王犖犖，翟連杰，2，楊曉哲，霍 歡，常 海，劉 寧，2

（1. 西安近代化學研究所，陜西 西安710065；2. 氟氮化工資源高效開發(fā)與利用國家重點實驗室，陜西 西安710065）

1 引言

二氯乙二肟，簡稱DCG，是一種新型高效工業(yè)殺菌劑。當濃度在0.5～3 μg·L-1時，DCG 可干擾乃至中斷胞漿的流動，造成細胞原生質膜崩解起到殺菌作用，殺菌力是常用溴類殺菌劑的10 倍［1］。

二氯乙二肟不僅是一種高效工業(yè)殺菌劑，由于其具有極強的反應活性，因此也是合成氮雜環(huán)含能化合物的重要中間體?；诙纫叶糠肿咏Y構中酰氯與肟 基 的 反 應 活 性，可 構 建 異 噁 唑［2］、呋 咱［3］、氧 化 呋咱［4］、四唑［5］以及噁二唑酮［6］等氮雜環(huán)骨架，進一步賦于能量，可設計、合成多種性能優(yōu)異的含能化合物，如1，1′-二羥基-5，5′-聯(lián)四唑二羥胺鹽［7］（HATO）、1，4-二硝基呋咱并［3，4-b］哌嗪［8］（DNFP）等性能優(yōu)異的含能材料。

利用二氯乙二肟的取代反應性，與氮雜環(huán)丁烷［9］發(fā)生親核加成反應，合成相關衍生物，有望作為鍵合劑應用到含能材料中。二氯乙二肟也可與全氟苯［10］進行選擇性取代反應合成結構新穎的有機合成中間體?？傊_展二氯乙二肟及其衍生物的研究具有十分重要的意義，尤其是在含能材料合成研究領域應用前景十分廣闊。

本文梳理了二氯乙二肟的合成方法，并對各種方法進行了對比評價，為綠色高效的合成相關衍生化提供了綜合性的指導方案。利用二氯乙二肟反應特性，歸納總結了七類氮雜環(huán)中間體的構建方法，并對重要環(huán)化反應機理進行初步的探討。同時，綜述了相關含能材料的物化與爆轟性能。

二氯乙二肟作為一種重要的中間體，有望設計合成新型含能化合物，推動含能材料合成領域的創(chuàng)新發(fā)展。

2 二氯乙二肟的合成

2.1 氯氣法

以乙二醛為原料，加入鹽酸羥胺、經(jīng)親核加成反應得到乙二肟，再將氯氣通入乙二肟在乙醇中的攪拌懸浮液中。待減壓蒸發(fā)乙醇后，加入氯仿洗滌晶體，然后過濾分離可得到二氯乙二肟，產(chǎn)率77%～97%［11］。二氯乙二肟直接氯化法制備原理如下（Scheme 1）。

Scheme 1 Synthetic route of DCG via direct chlorination

由于氯化反應放熱劇烈且反應速度較快，在傳統(tǒng)工藝放大過程中存在一定的危險性。2018 年，張建功等［12］利用微反應器高效的傳質傳熱、對物料和反應溫度精準控制的優(yōu)良特性，使氯氣用量減少，過程安全可控，大大提高了氯化效率。

2.2 NCS/DMF 法

由于氯氣具有高毒性，在實驗室中難以處理和控制，但可以通過在DMF 中利用N-氯代琥珀酰亞胺（NCS）與乙二肟合成二氯乙二肟［13］。NCS 是一種易于使用的固體，相較于氯氣，便于安全加料，同時可將吸入危害性降至最低。如Scheme 2 所示，Phillip 等［14］通過NCS/DMF 法，以91%的產(chǎn)率獲得純產(chǎn)物二氯乙二肟。

Scheme 2 Synthetic route of NCS/DMF method

然而，Wingard 等［15］研究發(fā)現(xiàn)，盡管多次嘗試重復此過程，仍無法獲得純產(chǎn)品。他們按照報道的方法，將二氯乙二肟混合物用水稀釋，再經(jīng)乙醚萃取，待蒸發(fā)溶劑后，從沸騰的甲苯中重結晶，得到的白色結晶物質、并非純品產(chǎn)物，而是摩爾比為1.4∶1 的二氯乙二肟和二甲基甲酰胺的不可分離的復合物。因此，制得的二氯乙二肟實際產(chǎn)率僅為55%。

另外，NCS/DMF 法因涉及使用高度易燃和揮發(fā)性的乙醚以及致癌的甲苯，還需探索更為“綠色”的合成方法。

2.3 NCS/DMF 改進法

為了獲得高純度的二氯乙二肟，Wingard 開發(fā)了另一種后處理方法［15］（Scheme 3）。反應完成后，利用旋轉蒸發(fā)儀除去盡可能多的DMF，得到的固體溶解在EtOAc 中，并將該溶液用5% LiCl 水溶液洗滌，以除去所有殘留的DMF。再在壓力下除去EtOAc，得到粗制白色固體。而后將該固體在水中劇烈攪拌，待過濾并風干過夜后，即可以高純度得到白色粉末狀二氯乙二肟，產(chǎn)率75%。

Scheme 3 Synthetic route of NCS/DMF improved method

此方法雖然避免了使用氯仿等鹵化溶劑和易燃的乙醚，且不需要從致癌的甲苯中進行重結晶，但是NCS 價格較為昂貴，嚴重制約了此法的工業(yè)化應用。

3 二氯乙二肟在含能材料中的應用

3.1 異噁唑類含能化合物

研究表明［16-17］，含有雜環(huán)骨架和硝酸烷基酯基團的含能材料，具有更好的潤濕和增塑性能。由于異噁唑氮雜環(huán)骨架不僅具有孤對電子，而且相較于四唑或三唑，更易在環(huán)上引入硝酸烷基酯側鏈。因此，基于異噁唑含能化合物具有較大的研究價值。

2013 年，Phillip 等［14］報 道 了 一 種 由 二 氯 乙 二 肟“ 一步法”直接合成二異噁唑類化合物的方法（Scheme 4）。以末端炔烴作為反應物，對偶極環(huán)加成反應具有顯著的區(qū)域選擇性，使此類化合物的合成及性能研究變得更容易。因此，合成了一系列性能優(yōu)良的二異噁唑類含能化合物。

Scheme 4 One step synthesis of diisoxazole compounds from dichloroglyoxime

2017 年Wingard 等［16］將 二 氯 乙 二 肟 與 過 量 炔丙醇混合，發(fā)生Scheme 5a 中的加成反應生成雙異噁唑二醇（1），再經(jīng)硝酸硝化，以69% 的產(chǎn)率得到3，3′-雙異噁唑-5，5′-雙亞甲基二硝酸酯（2）。此化合物密度1.585 g·cm-3、熔點92 ℃、爆速7060 m·s-1、爆壓19.3 GPa，對沖擊，摩擦和靜電放電顯示出低敏感性（IS：11.2 J，F(xiàn)S＞360 J，ESD：0.25 J），可作為潛在的熔鑄炸藥液相載體和含能增塑劑。同年還報道了一種含能化合物3，3′-雙異噁唑-4，4′，5，5′-四亞甲基硝酸酯（4）［17］，如Scheme 5b 所示，以二氯乙二肟和丁炔-1，4-二醇為反應原料，可將烷基硝酸酯側鏈的數(shù)量實現(xiàn)最大化。該化合物的理論爆速（7837 m·s-1）和理論爆壓（27.1 GPa）介于NG（D：7700 m·s-1，p：25.3 GPa）和PETN 之間（D：8400 m·s-1，p：33.5 GPa），而且其單元比沖（lsp）為236.0 s，因此化合物4 可以在雙基推進劑配方中用作為高能增塑劑，從而有效地減少熱沖擊和機械沖擊過程中的揮發(fā)性/遷移。

Scheme 5 Synthesis of compounds 2 and 4

Scheme 6 Synthesis of compounds 6 and 8

由于延長烷基鏈可使材料軟化，具有更好的混溶性和增塑性能，Wingard 等［18］在2019 年又以二氯乙二肟、3-己炔-1，6-二醇和正丁醇為原料，經(jīng)過［3+2］環(huán)化反應和硝化合成兩種3，3′-雙異噁唑乙基衍生物（6）和（8），產(chǎn)率分別為60%和41%。與上述報道甲基衍生物相比，這兩種化合物對沖擊和靜電放電的敏感性顯著降低（IS＞36，ESD：3.125 J），它們的不敏感性很大程度上歸因于由碳含量增加所導致的低氧平衡。

此外，兩種材料的熔化溫度與熱分解溫度差均較大（6：Tm：76.3 ℃，Tdec：200.5 ℃；8：Tm：69.5 ℃，Tdec：188.3 ℃），表明其在熔鑄炸藥和含能增塑劑方面具有較大的研究和應用價值。

Scheme 7 Cyclization mechanism of isoxazole

Scheme 8 Synthesis of compound 9

Scheme 9 Synthesisof compound 12

Scheme 10 Synthesis of compound 17

Scheme 11 Synthesis of compounds DNFP and DFP

Scheme 12 Synthesis and functionalization of compound 22

Scheme 13 Synthesis of a series of difuzans and furoxans

特別的是，［60］富勒烯因具有缺電子烯烴的性質，也可以與二氯乙二肟脫去HCl 生成的腈氧化物發(fā)生1，3-偶極加成反應，從而生成［60］富勒烯異噁唑衍生物（9）［24］。如果能進一步對此類衍生物進行性能研究，并對其在提高推進劑的燃燒速率和穩(wěn)定性等方面的探索，將有可能為固體火箭推進劑添加劑和新型含能材料的合成提供一個新思路。

3.2 呋咱類含能化合物

呋咱和氧化呋咱類含能化合物通常具有較高的能量密度和較大的正生成焓，可顯著提高推進劑、炸藥和發(fā)射藥的能量和爆炸性能［25-28］。目前，已經(jīng)開發(fā)出許多基于呋咱結構的含能材料，在對其合成方法研究的過程中，發(fā)現(xiàn)二氯乙二肟可作為合成該系列大多數(shù)化合物的主要起始原料。下面按照三種不同的環(huán)化過程展開討論。

3.2.1 脫水環(huán)化

最初，Coburn［29］在四氫呋喃溶劑中將苯胺與二氯乙二肟混合，經(jīng)縮合反應得到苯胺基肟（10），然后在堿性條件下加熱脫水環(huán)化為3，4-二苯胺呋咱（11），再經(jīng)硝化得到3，4-二（2，4，6-三硝基苯基）呋咱（12），產(chǎn)率約為30.2%。

基于相同的反應原理，王建龍等［30］將二氯乙二肟和間氯苯胺混合，經(jīng)縮合、脫水以及硝化反應，以51%的產(chǎn)率得到N，N′-雙（間氯苯基）-3，4-二氨基呋咱（14）。作為合成其它高能化合物的重要中間體，該化合物可經(jīng)進一步疊氮化和環(huán)化反應，得到N，N′-雙（2，4-二硝基苯并氧化呋咱基）-3，4-二氨基呋咱（17）［31］。研究表明［32-34］，一個氧化呋咱代替一個硝基，會使密度提高（0.06～0.08）g·m-3，爆速增加300 m·s-1左右，因此化合物（17）具有密度大、能量高的特點（ρ：1.93 g·m-3，D：8729 m·s-1），是一種性能較好的高能量密度材料。

除了苯胺類化合物，二氯乙二肟還可以與其他胺類 化 合 物 發(fā) 生 類 似 反 應。畢 福 強［35］和Li［36］以 二 氯 乙二肟、N，N′-二叔丁基乙二胺（18）和3，4-二氨基呋咱（21）為起始原料，合成了1，4-二硝基呋咱并［3，4-b］哌嗪（DNFP）和4H，8H-雙呋咱并［3，4-b：3′，4′-e］吡嗪（DFP），總產(chǎn)率分別為32.6% 和57.2%。其中，DNFP 是一種性能優(yōu)異的鈍感含能材料，其密度為1.82 g·cm-3，大于RDX，爆速和爆壓與RDX 相近，特性落高H50為162 cm。而DFP 由于其分子結構中含有兩個弱酸性的N─H 官能團，易與烯烴或鹵代烴發(fā)生烷基（芳基）化反應得到不同的衍生物，具有廣泛的應用前景［37-40］。

3.2.2 氧化環(huán)化

在現(xiàn)有合成氧化呋咱類化合物的方法中，大多要在環(huán)化之前引入取代基，因此需要多步合成，其應用受到了很大的限制。為解決這個問題，Matsubara 等［41］最近開發(fā)出一種合成氯代氧化呋咱的新方法：二氯乙二肟在發(fā)煙硝酸中氧化環(huán)化，得到重要合成中間體—二氯氧化呋咱（22），再通過取代反應，將所需基團直接引入到氧化呋咱環(huán)上。

化合物22 的烷氧基化主要在4-位進行，使用銀鹽消除氯離子可使反應向右進行，從而有效地提高產(chǎn)率。而在其炔化和芳基化的過程中，所用的親核試劑在3-位表現(xiàn)出獨特的區(qū)域選擇性，這是因為外環(huán)氧原子與鋰金屬配位而產(chǎn)生的導向作用。上述反應所獲得的單氯代氧化呋咱（23）和（25）經(jīng)進一步取代，制備得官能化的氧化呋咱，如4-烷氧基-3-芳基氧化呋咱（27）、二芳基氧化呋咱（28）等。此方法易獲得各種各樣的氧化呋咱衍生物，可為合成基于該結構的含能化合物提供新的思路。

3.2.3 雙呋咱環(huán)化

二氨基四肟丁烷（30）作為合成許多雙呋咱和氧化呋咱的關鍵中間體，是由二氯乙二肟經(jīng)氰化鉀取代、羥胺親核加成反應制得的。

將化合物30 在堿性條件下脫水環(huán)化，可得到3，3′-二 氨 基-4，4′-雙 呋 咱（34）。 此 化 合 物 可 以 被CF3COOOH［42］或H2O2/H2SO4［43］氧化，得到3，3′-二硝基-4，4′-雙呋咱（35）；也可以被100% HNO3硝化，進而得到3，3′-二硝基氨基-4，4′-雙呋咱（H2DNABF）及其金屬鹽和富氮鹽，實驗結果表明成鹽后可將熱穩(wěn)定性提高至280 ℃。

將化合物30 在Br2/HCl 中氧化環(huán)化，可得到4，4′-二氨基-3，3′-二氧化呋咱（31）。該化合物在進一步被氧化的過程中，由于氧化呋咱的缺電子性質，晶體僅從黃色反應物料中以低收率獲得。因此，相比較于雙呋咱（34）的氧化，氧化呋咱（31）的類似氧化要困難得多。但是盡管如此，它的氧化產(chǎn)物3，3′-二硝基-4，4′-二氧化呋咱（33），仍然被認為是具備高能量的結構之一，具有2.007 g·cm-3的高密度［44］。

3.3 四唑類含能化合物

由于四唑環(huán)氮含量高、生成焓高和熱穩(wěn)定性良好，四唑類陰離子構成的含能離子鹽成為多氮雜環(huán)類陰離子的重要組成部分［45-46］，其中最引人關注的是1，1′-二羥基-5，5′-聯(lián)四唑（1，1′-BTO）的含能離子鹽。通過研究發(fā)現(xiàn)［47-51］，二氯乙二肟是合成1，1′-BTO 的主要原料，因此下面將從二氯乙二肟出發(fā)，對這類含能離子鹽的合成方法進行探討。

3.3.1 HATO 的合成

1，1′-二羥基-5，5′-聯(lián)四唑二羥胺鹽（HATO）具有高能、低感、低毒的特點，是四唑類含能離子鹽中最具代表性的含能材料［47］。它的晶體密度為1.879 g·cm-3，能量水平與CL-20 相當，熱穩(wěn)定性優(yōu)于RDX，在新一代炸藥領域有望成為傳統(tǒng)含能材料的替代品。

作為HATO 的重要合成前體，1，1′-BTO 最早是由Tselinskii 等［48］于2001 年通過二氯乙二肟經(jīng)疊氮化和環(huán)化兩步獲得的。但是，此合成過程中需要分離干燥高感度的中間體二疊氮基乙二肟，即使是小規(guī)模的反應也很危險，所以該路線不適合大規(guī)模生產(chǎn)。到了2012 年，F(xiàn)ischer 等［49］簡化了此合成方法。如Scheme 14 所示，當二疊氮基乙二肟（43）在溶液中產(chǎn)生后，隨即進行下一步環(huán)化，這樣的一鍋反應有效地避免了二疊氮基乙二肟的分離。

Scheme 14 Synthesis of 1，1′-BTO

Scheme 15 Synthesis of HATO

在成功合成1，1′-BTO 之后，F(xiàn)ischer 將二甲胺（由DMF 裂解而成）與1，1′-BTO 發(fā)生去質子化反應，以74.6%的產(chǎn)率首次得到了HATO。為進一步提高產(chǎn)率，使用N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）代替DMF 進行氯-疊氮基交換，最終產(chǎn)率為85%。

2013 年，畢福強等［50］探討了二疊氮基乙二肟在酸催化下的環(huán)化機理。具體反應機理如Scheme 16 所示，將化合物43 溶于乙醚后，原分子間的氫鍵作用被溶劑化作用所取代，Z，Z 構型向E，E 構型發(fā)生轉化。在HCl 作用下，疊氮基的N α 原子發(fā)生質子化，生成中間體（45-1），經(jīng)過一系列的分子內電子轉移生成（45-4）。隨后疊氮基的N γ 原子上的孤對電子進攻肟基上的N原子，并伴隨質子的離去，完成整個環(huán)化反應，生成1，1′-BTO。

Scheme 16 The cyclization mechanism of tetrazole

Scheme 17 Improved synthetic route of HATO

Scheme 18 The ionic salts of 1，1′-BTO via neutralization reaction

最近，Lee 等［51］進一步改進了以爆炸性二疊氮基乙二肟為中間體的HATO 合成法。如圖所示，將3，4-二氫-2H-吡喃作為保護基，在疊氮化之前引入到二氯乙二肟中形成（46），可避免產(chǎn)生敏感的二疊氮基乙二肟中間體。再通過將HCl 氣體鼓泡到醚懸浮液中，使（47）脫保護并環(huán)化形成1，1′-BTO，而后與羥胺水溶液反應得到HATO，產(chǎn)率為79%。此方法使反應的本質安全性得到提升，具有工業(yè)化應用前景。

3.3.2 1，1'-二羥基-5，5'-聯(lián)四唑的其他含能鹽

目前，1，1′-二羥基-5，5′-聯(lián)四唑含能離子鹽的合成方法主要有兩種。

1，1′-BTO 與相應堿發(fā)生酸堿中和反應成鹽，其中，1，1′-BTO 鉀鹽（48）受熱分解過程迅速劇烈，在DSC 的測試中放熱峰尖銳，具有起爆藥特征，在火工藥劑領域具有應用前景［49］。

1，1′-BTO 金屬鹽與相應陰離子鹽的置換反應成鹽，如Scheme 19 所示，1，1′-二羥基-5，5′-聯(lián)四唑聯(lián)胺鹽（51）的爆轟性能優(yōu)于RDX，與HATO 相當，有望作為新型高能鈍感炸藥組分投入實際使用［52］。

Scheme 19 The energetic ionic salts of 1，1′-BTO via metathesis reaction

Scheme 20 Synthesisof compound 52

Scheme 21 The cyclization mechanism of 1，2，4-oxadiazole

3.4 1,2,4-噁二唑酮類含能化合物

基于1，2，4-噁二唑結構的含能化合物是近年來逐漸發(fā)展起來的一類新型含能材料。其中，3，3′-雙（1，2，4-噁二唑）-5，5′-二酮（52）是由二氯乙二肟和異氰酸鉀反應，以90%的高產(chǎn)率制得的［53］。

具體環(huán)化過程［54］如圖所示，肟基在弱堿條件下變?yōu)椹+＝N─O-，此時異氰酸根上的N 進攻C+形成C-N 鍵，而后肟基上的O-再去進攻異氰酸根上的C 原子，形成O─C 鍵，C＝N 鍵上的電子向N 原子轉移，使得C＝N 鍵變?yōu)镃─N 鍵，從而形成1，2，4-噁二唑酮的五元環(huán)結構。

此化合物雖具有較好的能量性能（D：7742 m·s-1，p：24.5 GPa），但是熱穩(wěn)定性低（Td=148 ℃）的缺點降低了其應用的可能性。為此，Teng 等［55］制備了一種由摩爾比為1∶2 的3，3′-雙（1，2，4-噁二唑）-5，5′-二酮和4-氨基-1，2，4-三唑組成的新型鈍感高能共晶體，使熱穩(wěn)定性提高（Tp=244 ℃），有望成為TNT 的重要替代物。

3.5 聯(lián)(1,2,4,5-噁嗪)類化合物

通過N-甲基腙與二氯乙二肟的縮合環(huán)化反應，制備了一種雙雜環(huán)化合物的結構四氫-3，3′-雙（1，2，4，5-噁嗪）［56］。

其環(huán)化機理如Scheme 22 所示，N-甲基腙在堿性條件下離去質子生成氮負離子，隨后氮負離子進攻氯肟上的C，形成C─N 鍵，同時C─Cl 鍵斷開，使得Cl-離去。然后肟基上氧的孤對電子進攻N-甲基腙上的C，形成C─O 鍵，再經(jīng)過質子轉移，即可形成1，2，4，5-噁嗪的環(huán)狀結構。

Scheme 22 Synthesis of compound 54

Scheme 23 The cyclization mechanism of 1，2，4，5-oxazine

Scheme 24 Synthesisof compound 55

此環(huán)化反應新穎性強，雙（1，2，4，5-噁嗪）結構在含能材料合成領域中很少涉足。利用此反應原理，有望設計新型含能材料。

3.6 吡咯并異噁唑類化合物

在二氯乙二肟與二丙炔基胺的反應中，氨基被烷基化后，形成的腈氧化物基團在三鍵上發(fā)生分子內1，3-偶極環(huán)加成反應，生成3-肟基-4-炔丙基-3，5-二氫吡咯并［3，4-c］異噁唑（55）［57］。

根據(jù)上述中間體中炔基與肟基的反應性，炔基酰氯肟可進行環(huán)加成構建異噁唑，所得到的化合物（55）中肟基可進一步硝化轉化為偕二硝甲基（─C（NO2）2）。基于此研究思路，有望設計合成新型含能材料，豐富含能材料新品種。

3.7 乙二肟取代衍生物

二氯乙二肟分子中的氯原子具有吸電子作用，因此碳原子的電荷密度偏低，很容易與富電子親核試劑發(fā)生反應。

由于氮雜環(huán)中氮的親核性，二氯乙二肟可與3，3-二硝基氮雜環(huán)丁烷（DNAZ）或氮雜環(huán)丙烷，發(fā)生親核加成反應，合成如Scheme 25 所示的兩種乙二肟取代衍生物（56）［58］和（57）［59］；同樣利用格氏試劑的親核作用，也可以將全氟芳基引入到氯肟上得到化合物（58）［60］。

Scheme 25 Synthesis of compounds 55，56 and 57

如果能進一步對這些衍生物中的肟基進行環(huán)化，或者往取代基上引入含能基團，那么此合成方法將有可能在含能材料領域具有一定的研究價值。

4 結論與展望

（1）二氯乙二肟是一種高效工業(yè)殺菌劑，也是一種重要的的含能材料中間體，其制備方法主要包括氯氣法、NCS/DMF 法以及NCS/DMF 改進法三種。

（2）二氯乙二肟分子結構有酰氯肟結構單元，其反應活性與酰氯基（─COCl）相當，可構建呋咱、雙四唑等氮雜環(huán)中間體，進一步可合成HATO、DNFP 等性能優(yōu)異的含能化合物。

（3）利用硝酸的氧化性，二氯乙二肟可進行氧化、環(huán)化反應獲得二氯氧化呋咱含能中間體，此中間體反應活性強，可設計、合成多種新型含能材料。

（4）二氯乙二肟在堿性條件下可形成二腈氧化物，進一步與炔醇、丙炔基胺等進行1，3-偶極環(huán)加成反應，可構建異噁唑、吡咯并異噁唑等氮雜環(huán)骨架，進一步含能衍生化即可合成性能優(yōu)異的含能材料。

（5）二氯乙二肟制造成本偏高，需進一步開展工藝條件優(yōu)化研究，大幅度降低二氯乙二肟制造成本。

（6）二氯乙二肟制造成本的進一步降低，可有效推動高能不敏感含能材料HATO 工程化進程以及加快在其武器裝備中的應用步伐。

（7）基于二氯乙二肟的反應活性，有望自主設計、合成性能優(yōu)異的新型含能材料，滿足武器裝備的發(fā)展需求。也是決定著HATO 等含能材料能否推廣應用的關鍵。