1,2-二硝基咪唑转化为2,4-二硝基咪唑的研究现状

1,2-二硝基咪唑转化为2,4-二硝基咪唑的研究现状侯云玥，郑博（中北大学化工与环境学院，山西太原030051）【摘要】：2,4-二硝基咪唑的合成方法主要有两个方向：第一个是由2-硝基咪唑硝化生成，第二种是1，4二硝基咪唑热重排生成，有多种热重排方法。第一种为硝化生成法，由于2-硝基咪唑的价格昂贵,反应生成的副产物比较多,而且纯度低,得率低,因此这种方法很难工业化。到目前为止,制备2,4-DNI一般采用将1,4(5)-经过热氯苯溶液、热重排的工艺路线,由于此合成路线原料易得,价格低廉,适合工业化生产,美国现已实现小规模生产。【关键词】:咪唑；氮杂环化合物；1,2-二硝基咪唑(1,2-DNI)；2,4-二硝基咪唑(2,4-DNI)；1,4-二硝基咪唑1,4-DNI；2-硝基咪唑硝化法；热重排法；微波重排法咪唑（Imidazole）【分子式】C3H4N2分子结构图为咪唑类主要用作环氧树脂的固化剂，在日本占咪唑类消费量的一半以下，其用量为环氧树脂的0.5%-10%咪唑类化合物可用作抗真菌药、抗霉剂、低血糖治疗药、人造血浆等，还可用作治疗、人造血浆等，还可用作治疗滴虫病及火鸡黑头病的药物.2010年J.Med.Chem[1]通过利用68GA示踪硝基咪唑衍生物在被移植肿瘤的小白鼠上的测试已经证明了Ga-NOTA-NI的酰胺氧有助于利用X射线形成金属络合物。我们把他们用68GA标记起来，发现68Ga-NOTA-NI和68Ga-SCN-NOTA-NI都被高效率的标记了（96%）并且在室温下的培养基中和37摄氏度的人血清中处于稳状态。在体外细胞摄取实验中使用CHO和CT-26，在缺氧条件下细胞系对两种药剂的吸收明显增加。含能材料中多氮杂环化合物含氮量高,分子中含有大量的N-N和C-N高能量的化学键,因而具有很高的生成焓。同时由于杂环的稳定性而使以环为基础的修饰和改性成为可能,这包括增加多个含氮量很高的杂环,或者是叠氮基团,或者是环上的硝基化改性等。近几十年来,唑系含能材料一直是火炸药领域比较活跃的课题,一系列新的化合物相继被合成出来。然而对于咪唑类含能化合物的研究比较少,更多的是对于咪唑在医药方面的开发与研究。20世纪70年代以来,国外在叠氮基取代咪唑方面做了不少研究,并发现多硝基咪唑在含能材料方面具有许多优点。YoungGuCheun,BangSamPark[2]等人通过研究指出利用借鉴半经验法、从头开始研究、密度泛函理论计算的方法研究了咪唑、4-硝基咪唑、5-硝基咪唑、4，5-二硝基咪唑的分子结构。与试验数据相比，B3LYP和MP2与6-31G∗进行演算，基组都能提供平均误差小于0.01Å的键长和平均误差小于1°的键角这些优良的几何特征。即使超临界流体的结果比利用电子相关效应的结果要略差一点，但HF/3-21G和HF/6-31G*的计算仍能提供合理的几何特征，并且从现实意义上讲更可能有实用性。2,4-二硝基咪唑：2,4-dinitroimidazole(2,4-DNI)分子式：C3H2N4O4分子量：158.072,4-二硝基咪唑是咪唑的2位和4位氢被硝基取代的一种硝基五元杂环化合物,有芳香性，黄色固体,有无定型和晶体两种状态,不溶于一般的溶剂,如水、甲醇等。现在主要作为高能不敏感单质炸药。Dr.Damavarpu[3]首次发现它的能量比TATB高30%,摩擦感度、撞击感度、爆发点、真空热稳定性优于RDX和HMX,此优点被发现以后,2,4-DNI在含能材料领域即被广泛研究,俄罗斯、韩国、日本、印度、澳大利亚等国都对它的爆炸性能进行了研究,而美国对此研究处于领先地位。2,4-二硝基咪唑的合成方法主要有两个方向：第一个是由2-硝基咪唑硝化生成，第二种是1，4二硝基咪唑热重排生成，有多种热重排方法。1,4-二硝基咪唑(1,4-dinitroinidazole)简称1,4-DNI，是含能材料2,4-二硝基咪唑、2,4,5-三硝基咪唑[的重要中间体,其合成普遍采用醋酐法,即4-硝基咪唑加到乙酸、乙酸酐和浓硝酸混合液中硝化合成[2-3]。此法会产生大量的有机废酸，经济性不高。新型绿色硝化剂N2O5与工业上最常用的硝硫混酸等硝化剂相比具有如下优点[4]:①温度易控制,反应基本不放热;②无需废酸处理;③产物分离简单,通常蒸出溶剂即可;④对多官能团反应物硝化选择性高;⑤不会发生氧化等副反应。本文以五氧化二氮/二氯甲烷为绿色硝化体系，对4-硝基咪唑进行硝化制备1,4-DNI，得到满意的结果。在早年，主要使用2-硝基咪唑硝化法：意大利米兰Lepetits.P.A[4]实验室的Lancici等人在1963年首次采用2-硝基咪唑硝化法合成2,4-DNI。具体的工艺路线是将2-硝基咪唑加到0摄氏度的硝酸(86%)和乙酸酐混合液中,然后升温至100摄氏度反应2小时,再升温至115摄氏度反应30分钟,反应完后,将反应液冷却至室温,然后倾入冰水混合液中,并用乙酸乙酯萃取,获得2,4-二硝基咪唑,得率56%。由于2-硝基咪唑的价格昂贵,反应生成的副产物比较多,而且纯度低,得率低,因此这种方法很难工业化。所以在2-硝基咪唑硝化法之后人们研究出了另一种相对合理的方法——1,4-DNI的热重排法，主要通过中间体1,4-DNI经过热重排得到2,4-二硝基咪唑。第一个尝试实用热重排法合成2,4-二硝基咪唑的是前苏联GrigorevaValentinaN[5]等人。1983年他们将4-二硝基咪唑,95%的硫酸和乙酸酐混合,升温至35~40摄氏度,在此温度下反应3小时,再降温到10~15摄氏度后加硝酸铵,加完后再升温至35~40摄氏度,并在此温度下反应3小时,反应完后将反应液冷却至室温,然后将其倾入到冰水混合液中,用溶剂1,2-二氯乙烷萃取,蒸馏溶剂,得到固体,干燥,获得1,4(5)-DNI,最高得率83%。此工艺的条件比较苛刻,加入硝酸铵易于成团,反应不易控制,容易发生冲料的危险。1987年波兰格利维茨西里西亚阶技术大学有机化学技术研究院的JerzySuwinski[6]等人把4-硝基咪唑加入到冰醋酸中,然后滴加发烟硝酸,加完后再加乙酸酐,此时反应温度会上升到40~45摄氏度,在此温度下持续反应1小时,把反应液冲到冰水混合液中,过滤,用氯乙烯提纯,得率为88%。1989年新西兰达尼丁的OTAGO大学化学系M.RossGrimmett[7]等人将4-硝基咪唑加入到冰醋酸中,然后滴加硝酸(ρ=1.50g·cm-3),滴完后温度上升到50摄氏度,冷却并加乙酸酐,加完后再反应1小时,最后把反应液冲到冰水混合液中,用二氯甲烷萃取,得率85%。1995年ReddyDamavarpu[3]等人受美国陆军机要处委托,在JerzySuwinski和M.RossGrmmett[7]合成方法的基础对工艺进行了改进,用冰醋酸把4�硝基咪唑溶解,冷却到0摄氏度,滴加98%(ρ=1.52g·cm-3)的硝酸,然后在5摄氏度滴加乙酸酐,并在此温度下反应2小时再升温至25摄氏度,并在此温度下反应8小时,反应完后将反应液倾入冰水混合液中,过滤,干燥,1,4-DNI得率83%。此工艺原料便宜,操作简单,能量损耗低,纯度和得率高,目前国外均采用此方法小批量生产。热重排有两种方式:一种是溶剂热重排法,另一种是微波重排法。将1,4-DNI加到氯苯中,并且加热到120~125摄氏度并在此温度反应3~4小时。重排得2,4-DNI,2004年BhaumikK[8]等人通过微波加热的方式,将1,4(5)-DNI热重排得2,4-DNI,这种方法取代溶剂,加热均匀,转化率高,但目前这种方法主要用于实验室小试制备2,4-DNI,工业化还需进一步研究。2010年，刘慧君[9]等人通过研究发现由1,4-二硝基咪唑(1,4-DNI)重排为2,4-二硝基咪唑(2,4-DNI),以微波加热代替常规加热,可在一定程度提高得率,并可将重排时间由4~50小时缩短为10分钟。研究了加热用微波功率、加热时间、溶剂及1,4-DNI浓度对2,4-DNI得率的影响。重排适宜的反应条件是:微波功率375W,加热时间10分钟,氯苯为溶剂,1,4-DNI的浓度为10%,这时所得2,4-DNI的得率可达95%,熔点265~268摄氏度(分解)。到目前为止,制备2,4-DNI一般采用将1,4(5)-经过热氯苯溶液、热重排的工艺路线,由于此合成路线原料易得,价格低廉,适合工业化生产,美国现已实现小规模生产。目前，国内外各大数据库均未发现关于1,2-DNI（1,2-dinitroimidazole）的研究。也无法查找到1,2-DNI的化学性能，应用方面合成工艺等方面的信息。所以，目前生成2,4-DNI的方法中还未发现由1,2-DNI的先例，且无相关资料。此种方法有待进一步研究和发展。参考文献：[1]J.Med.Chem,LathikaHoigebazar,JaeMinJeong.SynthesisandCharacterizationofNitroimidazoleDerivativesfor68Ga-LabelingandTestinginTumorXenograftedMice[J].2010.[2]SooGyeongCho，YoungGuCheun,BangSamPark.Acomputationalstudyofimidazole,4-nitroimidazole,5-nitroimidazoleand4,5-dinitroimidazole[J].THEOCHEM,1998.[3]ReddyDamavarpu,KeeriJayasuriya,VladmiiroffTheodore,eta.l2,4-dnitromiidazole:Alesssensitiveexplosiveandpropellantmadebythermalrearrangementofmolten1,4-dinitromiidazole[P].USP5387297.[4]LanciniGC,MaggiN,SensiP.Synthesisofsomederivaivesof2-nitroimidazolewithpotentialanti-trichomonasactity[J].EdSci,1963,18:390-396.[5]GrigorevaValentinaN,FassakhovRafaelKH,GafarowAjratN,eta.lMethodofProducing1,4-Dinitroimidazoles[P].Su1416488,1988.[6]JerzySuwinsk,iEwaSalwinska.Nitroimidazoles,partIXsomereactionsof1,4-DNI's[J].PolJChem,1987,61(7-12):613-920.[7]M.RossGrimmett,Sio-TiokHua,Kuei-ChooChang,eta.l1,4-Dinitroimidazoleandderivatives.structureandthermalrearrangement[J].AustJChem,1989.42(8):1281-1289.[8]BaumikK,AkamanchiKG.2,4-dinitroimidazole:Microwaveassistedsynthesisanduseinsynthesisof2,3-dihydro-6-nitroimidazole[2,1-b]oxazoleanalogueswithantimycobacterialactivity[J].JournalofHeterocyclicChemistry,2004,(1):51-55.[9]刘慧君,曹端林,李永祥,王建龙.2,4-DNI的研究进展[J].含能材料,2005.