一种2,2,4,4,6,6-六硝基金刚烷的合成方法
【专利摘要】本发明公开了一种2,2,4,4,6,6-六硝基金刚烷的合成方法。所述方法以丙二酸二乙酯为原料，新路线避免了传统路线中后处理复杂、产率较低的环合、臭氧化等步骤；新路线中硝化步骤以N2O5为硝化剂，具有反应速度快、反应温度易控制、产品易分离、产物纯度高、能有效减少废酸等优点。本方法较传统路线成本更低，反应污染更小，产率更高，反应产率由原路线的0.5%提高到14%，为其工业化生产提供了可能性。
【专利说明】—种2, 2, 4, 4, 6, 6-六硝基金刚烷的合成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种金刚烷衍生物的合成方法，具体涉及一种2，2，4，4，6，6_六硝基金刚烷的合成方法。
【背景技术】
[0002]金刚烷及其衍生物是有机笼状化合物中一类重要的化合物，可以广泛应用于药物、含能材料、功能高分子等领域。其中多硝基金刚烷由于其分子结构的高度对称性，具有高能、低感等优点，可用于炸药、推进剂、烟火剂和燃料等领域中，故其理论和实验研究受到人们的高度重视。多硝基金刚烷的能量及爆轰性能随着其所含硝基数目的增加而提高。计算结果表明2，2，4，4，6，6-六硝基金刚烷的爆速约为8700 m Μ—1，爆压约为34.6 GPa，是一种性能优越的高能炸药。
[0003]1993年，Dave以丙二酸二甲酯和多聚甲醛为起始原料，经过环合、脱羧、酮羰基保护、臭氧化、肟化、偕硝化等步骤，成功合成了 2，2,4, 4，6，6-六硝基金刚烷(HNA)，总产率不到 0.5% (Paritosh, R.D.Tetrahedron.1992, 48, 5839 ；Paritosh, R.D.; Little,F.US 5202508，1983 ；Paritosh, R.D.; Little, F.US 5180853，1993)。其中中间体4-亚甲基金刚烷-2，6-二酮通过双环[3.3.1]壬烷_2，6-二酮与浓H2SO4Ac2O体系作用生成，产率只有38%。而两步偕硝化反应均采用硝酸作硝化剂，产率分别为37%和21%。该反应路线步骤长、废酸多、污染重、产率低。因此开发出高效、低成本的六硝基金刚烷的新合成方法具有紧迫性和必要性。
【发明内容】
[0004]为了克服现有路.线的诸多缺点，本发明提供一种2，2，4，4，6，6_六硝基金刚烷的合成方法，该方法原料易得、成本低、污染小、操作简单、产率较高。
[0005]本发明的目的是通过如下技术方案实现:
一种2，2，4，4，6，6-六硝基金刚烷的合成方法，方法包括如下步骤:
(1)将丙二酸二乙酯和多聚甲醛溶解于反应溶剂中，在搅拌状态下加入催化剂，加热反应，减压蒸馏得淡黄色液体；将淡黄色液体加入甲醇钠的甲醇溶液中，加热，进行环合反应，冷却，过滤得白色固体；将白色固体溶于水中，调节pH至4?5,合成Meerwein’ s酯；
(2)将上述Meerwein’s酯溶于乙酸中，加热回流、搅拌，加入HCl,回流反应，合成[3.3.1]壬烷 _2，6-二酮；
(3)将上述双环[3.3.1]壬烷_2，6-二酮溶于反应溶剂中，加入甲醇钠的溶液，甲酸乙酯，加热反应得双环[3.3.1]壬烷-2，6- 二酮-3-甲醛；
(4)将上述双环[3.3.1]壬烷-2，6- 二酮-3-甲醛溶于溶剂中，加入L-脯氨酸，加热反应，合成4-羟基-2，6-金刚烷二酮；
(5)将上述4-羟基-2，6-金刚烷二酮溶于甲苯中，加入对甲苯磺酸和乙二醇，加热回流、除水，合成2，2，6，6- 二乙撑二氧基-4-金刚烷醇；(6)将过硫酸氢钾研磨成固体后，加入乙酸乙酯中，剧烈搅拌，再加入上述2，2，6，6-二乙撑二氧基-4-金刚烷醇的乙酸乙酯溶液，邻磺苯磺酸钠，无水硫酸钠，加热反应，合成2，2，6，6- 二乙撑二氧基-4-金刚烷酮；
(7)将上述2，2，6，6-二乙撑二氧基-4-金刚烷酮溶于乙醇中，加入盐酸羟胺，乙酸钠，搅拌反应，合成2，2，6，6- 二乙撑二氧基-4-金刚烷酮肟；
(8)将上述2，2，6，6-二乙撑二氧基-4-金刚烷酮肟溶于有机溶剂中，加入反应助剂，力口热条件下慢慢滴加五氧化二氮的有机溶液，合成2，2，6，6- 二乙撑二氧基-4，4- 二硝基金刚烧;
(9)将上述2，2，6，6-二乙撑二氧基-4，4-二硝基金刚烷溶于二氯甲烷中，加入浓硫酸，搅拌反应，合成4，4- 二硝基-2，6-金刚烷二酮；
(10)将上述4，4-二硝基-2，6-金刚烷二酮溶于甲醇中，加入盐酸羟胺，乙酸钠，加热，搅拌反应，合成4，4- 二硝基-2，6-金刚烷二酮肟；
(11)将上述4，4-二硝基-2，6-金刚烷二酮肟溶于有机溶剂中，加入反应助剂，加热条件下慢慢滴加五氧化二氮的有机溶液，合成2，2，4，4，6，6-六硝基金刚烷。
[0006]其中，步骤(I)中丙二酸二乙酯与多聚甲醛的摩尔比1:0.7?1 ;所述反应溶剂选用甲苯或苯，优选为甲苯；所述反应催化剂选用二乙胺，哌唆，哌嗪，甲基哌嗪，优选为
甲基哌嗪；反应先在80?110 °C反应疒9 11，再在110?1301:反应9?11 h ;丙二酸二乙酯与甲醇钠的摩尔比为1:0.5-11 ;环合反应的反应温度为4(70 V ;环合反应的反应时间为
8?16 ho
[0007]步骤(2)中Meerwein’ s酯与盐酸的摩尔比为1:3.65 ;反应温度为120 V ;反应时间为12 h。
[0008]步骤(3)中双环[3.3.1]壬烷-2，6-二酮与甲醇钠的摩尔比为1:广3，优选为1:1-1.5 ;双环[3.3.1]壬烷-2，6-二酮与甲酸乙酯的摩尔比为1:4，优选为1:1.5-2.5 ;反应溶剂选用甲苯，乙醇或甲醇，优选为甲醇；反应温度为2(T60 °C，优选为35?45 °C ;反应时间为6?20 h，优选为15?17 h0
[0009]步骤(4)中双环[3.3.1]壬烷_2，6-二酮-3-甲醛与L-脯氨酸的摩尔比为1:0.2?0.5，反应溶剂选用DMF，CH3CN, DMS0，优选为CH3CN ;反应温度为20?80 °C，优选为65?75 V ;反应时间为5?10 h，优选为7?9 h。
[0010]步骤(5)中4-羟基-2，6-金刚烷二酮与对甲苯磺酸的摩尔比为1:0.05、.3 ;4-羟基-2，6-金刚烷二酮与乙二醇的摩尔比为1:2?4 ;反应温度为10(T140 °C;反应时间为广4h0
[0011]步骤(6)中2，2，6，6-二乙撑二氧基-4-金刚烷醇与过硫酸氢钾的摩尔比为1:0.6-1 ;2，2，6，6-二乙撑二氧基-4-金刚烷醇与邻碘苯磺酸钠的摩尔比为1:0.0f 0.1 ;反应温度为5(T80 °C ;反应时间为8 h。
[0012]步骤(7)中2，2，6，6-二乙撑二氧基-4-金刚烷酮与盐酸羟胺的摩尔比为1:2 ；2，2，6，6-二乙撑二氧基-4-金刚烷酮与乙酸钠的摩尔比为1:2 ;反应时间为10 h。
[0013]步骤(8)中2，2，6，6-二乙撑二氧基-4-金刚烷酮肟与五氧化二氮的摩尔比为1:.25-4 ;反应溶剂选用CH2Cl2, CHCl3, CH2NO2, ClCH2CH2Cl,优选为CH2Cl2 ;反应助剂选用分子筛或尿素；反应温度为35、5 V ;反应时间为15?40 min。[0014]步骤(9)中2，2，6，6- 二乙撑二氧基_4，4_ 二硝基金刚烷与浓硫酸的摩尔比为1:60 ;反应时间为2 h。
[0015]步骤(10)中4，4-二硝基-2，6-金刚烷二酮与盐酸羟胺的摩尔比为1:6 ;4，4_ 二硝基-2，6-金刚烷二酮与乙酸钠的摩尔比为1:6 ;反应温度为65 V ;反应时间为12 h。
[0016]步骤(11)中4，4-二硝基-2，6-金刚烷二酮肟与五氧化二氮的摩尔比为1:2.5?8 ；反应溶剂选用CH2Cl2, CHCl3, CH2NO2, ClCH2CH2Cl,优选为CH2Cl2 ;反应助剂选用分子筛或尿素；反应温度为35?55 V ;反应时间为15?40 min。
[0017]根据本发明所制得的2，2，4，4，6，6_六硝基金刚烷总产率为14%。本发明所述的方法收率高，原料易得，是一种具有良好的工业化生产价值的制备方法。其显著优点如下:
(I)本发明以丙二酸二乙酯为原料，较传统路线中的丙二酸二甲酯成本更低、产率更高。(2)反应污染小，硝化步骤使用当量的绿色硝化剂N2O5进行硝化，避免了传统硝化体系使用过量硝化剂的缺点，具有反应速度快、反应温度易控制、产品易分离、产物纯度高、能有效减少废酸等优点。(3)反应后处理简单，使用新路线代替了原有路线中后处理复杂，产率较低的环合、臭氧化步骤。(4)本方法合成了三种新的中间体:双环[3.3.1]壬烷-2，6-二酮-3-甲醛，4-羟基-2，6-金刚烷二酮，2，2，6，6- 二乙撑二氧基-4-金刚烷醇。(5)反应产率较高，由原路线产率不到0.5%提高到14%，为其工业化生产提供了可能性。(6)本方法可为其它金刚烷骨架的构建及多硝基金刚烷的合成提供借鉴。
[0018]下面结合附图对本发明作进一步详细描述。·【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1本发明2，2，4，4，6，6_六硝基金刚烷的合成路线。
[0020]图2本发明双环[3.3.1]壬烷-2，6_ 二酮_3_甲醛的1H NMR谱图。
[0021]图3本发明双环[3.3.1]壬烷_2，6-二酮-3-甲醛的13C NMR谱图。
[0022]图4本发明4-羟基-2，6-金刚烷二酮的1H NMR谱图。
[0023]图5本发明4-羟基-2，6-金刚烷二酮的13C NMR谱图。
[0024]图6本发明2，2，6，6_ 二乙撑二氧基_4_金刚烷醇的1H NMR谱图。
[0025]图7本发明2，2，6，6_ 二乙撑二氧基_4_金刚烷醇的13C NMR谱图。
[0026]图8本发明2，2，4，4，6，6_六硝基金刚烷的1H NMR谱图。
[0027]图9本发明2，2，4，4，6，6_六硝基金刚烷的13C NMR谱图。
【具体实施方式】
[0028]
【权利要求】
1.一种2，2，4，4，6，6-六硝基金刚烷的合成方法，其特征在于包括如下步骤: (1)将丙二酸二乙酯和多聚甲醛溶解于反应溶剂中，在搅拌状态下加入催化剂，加热反应，减压蒸馏得淡黄色液体；将淡黄色液体加入甲醇钠的甲醇溶液中，加热，进行环合反应，冷却，过滤得白色固体；将白色固体溶于水中，调节pH至4-5,合成Meerwein’ s酯； (2)将上述Meerwein’s酯溶于乙酸中，加热回流、搅拌，加入HCl,回流反应，合成[3.3.1]壬烷 -2，6-二酮； (3)将上述双环[3.3.1]壬烷_2，6-二酮溶于反应溶剂中，加入甲醇钠的溶液和甲酸乙酯，加热反应得双环[3.3.1]壬烷-2，6- 二酮-3-甲醛； (4)将上述双环[3.3.1]壬烷-2，6- 二酮-3-甲醛溶于溶剂中，加入L-脯氨酸，加热反应，合成4-羟基-2，6-金刚烷二酮； (5)将上述4-羟基-2，6-金刚烷二酮溶于甲苯中，加入对甲苯磺酸和乙二醇，加热回流、除水，合成2，2，6，6- 二乙撑二氧基-4-金刚烷醇； (6)将过硫酸氢钾研磨成固体后，加入乙酸乙酯中，剧烈搅拌，再加入上述2，2，6，6-二乙撑二氧基-4-金刚烷醇的乙酸乙酯溶液，邻碘苯磺酸钠，无水硫酸钠，加热反应，合成2，2，6，6- 二乙撑二氧基-4-金刚烷酮； (7)将上述2，2，6，6-二乙撑二氧基-4-金刚烷酮溶于乙醇中，加入盐酸羟胺，乙酸钠，搅拌反应，合成2，2，6，6- 二乙撑二氧基-4-金刚烷酮肟； (8)将上述2，2，6，6-二乙撑二氧基-4-金刚烷酮肟溶于有机溶剂中，加入反应助剂，加热条件下慢慢滴加五氧化二氮的有机溶液，合成2，2，6，6- 二乙撑二氧基-4，4- 二硝基金刚烧; (9)将上述2，2，6，6-二乙撑二氧基-4，4-二硝基金刚烷溶于二氯甲烷中，加入浓硫酸，搅拌反应，合成4，4- 二硝基-2，6-金刚烷二酮； (10)将上述4，4-二硝基-2，6-金刚烷二酮溶于甲醇中，加入盐酸羟胺，乙酸钠，加热，搅拌反应，合成4，4- 二硝基-2，6-金刚烷二酮肟； (11)将上述4，4-二硝基-2，6-金刚烷二酮肟溶于有机溶剂中，加入反应助剂，加热条件下慢慢滴加五氧化二氮的有机溶液，合成2，2，4，4，6，6-六硝基金刚烷。
2.根据权利要求1所述2，2，4，4，6，6-六硝基金刚烷的合成方法，其特征在于步骤(I)中丙二酸二乙酯与多聚甲醛的摩尔比为1:0.7-1 ;丙二酸二乙酯与甲醇钠的摩尔比为1:0.5-1 ;所述溶剂选用甲苯或苯，优选为甲苯；所述催化剂选用二乙胺、哌啶、哌嗪、甲基哌嗪，优选为於甲基哌嗪；反应温度先为8(T110 °C，再为110-130 V ;反应时间先为h，再为扩11 h ;环合反应的反应温度为40-70 V ;环合反应的反应时间为8-16 h。
3.根据权利要求1所述2，2，4，4，6，6-六硝基金刚烷的合成方法，其特征在于步骤(3)中双环[3.3.1]壬烷_2，6-二酮与甲醇钠的摩尔比为1:广3，优选为I 1.5 ;双环[3.3.1]壬烷-2，6-二酮与甲酸乙酯的摩尔比为1:广4，优选为1:1.5-2.5 ;反应溶剂选用甲苯、乙醇或甲醇，优选甲醇；反应温度为2(T60 °C，优选为35-45 °C;反应时间为6-20 h，优选为15-17 h。
4.根据权利要求1所述2，2，4，4，6，6-六硝基金刚烷的合成方法，其特征在于步骤(4)中双环[3.3.1]壬烷_2，6-二酮-3-甲醛与L-脯氨酸的摩尔比为1:0.2、.5;反应溶剂选用DMF、CH3CN或DMSO，优选CH3CN ;反应温度为20-80 V，优选为65-75 V ;反应时间为5-10 h，优选为7-9 h。
5.根据权利要求1所述2，2，4，4，6，6-六硝基金刚烷的合成方法，其特征在于步骤(5)中4-羟基-2，6-金刚烷二酮与对甲苯磺酸的摩尔比为1:0.05、.3 ；4-羟基-2，6-金刚烷二酮与乙二醇的摩尔比为1:2-4 ;反应温度为10( 140 V ;反应时间为广4 h。
6.根据权利要求1所述2，2，4，4，6，6-六硝基金刚烷的合成方法，其特征在于步骤(6)中2，2，6，6- 二乙撑二氧基-4-金刚烷醇与过硫酸氢钾的摩尔比为1:0.6-1 ； 2，2，6，6-二乙撑二氧基-4-金刚烷醇与邻碘苯磺酸钠的摩尔比为1:0.0f0.1 ;反应温度为5(T80 °C ;反应时间为 8 h。
7.根据权利要求1所述2，2，4，4，6，6-六硝基金刚烷的合成方法，其特征在于步骤(8)中2，2，6，6-二乙撑二氧基-4-金刚烷酮肟与五氧化二氮的摩尔比为1:1.25-4 ;反应溶剂选用CH2C12、CHC13、CH2NO2和ClCH2CH2Cl,优选为CH2Cl2 ;反应助剂为分子筛或尿素；反应温度为35-55 V ;反应时间为15-40 min。
8.根据权利要求1所述2，2，4，4，6，6-六硝基金刚烷的合成方法，其特征在于步骤(11)中4，4- 二硝基-2，6-金刚烷二酮肟与五氧化二氮的摩尔比为1:2.5-8 ;反应溶剂选用CH2C12、CHC13、CH2NO2和ClCH2CH2Cl,优选为CH2Cl2 ;反应助剂为分子筛或尿素；反应温度为35-55 V ;反应时间为15-40 min。
【文档编号】C07C201/10GK103435490SQ201310384909
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月30日 优先权日:2013年8月30日
【发明者】罗军, 凌亦飞, 张萍萍, 孙露, 任晓莉 申请人:南京理工大学