二氯乙二肟合成及其含能衍生物研究进展

2021-08-16王荦荦翟连杰杨晓哲

含能材料 2021年8期

王荦荦，翟连杰，2，杨晓哲，霍欢，常海，刘宁，2

（1. 西安近代化学研究所，陕西西安710065；2. 氟氮化工资源高效开发与利用国家重点实验室，陕西西安710065）

1 引言

二氯乙二肟，简称DCG，是一种新型高效工业杀菌剂。当浓度在0.5～3 μg·L-1时，DCG 可干扰乃至中断胞浆的流动，造成细胞原生质膜崩解起到杀菌作用，杀菌力是常用溴类杀菌剂的10 倍［1］。

二氯乙二肟不仅是一种高效工业杀菌剂，由于其具有极强的反应活性，因此也是合成氮杂环含能化合物的重要中间体。基于二氯乙二肟分子结构中酰氯与肟基的反应活性，可构建异噁唑［2］、呋咱［3］、氧化呋咱［4］、四唑［5］以及噁二唑酮［6］等氮杂环骨架，进一步赋于能量，可设计、合成多种性能优异的含能化合物，如1，1′-二羟基-5，5′-联四唑二羟胺盐［7］（HATO）、1，4-二硝基呋咱并［3，4-b］哌嗪［8］（DNFP）等性能优异的含能材料。

利用二氯乙二肟的取代反应性，与氮杂环丁烷［9］发生亲核加成反应，合成相关衍生物，有望作为键合剂应用到含能材料中。二氯乙二肟也可与全氟苯［10］进行选择性取代反应合成结构新颖的有机合成中间体。总之，开展二氯乙二肟及其衍生物的研究具有十分重要的意义，尤其是在含能材料合成研究领域应用前景十分广阔。

本文梳理了二氯乙二肟的合成方法，并对各种方法进行了对比评价，为绿色高效的合成相关衍生化提供了综合性的指导方案。利用二氯乙二肟反应特性，归纳总结了七类氮杂环中间体的构建方法，并对重要环化反应机理进行初步的探讨。同时，综述了相关含能材料的物化与爆轰性能。

二氯乙二肟作为一种重要的中间体，有望设计合成新型含能化合物，推动含能材料合成领域的创新发展。

2 二氯乙二肟的合成

2.1 氯气法

以乙二醛为原料，加入盐酸羟胺、经亲核加成反应得到乙二肟，再将氯气通入乙二肟在乙醇中的搅拌悬浮液中。待减压蒸发乙醇后，加入氯仿洗涤晶体，然后过滤分离可得到二氯乙二肟，产率77%～97%［11］。二氯乙二肟直接氯化法制备原理如下（Scheme 1）。

Scheme 1 Synthetic route of DCG via direct chlorination

由于氯化反应放热剧烈且反应速度较快，在传统工艺放大过程中存在一定的危险性。2018 年，张建功等［12］利用微反应器高效的传质传热、对物料和反应温度精准控制的优良特性，使氯气用量减少，过程安全可控，大大提高了氯化效率。

2.2 NCS/DMF 法

由于氯气具有高毒性，在实验室中难以处理和控制，但可以通过在DMF 中利用N-氯代琥珀酰亚胺（NCS）与乙二肟合成二氯乙二肟［13］。NCS 是一种易于使用的固体，相较于氯气，便于安全加料，同时可将吸入危害性降至最低。如Scheme 2 所示，Phillip 等［14］通过NCS/DMF 法，以91%的产率获得纯产物二氯乙二肟。

Scheme 2 Synthetic route of NCS/DMF method

然而，Wingard 等［15］研究发现，尽管多次尝试重复此过程，仍无法获得纯产品。他们按照报道的方法，将二氯乙二肟混合物用水稀释，再经乙醚萃取，待蒸发溶剂后，从沸腾的甲苯中重结晶，得到的白色结晶物质、并非纯品产物，而是摩尔比为1.4∶1 的二氯乙二肟和二甲基甲酰胺的不可分离的复合物。因此，制得的二氯乙二肟实际产率仅为55%。

另外，NCS/DMF 法因涉及使用高度易燃和挥发性的乙醚以及致癌的甲苯，还需探索更为“绿色”的合成方法。

2.3 NCS/DMF 改进法

为了获得高纯度的二氯乙二肟，Wingard 开发了另一种后处理方法［15］（Scheme 3）。反应完成后，利用旋转蒸发仪除去尽可能多的DMF，得到的固体溶解在EtOAc 中，并将该溶液用5% LiCl 水溶液洗涤，以除去所有残留的DMF。再在压力下除去EtOAc，得到粗制白色固体。而后将该固体在水中剧烈搅拌，待过滤并风干过夜后，即可以高纯度得到白色粉末状二氯乙二肟，产率75%。

Scheme 3 Synthetic route of NCS/DMF improved method

此方法虽然避免了使用氯仿等卤化溶剂和易燃的乙醚，且不需要从致癌的甲苯中进行重结晶，但是NCS 价格较为昂贵，严重制约了此法的工业化应用。

3 二氯乙二肟在含能材料中的应用

3.1 异噁唑类含能化合物

研究表明［16-17］，含有杂环骨架和硝酸烷基酯基团的含能材料，具有更好的润湿和增塑性能。由于异噁唑氮杂环骨架不仅具有孤对电子，而且相较于四唑或三唑，更易在环上引入硝酸烷基酯侧链。因此，基于异噁唑含能化合物具有较大的研究价值。

2013 年，Phillip 等［14］报道了一种由二氯乙二肟“ 一步法”直接合成二异噁唑类化合物的方法（Scheme 4）。以末端炔烃作为反应物，对偶极环加成反应具有显著的区域选择性，使此类化合物的合成及性能研究变得更容易。因此，合成了一系列性能优良的二异噁唑类含能化合物。

Scheme 4 One step synthesis of diisoxazole compounds from dichloroglyoxime

2017 年Wingard 等［16］将二氯乙二肟与过量炔丙醇混合，发生Scheme 5a 中的加成反应生成双异噁唑二醇（1），再经硝酸硝化，以69% 的产率得到3，3′-双异噁唑-5，5′-双亚甲基二硝酸酯（2）。此化合物密度1.585 g·cm-3、熔点92 ℃、爆速7060 m·s-1、爆压19.3 GPa，对冲击，摩擦和静电放电显示出低敏感性（IS：11.2 J，FS＞360 J，ESD：0.25 J），可作为潜在的熔铸炸药液相载体和含能增塑剂。同年还报道了一种含能化合物3，3′-双异噁唑-4，4′，5，5′-四亚甲基硝酸酯（4）［17］，如Scheme 5b 所示，以二氯乙二肟和丁炔-1，4-二醇为反应原料，可将烷基硝酸酯侧链的数量实现最大化。该化合物的理论爆速（7837 m·s-1）和理论爆压（27.1 GPa）介于NG（D：7700 m·s-1，p：25.3 GPa）和PETN 之间（D：8400 m·s-1，p：33.5 GPa），而且其单元比冲（lsp）为236.0 s，因此化合物4 可以在双基推进剂配方中用作为高能增塑剂，从而有效地减少热冲击和机械冲击过程中的挥发性/迁移。

Scheme 5 Synthesis of compounds 2 and 4

Scheme 6 Synthesis of compounds 6 and 8

由于延长烷基链可使材料软化，具有更好的混溶性和增塑性能，Wingard 等［18］在2019 年又以二氯乙二肟、3-己炔-1，6-二醇和正丁醇为原料，经过［3+2］环化反应和硝化合成两种3，3′-双异噁唑乙基衍生物（6）和（8），产率分别为60%和41%。与上述报道甲基衍生物相比，这两种化合物对冲击和静电放电的敏感性显著降低（IS＞36，ESD：3.125 J），它们的不敏感性很大程度上归因于由碳含量增加所导致的低氧平衡。

此外，两种材料的熔化温度与热分解温度差均较大（6：Tm：76.3 ℃，Tdec：200.5 ℃；8：Tm：69.5 ℃，Tdec：188.3 ℃），表明其在熔铸炸药和含能增塑剂方面具有较大的研究和应用价值。

Scheme 7 Cyclization mechanism of isoxazole

Scheme 8 Synthesis of compound 9

Scheme 9 Synthesisof compound 12

Scheme 10 Synthesis of compound 17

Scheme 11 Synthesis of compounds DNFP and DFP

Scheme 12 Synthesis and functionalization of compound 22

Scheme 13 Synthesis of a series of difuzans and furoxans

特别的是，［60］富勒烯因具有缺电子烯烃的性质，也可以与二氯乙二肟脱去HCl 生成的腈氧化物发生1，3-偶极加成反应，从而生成［60］富勒烯异噁唑衍生物（9）［24］。如果能进一步对此类衍生物进行性能研究，并对其在提高推进剂的燃烧速率和稳定性等方面的探索，将有可能为固体火箭推进剂添加剂和新型含能材料的合成提供一个新思路。

3.2 呋咱类含能化合物

呋咱和氧化呋咱类含能化合物通常具有较高的能量密度和较大的正生成焓，可显著提高推进剂、炸药和发射药的能量和爆炸性能［25-28］。目前，已经开发出许多基于呋咱结构的含能材料，在对其合成方法研究的过程中，发现二氯乙二肟可作为合成该系列大多数化合物的主要起始原料。下面按照三种不同的环化过程展开讨论。

3.2.1 脱水环化

最初，Coburn［29］在四氢呋喃溶剂中将苯胺与二氯乙二肟混合，经缩合反应得到苯胺基肟（10），然后在碱性条件下加热脱水环化为3，4-二苯胺呋咱（11），再经硝化得到3，4-二（2，4，6-三硝基苯基）呋咱（12），产率约为30.2%。

基于相同的反应原理，王建龙等［30］将二氯乙二肟和间氯苯胺混合，经缩合、脱水以及硝化反应，以51%的产率得到N，N′-双（间氯苯基）-3，4-二氨基呋咱（14）。作为合成其它高能化合物的重要中间体，该化合物可经进一步叠氮化和环化反应，得到N，N′-双（2，4-二硝基苯并氧化呋咱基）-3，4-二氨基呋咱（17）［31］。研究表明［32-34］，一个氧化呋咱代替一个硝基，会使密度提高（0.06～0.08）g·m-3，爆速增加300 m·s-1左右，因此化合物（17）具有密度大、能量高的特点（ρ：1.93 g·m-3，D：8729 m·s-1），是一种性能较好的高能量密度材料。

除了苯胺类化合物，二氯乙二肟还可以与其他胺类化合物发生类似反应。毕福强［35］和Li［36］以二氯乙二肟、N，N′-二叔丁基乙二胺（18）和3，4-二氨基呋咱（21）为起始原料，合成了1，4-二硝基呋咱并［3，4-b］哌嗪（DNFP）和4H，8H-双呋咱并［3，4-b：3′，4′-e］吡嗪（DFP），总产率分别为32.6% 和57.2%。其中，DNFP 是一种性能优异的钝感含能材料，其密度为1.82 g·cm-3，大于RDX，爆速和爆压与RDX 相近，特性落高H50为162 cm。而DFP 由于其分子结构中含有两个弱酸性的N─H 官能团，易与烯烃或卤代烃发生烷基（芳基）化反应得到不同的衍生物，具有广泛的应用前景［37-40］。

3.2.2 氧化环化

在现有合成氧化呋咱类化合物的方法中，大多要在环化之前引入取代基，因此需要多步合成，其应用受到了很大的限制。为解决这个问题，Matsubara 等［41］最近开发出一种合成氯代氧化呋咱的新方法：二氯乙二肟在发烟硝酸中氧化环化，得到重要合成中间体—二氯氧化呋咱（22），再通过取代反应，将所需基团直接引入到氧化呋咱环上。

化合物22 的烷氧基化主要在4-位进行，使用银盐消除氯离子可使反应向右进行，从而有效地提高产率。而在其炔化和芳基化的过程中，所用的亲核试剂在3-位表现出独特的区域选择性，这是因为外环氧原子与锂金属配位而产生的导向作用。上述反应所获得的单氯代氧化呋咱（23）和（25）经进一步取代，制备得官能化的氧化呋咱，如4-烷氧基-3-芳基氧化呋咱（27）、二芳基氧化呋咱（28）等。此方法易获得各种各样的氧化呋咱衍生物，可为合成基于该结构的含能化合物提供新的思路。

3.2.3 双呋咱环化

二氨基四肟丁烷（30）作为合成许多双呋咱和氧化呋咱的关键中间体，是由二氯乙二肟经氰化钾取代、羟胺亲核加成反应制得的。

将化合物30 在碱性条件下脱水环化，可得到3，3′-二氨基-4，4′-双呋咱（34）。此化合物可以被CF3COOOH［42］或H2O2/H2SO4［43］氧化，得到3，3′-二硝基-4，4′-双呋咱（35）；也可以被100% HNO3硝化，进而得到3，3′-二硝基氨基-4，4′-双呋咱（H2DNABF）及其金属盐和富氮盐，实验结果表明成盐后可将热稳定性提高至280 ℃。

将化合物30 在Br2/HCl 中氧化环化，可得到4，4′-二氨基-3，3′-二氧化呋咱（31）。该化合物在进一步被氧化的过程中，由于氧化呋咱的缺电子性质，晶体仅从黄色反应物料中以低收率获得。因此，相比较于双呋咱（34）的氧化，氧化呋咱（31）的类似氧化要困难得多。但是尽管如此，它的氧化产物3，3′-二硝基-4，4′-二氧化呋咱（33），仍然被认为是具备高能量的结构之一，具有2.007 g·cm-3的高密度［44］。

3.3 四唑类含能化合物

由于四唑环氮含量高、生成焓高和热稳定性良好，四唑类阴离子构成的含能离子盐成为多氮杂环类阴离子的重要组成部分［45-46］，其中最引人关注的是1，1′-二羟基-5，5′-联四唑（1，1′-BTO）的含能离子盐。通过研究发现［47-51］，二氯乙二肟是合成1，1′-BTO 的主要原料，因此下面将从二氯乙二肟出发，对这类含能离子盐的合成方法进行探讨。

3.3.1 HATO 的合成

1，1′-二羟基-5，5′-联四唑二羟胺盐（HATO）具有高能、低感、低毒的特点，是四唑类含能离子盐中最具代表性的含能材料［47］。它的晶体密度为1.879 g·cm-3，能量水平与CL-20 相当，热稳定性优于RDX，在新一代炸药领域有望成为传统含能材料的替代品。

作为HATO 的重要合成前体，1，1′-BTO 最早是由Tselinskii 等［48］于2001 年通过二氯乙二肟经叠氮化和环化两步获得的。但是，此合成过程中需要分离干燥高感度的中间体二叠氮基乙二肟，即使是小规模的反应也很危险，所以该路线不适合大规模生产。到了2012 年，Fischer 等［49］简化了此合成方法。如Scheme 14 所示，当二叠氮基乙二肟（43）在溶液中产生后，随即进行下一步环化，这样的一锅反应有效地避免了二叠氮基乙二肟的分离。

Scheme 14 Synthesis of 1，1′-BTO

Scheme 15 Synthesis of HATO

在成功合成1，1′-BTO 之后，Fischer 将二甲胺（由DMF 裂解而成）与1，1′-BTO 发生去质子化反应，以74.6%的产率首次得到了HATO。为进一步提高产率，使用N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）代替DMF 进行氯-叠氮基交换，最终产率为85%。

2013 年，毕福强等［50］探讨了二叠氮基乙二肟在酸催化下的环化机理。具体反应机理如Scheme 16 所示，将化合物43 溶于乙醚后，原分子间的氢键作用被溶剂化作用所取代，Z，Z 构型向E，E 构型发生转化。在HCl 作用下，叠氮基的N α 原子发生质子化，生成中间体（45-1），经过一系列的分子内电子转移生成（45-4）。随后叠氮基的N γ 原子上的孤对电子进攻肟基上的N原子，并伴随质子的离去，完成整个环化反应，生成1，1′-BTO。

Scheme 16 The cyclization mechanism of tetrazole

Scheme 17 Improved synthetic route of HATO

Scheme 18 The ionic salts of 1，1′-BTO via neutralization reaction

最近，Lee 等［51］进一步改进了以爆炸性二叠氮基乙二肟为中间体的HATO 合成法。如图所示，将3，4-二氢-2H-吡喃作为保护基，在叠氮化之前引入到二氯乙二肟中形成（46），可避免产生敏感的二叠氮基乙二肟中间体。再通过将HCl 气体鼓泡到醚悬浮液中，使（47）脱保护并环化形成1，1′-BTO，而后与羟胺水溶液反应得到HATO，产率为79%。此方法使反应的本质安全性得到提升，具有工业化应用前景。

3.3.2 1，1'-二羟基-5，5'-联四唑的其他含能盐

目前，1，1′-二羟基-5，5′-联四唑含能离子盐的合成方法主要有两种。

1，1′-BTO 与相应碱发生酸碱中和反应成盐，其中，1，1′-BTO 钾盐（48）受热分解过程迅速剧烈，在DSC 的测试中放热峰尖锐，具有起爆药特征，在火工药剂领域具有应用前景［49］。

1，1′-BTO 金属盐与相应阴离子盐的置换反应成盐，如Scheme 19 所示，1，1′-二羟基-5，5′-联四唑联胺盐（51）的爆轰性能优于RDX，与HATO 相当，有望作为新型高能钝感炸药组分投入实际使用［52］。

Scheme 19 The energetic ionic salts of 1，1′-BTO via metathesis reaction

Scheme 20 Synthesisof compound 52

Scheme 21 The cyclization mechanism of 1，2，4-oxadiazole

3.4 1,2,4-噁二唑酮类含能化合物

基于1，2，4-噁二唑结构的含能化合物是近年来逐渐发展起来的一类新型含能材料。其中，3，3′-双（1，2，4-噁二唑）-5，5′-二酮（52）是由二氯乙二肟和异氰酸钾反应，以90%的高产率制得的［53］。

具体环化过程［54］如图所示，肟基在弱碱条件下变为─C+＝N─O-，此时异氰酸根上的N 进攻C+形成C-N 键，而后肟基上的O-再去进攻异氰酸根上的C 原子，形成O─C 键，C＝N 键上的电子向N 原子转移，使得C＝N 键变为C─N 键，从而形成1，2，4-噁二唑酮的五元环结构。

此化合物虽具有较好的能量性能（D：7742 m·s-1，p：24.5 GPa），但是热稳定性低（Td=148 ℃）的缺点降低了其应用的可能性。为此，Teng 等［55］制备了一种由摩尔比为1∶2 的3，3′-双（1，2，4-噁二唑）-5，5′-二酮和4-氨基-1，2，4-三唑组成的新型钝感高能共晶体，使热稳定性提高（Tp=244 ℃），有望成为TNT 的重要替代物。