патент
№ RU 2663300
МПК C07D487/22

4(10)-(2-Фтор-2,2-динитроэтил)полинитрогексаазаизовюрцитаны и способ их получения

Авторы:
Лукьянов Олег Алексеевич Шлыкова Нина Ивановна Терникова Татьяна Викторовна
Все (12)
Номер заявки
2018119323
Дата подачи заявки
25.05.2018
Опубликовано
03.08.2018
Страна
RU
Дата приоритета
02.03.2024
Номер приоритета
Страна приоритета
Как управлять
интеллектуальной собственностью
Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области органической химии, а именно к области химии производных полинитросоединений, конкретно к высокоэнергоемким 4(10)-(2-фтор-2,2-динитроэтил)полинитрогексаазаизовюрцитанам общей формулы, приведенной в формуле изобретения, и к способу их получения, заключающемуся в том, что соответствующие 4(10)-(2,2,2-тринитроэтильные)полинитрогексаазаизовюрцитаны общей формулы, приведенной в формуле изобретения, подвергают взаимодействию с иодидом калия в среде низшего алифатического спирта и образующиеся при этом соответствующие калиевые соли 4(10)-(2,2-динитроэтил)полинитрогексаазаизовюрцитанов обрабатывают фторирующим агентом в среде инертного растворителя. Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание новых, неописанных в литературе, высокоэнергоемких соединений, характеризующихся высоким содержанием активного кислорода, высокой плотностью, положительной энтальпией образования и высокой термической устойчивостью и при этом превосходящих аналог по устойчивости к механическим воздействиям, что дает возможность использовать их в качестве вторичных взрывчатых веществ и компонентов ракетных топлив в отличие от аналога (чувствительность к удару предлагаемых соединений находится в пределах 2.8±0.6 - 4.9±0.3). 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 4 пр.

Формула изобретения

1. 4(10)-(2-фтор-2,2-динитроэтил)полинитрогексаазаизовюрцитаны общей формулы:
где Х=NO2, CH2C(NO2)3, CH2C(NO2)2F.
2. Способ получения соединений по п. 1, заключающийся в том, что соответствующие 4(10)-(2,2,2-тринитроэтильные)полинитрогексаазаизовюрцитаны общей формулы:
где Х=NO2, CH2C(NO2)3, CH2C(NO2)2F, подвергают взаимодействию с иодидом калия в среде низшего алифатического спирта и образующиеся при этом соответствующие калиевые соли 4(10)-(2,2-динитроэтил)полинитрогексаазаизовюрцитанов обрабатывают фторирующим агентом в среде инертного растворителя.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве фторирующего агента используют фторид ксенона, в качестве низшего алифатического спирта используют метанол или этанол, а в качестве инертного растворителя используют дихлорэтан или ацетонитрил.

Описание

Предлагаемое изобретение относится к области органической химии, а именно, к химии производных полинитросоединений, конкретно, к новым, не описанным в литературе, 4(10)-(2-фтор-2,2-динитроэтил)полинитрогексаазаизовюрцитанам общей формулы:

где Х=NO2 (I), CH2C(NO2)3 (II), CH2C(NO2)2F (III), и способу их получения.

Соединения I, II, III являются высокоплавкими, высокоэнергоемкими веществами с температурами разложения выше 200°С. Они обладают очень высокими энергетическими характеристиками и представляют потенциальный интерес как ключевые компоненты мощных взрывчатых составов и высокоимпульсных твердых ракетных топлив.

В литературе имеются обширные публикации по методам синтеза и свойствам 2,4,6,8,10,12-гексанитрогексаазаизовюрцитана (CL-20) (патент США №5693794). Это соединение активно изучается в последние десятилетия как высокоэнергоемкое соединение, превосходящее по энергетическому потенциалу наиболее мощные современные штатные энергоемкие соединения - гексоген и октоген. Повышенная чувствительность CL-20 к механическим воздействиям по сравнению с гексогеном и октогеном приводит, однако, к необходимости поиска новых энергоемких соединений, пусть и с несколько более низким энергетическим потенциалом, чем CL-20, но менее чувствительных к потенциальным внешним воздействиям.

Наиболее близкими по структуре и свойствам являются описанные в литературе высокоэнергоемкие соединения - 2,2,2-тринитроэтильные производные полинитрогексаазаизовюрцитанов общей формулы:

где Х=NO2 (IV), CH2C(NO2)3 (V)

[О.А. Лукьянов, Н.И. Шлыкова, Г.В. Похвиснева, Т.В. Терникова, С.В. Никитин, Г.А. Смирнов, Ю.В. Нелюбина, П.В. Дороватовский, Т.С.Конькова, Н.В. Муравьев, А.Н. Пивкина «Оптимизация ключевых стадий синтеза и изучение основных физико-химических свойств высокоэнергоемких соединений 4-(2,2,2-тринитроэтил)-2,6,8,10,12-пентанитрогексаазаизовюрцитана и 4,10-бис(2,2,2-тринитроэтил)-2,6,8,12-тетранитрогексаазаизовюрцитана» Изв. АН. Сер. хим., 2017, 6, 1066-1073]. Полученные соединения по энергетическим характеристикам близки к CL-20 и являются высокочувствительными, причем чувствительность к трению 4,10-бис(2,2,2-тринитроэтил)-2,6,8,12-тетранитрогексаазаизовюр-цитана (V), ниже, чем для CL-20, но при этом IV и V близки по чувствительности к удару к первичным (инициирующим) взрывчатым веществам, что делает их неприемлемыми для использования в качестве вторичных взрывчатых веществ. 2,2,2-Тринитроэтильные производные IV и V получают из 4,10-бис(метоксиметил)-2,6,8,12-тетранитрогекса-азаизовюрцитана путем его взаимодействии с нитроформом с получением, в зависимости от стехиометрии и условий реакции, соединения V или 4-(2,2,2-тринитроэтил)-10-(метоксиметил)-2,6,8,12-тетранитрогексаазаизо-вюрцитана, который далее нитруют с получением соединения IV.

Задачей настоящего изобретения является изыскание новых соединений в области производных CL-20, обладающих высоким энергетическим потенциалом, высокой термической устойчивостью и улучшенными значениями устойчивости к механическим воздействиям.

Поставленная задача достигается новыми, не описанными в литературе, 4(10)-(2-фтор-2,2-динитроэтил)полинитрогексаазаизовюрцитанами общей формулы:

где X=NO2 (I), CH2C(NO2)3 (II), CH2C(NO2)2F (III), и способом их получения, заключающимся в том, что соответствующие 4(10)-(2,2,2-тринитроэтильные)полинитрогексаазаизовюрцитаны общей формулы:

где Х=NO2, CH2C(NO2)3, CH2C(NO2)2F, подвергают взаимодействию с иодидом калия в среде низшего алифатического спирта и образующиеся при этом соответствующие калиевые соли 4(10)-(2,2-динитроэтил)полинитрогексаазаизовюрцитанов обрабатывают фторирующим агентом в среде инертного растворителя.

Процесс проводят преимущественно при комнатной температуре.

В качестве фторирующего агента используют, например, фторид ксенона, в качестве низшего алифатического спирта используют, преимущественно, метанол или этанол, а в качестве инертного растворителя используют, преимущественно, дихлорэтан или ацетонитрил.

Процесс получения предлагаемых соединений протекает по следующим схемам:

Схема 1. Получение 4-(2-фтор-2,2-динитроэтил)-2,6,8,10,12-пентанитрогексаазаизовюрцитана (I):

Схема 2. Получение 4-(2-фтор-2,2-динитроэтил)-10-(2,2,2-тринитроэтил)-2,6,8,12-тетранитрогексаазаизовюрцитана (II):

Схема 3. Получение 4,10-бис(2-фтор-2,2-динитроэтил)-2,6,8,12-тетранитрогексаазаизовюрцитана (III):

Полученные предлагаемым способом соединения I, II, III являются новыми высокоэнергоемкими веществами с температурами разложения выше 200°С. Их структуры отличаются от вышеуказанных тринитроэтильных производных IV и V наличием в молекулах атомов фтора вместо одной или двух нитрогрупп, что приводит к снижению их чувствительности к удару. Они могут найти применение в качестве ключевых компонентов мощных взрывчатых составов и высокоимпульсных твердых ракетных топлив.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание новых, неописанных в литературе, высокоэнергоемких соединений, характеризующихся высоким содержанием активного кислорода, высокой плотностью, положительной энтальпией образования и высокой термической устойчивостью и при этом превосходят аналог по устойчивости к механическим воздействиям, что дает возможность использовать их в качестве вторичных взрывчатых веществ и компонентов выскоимпульсных смесевых твердых ракетных топлив в отличие от аналога (чувствительность к удару предлагаемых соединений находится в ределах 2.8±0.6 - 4.9±0.3).

*Кислородный коэффициент; **Чувствительность к удару; ***Чувствительность к трению.

Настоящее изобретение характеризуется следующими примерами. Пример 1. Получение 4-(2-Фтор-2,2-динитроэтил)-2,6,8,10,12-пентанитро-гексаазаизовюрцитана (I).

К суспензии 0.464 г (0.83 ммоль) 4-(2,2,2-тринитроэтил)-2,6,8,10,12-пентанитрогексаазаизовюрцитана (IV) в 15 мл МеОН добавили при перемешивании 0.28 г (1.69 ммоль) KI. Реакционную массу перемешивали 28 ч при 20°С, затем отогнали растворитель в вакууме, к остатку добавили 5 мл этилацетата и 20 мл сухого эфира. Отфильтровали осадок калиевой соли V, промыли сухим эфиром. К осадку (0.437 г) добавили 15 мл сухого MeCN и 0.28 г (1.66 ммоль) XeF2. Полученную суспензию перемешивали 3 ч при 20°С, упарили досуха, остаток обработали водой, отфильтровали осадок, высушили на воздухе. Методом препаративной ТСХ (элюент этилацетат-петролейный эфир 1:3) выделили 0.241 г (55%) I, т.н. р. 209°С, т.и. р. 233°С (из EtOH). Найдено (%): С 18.36; Н 1.49; N 33.71. C8H8FN13O14. Вычислено (%): 18.15; Н 1.52; N 34.41.. Спектр ЯМР1Н (ацетон d6, δ м. д.): 5.05 (д, 2 Н, СН2, J19F=17.1), 6.84 (д, 2 Н, 2 СН, J=7.7), 8.05 (д, 2 Н, 2 СН, J=7.7), 8.15 (с, 2 Н, 2 СН). Спектр ЯМР13С (ацетон d6, δ м. д.): 51.69, 51,93 (д, СН2, J19F=18.0), 70.66, 73.60, 119.56, 123.40 (д, CF, J19F=289.9). Спектр ЯМР14N (ацетон 4, 5 м. д.): -42, -24. Спектр ЯМР19F (ацетон d6, δ м. д.): -111.02 (т, J=15.5).

Пример 2. Получение 4-(2-Фтор-2,2-динитроэтил)-2,6,8,10,12-пентанитро-гексаазаизовюрцитана (I).

Аналогично примеру 1, но процесс проводят в среде этанола. Выход продукта I составляет 45%.

Пример 3. Получение 4-(2-Фтор-2,2-динитроэтил)-10-(2,2,2-тринитро-этил)-2,6,8,12-тетранитрогексаазаизовюрцитана (II).

К раствору 1.75 г (2.59 ммоль) 4,10-бис(2,2,2-тринитроэтил)-2,6,8,12-тетранитрогексаазаизовюрцитана (VI) в 30 мл МеОН добавили при перемешивании при 20°С раствор 1.29 г (7.8 ммоль) KI в 15 мл МеОН. Полученный раствор выдерживали 24 ч при 20°С, выпавший осадок калиевой соли 4-(2,2-динитроэтил)-10-(2,2,2-тринитроэтил)-2,6,8,12-тетранитрогексаазаизовюрцитана (VII) отфильтровывали, промывали на фильтре этилацетатом и эфиром, высушивали на воздухе. Выход 1.17 г (67%). Калиевую соль VII суспензировали в 27 мл дихлорэтана, к суспензии прибавляли 0.611 г (3.6 ммоль) XeF2 и перемешивали 6 ч при 58-59°С. Осадок отделяли, фильтрат упаривали и из остатка методом препаративной ТСХ на силикагеле (элюент этилацетат-петролейный эфир 1:4) выделяли 0.74 г (72.7% в расчете на калиевую соль) II, т. разл. 209°С. Найдено (%): С 18.57; Н 1.39; N 32.19. C10H10FN15O18. Вычислено (%): 18.55; Н 1.54; N 32.45.. Спектр ЯМР1Н (ацетон d6, δ м. д., J/гц): 4.88 (д, 2 Н, СН2, J19F=17.1), 5.40 (с, 2 Н, СН2); 6.57 (д, 2 Н, 2 СН), 6.72 (д, 2 Н, 2 СН), 8.14 (с, 2 Н, 2 СН). ИК-спектр (KBr), ν, см-1: 3044, 1600, 1314, 1266, 1152, 1074, 974, 851, 758. Масс-спектр (ESI), m/z: 646.0206 [M+H]+, 682.0026 [M+Cl]-. C10H10FN15O18. Вычислено: 646.0229 [M+H]+, 681.9995 [М+Cl]-.

Пример 4. Получение 4,10-Бис(2-фтор-2,2-динитроэтил)-2,6,8,12-тетра-нитрогексаазаизовюрцитана (III).

К раствору 0.356 г (0.55 ммоль) 4-(2-фтор-2,2-динитроэтил)-10-(2,2,2-тринитроэтил)-2,6,8,12-тетранитрогексаазаизовюрцитана (II) в 5 мл МеОН добавили при перемешивании при 20°С раствор 0.365 г (2 ммоль) KI в 5 мл МеОН. Полученный раствор выдерживали 24 ч при 20°С, выпавший желтый осадок отфильтровывали, промывали на фильтре этилацетатом и эфиром, высушивали на воздухе и выделяли 0.174 г (~50%) калиевой соли 4-(2,2-динитроэтил)-10-(2-фтор-2,2-динитроэтил)-2,6,8,12-тетранитрогексаазаизовюрцитана (VIII). Калиевую соль суспензировали в 5 мл ацетонитрила, к суспензии прибавляли 0.094 г (0.55 ммоль) XeF2 (двукратный избыток). Соль растворялась, реакционную массу перемешивали 2 ч при 20°С. Осадок отделяли, фильтрат упаривали в вакууме и из остатка методом препаративной ТСХ на силикагеле (элюент этилацетат-петролейный эфир 1:4) выделяли 0.129 г (76.8% в расчете на калиевую соль) III, т. разл. 222°С. Найдено (%): С 20.02; Н 1.48; N 30.57. C10H10F2N14O16. Вычислено (%): 19.35; Н 1.61; N 31.61. Спектр ЯМР1Н (ацетон d6, δ м. д., J/гц): 4.81 (д, 4 Н, 2 СН2, J19F=17.1), 6.56 (с, 4 Н, 4 СН), 8.11 (с, 2 Н, 2 СН). ИК-спектр (KBr), ν, см-1: 3051, 3040, 1613, 1588, 1561, 1311, 1206, 1082, 895, 802, 753. Масс-спектр (ESI), m/z: 619.0271 [М+Н]+, 655.0039, 657.0017 [М+Cl]-. C10H10F2N14O16. Вычислено: 619.0295 [М+Н]+, 655.0061, 657.0034 [М+Cl]-.

Как компенсировать расходы
на инновационную разработку
Похожие патенты