五唑钠简便合成方法

张思宇，龙 婷，刘天林，黄 明，李金勇，杨海君

（1. 西南科技大学材料与化学学院， 四川 绵阳 621010； 2. 中国工程物理研究院化工材料研究所， 四川 绵阳 621999）

0 引 言

随着现代战争对武器装备要求的不断提升，世界各国对新型高能量密度材料（HEDMs）的研发高度重视。然而，传统CHON 类含能材料的理论密度最高为2.2 g·cm-3，面临着能量密度不足等瓶颈问题［1］，亟需发展新一代高能量密度材料。全氮化合物具有理论能量密度高、生成焓高等特点，其储-释能机制也有别于传统的CHON 类含能材料，有望突破传统CHON 类含能材料所面临的能量瓶颈，成为含能材料研究前沿和热点［2-3］。然而，除了氮气和稳定的叠氮化合物以外，合成室温稳定的全氮化合物一直是世界性难题，进展缓慢［4］。1999 年，Christe 和Wilson［5］等成功合成得到N5正离子盐N5+AsF6-，其N5正离子为线型结构。随后，Christe 等［6-8］又陆续报道 了十几种N5正离子盐。这些N5正离子盐生成焓高、能量高，但热分解温度低，合成难度大。此后，科学家相继检测到线型的N4正离子［9-10］，以及环状的N3化合物［11-12］等，但它们在室温下不稳定，合成未能成功。

全氮五唑负离子（cyclo-N5-）具有一定芳香性，结构比较稳定，在新型高能量密度材料（HEDM）方面显示出巨大潜能［13］。2017年，我国科学家首次合成得到室温稳定的五唑负离子盐（N5）6（H3O）3（NH4）4Cl，实现全氮五唑负离子材料合成的里程碑式突破［14］。此后，一系列五唑负离子金属盐或非金属盐相继被报道，例如五唑钠、五唑铵盐、五唑肼盐、五唑羟胺盐、NH4N5·1/2H2O2等［15-19］，促进了全氮五唑负离子含能材料和相关配位化学的蓬勃发展［20-22］。五唑钠是新型五唑负离子含能材料合成的基础原料，主要以2，6-二甲基-4-氨基苯酚（1）为原料，通过重氮化、环化、C—N 切断等反应来合成［14-15］。文献方法需要低温过滤极不稳定的芳基五唑中间体（2），操作繁琐、安全性差、重复性差；需要柱层析分离纯化，存在成本高、效率低等问题，限制了五唑钠的合成工艺放大及新型五唑负离子含能材料研发。

在参考文献方法的基础上，针对中间体不稳定的问题［14-15］，本研究通过过滤较稳定的中间体氯化重氮盐4a 和四氟硼酸重氮盐4b，采用环化/C—N 切断“一锅法”反应，乙醇提取法分离纯化，避免了极不稳定芳基五唑中间体的过滤、柱层析分离效率低等问题，简便地合成五唑钠，为五唑钠合成和工艺放大提供了参考。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：2，6-二甲基-4-氨基苯酚（自制），四氟硼酸（40 %，阿拉丁试剂有限公司），叠氮化钠（分析纯，国药集团化学试剂有限公司），甘氨酸亚铁（98%，源叶生物），间氯过氧苯甲酸（75%，麦克林生化科技有限公司），36%盐酸、亚硝酸钠、碳酸氢钠、甲醇、乙醚、丙酮、四氢呋喃、乙酸乙酯、乙醇（分析纯，成都市科隆化学品有限公司）。

仪 器：Finnigan TSQ Quantumultra AM 型 质 谱仪，美国Thermal 公司；Avance Ⅲ 600 MHz 核磁共振仪，瑞士Bruker 公司；Nicolet is-50 傅立叶变换红外光谱仪，美国Thermal 公司；IC-881 型离子色谱，瑞士万通公司；5 L/80 型低温恒温反应浴，巩义市予华仪器有限责任公司。

1.2 实验过程

1.2.1 3，5-二甲基-4-羟基氯化重氮苯（4a）的合成

将2，6-二甲基-4-氨基苯酚（1，2.32 g，16.9 mmol）加入11 mL 四氢呋喃中，搅拌至完全溶解。控温0～5 ℃，滴加36%浓盐酸（1.48 mL，17.8 mmol），然后滴加5 mL NaNO2水溶液（1.23 g，17.8 mmol）。搅拌反应30 min，过滤，得紫色固体2.63 g，粗产率89.7%。

1H NMR（Methanol-d4，600 MHz）δ：8.30（2H，s），2.38（6H，s）；13C NMR（Methanol-d4，600 MHz）δ：167.14， 133.22， 129.02， 98.34， 15.41。

1.2.2 以3，5-二甲基-4-羟基氯化重氮苯（4a）合成五唑钠（3）

依次将3，5-二甲基-4-羟基氯化重氮苯（4a，2.93 g，16.9 mmol）、200 mL 甲醇、2 mL 去离子水和NaHCO3（0.86 g，10.2 mmol）加入500 mL 烧瓶中，搅拌均匀。冷却至-45 ℃，加入固体NaN3（1.15 g，17.8 mmol），搅拌反应2 h。升温至-35 ℃，加入甘氨酸亚铁（6.90 g，33.8 mmol）和m-CPBA（8.77 g，50.7 mmol），反 应24 h。将反应液过滤，减压旋蒸除去滤液的溶剂，在剩余物中加入乙酸乙酯，水萃取（3×20 mL）。合并水相，调节pH 至3，乙酸乙酯萃取（3×50 mL），得到五唑钠水溶液。减压旋蒸除去五唑钠水溶液的溶剂，加入乙醇提取，过滤，低温旋蒸，甲醇/水重结晶，得到五唑钠产品187 mg，产率为12.4%。ESI-MS（m/z，6 eV）：70.01［M-H］-；IR（KBr，v/cm-1）：1231。

1.2.3 3，5-二甲基-4-羟基四氟硼酸重氮苯（4b）的合成

将2，6-二甲基-4-氨基苯酚（1，5.00 g，36.5 mmol）加入30 mL 甲醇中，搅拌至完全溶解。冷却至-5 ℃，加入40%四氟硼酸水溶液（12 mL，190.1 mmol），滴加5 mL NaNO2水溶液（2.64 g，38.4 mmol），反应30 min，过滤，丙酮/乙醚重结晶，真空干燥，得黄色固体7.15 g，产率83.1%。1H NMR（DMSO-d6，600 MHz）δ： 10.23（1H，s），8.19（2H，s），2.22（6H，s）；13C NMR（DMSO-d6，600 MHz）δ：169.18，132.88，129.13，95.42，17.08；IR（KBr，v/cm-1）： 3020， 2231， 1642，1474， 1451， 1382， 1283。

1.2.4 以3，5-二甲基-4-羟基四氟硼酸重氮苯（4b）合成五唑钠（3）

依次将3，5-二甲基-4-羟基四氟硼酸重氮苯（4b，4.00 g，16.9 mmol）、200 mL 甲醇、2 mL 去离子水和NaHCO3（0.43 g，5.1 mmol）500 mL烧瓶中，搅拌均匀。冷却至-45 ℃，加入固体NaN3（1.15 g，17.8 mmol），搅拌反应7 h。升温至-35 ℃，加入甘氨酸亚铁（6.90 g，33.8 mmol）和m-CPBA（11.69 g，67.6 mmol），反应24 h。将反应液过滤，减压旋蒸除去滤液的溶剂，在所得剩余物中加入乙酸乙酯，水萃取（3×20 mL）。合并水相，调节pH 至3，乙酸乙酯萃取（3×50 mL），得到五唑钠水溶液。减压旋蒸除去五唑钠水溶液的溶剂，加入乙醇提取，过滤，低温旋蒸，甲醇/水重结晶，得到五唑钠产品251 mg，产率为15.7%。ESI-MS（m/z，6 eV）：70.01［M-H］-；IR（KBr，v/cm-1）： 1231。

2 结果与讨论

2.1 五唑钠“一锅法”合成方法

目前，文献主要以2，6-二甲基-4-氨基苯酚（1）为原料，通过重氮化/环化“一锅法”合成芳基五唑中间体（2），经C—N 切 断 反 应 来 合 成 五 唑 钠（3）［14-15］（Scheme 1a）。文献方法需要低温过滤极不稳定的芳基五唑中间体（2），操作繁琐、安全风险大、重复性差；且后处理需要柱层析分离纯化，成本高、效率低，限制了五唑钠的合成工艺放大及新型五唑负离子含能材料研发。

由于重氮化反应体系中大量无机盐和水会影响后续C—N 切断等反应，重氮化/环化/C—N 切断“一锅法”无法用于五唑钠合成（Scheme 1b）。事先过滤较稳定的氯化重氮盐4a 或四氟硼酸重氮盐4b，通过环化/C—N 切 断“ 一 锅 法”可 简 便 合 成 五 唑 钠（Scheme 1c）。

Scheme 1 Synthesis of sodium pentazolate （3）

2.2 反应条件

2.2.1 氯化重氮盐4a 合成五唑钠（3）

（1）HCl 或NaHCO3与2，6-二 甲基-4-氨 基 苯 酚（1）的摩尔比对五唑钠产量的影响

环化体系的酸碱性对芳基五氮烯中间体的稳定性及其环化有较大影响［23-24］。为此，在-45 ℃，反应时间2 h 的条件下，考 察 了 不 同HCl 或NaHCO3与2，6-二甲基-4-氨基苯酚（1）摩尔比对五唑钠合成的影响，结果见图1 和图2。

图1 HCl 与2，6-二甲基-4-氨基苯酚（1）的摩尔比对Na（N5）（H2O）3产量的影响Fig.1 Effects of the molar ratios of HCl to 2，6-dimethyl-4-aminophenol （1） on the yields of Na（N5）（H2O）3

图2 NaHCO3 与2，6-二 甲 基-4-氨 基 苯 酚（1）的 摩 尔 比 对Na（N5）（H2O）3产量的影响Fig.2 Effects of the molar ratios of NaHCO3 to 2，6-dimethyl-4-aminophenol （1） on the yields of Na（N5）（H2O）3

由图1 可知，盐酸量越大，五唑钠产量越低。这是因为酸性越强，叠氮负离子浓度越低，进而影响芳基五氮烯的形成和环化速率等［24］。由图2 可知，加入一定量NaHCO3有助于提高五唑钠的产量，当NaHCO3与化合物1 的摩尔比达0.6 后，产量无明显变化。原因在于加入NaHCO3会将酚羟基转化为酚氧负离子，从而提高芳基五氮烯中间体的稳定性，降低其环化能垒［23］。因此，NaHCO3与化合物1 最适宜的摩尔比为0.6。

（2）C—N 切断反应温度对五唑钠产量的影响

由于C—N 切断反应的［Fe（O）（Gly）2］高铁氧化物关键中间体极不稳定，只能在低温（＜-30 ℃）下存在［25-26］，加之芳基五唑中间体（2）不稳定［27］。为此，在反应24 h 的条件下，考察了-60，-45，-35，-25，-15 ℃等不同C—N 切断反应温度对五唑钠合成的影响，结果见图3。

图3 C—N 切断温度对Na（N5）（H2O）3产量的影响Fig.3 Effects of C—N cleavage temperatures on the yields of Na（N5）（H2O）3

由图3 可知，随着反应温度增加，五唑钠产量逐渐升高，到-35 ℃时达到最大值；温度继续升高，则产量逐渐降低。这是因为升高温度可提高［Fe（O）（Gly）2］高铁氧化物的生成速率和反应活性；而温度过高则会加速［Fe（O）（Gly）2］高铁氧化物和芳基五唑中间体（2）的分解，降低C—N 切断选择性降低。因此，适宜的C—N 键切断温度为-35 ℃。

（3）m-CPBA 用量对五唑钠合成的影响

m-CPBA 用量会影响［Fe（O）（Gly）2］高铁氧化物关键中间体的生成速率和浓度［25］。为此，在-35 ℃，反应时间24 h 的条件下，考察了m-CPBA 用量对五唑钠合成的影响，结果如图4 所示。由图4 可知，m-CPBA 与化合物1 的摩尔比越大，产量越高；当摩尔比达3 后，产量没有明显提高。因此确定适宜的摩尔比为3。

图4 m-CPBA 用量对Na（N5）（H2O）3产量的影响Fig.4 Effects of m-CPBA dosages on the yields of Na（N5）（H2O）3

2.2.2 四氟硼酸重氮盐4b 合成五唑钠（3）

与氯化重氮盐4a 相比，四氟硼酸重氮盐4b 更稳定，也更易于制备与分离纯化［28-29］。在氯化重氮盐4a合成五唑钠研究基础之上，进一步开展了四氟硼酸重氮盐4b 合成五唑钠的研究。

（1）HCl 或NaHCO3与四 氟 硼 酸重 氮 盐4b 的 摩尔比对五唑钠产量的影响

与氯化重氮盐4a 类似，由四氟硼酸重氮盐4b 合成芳基五唑（2）时，反应体系的酸碱性也当有较大影响。为此，以四氟硼酸重氮盐4b 为原料，在-45 ℃，反应时间7 h 的条件下，考察了HCl 或NaHCO3与四氟硼酸重氮盐4b 的摩尔比对五唑钠合成的影响，结果如图5 和图6 所 示。由 图5 可知，HCl 量越 大，五唑 钠 产量越低。由图6 所示加入一定量NaHCO3有助于提高五唑钠的产量，当NaHCO3与化合物4b 的摩尔比达0.3 后，产量无明显变化。因此，NaHCO3与化合物4b的最佳摩尔比为0.3。

图5 HCl 与化合物4b 的摩尔比对Na（N5）（H2O）3产量的影响Fig.5 Effects of the molar ratios of HCl to compound 4b on the yields of Na（N5）（H2O）3

图6 NaHCO3与化合物4b 的摩尔比对Na（N5）（H2O）3产量的影响Fig.6 Effects of the molar ratios of NaHCO3 to compound 4b on the yields of Na（N5）（H2O）3

（2）环化反应时间对五唑钠合成的影响

四氟硼酸重氮盐4b 与氯化重氮盐4a 的反应活性可能不同。为此，在-45 ℃，NaHCO3与化合物4b 的摩尔比为0.3 的条件下，考察了环化反应时间对五唑钠合成的影响，结果如图7 所示。由图7 可知，随着环化反应时间加长，五唑钠产量逐渐增加；当环化反应时间达7 h 后，五唑钠产量没有明显提高。因此，适宜的环化反应时间为7 h。

图7 环化反应时间对Na（N5）（H2O）3产量的影响Fig.7 Effects of cyclization reaction time on the yields of Na（N5）（H2O）3

（3）C—N 切断反应温度对五唑钠合成的影响

与氯化重氮盐4a 类似，以四氟硼酸重氮盐4b 为原料时，C—N键切断温度对五唑钠的产量影响较大。为此，在反应时间24 h 的条件下，考察了-60，-45，-35，-25，-15 ℃等不同反应温度对五唑钠合成的影响，结果如图8 所示。由图8 可知，随着反应温度增加，五唑钠产量逐渐升高，到-35 ℃时达到最大值； 温度继续升高，则产量逐渐降低。因此，适宜的C—N 键切断温度为-35 ℃。

图8 C—N 切断反应温度对Na（N5）（H2O）3产量的影响Fig.8 Effects of C—N cleavage temperatures on the yields of Na（N5）（H2O）3

（4）m-CPBA 用量对五唑钠合成的影响

与氯化重氮盐4a 类似，在-35 ℃，反应时间24 h的条件下，考察了m-CPBA 加料量对五唑钠合成的影响，结果如图9 所示。由图9 可知，m-CPBA 与化合物4b 的摩尔比越大，产量越高；当摩尔比达4 后，产量没有明显提高。因此确定适宜的摩尔比为4。

图9 m-CPBA 用量对Na（N5）（H2O）3产量的影响Fig.9 Effects of m-CPBA dosages on the yields of Na（N5）（H2O）3

2.2.3 五唑钠分离纯化及表征

反应完成后，后处理得到五唑钠水溶液，调节其pH 值为3，乙酸乙酯萃取除去有机酸盐［30］，低温旋蒸得到五唑钠粗品。五唑钠粗品中硝酸钠、氯化钠等无机盐杂质［30］难溶于醇，因而有望通过醇提法将五唑钠分离出来。采用甲醇、乙醇、异丙醇和叔丁醇等低沸点的醇进行提取，经过滤，旋蒸，分别得到固体s1-s4。固体s1-s4的离子色谱如图10所示。由图10可以看出，除t=36.0 min处的N5-峰外，还存在很强的Cl-（t=8.3 min）、NO3-（t=14.6 min）等离子峰，表明固体s1-s4 中还存在大量氯化钠、硝酸钠等无机盐杂质。固体s1-s4 经甲醇/水重结晶后的质量如表1 所示。由表1 可以看出，采用甲醇和乙醇提取时，五唑钠产量较高； 采用乙醇提取时，重结晶前后的质量差较小，杂质含量少，处理简单。因此，根据产量和后处理简易程度选用乙醇提取五唑钠。

图10 固体s1-s4 的离子色谱图谱Fig.10 The ion chromatograms of solids s1-s4

表1 不同醇对Na（N5）（H2O）3产量的影响Table 1 Effects of different alcohols on the yields of Na（N5）（H2O）3

以氯化重氮盐4a 或四氟硼酸重氮盐4b 为原料，采用环化/C—N 切断“一锅法”反应，经调酸除去有机酸盐杂质，通过醇提法，分别得到五唑钠s5 和s6。采用KBr 压片，得到s5 和s6 的IR 图谱，如图11 所示。由图11 可以看出，s5 和s6 的IR 图谱均在1231 cm-1处出现明显的五唑负离子特征峰，与文献一致［15］。s5和s6的离子色谱如图12 所示。通过面积归一法计算，由图12可得，五唑钠s1 和s2 的纯度分别为91.2%和98.87%；除t=36.0 min 处的N5-峰 外，还 有Cl-（t=8.3 min）、NO3-（t=14.6 min）等离子峰，表明五唑钠s5 和s6 中还存在少量氯化钠、硝酸钠等无机盐杂质。可见，采用乙醇提取法可以简便地分离得到较纯的五唑钠产品。

图11 五唑钠s5 和s6 的IR 图谱Fig.11 The IR spectra of sodium pentazolate s5 and s6

图12 五唑钠s5 和s6 的离子色谱图谱Fig.12 The ion chromatograms of sodium pentazolate s5 and s6

3 结 论

（1） 采用环化/C—N 切断“一锅法”，简便地实现了五唑钠的合成。该方法避免了不稳定芳基五唑过滤等问题，具有操作简便、安全风险较低、重复性好等优点，为五唑钠合成工艺放大提供了参考。

（2） 条件优化研究发现，以氯化重氮盐4a 合成五唑钠的适宜反应条件为：NaHCO3与2，6-二甲基-4-氨基苯酚摩尔比为0.6∶1，环化温度-45 ℃，环化时间2 h，C—N 切断反应温度-35 ℃，C—N 切断反应时间24 h，m-CPBA 与2，6-二甲基-4-氨基苯酚摩尔比为3∶1；以四氟硼酸重氮盐4b 合成五唑钠的适宜反应条件为：NaHCO3与四氟硼酸重氮盐摩尔比为0.3∶1，环化温度-45 ℃，环化时间7 h，C—N 切断反应温度-35 ℃，C—N 切断反应时间24 h，m-CPBA 与四氟硼酸重氮盐摩尔比为4∶1。

（3） 后处理中，调节五唑钠水溶液pH 至3，乙酸乙酯萃取，可以有效除去五唑钠水溶液中的有机酸盐杂质，进一步采用乙醇提取法即可简单而高效地分离得到五唑钠，避免了柱层析分离纯化成本高、效率低等问题。

致谢：感谢中国工程物理研究院化工材料研究所项目（20zh0109）支持。