盐酸溶液中，有大量沉淀析出，过滤，滤饼用水洗涤至中性，真空干燥得黄色固体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

冰水浴冷却，搅拌下将浓硫酸(98%, 75 mL)加入到250 mL 三口烧瓶中，缓慢加入粉末状硝酸钾10.2 g(0.1 mol, 6.0 eq.)，待硝酸钾完全溶解后，加入化合物49.7 g(15.25 mmol, 1.0 eq.)，加毕，搅拌下于0 ℃反应2 h；搅拌下于室温反应20 h。缓慢倾入剧烈搅拌的冰水中，过滤，滤饼依次用冷水、冰乙醇(100 mL)洗涤得淡黄色固体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圆底烧瓶中加入化合物55.0 g(6.12 mmol)，乙酸20 mL，搅拌下加入47%氢溴酸50 mL，于60 ℃反应至终点。在真空条件下，将反应液浓缩至10 mL，残余物过滤得黄色固体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 结果与讨论

以1,5-二氟-2,4-二硝基苯和3,4,5-三羟基甲苯为起始原料，合成出化合物12,52-二羟基-15,55-二甲基-14,16,34,36,54,56,74,76-八硝基-2,4,6,8-四氧桥连-1,3,5,7(1,3)-杯[4]芳烃(化合物6)，该方法具有合成简便、产率较高、产物不溶于水，易于纯化等优点。化合物6的空腔内具有两个羟基，可以进行诸如杯芳烃类化合物的分子识别等研究。