一种5,6-二氯呋咱并[3,4-b]吡嗪的合成方法与流程

一种5，6-二氯呋咱并[3，4-b]吡嗪的合成方法
技术领域
[0001]
本发明属于耐热不敏感含能材料技术领域，涉及中间体化合物，具体涉及一种5，6-二氯呋咱并[3，4-b]吡嗪的合成方法。


背景技术：

[0002]
高超声速武器等新式战略武器在高速飞行时会摩擦生成大量热量，且有效载荷量有限，因此迫切需要研制同时具有高耐热温度、高能量水平的新型含能材料，能够在较高温度下、一定时间内稳定储存且可靠起爆，尽快满足我国相关武器装备发展需要。
[0003]
20世纪60年代起，由于深井油田射孔弹、宇航工程装药、核武器装药等需要，美国先后研制了1，3，5-三氨基-2，4，6-三硝基苯(tatb)、六硝基菧(hns)等具有较高耐热温度的硝基芳烃类耐热含能化合物，一直沿用至今。随后几十年中，虽然各国研究人员陆续报道了多种新型耐热含能化合物，但耐热水平始终未有较大提高。
[0004]
4，8-二(苦基)双呋咱并吡嗪的设计合成在耐热不敏感含能材料领域具有划时代的意义，使我国在耐热不敏感含能材料领域达到了国际领先水平。
[0005]
4，8-二(苦基)双呋咱并吡嗪的关键中间体5，6-二氯呋咱并[3，4-b]吡嗪(dcfp)常规的合成方法如下所示，但4，8-二(苦基)双呋咱并吡嗪的关键中间体5，6-二氯呋咱并[3，4-b]吡嗪在合成过程中存在着几个方面的问题：
[0006][0007]
一方面，反应条件苛刻，需要用到腐蚀性极强的剧毒五氯化磷作为氯化试剂，五氯化磷作为氯化试剂进行氯化的过程中反应剧烈放热并且有大量氯化氢气体放出，且反应后处理需要去除远远过量的剧毒试剂五氯化磷。因此无论是对环境还是实验操作者都有巨大的安全隐患。
[0008]
另一方面，反应产率较低，且反应后处理流程较为繁琐。文献报道产率仅为49.1％(参考文献：chinese journal of explosives&propellants，2014，1，12.)。因此，找到一种绿色、简便、高产率的氯化反应条件已迫在眉睫。


技术实现要素：

[0009]
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种5，6-二氯呋咱并[3，4-b]吡嗪的合成方法，解决现有技术中的制备方法的毒性大以及产率低的技术问题。
[0010]
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
[0011]
一种5，6-二氯呋咱并[3，4-b]吡嗪的合成方法，该方法以dhfp为原料，该方法以pocl3既作为反应溶剂又作为氯化试剂；该方法以胺类试剂作为催化剂。
[0012]
本发明还包括以下技术特征：
[0013]
该方法的反应过程为：
[0014]
该方法包括以下步骤：加入pocl3，冰水浴降温至5℃以下，然后向体系内依次加入dhfp和胺类试剂，dhfp和胺类试剂的摩尔比为1:0.5，并加热至130℃，回流反应1～6h；反应结束后，将反应液冷却至室温，将反应液倒入冰水中，过滤析出固体，干燥后得到5，6-二氯呋咱并[3，4-b]吡嗪。
[0015]
优选的，回流反应4h。
[0016]
优选的，所述的胺类试剂为所述的胺类试剂为
[0017]
进一步优选的，所述的胺类试剂为dmf。
[0018]
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
[0019]
(ⅰ)本发明的不再使用腐蚀性极强的剧毒pcl5作为氯化试剂，只使用了原料更加简单易得的pocl3，减少了pcl5这一要素。pocl3在反应体系中具有“一箭双雕”的作用，既可当反应溶剂，又可作为氯化试剂。
[0020]
(ⅱ)本发明将廉价易得的n，n-二甲基甲酰胺作为催化剂引入反应体系当中，极大的提高了反应收率。
[0021]
(ⅲ)本发明的合成方法简单，产率较高，最高达68％，(注：已报道文献中的产率只有49.1％)。
[0022]
(ⅳ)本发明涉及的5，6-二氯呋咱并[3，4-b]吡嗪是一种新型耐热含能材料4，8-二(2，4，6-三硝基苯)双呋咱并[3，4-b:3’，4
’‑
e]吡嗪的关键中间体。本发明打通了4，8-二(苦基)双呋咱并吡嗪反应中最为关键的一步，将为后续4，8-二(苦基)双呋咱并吡嗪的工程化应用打下了坚实的基础。
附图说明
[0023]
图1为dcfp的反应机理示意图。
[0024]
图2为化合物dhfp至中间体im-2a的反应机理示意图。
[0025]
图3为化合物im-2a至中间体im-2b的反应机理示意图。
[0026]
图4为中间体im-2b至中间体im-2c的反应机理示意图。
[0027]
图5为中间体im-2c至中间体im-2d的反应机理示意图。
[0028]
图6为中间体im-2d至中间体im-2e的反应机理示意图。
[0029]
图7为中间体im-2e至化合物dcfp的反应机理示意图。
[0030]
图8为使用dmf作催化剂时产生副产物的反应机理示意图。
[0031]
图9为图8中副产物的晶体结构图。
[0032]
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
[0033]
需要说明的是，本发明中的所有原料，如无特殊说明，全部均采用现有技术中已知的原料。
[0034]
本发明中，dhfp的结构式为：
[0035][0036]
本发明的技术构思是：
[0037]
dcfp反应机理示意图如图1所示；化合物dhfp至化合物dcfp的所有物种gibbs自由能计算如下表1所示。5，6-二氯呋咱并[3，4-b]吡嗪(dcfp)的合成反应机理路线较长，与dhfp(第一步)反应类似的是，两个羰基也是分步转换为氯原子。首先底物dhfp发生分子内氢转移，经过四元环过渡态ts-2a，将羰基转变为羟基，便于下一步的离去。然后三氯氧磷进攻羟基，历经过渡态ts-2b，脱去一分子氯化氢，形成氯磷氧基中间体im-2b，之后氯原子从反面进攻与四氯磷氧基相连的碳原子，形成四元环过渡态ts-2c，然后脱去单氯氧磷，得到氯代中间体im-2c。im-2c再通过类似的方法与另一分子三氯氧磷反应，脱去一分子单氯氧磷，将另一个羰基转换为氯原子，得到双氯代产物dcfp。
[0038]
表1化合物dhfp至化合物dcfp的所有物种gibbs自由能计算
[0039][0040]
第一，化合物dhfp至中间体im-2a：
[0041]
化合物dhfp至中间体im-2a的反应机理如图2所示；化合物dhfp至中间体im-2a的反应能垒计算结果如表2所示。与氮原子相连的氢原子经过四元环过渡态转移至与氧原子相连，这步反应具有41.97kcal mol-1
/175.67kj mol-1
的能垒，相对第一步反应有较大幅度降低，说明这个质子转移反应只需稍加热就能够发生。另外注意到从化合物dhfp到中间体im-2a，能量稍有提升，说明化合物dhfp相比中间体im-2a更加稳定。中间体im-2a只能瞬时出现在反应过程之中。
[0042]
表2化合物dhfp至中间体im-2a的反应能垒计算结果
[0043][0044]
第二，化合物im-2a至中间体im-2b：
[0045]
化合物im-2a至中间体im-2b的反应机理如图3所示。三氯氧磷进攻im-2a的羟基，形成p
–
o键，与羟基的氢原子以及另一个氯原子形成四元环，经历过渡态ts-2b，脱去一分子氯化氢，得到二氯磷氧基取代的呋咱并吡嗪化合物im-2b。这步反应的能垒为35.37kcal
·
mol
–1/148.07kj
·
mol
–1，室温即可发生，说明三氯氧磷对氧原子有极强的亲和性，促使反应进行。
[0046]
第三，中间体im-2b至中间体im-2c：
[0047]
中间体im-2b至中间体im-2c的反应机理如图4所示；中间体im-2b至中间体im-2c的反应能垒计算结果如表3所示。二氯磷氧基的一个氯原子移动至碳与磷之间，与氧原子形成四元环，得到过渡态ts-2c，然后氯原子与碳原子成键，氧原子与磷原子形成双键，以单氯氧磷的形式脱去，完成氯原子对羟基的取代反应，得到中间体im-2c。这步反应能垒仅24.80kcal mol-1
/103.81kj mol-1
，在室温能够快速进行，说明单氯磷氧基是较好的离去基团。
[0048]
表3中间体im-2b至中间体im-2c的反应能垒计算结果
[0049][0050]
第四，中间体im-2c至中间体im-2d：
[0051]
中间体im-2c至中间体im-2d的反应机理如图5所示；中间体im-2c至中间体im-2d的反应能垒计算结果如表4所示。吡嗪n-h通过质子转移移动至羰基氧上，经过四元环的ts-2d过渡态，得到羟基化合物im-2d，准备接受下一步的氯化。这步反应的能垒为42.28kcal
·
mol-1
/172.96kj
·
mol-1
，如果考虑溶剂化效应，反应还是相对容易发生。
[0052]
表4中间体im-2c至中间体im-2d的反应能垒计算结果
[0053][0054]
第五，中间体im-2d至中间体im-2e：
[0055]
中间体im-2d至中间体im-2e的反应机理如图6所示。这步反应与之前类似，三氯氧磷进攻im-2d的羟基，经过ts-2e的过渡态，脱去一分子氯化氢，得到中间体im-2e。
[0056]
第六，中间体im-2e至化合物dcfp：
[0057]
中间体im-2e至化合物dcfp的反应机理如图7所示。这一步反应与之前类似，二氯磷氧基的氯原子进攻与之相连的碳原子，经过过渡态ts-2f，得到产物dcfp。
[0058]
从上述计算的氯化反应机理中可以看出，这一步氯化反应还是能够发生的。于是，本发明将五氯化磷去掉，将氯代反应体系调整为三氯氧磷体系。因此，本发明考虑使用三氯
氧磷体系作为5，6-二氯呋咱并[3，4-b]吡嗪的氯化反应体系。
[0059]
从上述反应机理可以看出：在反应过程中会有氯化氢气体的产生，且氯化氢气体溶于反应液中形成盐酸，随着盐酸在反应液中的聚集会导致反应液酸度越来越大，会使原料在酸性条件下水解。
[0060][0061]
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本技术技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
[0062]
实施例1：
[0063]
本实施例给出一种5，6-二氯呋咱并[3，4-b]吡嗪的合成方法，该方法的反应过程为：
[0064][0065]
该方法包括以下步骤：
[0066]
向反应瓶中加入2.0equiv～5.0equiv(相对于dhfp当量)pocl3，冰水浴降温至5℃以下，然后向体系内依次缓慢加入0.26mol dhfp、0.13mol的dmf，并加热至130℃，回流反应4h。反应结束后，将反应液冷却至室温，将反应液缓慢倒入冰水中，过滤析出的固体。干燥得5，6-二氯呋咱并[3，4-b]吡嗪，收率为68％，熔点(m.p.)为178～180℃。
[0067]
实施例2：
[0068]
本实施例给出一种5，6-二氯呋咱并[3，4-b]吡嗪的合成方法，
[0069]
该方法的反应过程与实施例1相同。
[0070]
该方法包括以下步骤：
[0071]
向反应瓶中加入2.0equiv～5.0equiv(相对于dhfp当量)pocl3，冰水浴降温至5℃以下，然后向体系内依次缓慢加入2.6mol dhfp、1.3moldmf，并加热至130℃，回流4h。反应结束后，将反应液冷却至室温，将反应液缓慢倒入冰水中，过滤析出的固体。干燥得5，6-二氯呋咱并[3，4-b]吡嗪，收率为66％，熔点(m.p.)为178～180℃。
[0072]
从实施例1和实施例2的对比可以看出，当实施例2的原料用量比实施例1整体扩大了十倍，但是收率从实施例1的68％仅仅下降至实施例2的66％，下降不明显，说明本发明的合成方法在扩大生产过程中有很好的稳定性，适合工业化大规模推广。
[0073]
结构鉴定：
[0074]
红外光谱(kbr，cm-1
)：1573(c＝n)，1462，1293，1158，1032(呋咱环)，870，820(c-cl)；
[0075][0076]
元素分析：anal.calcd for c4on4cl2:c 25.16，n 29.34；found c 24.59，n29.34；
[0077][0078]
13
c nmr(acetone-d6，125mhz)，δ:155.12，151.17；
[0079]
ms(esi)m/z:192(m+1)。
[0080]
以上数据证实上述实施例1和实施例2的反应得到的化合物是本发明的目标化合物5，6-二氯呋咱并[3，4-b]吡嗪化合物。
[0081]
实施例1和实施例2的5，6-二氯呋咱并[3，4-b]吡嗪(dcfp)能够作为关键中间体，用于合成4，8-二(苦基)双呋咱并吡嗪。
[0082]
表5胺类催化剂的筛选
[0083][0084]
本发明发现：如表5所示，胺类物质可能对此类反应具有一定的催化能力。于是，本发明挑选了典型的胺类催化剂，按照实施例1中的合成方法对氯化反应条件进行了筛选。最终确定最优的胺类催化剂是dmf。其分离收率高达68％(注：不加催化剂时的反应收率为
8％)。
[0085]
就氯代反应而言，通常采用过量的三氯氧磷并保持微沸的条件进行。本发明首先以常用且廉价易得的n，n-二甲基甲酰胺(dmf)等作为催化剂对反应进行优化。实验结果表明：当向反应中加入n，n-二甲基甲酰胺等，有利于氯离子的离去，可以对反应起催化作用。本发明在dhfp投料量为(4.0g，26.00mmol)，反应温度为130℃的条件下，进行了不同三氯氧磷及dmf用量对于dcfp收率的影响实验，其结果如表6所示。
[0086]
表6 pocl
3-dmf体系氯化反应及其收率情况
[0087]
dhfppocl3dmf收率备注4g60ml————反应体系一直为白色悬浊4g60ml1ml3.37g，68％ 4g60ml5ml——回流状态下反应体系为透明澄清状
[0088]
通过不同dmf用量对于dcfp的收率影响实验结果可以看出：如果采用纯pocl3氯化体系，即便是pocl3过量，但由于dhfp的溶解很差，不能发生反应；当加入适量的dmf时，反应能够在均相体系中进行得到目标产物，收率68％；但当加入dmf量较少时，dmf对氯代反应的进行基本无影响。
[0089]
如图8所示，当使用n，n-二甲基甲酰胺作催化剂时观察到的副产物，副产物的晶体结构如图9所示。
[0090]
dmf催化剂的反应条件优化如表7所示。
[0091]
上述实施例中，dmf还可以采用如表5中所示的其它胺类催化剂进行替换，在此不再赘述。
[0092]
表7 dmf催化剂的反应条件优化
[0093]
entrystoichiometrytemperature/℃time/hyield(％)1∶0.51300.53821∶0.51301.05231∶0.51302.05841∶0.51303.060s1∶0.51304.06861∶0.51306.06371∶11304.03381∶1.51304.0trace91∶21304.00101∶0.51504.042111∶0.51004.00

技术特征：
1.一种5,6-二氯呋咱并[3,4-b]吡嗪的合成方法，该方法以dhfp为原料，其特征在于，该方法以pocl3既作为反应溶剂又作为氯化试剂；该方法以胺类试剂作为催化剂。2.如权利要求1所述的5,6-二氯呋咱并[3,4-b]吡嗪的合成方法，其特征在于，该方法的反应过程为：3.如权利要求1所述的5,6-二氯呋咱并[3,4-b]吡嗪的合成方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：加入pocl3，冰水浴降温至5℃以下，然后向体系内依次加入dhfp和胺类试剂，dhfp和胺类试剂的摩尔比为1:0.5，并加热至130℃，回流反应1～6h；反应结束后，将反应液冷却至室温，将反应液倒入冰水中，过滤析出固体，干燥后得到5,6-二氯呋咱并[3,4-b]吡嗪。4.如权利要求3所述的5,6-二氯呋咱并[3,4-b]吡嗪的合成方法，其特征在于，回流反应4h。5.如权利要求1至4任一项所述的5,6-二氯呋咱并[3,4-b]吡嗪的合成方法，其特征在于，所述的胺类试剂为所述的胺类试剂为

技术总结
本发明提供了一种5,6-二氯呋咱并[3,4-b]吡嗪的合成方法，该方法以DHFP为原料，该方法以POCl3既作为反应溶剂又作为氯化试剂；该方法以胺类试剂作为催化剂。本发明的不再使用腐蚀性极强的剧毒PCl5作为氯化试剂，只使用了原料更加简单易得的POCl3，减少了PCl5这一要素。POCl3在反应体系中具有“一箭双雕”的作用，既可当反应溶剂，又可作为氯化试剂。本发明将廉价易得的N,N-二甲基甲酰胺作为催化剂引入反应体系当中，极大的提高了反应收率。本发明的合成方法简单，产率较高，最高达68％。最高达68％。最高达68％。


技术研发人员：刘宁 谭博军 汤永兴 刘雨季 张倩 莫洪昌 王伯周
受保护的技术使用者：西安近代化学研究所
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/8/5