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5-氨基四唑盐的合成工艺优化及结构表征

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5一氨基四唑盐的合成工艺优化及结构表征 1 7 文章编号:1006—9941(2014)01—001 7-05 5.氨基四唑盐的合成工艺优化及结构表征 王盟盟,杜志明,赵志华,韩志跃 (北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京100081) 摘要:以5一氨基四唑一水化合物(5一AT·H,0)为原料,与反应一步制得5一氨基四唑盐(5一ATN)。研究了用量、反 应温度和反应时间对目标物合成的影响。通过正交实验得到最优合成工艺:20 qC下,5 g 5一AT·H 0与1 5 mL浓(65%)边 搅拌边反应1 5 min,目标物产率达92.6%。和文献报道比较,该工艺反应温度降低、时间缩短、产率提高。表面形貌分析与吸湿性 测试结果表明目标产物晶体表面光滑、吸湿性低。 关键词:应用化学;5一氨基四唑盐(5一ATN);正交实验;工艺优化 中图分类号:TJ55;069 文献标志码:A DOI:1 0.3969/j.issn.1 006—9941.201 4.01.004 5一AT与在不同温度下反应均可制得5一ATN。 1 引 言 近年来,人们致力于寻找能量高、环境友好的含能 材料。富氮化合物具有高氮、低碳、低氢的结构特征,分 子中含有大量的N—N和c—N键,具有高正生成焓,反 Moritz von等 将5一AT与浓(65%)混合后,先 在沸水浴中反应,后在冰水浴中结晶;S.P.Bu rns 等 则相反,首先5一AT与浓(65%)在冰水浴中 反应1 h,加入蒸馏水后煮沸,室温下冷却结晶;孟令 桥… 在70—75℃条件下5一AT与浓(65%)持续 反应1.5 h,产率为88.91%;马桂霞等 在70cjC热 水浴中反应1 h,产率为65%。这些合成方法反应温 度较高,产率较低,反应时间过长。 本研究以5一氨基四唑一水化合物(5一AT·H,O) 为原料,常温下与反应一步制得5一ATN。正交实 验得到最优合成工艺:2O o(=下,5 g 5。AT·H o与 应时能够释放较高的能量,能生成以N,为主体的大量气 体,与较少氧化剂混合即可达到零氧平衡,因此在推进 剂、环保型气体发生剂等方面具有潜在的应用价值…。 四唑类化合物是目前受到高度关注的一类高氮含 能化合物。目前已有很多关于5一氨基四唑(5。AT)合 成和酸碱性研究的报道 。该化合物室温下以一水 化合物形式存在,由于60 cjC时结晶水即可自发从 5一AT分子中离解出来,所以药剂的质量和含水率易随 环境温度的变化而改变,并且含有5一A丁药剂气体的 反应产物中水蒸气的比率会增加。这些对其应用产生 了不利影响。将5一AT转变成含能离子盐 I。 不仅可 1 5 mL浓(65%)边搅拌边反应1 5 min,目标物产 率达92.6%。并用元素分析、红外光谱测试、核磁共 振氢谱分析和X一射线单晶衍射证明了其结构,同时吸 湿性测试表明5一ATN的吸湿性较低。和文献报道比 以消除分子中结晶水引起的不稳定问题,也可以将氧 原子引入到分子中,改善分子的氧平衡状况。目前研 较,该工艺反应温度降低、时间缩短、产率提高,为 5一ATN的工业化生产奠定了良好的基础。 究较多的物质是5.氨基四唑盐(5一ATN),其分子 式为CH N O ,含氮量较高,为56.75%,氧平衡为 一2 实验部分 2.1试剂与仪器 10.8%,作为气体发生剂组分具有良好的应用前景。 收稿日期:201 3—03—1 5;修回日期:201 3-05-14 5一AT·H o、浓(65%)、无水乙醇、钾, 均为市售分析纯试剂。 基金项目:爆炸科学国家重点实验室基金(YBKT11-09;ZDKT1 2—01) 作者简介:王盟盟(1988一),女,在读硕士,主要从事环保型气体发生剂 配方的研究。e-mail:wangmengmeng0626@1 26.com 通信联系人:杜志明(1 962一),男,博导,主要从事化学物理效应、烟火 ZRD一1全自动熔点仪;德国vario EL元素分析仪; 美国尼高力公司FT-lR4700红外光谱仪(IR);瑞士 ARX400 Bruker核磁共振谱仪;E1立S-4700扫描电子显 技术以及应用化学等方面的研究。e-mail:duzhiming430@sohu.com CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS 含能材料 201 4年 第22卷 第1期 (1 7—21) 18 王盟盟,杜 明,赵志华,韩志跃 微镜;Rigaku 742 单晶衍射仪;Hws一70B恒温恒湿箱。 2.2 合成方法 5一ATN合成路线见Scheme 1。 N/ N/ e l 1N\ HNO 洲2 2o l lN\ Scheme 1 Synthesis ro ute o 20 o(=下,将5 g 5一AT·H o溶于1 5 mL水中,缓 慢加入1 5 mL浓(质量分数为65%),边搅拌边 反应1 5 min。窄温下自然冷却,逐渐析出晶体,抽滤, 冰水洗涤,50。C f燥,产率为92.6%。m.P.: 1 74 o(=;。H NMR(DMSO一 , :1 1.035(5一AT成盐 后只出现一种质子的氯,说明成盐后形成了较多的氢 键);IR(KB r,cm ) :3425、3335(N—H),2960、 2821(N 一H),1 727(C二N),1 436、1 338(C—N), 1 384(NO 一),1 1 07~1 039(四唑环);Ana1.calcd for CH4 N O :C 8.1 1,H 2.72,N 56.75;found C 8.1 0,H 2.70,N 56.61。 H 图1 5一ATN的SEM罔 Fig.1 SEM photograph of 5一ATN N(2) N(3) O(3 2.3 SEM分析和X一射线单晶衍射 用}j S-4700扣描电子显微镜,放大800倍观察 5一ATN的表面形貌 将1 g 5一ATN溶解在2O mL无水乙醇【千I,完全溶 图2 5一ATN的晶体结构图 Fig.2 Molecular structure of 5一ATN 表1 5-ATN的键长、键角 Table 1 Structu ral pa ramete rs fo r 5一ATN 解后用锡纸封¨,置于窒温环境中,至有大量晶体析 出,选取大小合适的品体进行测试,通过Rigaku 742 单品衍射仪收集衍射数据。 3结果与讨论 3.1 SEM图分析和X一射线单晶衍射分析 5一ATN的表而形貌如图1所示。由图1可以看 叶II,合成的5.ATN形状规则且表面光滑。 5一ATN的分子结构如 2所示,该晶体属于单斜 晶系, 尸2 /c 问群,a=1.0545(5)nm, 3.2合成工艺优化 3.2.1 初步优化 b=0.3442 2(1 8)nm,C=1.46 1 3(8)nm, = = 90。, =90.550(8)。,V=0.5304(5)nm一,Z:4。结 构包括[5一ATHj 离子和No 阴离子,通过强氢键 连接组成:O(3)…H(1)一N(1)(O(3)一N(1) 0.2752 nm),o(3)…H(4)一N(4)(o(3)一N(4) 根据文献[1 5—18],用正交实验 方法,选取 的用量、反应时间和反应温度这j种 素作为正交实验 因素,优化指标为5一ATN的产率, 素水平表见表2 , 本研究正交实验结果如表3和表4所示。为了统 计方便和直观分析,将产率指标值做适当简化(X = Yi-85),进行统i-t-分析。 0.2762 nm),O(1)…H(5A)一N(5)(o(1)一N(5) 0.3262 nm)l不1】o(2)…H(5B)一N(5)(o(2)一N(5) 0.3259 nm) 、表1为5一ATN的键长和键角,结果与 文献[1 5,1 8]_卞}{符。 Chim'seJournal‘!rEncNeticMaterials,Vo1.22,NO 1,2014(17—21) WWW.energetic-materials.org.cn 5一氨基四唑盐的合成工艺优化及结构表征 19 Note kAi=i : Ai)  kAi) xi) =va riance total numbe r of tests :—÷(壹 ; (∑ ;Q^=(∑(∑ ;P 小(主;c=(∑ ;c:÷I÷;5s:. ,s_Q=Q—_cT丁;n: xi=l表3中nullable为空列,以多余空列来计算实验 误差s ,使实验更精准。方差(5=Q—CT)的大小反映 该因素对实验指标均值偏离的程度,数值越大,表明该 因素水平的微小变动会导致指标值的较大波动,因此, 方差最大的称为主要因素,相反,方差值很小,甚至比 水平,即在k 中选取产率最高的主要因素所对应的水 平,第二步是决定次要因素的最好水平,方法同上。针 对本实验,主要因素是A(的用量),最佳水平为 A ,具体优化反应条件为:A 8 C 。即用量为 1 5 mL,反应时间为1 5 min,反应温度为50 oC。 实验误差的计算值还小,说明该因素水平值的很大变 动所导致实验指标值的波动很微弱,称这一类因素为 摒弃因素,可以将这类因素的方差合并到实验误差之 优化条件中反应时间和反应温度都选择了水平 1,说明并未得到真正优化,由于反应温度比反应时间 对实验结果的影响更大,所以应继续降低温度,对反应 温度范围10—50 oC的正交结果进行分析。 3.2.2进一步优化 中,记为当量误差5。 。从表4方差分析可知,因素A 的用量对5一ATN产率的影响最大,因素C反应温 度次之,反应时间对产率的影响最小。 实验的目的是为了寻找更好的因素水平的组合并 同样选择的用量(A)、反应时间(B)和反应 温度(C)这三种因素作为正交实验因素,因素水平表 见表5。本研究实验数据见表6和表7,分析方法同 付诸于生产,最好的因素水平组合即为最佳生产条件。 方法是首先在主要因素产率中,挑选产率最高的对应 上。反应时间为摒弃因素,故并入实验误差当中,记为 含能材料 201 4年 第22卷 第1期 (1 7—21) CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS 20 表5因素水平表 Table 5 Factors and level S 三里里:塾查 :整查 ,壁查 表7方差分析结果 Table 7 Results of variance analysis 表6正交试验结果 Table 6 Results of orthogonal experiments 当量误差S 。由于反应时间对实验的影响较小,所以 表8验证实验结果 Table 8 Results of ve rification experiments 反应时间的选择应从省时、省力和经济性等方面来考 虑,所以选定反应时间8 为1 5 min。于是最佳生产 条件可定为A B ,即含量为1 S mL,反应时间 为1 5 min,反应温度为20 o(=。 3.2.3验证实验 表9 5一ATN的吸湿性测试结果 Table 9 Resu Its of hygroscopic test of 5一ATN 以最佳水平的组合实验三次,考察是否可以达到 预期的目标,结果见表8。由表8可知,最佳生产条件 重复性较好,平均产率达到92.6%,表明实验得到了 较优的合成工艺条件。 3.3吸湿性测试 根据GJB 5891.9—2006《火工品药剂测试方法》 中吸湿性测定方法,在恒温(30℃),常压条件下,将 干试样放在盛有钾饱和溶液的干燥器内,经过 24 h吸湿,测试试样吸收水分的质量,结果见表9。 Note: :hyg roscopic rate of sample:m :quality of sample and bottle befo re wate r abso rption; 2:quality of sample and bottle after wate r absorp tion;m 3:hyg roscopic rate of empty bottle;w:quality of sample .含能材料 www·energetic-materials.org.cn 5-氨基四唑盐的合成工艺优化及结构表征 取三次吸湿性实验的平均值0.086%为5一ATN 5-aminotetrazole:US,5424449[P],1 995. 24 h的吸湿量,说明5一ATN的吸湿性很小,可以消除 [6]Ogawa H,Tanaka H,Oonishi A.P reparation of 5一aminotet. razole by cyclizing dicyanodiamide with sodium azide:JP 5-AT分子中结晶水引起的不稳定问题,为5一ATN的 08333354[P],1 996. 实际应用提供广阔前景。 [7]Rittenhouse C T,Ariz G.Di.siIve r aminotetrazole perchIorate: US,3663553[P],1 972. 4 结 论 [8]Sinditskii V P,Fogelzang A E,Levshenkov A l,et a1.Combus— tion of 5-aminotetrazole salts[C]//P roceedings of the 21 st Inter— national Pyrotechnics Seminar,1 995:762-773. (1)以5一AT为原料,与反应一步制得5一ATN, [9]Jin C M,Ye C,Piekarski C,et a1.Mono and b ridged azolium 并通过元素分析、红外光谱、核磁共振氢谱和X一射线 picrates as energetic salts[J].European Journal of Inorganic Chemistry,2005,1 8:3760-3767. 单晶衍射测试证明成功合成5一ATN。 [1 0]Denffer M V,Klap6tke T M,Sabat6 C M.Hyd rates of 5一amino一 (2)正交实验得到最优合成工艺:5一AT的用量 1 H—tetrazolium halogenide salts—sta rting materials for the synthe— 为5 g,的用量为15 mL,反应温度为20 cC,反应 sis of energetic compounds[J].Zeitschrift Fur Anorganische und AIIgemeine Chemie,2008,634:2575—2582. 时间为1 5 min,目标物产率达92.6%。该工艺反应温 [1 1]B I T B,Ramanathan H.Thermal decomposition of ene rgetic 度降低、时间缩短、产率提高。总之,该工艺能耗低、操 materials 76:chemical pathways that control the bu ring rates of 5一aminotetrazole and its hyd rohalide salts[J].Combustion and 作简便,易于工业化生产。 Flame,2000,1 22(1/2):1 65—1 71. (3)表面形貌分析,说明5一ATN晶体表面光滑。 [1 2]Karaghiosoff K,KlapOtke T M,Maye r P,et a1.Salts of methyla- 吸湿性测试研究表明,5一ATN吸湿性低,避免由于吸 ted 5-aminotetrazoles with energetic anions[J_.Inorganic Chem- istry,2008,47:1007—101 9. 水或结晶水等引起不稳定问题。在气体发生剂领域, [1 3]Klap6tke T M,Sabat ̄C M,Penger A,et a1.Energetic salts of 有望成功替代5一AT。 low—symmetry methylated 5一aminotetrazoles[J].European Jour— naf of Inorganic Chemistry,2009:880—896. [14]G?dvez—Ruiz J C,Holl G,Karaghiosoff K,et a1.Derivatives of 1,5, 参考文献: diamino一1 H—tetrazole:a new family of energetic heterocyclic—based [1]王宏社,杜志明.富氮化合物研究进展[J].含能材料,2005,1 3 salts[J].Inorganic Chemistry,2005,44(12):4237-4253. (3):1 96-203. [1 5]Moritz von Denffe r,Thomas M.Klapotke et a1.Imp roved WANG Hong—she.DU Zhi-ming.P rogress in synthesis and prop- synthesis and×一ray structu re of 5-aminotetrazolium nitrate[J]. e rties of nitrogen—rich[J].Chinese Journal of Energetic MateriaIs Proplellants Explosives Pyrotechnics,2005(3):1 91—1 95. (Hanneng Cailiao),2005,1 3(3):1 96-203. 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Optimization of Synthesis Process and Structural Characterization of 5-ATN WANG Meng-meng,DU Zhi-ruing, ZHAO Zhi-hua,HAN Zhi-yue (State Key Laboratory of Explosion Science and Technology,BIT,Beijingl 00081,China) Abstract:5一Aminotetrazolium nitrate(5一ATN)was synthesized from 5一aminotetrazole monohyd rate(5一AT·H O)and concentrat— ed nitric acid.The effects of nitric acid dosage.reaction time and reaction temperatu re on the yield of 5一ATN were discussed.The proper synthesis conditions determined by orthogonal expe riments were as follows:5 g 5一AT,1 5 mL nitric acid,reaction tempera— ture 20 oC and reaction time 1 5 min,with the yield of 92.6%.Compared with previous studies.the reaction ternpe ratu re and reaction time decrease whiIe the yield is improved.SEM pictu re shows that the su rface of 5一ATN is smooth.and heIlogh humidity storage tests show that the wate r absorption of product is reduced. Key words:applied chemistry;5一aminotetrazolium nitrate(5一ATN);orthogonal experiment;process optimization CLC number:TJ55;O69 Document code:A DOl:1 0.3969/j.issn.1 006—9941.201 4.01.004 CHINESE JOURNAL OF ENERGETIC MATERIALS 含能材料 2014年第22卷第1期 (1 7—21) 

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