1-烷基-2-硝基胍的合成研究

2021-12-29刘家庆王颖异黎力嘉李洪森

上海化工 2021年6期

刘家庆王颖异黎力嘉丁颖李洪森

上海工程技术大学化学化工学院（上海 201620）

N-烷基-N′-硝基胍是一类重要的化工原料，广泛应用于医药、农药及含能材料等领域[1-5]。例如，丙基硝基胍是一种熔点为99℃的白色固体，可作为含能材料。Kimberly等[6]于2013年报道了以丙基硝基胍为基础形成的DGX-Al炸药配方，其撞击感度（H50）大于测试上限，摩擦感度、静电感度远优于黑索今[7]。对于烷基硝基胍的合成研究，早期研究者从2-烷基-2-异硫脲硫酸盐出发经两步反应制备，但由于技术因素，该方法难以实现工业化。随后，有研究者提出以硝基胍为原料，在碱性条件下与脂肪胺反应，可得到较高纯度的N-烷基-N′-硝基胍。该方法操作简单，便于工业应用，但是一些脂肪胺价格高昂，使得某些烷基硝基胍的制备成本大大提高。因此，探索一条原料易得、价格低廉的合成方法具有重要的经济和社会意义[8]。本研究报道了一条利用卤代烃为原料合成烷基硝基胍的方法。合成路线如图1所示。

图1 目标化合物的合成路线

1 实验部分

1.1 药品与仪器

硝基胍，N,N-二甲基甲酰胺（DMF），NaH，上海泰坦科技股份有限公司。DMF经无水处理后使用。

1H NMR由Bruker AV400（400 MHz）核磁共振仪（布鲁克公司）测定，四甲基硅烷（TMS）作为内标；熔点由Yanaco MP500熔点仪（株式会社阿纳泰克·柳本）测定，熔点仪温度没有较正。

1.2 化合物的合成

1.2.1 1-（4-氯苄基）-2-硝基胍的合成

在干燥的250 mL圆底烧瓶中加入无水DMF 100 mL和硝基胍12 g（0.12 mmol），在冰浴条件下分3次将60%的NaH溶液6.23 g［n（NaH）=0.156 mol］加入反应液中，反应1 h；将对氯苄氯24.96 g（0.156 mol）缓慢滴加至反应液中，滴加完毕后加入0.5 g KI，再将反应液转移到油浴锅中，在70℃下继续反应，利用薄层色谱（TLC）监测反应进度。待反应结束后，将反应液倒入100 mL水中淬灭，用乙酸乙酯萃取4次、饱和食盐水洗涤3次，然后加入无水硫酸钠干燥，减压旋蒸除去溶剂得到粗产品。将粗产品加入到70 mL乙酸乙酯中，重结晶得到目标产物。产品质量为15.4 g，白色晶体，收率为56.3%，熔点为183.9～185.2%℃。

1HNMR（400MHz，DMSO-d6）：δ=4.41（s,2H），δ=7.33（d，J=8.0 Hz，2H），δ=7.43（d，J=8.0 Hz，2H），δ=8.02（br，2H），δ=8.98（br，1H）。质谱MS（ESI）∶m/z=229［M+H］+。

以相同或相似的方法合成了下列化合物。

1.2.2 1-丙基-2-硝基胍

白色固体，收率为45.2%，熔点为98.0～98.1℃。

1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）：δ=8.56（s，1H），7.89（brs，2H），δ=3.11（m，2H），δ=1.50（m，2H），δ=0.87（t，J=8.0 Hz，2H）。MS（ESI）∶m/z=147［M+H］+。

1.2.3 1-丁基-2-硝基胍

白色固体，收率为40.3%，熔点为82.6～83.4℃。

1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）：δ=8.52（s，1H），δ=7.85（s，1H），δ=3.14（q，2H），δ=1.44～1.49（m，2H），δ=1.28～1.35（m，2H），δ=0.89（t，J=8.0 Hz，3H）。MS（ESI）∶m/z=161［M+H］+。

1.2.4 1-戊基-2-硝基胍

白色固体，熔点为109.5～110.1℃。

1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）：δ=0.83（t，J=8.0 Hz，3H），δ=1.20～1.28（m，4H），δ=1.42～1.46（m，2H），δ=3.06～3.11（m，2H），δ=7.75（br，2H），δ=8.49（br，1H）。MS（ESI）∶m/z=175［M+H］+。

1.2.5 1-己基-2-硝基胍

白色固体，收率为45.2%，熔点为95.1～95.8℃。

1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）：δ=0.82（t，J=8.0 Hz，3H），δ=1.21～1.25（m，6H），δ=1.42～1.45（m，2H），δ=3.08（t，J=8.0 Hz，2H），δ=7.82（br，2H），δ=8.49（br，1H）。MS（ESI）∶m/z=189［M+H］+。

1.2.6 1-(4-氟苄基)-2-硝基胍

白色固体，收率为51.8%，熔点为192.4～193.5℃。

1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）：δ=4.40（s，2H），δ=7.20（t，J=8.0 Hz，2H），δ=7.36（t，J=8.0 Hz，2H），δ=7.96（br，2H），δ=8.97（br，1H）。MS（ESI）∶m/z=213［M+H］+。

2 结果与讨论

2.1 化学合成

2.1.1 碱对反应产率的影响

以价廉易得的卤代烃和硝基胍为初始原料，在碱性催化剂的作用下，经过取代反应得到1-烷基硝基胍。在反应中，不同的碱性催化剂对反应的收率有显著影响，以4-氯苄氯和硝基胍的反应为例，催化剂对反应的影响如表1所示。由表1可知，有机碱如吡啶、三乙胺，无机碱碳酸氢钠作为催化剂，没有发生反应；碳酸钾作为催化剂，收率为16.4%；NaOH作为催化剂，收率提高到47.8%。NaH作为催化剂，收率最高，为56.3%。这是因为NaH是强碱，能够夺取氮原子上的氢，从而生成胺基负离子，增强了其亲核反应能力，提高了产物的收率。

表1 不同碱对产率的影响

2.1.2 原料投料比对产率的影响

在该反应中，以NaH为碱，4-氯苄氯、硝基胍及NaH的投料比对产物的收率也有显著影响，结果见表2。由表2可以看出：当硝基胍、4-氯苄氯和NaH的物质的量比为1∶1∶1时，收率最低；当其比例为1.0∶1.3∶1.3时，收率最高，达到56.3%；当其比例为1∶2∶2时，二取代的副产物增多，导致收率有所下降。

2.1.3 温度对收率的影响

在该反应中，1位氮原子由于受到吸电子基团硝基亚胺的诱导效应，电子云密度降低，亲核活性减弱，从而导致温度对收率有重要影响。控制硝基胍、4-氯苄氯和NaH的物质的量比为1.0∶1.3∶1.3时，改变反应温度，以获得最理想的收率，结果见表3。由表3可看出，在较低温度下，原料没有反应完全，收率较低；当温度升至70℃时，收率提高到56.3%；温度继续提高至90℃，由于双取代产物增加，收率则有所降低。

表3 反应温度对产率的影响

2.2 波谱解析

以1-（4-氯苄基）-2-硝基胍为例（见图2），化学位移为4.41的峰是苄位亚甲基质子，由于受到苯环和1位氮原子的诱导效应，向低场移动；化学位移为7.33和7.43的两个d峰，是苯环上的4个氢中相邻的两个氢发生耦合裂分，生成d峰，耦合常数为8.0 Hz；化学位移为8.02的宽峰是3位氮原子上的氢，化学位移为8.98的宽峰是3位氮原子上的氢。