本发明涉及一种具有笼型张力环结构的碳氢化合物——二金刚烷吖嗪的合成方法。由于二金刚烷吖嗪具有高密度、高热值的优点，可用于火箭及航空燃料或者燃料添加剂，因此二金刚烷吖嗪在军事及航天领域中均具有广阔的应用前景。
背景技术：
随着航空航天技术的发展趋势，对飞行器的性能提出了更高的要求。而飞行器的性能（如航程、航速和载荷等）在很大程度上取决于燃料，这是由于燃料与空气中的氧(吸气式发动机)或自带的氧化剂(火箭发动机)发生燃烧化学反应，将储存在燃料中的化学能转化为推进动能。因此，提高燃料的热值（或能量）和密度，可以提高飞行器的航程、航速，同时可以降低飞行器自身所携带燃料的载荷。
高密度笼型碳氢化合物具有比常规燃料更高的密度和热值，迄今为止，多种高密度燃料已经被成功合成并得到应用。高密度笼型碳氢化合物是一类具有高张力多环的烃类化合物，它们的分子全部或大部分由碳、氢两种元素组成，通过分子内张力将内能贮存在分子中，因此该类化合物具有高环张力和高碳氢比。高密度笼型碳氢化合物一旦发生化学反应就可以将储存的内能释放出来，从而显现出具有较高的密度和体积热值等良好理化性能，从而可实现在燃料箱体积有限的情况下增加能量供给。因此，已成为航空航天飞行器中重要燃料种类。
合成高密度笼型烃类燃料主要以烃类物质为原料，通过聚合、加氢、异构化、分离提纯等合成工艺过程得到。有研究报道marchand等人合成出了一种高张力笼状烷烃——五环[5.4.0.02,6.02,10.05,9]十一烷。(c11h14，pcu)（j.org.chem.，1974，39）虽然该物质具有很高的密度(1.239g/cm3)，但是由于挥发性高，影响了其作为燃料直接使用。
因此，在保留五环十一烷优异的密度、能量性质的前提下，为了克服其挥发性高的缺陷，研究人员marchand等人又合成出了五环十一烷及其衍生物的二聚物，如五环[5.4.0.02,6.02,10.05,9]十一烷二聚体（c22h24）、甲基化五环[5.4.0.02,6.02,10.05,9]十一烷二聚体等。（polycycliccagecompounds，kemind，2001，51）五环十一烷及其衍生物的二聚物的合成步骤均为七步，各步具体反应为：（1）双环戊二烯裂解得到单环戊二烯；（2）环戊二烯与对苯醌进行diels-alder加成反应；（3）加成产物在紫外光作用下发生环化反应；（4）用乙二醇将pcu二酮上的一个羰基保护起来；（5）通过还原反应消除余下的一个羰基；（6）脱去保护，制备pcu单酮；（7）羰基还原偶联，将两个pcu分子连接起来，得到pcu烯烃二聚物，最终产物收率仅为10%左右。
mcmurry等人经过试验探索，发明了一种采用低价钛试剂（如ticl3/zn,、tic13/mg、tic13/lia1h4等），在氩气气氛条件下将羰基或者频那醇化合物还原为烯键的方法，并成功地制备出了金刚烷烯烃二聚体（j.org.chem.，1976，41）。
hogenkampderkj等人以笼型偶氮化合物为原料，以十二烷为溶剂，在高于137℃的温度下反应0.3小时，得到了具有笼型结构的金刚烷烯烃二聚体和金刚烷吖嗪的混合物。（journaloforganicchemistry，1993，58）
综上所述，目前文献资料中报道的关于高密度笼型化合物二聚物的反应步骤多，产物收率和纯度低，且有的合成工艺条件较为严格（如氩气气氛下）。同时，文献资料中尚未见以金刚烷酮为原料制备高密度笼型化合物——二金刚烷吖嗪的合成研究。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种合成工艺简便、产物纯度高，且具有高密度笼型张力环结构的二金刚烷吖嗪的合成方法。
本发明的解决方案是（除有说明外，本发明中采用的比例均为摩尔配比）：
本发明以金刚烷酮为原料，在极性溶剂中与肼基化合物进行亲核加成反应，加热回流一定时间后，只需一步化学反应即可合成出目标化合物，合成出一种具有二聚结构的高密度笼型碳氢化合物——二金刚烷吖嗪（c20h28n2），合成反应式如下：
本发明在室温下，先将极性溶剂加入反应器中，然后加入金刚烷酮搅拌溶解，再加入肼基化合物，加热回流温度为75～100℃；反应时间为8～20小时，金刚烷酮：肼基化合物的摩尔比为：2.5～1.0:1.5～0.5，极性溶剂的用量为金刚烷酮质量的2～6倍。
本发明还包括将合成出目标化合物提取：向反应器中加入蒸馏水，加入蒸馏水的量为金刚烷酮质量的1～5倍，析出白色物质，经过滤、洗涤得二金刚烷吖嗪，产物纯度可达99%以上。
本发明所述极性溶剂为无水乙醇，肼基化合物为水合肼。
本发明以具有笼型结构的金刚烷酮为起始原料，使用无水乙醇作为极性溶剂，与肼基化合物发生加成反应得到吖嗪化合物。该反应的优点是：合成工艺简单、反应条件无特别要求，且转化率高、产物纯度高（达到99%以上）。反应原理为：1mol肼基（h2n-nh2)与2mol羰基(c=o)发生亲核加成-消除反应，失去两分子水，得到具有吖嗪结构的化合物。
本发明可制备具有二聚结构的高密度笼型碳氢化合物，且可适用于所有笼型碳氢化合物，包括二pcu吖嗪，二五环十烷吖嗪、二（甲基pcu）吖嗪等。
本发明与现有技术相比的优点在于：
⑴、采用本发明制备二金刚烷吖嗪具有合成工艺简单、操作简便的优点，只需一步亲核加成反应即可得到高密度笼型张力环碳氢化合物——二金刚烷吖嗪。
⑵、该反应条件温和，在环境温度下，只要将反应体系加热至75～100℃时回流一定时间即可制得二金刚烷吖嗪。这是因为该反应是亲核加成反应，而笼型结构的金刚烷酮由于自身具有较大的环张力，在与肼基进行去氧-加成-双取代反应时，为使反应顺利进行需要更高的活化能以用于克服反应能垒。在加热回流状态下进行该反应，增加了分子热运动，有利于分子的离解，也有利于离子的亲核进攻，从而金刚烷酮与肼基的亲核加成反应能够顺利进行，最终得到了具有二聚结构的二金刚烷吖嗪。
⑶、本发明制备二金刚烷吖嗪具有产物单一，反应转化率高的优点，且产物无需其他特别后处理，纯度即可达到99%以上。
具体实施方式
实施例1
将390ml乙醇加入到三口烧瓶中，在室温下，加入1.28mol金刚烷酮，搅拌溶解，加入0.78mol水合肼，加热升温至85℃，回流12小时后，冷却至室温，加200g蒸馏水，析出白色固体，过滤，洗涤得到二金刚烷吖嗪。
实施例2
将450ml乙醇加入到三口烧瓶中，在室温下，加入1.51mol金刚烷酮，搅拌溶解后，加入0.94mol水合肼，加热升温至90℃，回流18小时，冷却至室温，加400g蒸馏水，析出白色固体，过滤，洗涤得到二金刚烷吖嗪。
实施例3
将680ml乙醇加入到三口烧瓶中，在室温下，加入2.04mol金刚烷酮，搅拌溶解后，加入1.25mol水合肼，加热升温至80℃，回流20小时，冷却至室温，加540g蒸馏水，析出白色固体，过滤，洗涤得到二金刚烷吖嗪。