1,1′-二羟基-5,5′-联四唑合成机理的理论计算

2019-05-05耿勇亮王鹏程林秋汉周宝晶

火炸药学报 2019年2期

耿勇亮，王鹏程，林秋汉，陆明，周宝晶

(南京理工大学化工学院，江苏南京 210094)

引言

四唑类化合物作为唑类化合物一个典型代表，除了具有唑环高能量的优点外，因为其芳香性的平面稳定结构，还具有良好的热稳定性以及酸碱稳定性。四唑环的相容性好，可以引入不同的基团，对四唑环进行改造，调控其感度性能和能量水平[1]。如果引入硝基、硝氨基、硝酸酯基等来提升四唑环的爆轰性能，可能会出现感度升高、化合物稳定性降低等问题，因此可以用氧原子取代四唑环上不同位置的氢，制备羟基四唑或者四唑的N-氧化物，在保持四唑环原有感度较低的优点下提高能量[2-3]。

2001年，Tselinskii等[4]合成了一种不含典型致爆基团的四唑类化合物1,1′-二羟基-5,5′-联四唑(H2DHBT),氮含量为65.88%，氧平衡为-28.22%。该化合物具有高密度、高生成焓、高氮含量、性能易调控等一系列优点。此后，研究者[5-7]对此化合物及其衍生物的合成进行了实验改进和理论研究，如毕福强等[8-9]以二氯乙二肟为原料，经历DMF溶剂中取代反应和乙醚溶剂中环化反应合成了H2DHBT，总收率为73.4%；居平文等[10]以乙二醛为原料，经过肟化、氯化等反应合成了1,1′-二羟基-5,5′-联四唑二羟胺盐(TKX-50),并找到了最佳的反应溶剂，为水和丙酮的混合溶液。在改进TKX-50的合成方法中，溶剂的选取是一个关键点。

关于由二叠氮基乙二肟(DAzGO)环合生成H2DHBT的反应机理，毕福强等[1]提出了一个成环机理的假设，是一步成环的亲核反应：将DAzGO溶于乙醚后，原分子间的氢键作用被溶剂化作用所取代，原来为Z，Z构型的DAzGO分子经过构型反转变为E，E构型，在HCl作用下，叠氮基的N原子质子化，然后经过一系列分子内电子转移，电子转移到末端的N上，随后叠氮基末端的N带有孤对电子去进攻肟基上的N原子，并伴随着质子离去，同时环化反应完成生成产物分子H2DHBT。在其他实验合成及改进的文献中，尚未见系统地说明实验的条件，如水、溶剂等对反应的影响。

本研究对DAzGO的成环反应机理进行理论计算，通过对反应物、过渡态和中间体结构的优化和分析确认了DAzGO的成环反应是两步成环反应，水分子和氢离子对成环反应有促进作用，通过溶剂效应计算，找到乙醚为反应的最佳溶剂，以期对实验合成提供参考。

1 计算模型和计算方法

1.1 计算模型

DAzGO的成环反应方程如下：

H2DHBT分子是由两个五元环为主体构成，两步成环能垒过高，因此先对一个五元环的成环进行计算，然后再进行第二步成环反应的计算。通过分析不同实验条件[5-7,11]下的成环反应，可发现氢离子和水分子对反应起至关重要的作用，综合实验合成的步骤，建立几种相应的反应物模型，其中包括单独的反应物DAzGO分子、围绕DAzGO加入3个水分子、围绕DAzGO加入3个水分子和1个氢离子，计算发现3个水分子和1个氢离子只对一步成环反应有较大的促进作用，因此又构建了加入6个水分子、2个氢离子的反应模型。通过计算各个不同模型下DAzGO分子成环反应的能量变化，证明水分子和氢离子对反应的催化作用。反应模型1～反应模型4中H2O与H+的摩尔比分别为0∶0、3∶0、3∶1和6∶2。

1.2 计算方法

使用Guassian 09软件，根据密度泛函理论(DFT)在B3LYP/6-31G(d)基组[12]水平上，对反应体系进行真空下的几何构型全优化，并对优化得到的结构作振动分析进行确认，其中反应物、中间体和产物无虚频，表明优化结构是其势能面上的极小值点，过渡态有且只有一个振动虚频,是一个一级鞍点。

通过多重反应坐标驱动(Multi-Coordinate Driven Reaction Path Search, MCD)方法获取连接反应物到产物的近似反应路径[13]。MCD通过优化每一步算法得到一个最优的反应路径。在与其结构优化的同一基组水平下，由结构优化得到的反应物出发，通过较小的能量变化，最后基本达到产物的反应坐标，从而得到完整的反应路径以及过渡态结构。

为更精确地说明反应过程中的势能变化，采用内反应坐标(Intrinsic Reaction Coordinate，IRC)跟踪反应路径。IRC计算的初始结构是优化后的过渡态结构，路径可以从该点的一个或全部两个方向进行跟踪，得到连接反应物和产物的势能变化曲线。

溶剂效应方面，以水、丙酮和乙醚等为溶剂，采用PCM隐溶剂模型[14]，对反应进行基于密度泛函的OPT优化，MCD方法以及IRC/Path方法的计算，得到在不同溶剂下的反应势能面和反应能垒等信息。

2 结果与讨论

2.1 真空中反应路径

2.1.1 DAzGO分子成环的机理计算

为了简化计算模型，首先将单独的反应物DAzGO分子在真空条件下优化并计算其成环反应机理,然后再通过添加溶剂效应计算来模拟实验合成的条件，得到计算结果。计算结果表明，H2DHBT的合成反应是分两步进行的，经历两个基元反应，反应过程经历两种过渡态。其中两步成环反应的反应物R1、中间体INT1、两步反应过渡态TS1.1和TS2.1、产物P1以及IRC计算能量变化如图1所示。

图1 模型1成环反应的能垒图Fig.1 Eenergy barrier diagram of the cyclization reaction for model 1

由图1可知，第一步成环反应的反应能垒为86.94kJ/mol，第二步成环反应的反应能垒为65.98kJ/mol。

2.1.2 加入3个水分子和1个氢离子的反应体系

对于模型2，围绕DAzGO加入了3个水分子，发现优化失败，无法得到DAzGO与3个水分子的结构模型；同时实验中各种条件下的反应须在酸性条件下才能顺利进行，说明水分子[11]和氢离子都是反应的必要条件。对于水分子的个数，也可通过不同的模型筛选得到3个水分子和1个氢离子的结构为反应的最优结构。因此构建了围绕反应物分子加入3个水分子和1个氢离子的模型，其优化结构以及IRC计算能量变化如图2所示。

图2 模型3成环反应的能垒图Fig.2 Eenergy barrier diagram of the cyclization reaction for model 3

由图2可知，反应过程大致如下：加入的3个水分子和1个氢离子与其中1个羟基通过形成氢键形成了1个八元环，降低了体系的能量。通过过渡态TS3.1结构可以看出，随着成环反应的进行，原先的氢键断开,八元环被破坏，加入的氢离子与上部分叠氮中的N靠近(0.171nm)形成新的氢键，使末端N带部分正电荷。末端N进攻带负电的肟基N形成四唑环，形成1个大π键。这是水分子和氢离子催化成环反应的机理。其中关键键长的变化如图3所示。

图3 第一步成环反应键长变化Fig.3 Change of bond lengths for the first-step cyclization reaction

由图3可知，过渡态INT3中，原先反应物的氢键已被破坏，而氢离子与氮环上的N相连，部分降低了产物的能量，使产物更稳定。同时与反应物相比，四唑环与另一部分的叠氮的二面角由接近垂直变为在同一平面上，也降低了产物的能量。

第一步成环反应的能垒约为65.69kJ/mol，INT的能量比R1的能量低71.13kJ/mol，这是由于成环共轭形成π键所致。与模型3相比，模型1第一步成环反应的能垒为86.94kJ/mol，明显高于模型3的反应体系，可以认为水及氢离子对成环反应有催化作用。

通过电荷分析表明，该反应为亲电加成反应。其中DAzGO分子里进攻N的电荷为-0.025，而加入3个水分子和1个氢离子的体系中，进攻N的电荷变为0.023，更有利于进攻电荷为-0.226的N。

2.1.3 加入6个水分子和2个氢离子的反应体系

3个水分子、1个氢离子的反应体系中，第二步成环反应的能垒为77.82kJ/mol，比没有水分子和氢离子的体系中第二步成环反应的能垒65.98kJ/mol高约12.55kJ/mol。有两个原因：一是没有在另一端加水分子和氢离子所致，这也说明水和氢离子对成环反应有催化作用；二是水分子和氢离子的氢键成环导致了另一端N的电荷发生变化，所以第二步成环的能垒稍有上升。因此设计了加入6个水分子2个氢离子的反应体系,其优化结构以及IRC 计算能量变化如图4所示。

图4 模型4成环反应的能垒图Fig.4 Eenergy barrier diagram of the cyclization reaction for model 4

由图4可知，6个水分子和2个氢离子的反应体系中，第一、第二步成环反应的能垒为56.48kJ/mol和59.08kJ/mol，相较于没有水分子和氢离子的反应体系的两步成环反应能垒86.94kJ/mol和65.98kJ/mol，均有所下降。

两步成环反应有着相同的机理，即氢键的破坏与形成促进N的进攻。两步反应的产物与反应物相比中均有新的大π键形成共轭，因此能量降低，与实验符合。

反应物中两个叠氮基的二面角为69.09°，中间体INT中二面角为15.05°，产物中两个四唑环则位于同一平面。

2.1.4 不同体系完整成环反应能量变化

不同体系下DAzGO环合生成H2DHBT的反应能量变化如图5所示。

图5 不同模型成环反应能量变化Fig.5 Energy changes of the cyclization reaction for different models

由图5可知，单独的DAzGO分子成环第一步反应能垒为86.94kJ/mol，第二步反应能垒为65.98kJ/mol，加入3个氢离子1个水分子的体系第一步成环反应的能垒为65.69kJ/mol，相较于单独的DAzGO分子有较大的降低，加入6个水分子和2个氢离子的体系两步成环反应的能垒均有所降低，计算证明了水分子和氢离子直接参与反应，对成环反应有促进作用。

2.2 溶剂效应计算

采用计算模型4(即6个水分子、2个氢离子的模型)进行溶剂效应计算。以水、丙酮、乙醚等为溶剂，对反应进行基于密度泛函的OPT优化，MCD方法以及IRC/ Path方法的计算，得到在不同溶剂下的反应势能面和反应能垒等信息，如图6所示。

图6 不同溶剂下反应能量变化图Fig.6 Changes of reaction energy in different solvents

由图6可知，第二步成环反应能垒比第一步低，第一步反应为决速步。3种溶剂的第一步成环的能垒相比，丙酮溶剂的能垒(87.03kJ/mol)略低于水溶剂(90.08kJ/mol)，而乙醚能垒(72.59kJ/mol)最低、反应速率更快、产率更高，这与实验结果吻合。推测溶剂的极性是溶剂对DAzGO分子成环反应的影响因素之一。溶剂的极性越小，DAzGO分子与氢离子的氢键越强，同时正电荷向末端的N转移，导致亲电反应更容易进行。