热乎的
一.介绍
二硝基氧化偶氮呋咱(DNAOF),化学式C4N8O7,是一种无氢高氮的新型高能材料,结构见下。
物理属性:MP:100℃-112℃,分解点:100℃至189.3℃(分解完全)。
晶体密度1.91g/cm3,氧平衡:-5.88%
计算性能:DNOAF的计算标准生成焓ΔHf=640kJ/mol,154kcal/mol(=644.35kJ/mol),
649KJ/mol,694KJ/mol,爆速:D=9390 m/s,9800 m/s,爆压:P=40.5GPa,41.2GPa,45.6GPa。
从以上数据中不难看出,DNOAF是性能极其优秀的高能材料之一,已大幅超越HEDC的标准。
然而它也有一些问题,如热安定性较差,自发缓慢分解等。
这是避光阴暗处保存了一年DNOAF粗品,离心管壁明显可见的变色。不知道是因为纯度问题还是本身就自发分解。笔者查阅了大量呋咱类含能材料有关文献,但并未找到其自发分解的相关报道和测试。
二.合成
有关DAF:二氨基呋咱(DAF)是几乎所有呋咱类含能材料的起点。其合成参见文末参考文献。
然而笔者在考虑实际条件并与位于实验室的Keto-RDX合作试合成后,发现情况并不理想。DAF产率极低(约10%),反应过程危险(高温回流过夜,蒸出NH4Cl会堵冷凝管),会大量放出NH3等。且原材料价格并不便宜。综上,笔者直接购买25gDAF成品进行实验,价格约为5r/g。这里的DAF为淡黄色粉末,纯度不高,但是也足够实验使用了
从DAF开始,DNAOF的合成路线如下:
显然,DAF→DAOAF→DNOAF的路线是较为合适的。
Part.1 DAOAF的合成
DAF在被氧化时,生成至少四种氧化产物,因此要小心的控制条件以确保产物单一性。
由DAF到DAOAF的路线有:
(1)H2SO4-H2O2氧化法
(2)烟硝烟硫-双氧水氧化法
(3)过硫酸氢钾复合盐(OXONE™)氧化法
(4)中间体氧化法
合成过程:
(1):冰浴下6ml浓硫酸缓慢滴入冷的25ml 30%H2O2中,分批次加入2.0gDAF,加完后室温搅拌15~20h,后以一倍量的水稀释,静置过夜,过滤,用冰水多次洗涤,干燥得到产物。
(2):在三口烧瓶中缓慢加入50 %过氧化氢12mL,冰水浴冷却至<0 ℃,0.5h内缓慢滴加硝硫混酸10mL。滴毕,反应1 h,加入1.0gDAF,搅拌下于20℃反应19 h。过滤,滤饼用水洗涤,空气干燥后,依次用二甲亚砜和乙酸乙酯精制得到产物。
(3):5.0gDAF,12.6gNaHCO3加入300ml蒸馏水中,强搅拌使其完全溶解。待体系稳定在室温时,分多次投入31g Oxone。溶液迅速变为橙黄色。搅拌2h后重新投入12.6gNaHCO3,再分多次投入31g Oxone。反应3h后抽滤,总反应时长最好不要低于5h,洗涤干燥得到产物。
(4):见下图,笔者并未进行实验分析。
分析:最好的方法是法(3),反应时间短,条件温和,无需控温,纯度和收率均较高(文献报道84%,笔者第一次使用该法合成即可达到75%+)。
法(1)条件较为剧烈,反应时间长,控温较为严格,收率低(笔者两次实测50%左右,文献报道达到80%~90%+,原因未知)。
法(2)和法(1)类似,且要用到危险又难以获得的发烟硫酸、硝酸。
法(4)反应时间更长,需要用到各种有机溶剂进行重结晶,过程较为复杂。
笔者此处采用(1)和(3)法:
法(1):
量取6ml98%浓硫酸,25ml30%过氧化氢,冰水浴下将浓硫酸缓慢滴入过氧化氢。
称取2.0gDAF,分批缓慢加入
加入后体系迅速变为绿色
注意:该氧化反应放热,但并不剧烈,可能需要适当冷却以确保安全。笔者在此使用了冰袋进行降温。
加完料后封口。在几小时内,体系会逐渐从绿色转变为橙黄色。同时有橙黄色沉淀生成,即为DAOAF。
这里的绿色来源于单取代的亚硝基呋咱。首先,DAF上的N-H单键被双氧水氧化为单取代的羟胺基团,随后羟胺基团被氧化剂继续氧化为亚硝基基团(绿色产物),再与DAF发生脱水偶合反应,从而生成了偶氮化合物,而偶氮化合物在该强氧化体系下不稳定,很快被氧化为氧化偶氮化合物。
(另有实验称DAF被质子化的产物同样为绿色,笔者未做实验证实)
后处理:缓慢倒入30~40ml冷水,过滤洗涤干燥。得到产物。
由于时间久远,已经忘记了当时的产物质量,但两次合成产率均不超过60%,远低于文献报道80%~90%。
法(3):
称量5.0gDAF,12.6gNaHCO3投入500ml三口烧瓶中,加入300ml蒸馏水,搅拌至全部溶解
全部溶解完后,溶液呈微黄色(几乎看不出来)
后分批投入31gOxone,放出大量CO2气体,溶液变成橙黄色,并逐渐有橙黄色沉淀生成。反应热效应并不明显,不需要额外冷却
最开始投入时,体系颜色变化相当明显
投完第一批Oxone后,搅拌反应两个小时。再投入12.6gNaHCO3,之后再分次投入第二批31gOxone。再搅拌三个小时,即可出料。抽滤水洗干燥即可。
碎碎念:由于这里的数据是百克级合成缩小后的规模,因此可能分批加氧化剂不是必要的。但考虑pH的影响,还是分批投料比较好(虽然笔者第一次合成时并未分批投也有不错的收率)。
本方法中,Oxone的用量较大,但对于小批量合成来讲,操作对收率的影响可能更大。
这里贴一张文献上投料比和产率的关系表。
可以看到,Oxone用量较少时,也有可观的收率。因此小批量合成中,Oxone的用量并不需要很严格。适当减少Oxone投料对最终产量影响不大,但可以大幅节省Oxone。
不过Oxone价格并不贵,而DAF价值很高,所以需要多角度考虑投料问题。相关计算问题在此并无讨论价值,略过
得到DAOAF4.81g(图中未去皮),产率约为80.4%,略低于文献报道84.9%。
两次使用Oxone进行合成的产率均明显高于H2SO4-H2O2氧化法。
综上,DAOAF合成的最优方法为法(3),其他方法均不建议使用。
Part1到此结束,未完待续......
作者:小天
参考文献:
【呋咱中间体】二氨基呋咱的合成-科创网 (XXXXXXXXXXXX)
二氨基呋咱的低成本改进合成路线-科创网 (XXXXXXXXXXXX)
【呋咱顿感药】二氨基氧化偶氮呋咱(DAOAF)-科创网(XXXXXXXXXXXX)
二氨基呋咱改进合成---草酰胺作前体(外加分析)-科创网 (XXXXXXXXXXXX)
[1].周群,王伯周,张叶高,等. 3,3′-二氨基-4,4′-偶氮呋咱合成工艺的改进及性能[J].火炸药学报, vol. 36, no. 2, 2013, pp. 16-20.
[2].史彦山,李战雄,欧育湘,等.3,3′-二硝基氧化偶氮呋咱的合成及性能[J].火炸药学报, 2002, pp. 14-15.
[3].李春迎,马洋博,薛云娜,等.3,4-二氨基呋咱的两种催化合成新方法[J].含能材料, vol. 20, no. 2, 2012, pp. 151-154.
[4].李洪珍,黄明,黄奕刚,等.3,3’-二氨基-4,4’-偶氮呋咱及氧化偶氮呋咱的合成[C].中国工程物理研究院科技年报, 1994-2022, pp. 304.
[5].刘燕,安崇伟,王晶离.3,3'-二氨基-4,4'-氧化偶氮呋咱的合成[J].合成化学, vol. 24, no. 10, 2016, pp. 899-902.
[6].吴敏杰,陈树森,金韶华,等.一种合成3,3'-二氨基-4,4'-氧化偶氮呋咱的新方法[J].含能材料, vol. 21, no. 2, 2013, pp. 273-275.
[7].王小旭,百克级高纯DAOAF的合成技术及工艺研究[D],西南科技大学,四川,中国,2015.
[8].AXT—Glyoxime,Diaminofurazan and some Energetic Derivatives[Z],XXXXXXXXXXXXXXXXXX.
后记:DNOAF的合成早在一年前就已经完成了,但当时并没有整理相关内容。后来又陆陆续续的做了一些测试,拖到上个寒假才动笔写,然后开了个头就又没下文了......最近打算把这些坑慢慢填一填,也算是给自己做过的东西一个交代。
另外由于心理问题,以后接触相关内容可能并不会太多。静下心来写一些自己感兴趣的东西感受真的很好,但是太煎熬了。把开的坑填填就满足了。
Part2的话,我也不知道什么时候能静下心来写,总之应该不会拖太长(希望)
就这样