含供电基团的吡啶/吡嗪类化合物硝化反应研究

李勤华，陆明，潘仁明，王鹏程，祝洁

(南京理工大学 化工学院，江苏 南京210094)

0 引言

设计高能量、高安全的含能材料是含能材料领域研究的重点方向之一［1-4］。吡啶和吡嗪类化合物是构成高能低感含能化合物的新型骨架，近期新出现的典型化合物，如二(1，3-二硝基-二氢-1H-咪唑)并［4，5-b:4'，5'-e］-4-硝基吡啶-1-氧化物，二(1，2-二硝基-1，5-二氢咪唑)并［4，5-b:4'，5'-e］吡嗪-1-氧化物等化合物中均嵌入了吡啶和吡嗪结构;成熟化合物如2，6-二氨基-3，5-二硝基吡啶-1-氧化物(ANPYO)和2，6-二氨基-3，5-二硝基-1-氧吡嗪(LLM-105)等是吡啶和吡嗪的氨基和硝基衍生物［5-9］。这些化合物具有较好的爆轰性能，同时能保持较好的感度，是一类重要的高能低感的炸药，其中LLM-105 因其爆炸性能优异且感度较低，最具应用前景，成为目前高能低感炸药领域主要的研究对象［10-13］。

2，6-二氨基吡啶和2，6-二甲氧基吡嗪分别是制备ANPYO 和LLM-105 的重要中间体，它们经过硝化、还原、氧化等数步反应可以得到目标产物［14-17］。这些反应中，还原和氧化均较容易进行，且反应条件温和，产率高，能接近化学计量转化。而硝化反应却较难发生，需要在强酸环境下反应，且产率一般约为70%左右，是制约进一步降低成本和工业化的重要影响因素，成为我们研究的重点内容。

本文以2，6-二氨基吡啶和2，6-二甲氧基吡嗪为吡啶/吡嗪类化合物的典型代表底物，研究难硝化底物的硝化反应过程，主要是寻找适宜的硝化体系，分析硝化反应的影响因素，结合量子化学理论计算，对硝化过程给予合理的解释，并对比二者的硝化反应过程。

2，6-二氨基吡啶和2，6-二甲氧基吡嗪的硝化反应过程如图1所示。

图1 2，6-二氨基吡啶和2，6-二甲氧基吡嗪的硝化Fig.1 The nitration process of 2，6-diaminopyridine and 2，6-dimethoxypyrazine

1 实验部分

1.1 实验药品及仪器

2，6-二甲氧基吡啶、2，6-二氯吡嗪、氢氧化钠、甲醇钠、二氯甲烷、碳酸氢钠、无水硫酸钠、KNO3均为分析纯;98% 浓H2SO4、20% 发烟硫酸、95%HNO3. Bruker 500 MHz 核磁共振仪，德国Bruker 公司产;Nicolet 红外光谱仪，美国Perkin Elmer 公司产;Ultra Am TSQ quntium 型高分辨质谱仪，美国Finnigan 公司产;Vario EL Ⅲ有机元素分析仪，德国Elementar公司产;高压反应釜，山东威海自控反应有限公司产。

1.2 实验步骤和表征

1.2.1 2，6-二氨基吡啶的硝化

在250 mL 装有搅拌器、温度计的4 口烧瓶中，加入20%发烟H2SO4(130 mL)，搅拌下再加入2，6-二氨基吡啶(30.0 g，0.275 mol)，待固体完全溶解后，冰水浴，温度控制在20 ℃以下，加入95% HNO3(26 mL，0.58 mol)，继续搅拌1 h，撤去冰水浴，将混合物缓慢加热到30 ℃并保温3 h. 反应完后，将混合物倒入1 L 碎冰中，搅拌，析出大量黄褐色固体，过滤，水洗，再加入10 mol/L NaOH 溶液调pH 10 ～11 左右，过滤，水洗，干燥。然后在蒸馏水(1 g/10 mL)中煮沸1 h，DMSO 重结晶(100 mL/20 g)得纯品50.6 g，产率92.5%，熔点＞300 ℃(文献［18］值为:345 ～347 ℃;348 ℃). 氢谱核磁1HNMR (DMSO-d6，500 MHz)化学位移δ:9.00(s，1H，Py-H)，8.41 (s，2H，NH2)，8.26 (s，2H，NH2). 红外IR (KBr/cm-1):3 478，3 367，1 627，1 455，1 391，1 370，1 327，1 282，1 236，1 040，721. 元素分析C5N5O4H5(实测值(理论值，%)):C 30.09(30.15)，H 2.47(2.51)，N 35.15(35.18). 质谱MS (m/z):198(M+)，15l，138，66，46.

1.2.2 2，6-二甲氧基吡嗪的硝化

首先以2，6-二氯吡嗪制备2，6-二甲氧基吡嗪:室温下将14.9 g (0.1 mol)2，6-二氯吡嗪加入到100 mL 30%甲醇钠-甲醇溶液中，50 ℃下回流反应3 h，冷却后倒入350 g 碎冰中，有乳白色固体析出，静置，待烧杯中碎冰完全融化后过滤，滤液用二氯甲烷分3 次萃取(每次20 mL)，滤饼也溶于二氯甲烷，合并二氯甲烷溶液，加入无水硫酸钠干燥，过滤得到滤液，旋蒸，在真空干燥箱中干燥，得到白色针状产品，产率95%，熔点30 ～32 ℃. 氢谱核磁1H NMR(CDCl3，500 MHz)化 学 位 移δ:3.964 (s，6H，OCH3)，7.791 (s，2H，吡嗪环上CH). 红外IR(KBr/cm-1):1 585，1 481，2 868，1 013. 元素分析C6N2O2H8(实 测 值(理 论 值，%)):C 51.39(51.42)，H 5.63(5.65)，N 19.97(19.99). 质谱MS(m/z):139，111，97，79，68，55，42.

室温下将一定量的硫酸加入到250 mL 3 口烧瓶中，搅拌下缓慢加入14.0 g (0.1 mol)2，6-二甲氧基吡嗪，加料完毕后继续搅拌30 min，然后缓慢滴加硝酸，滴加完毕后升至反应温度，反应3 h. 反应结束后将反应液倒入500 mL 冰水中，有乳白色固体析出，过滤，先用10%的碳酸氢钠洗涤，再用冰水冲洗，直至滤液呈中性，烘干，得到淡黄色粉末状产品，熔点163 ～164 ℃. 氢谱核磁1HNMR (DMSO-d6，500 MHz)化学位移δ:4.25 (s，6H，OCH3);红外IR(KBr/cm-1)1 575，1 492，2 863，1 559，1 356;元素分析C6N4O6H6(实测值(计算值，%)):C 31.05(31.31)，H 2.61(2.63)，N 24.06(24.34);质谱MS(m/z):230(M+)，200，154，111，70，59.

2 分析与讨论

2.1 2，6-二氨基吡啶的硝化影响因素

2.1.1 硝化体系

硝化强度是影响硝化收率和纯度的主要原因［19］。为了降低硝化体系中水的含量，提高硝化强度，本文研究采用不同的硝化体系对2，6-二氨基吡啶(0.05 mol)进行硝化反应，结果见表1.

表1 不同硝化体系对2，6-二氨基吡啶硝化结果的影响Tab.1 Effect of nitration system on the yield

表1结果表明，采用混酸硝化时，硝化中间物(硝酰胺吡啶)［20］容易发生水解和硝解反应，副产物含量相对较高，主产物收率偏低。KNO3代替95%HNO3后，在相同条件下收率略有提高，主要原因是氨基吡啶自身易氧化，95% HNO3比KNO3氧化能力更强;不同浓度的发烟H2SO4对产物收率影响不大，说明硝化剂的硝化能力不是决定产物收率的主要因素，而浓度高的发烟H2SO4得到的产率更低。本文采用的是20%发烟H2SO4和95%HNO3超酸硝化体系。

2.1.2 超酸配比

在发烟H2SO4和95% HNO3的超酸体系中，发烟H2SO4有助于HNO3转变成硝酰阳离子NO+2，增强了体系的硝化能力。同时H2SO4也是一种强脱水剂，它能够与硝化反应生成的水结合成为硫酸水合物，使HNO3不被水稀释，避免HNO3酸式电离，从而提高HNO3的利用率。实验通过对2，6-二氨基吡啶(0.05 mol)的硝化来考察发烟H2SO4和95%HNO3的体积比对收率的影响，结果见表2.

表2 超酸体积比对硝化反应的影响Tab.2 Effect of V(HNO3)∶V(H2SO4)on the yield

从表2数据可以看出:当95% HNO3和发烟H2SO4体积比为1 ∶5 时，硝化反应产率最高可达92.5%;当95% HNO3和发烟H2SO4体积比大于1∶5时，硝化反应产率较低，说明超酸的硝化能力不够，硝酸未被充分利用;当95% HNO3和发烟H2SO4体积比小于1∶5时，硝化反应的产率逐渐下降，这可能是因为超酸的硝化能力偏强，硝化反应的副产物增多，而且废酸量大不利于后处理。因此，硝硫酸最佳体积比为1∶5.

2.1.3 硝酸用量

考察了95%HNO3用量对2，6-二氨基-3，5-二硝基吡啶收率的影响，实验步骤为:0.05 mol 2，6-二氨基吡啶加到含20%发烟H2SO4中，95% HNO3滴加完毕后，30 ℃下反应3 h，改变95% HNO3的用量。实验结果如图2所示。

图2 95%HNO3的用量对硝化反应的影响Fig.2 Effect of HNO3 addition on nitration

由图2可以看出，当95% HNO3和2，6-二氨基吡啶的摩尔比为2.1∶1时，硝化产率最高，虽然从动力学的理论看，95% HNO3过量应该能够促使反应的进行，但实验结果表明，由于95% HNO3具有氧化性，过量较多就会氧化原料和产物，导致产率的下降。因此，在实际操作中保持稍微过量就行。

2.1.4 硝化温度

表3 温度对硝化反应的影响Tab.3 Effect of temperature on the yield

由表3可知，低温滴加完HNO3后，温度升至25 ～40 ℃，硝化能达到最佳效果。低于此温度反应的活化能不足以使硝酰胺中间体全部重排，收率较低;高于此温度，超酸体系中的氧化作用明显，副产物增多，收率下降。副产物生成过程如图3所示。

图3 2，6-二氨基吡啶的硝化重排过程Fig.3 Nitration and rearrangement process of 2，6-diaminopyridine

2.2 2，6-二甲氧基吡嗪的硝化反应

2.2.1 硝化体系对产率的影响

不同硝化体系对硝化反应的影响结果见表4(后处理采用10%的碳酸氢钠洗涤后粗品的纯度较高，硝化产率是优化后各种体系的最佳值，粗品纯度由液相色谱测定，经过乙腈重结晶后纯度达99.0%以上)。反应条件:室温下3 h.

表4 不同硝化体系对硝化反应的影响Tab.4 Effect of different nitration system on the nitration yield

由表4可以看出，随着硝化体系的增强，产率逐渐升高，但纯度逐渐下降。由于氮原子的电负性较强，吡嗪环上的电子云密度较低，不利于硝化反应，需要较强的硝化体系进行硝化，硝化体系越强产生的NO+2越多，越利于硝化反应。

在发烟硫酸体系中，随硝化体系中SO3含量的升高产率升高，但SO3含量升高至50%时产率下降。SO3含量升高，体系中多余的SO3与形成NO+2 过程中的水反应生成硫酸，减少体系中的含水量，提高了产率;20%发烟硫酸和硝酸钾体系硝化产率最高，形成超酸体系产生NO+2的过程中，无水生成硝化能力较强。50%发烟硫酸和95%硝酸体系硝化能力最强，但其产率最低，原因是由于SO3具有较强的氧化性。在50%发烟硫酸体系中由于其氧化性太强而导致副反应增多，产生大量的副产物，导致产率、纯度下降。

本文对主要产率较高的20%发烟H2SO4-95%HNO3和20%发烟H2SO4-KNO3硝化体系做了具体的工艺研究。

2.2.2 发烟硫酸-硝酸体系下2，6-二甲氧基吡嗪的硝化工艺研究

仍在2，6-二甲氧基吡嗪用量为0.05 mol，硝酸过量100%，反应温度为25 ℃，反应时间为3 h 的条件下，研究95%硝酸与20%发烟硫酸配比对产率的影响，实验结果见表5.

表5 硝酸与发烟硫酸摩尔比对产率的影响Tab.5 Effect of n(HNO3)/n(oleum)on the yield

发烟硫酸-硝酸体系的硝化能力要强于混酸体系，由表5可知，在发烟硫酸-硝酸体系下2，6-二甲氧基-3，5-二硝基吡嗪的产率要高于混酸体系，在硝酸与发烟硫酸的摩尔比为1 ∶3 时，产率最高，达到61.9%.

2.2.3 发烟硫酸-硝酸钾体系下2，6-二甲氧基吡嗪的硝化工艺研究

在2，6-二甲氧基吡嗪用量为0.05 mol，硝酸钾过量100%，反应温度为25 ℃，反应时间为3 h 的条件下，研究硝酸钾与20%发烟硫酸的摩尔比对产率的影响，实验结果见表6.

表6 硝酸钾与发烟硫酸摩尔比对产率的影响Tab.6 Effect of n(KNO3)/n(oleum)on the yield

发烟硫酸-硝酸钾体系的硝化能力要强于发烟硫酸-硝酸体系和混酸体系，由表6可知，在发烟硫酸-硝酸钾体系下2，6-二甲氧基-3，5-二硝基吡嗪的产率要明显高于前两个体系，当硝酸钾与发烟硫酸的摩尔比为1∶3.5 时，产率最高，达到67.8%.

2.3 含供电基团的吡啶、吡嗪的硝化反应对比

为了进一步研究杂环芳烃硝化反应的内在规律，采用量化计算深入分析，主要从电子云密度和零点能的角度出发，对比取代吡啶、吡嗪的硝化过程。

2.3.1 吡啶、吡嗪电子云密度的比较

通过高斯软件，计算苯环、吡啶环和吡嗪环的电子云密度，计算结果如图4所示。从计算结果可以看出，随着芳环上N 原子个数的增加，C 原子上的电子云密度呈下降趋势。因硝化是亲电取代反应，芳环上C 原子的电子密度降低将导致硝化反应难以进行。实验结果也表明，2，6-二甲氧基吡嗪的硝化产率较2，6-二氨基吡啶低。

2.3.2 取代基的影响

电子云密度还与芳环上取代基团的供吸电性及数量有关。由于氮原子的电负性较强，吡啶/吡嗪环上的电子云密度不像苯环完全平均化，氮原子附近电子云密度较高，环上碳原子的电子云密度有所降低。α 位的硝化等亲电取代反应较苯困难。若分子中含有供电子基团，环上碳原子的电子云密度将增大，亲电的硝化反应也会相对容易进行。氨基和甲氧基属于给电子基团，属于邻、对位定位基团，而向吡啶/吡嗪环上引入的氨基/甲氧基恰好在进攻试剂的邻对位，有利于硝化反应进行。

图4 吡啶环和吡嗪环的电子云密度比较Fig.4 Comparison of electronic cloud densities of prydine and pyrazine

如图5所示为2，6-二甲氧基吡嗪硝化的各中间体的能垒图。图中数据表明，供电基团如—OCH3、—NH2的引入，可以有效降低零点能，使得分子更加稳定，更有利于硝化反应的进行。硝化之后，分子能量有所上升，这是由于吸电基团—NO2的引入导致的。

图5 2，6-二甲氧基吡嗪硝化的中间体能垒图Fig.5 Energy barriers of intermediates in the nitration of 2，6-dimethoxypyrazine

3 结论

本文以2，6-二氨基吡啶和2，6-二甲氧基吡嗪为典型底物，研究了含供电基团的吡啶/吡嗪类的硝化反应。研究结果表明:

1)从硝化体系和硝化收率的实验数据可知，2，6-二氨基吡啶和2，6-二甲氧基吡嗪的硝化过程较难进行;而芳香环里含有2 个N 的吡嗪类化合物硝化收率低，更难硝化。

2)在H2SO4-SO3/HNO3硝化体系中，95%HNO3和发烟H2SO4体积比为1∶5时，30 ℃下反应，2，6-二氨基-3，5-二硝基吡啶产率可达90% 以上;2，6-二甲氧基吡嗪的硝化中，在硝酸与硫酸(发烟硫酸)的摩尔比在1∶3左右时，硝化产率较高。而在硝化能力更强的20%发烟硫酸-硝酸钾体系中，当硝酸钾与发烟硫酸的摩尔比为1∶3.5 时2，6-二甲氧基-3，5-二硝基吡嗪产率达到67.8%.

3)高斯计算的结果也验证了上述结论。随着芳环上N 原子个数的增加，C 原子上的电子云密度呈下降趋势，导致硝化反应难以进行;另一方面，分子中供电子基团的引入使得环上碳原子的电子云密度增大，亲电的硝化反应也会相对容易进行。

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