劉家慶 王穎異 黎力嘉 丁 穎 李洪森

上海工程技術(shù)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院（上海 201620）

N-烷基-N′-硝基胍是一類重要的化工原料，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥及含能材料等領(lǐng)域[1-5]。例如，丙基硝基胍是一種熔點(diǎn)為99℃的白色固體，可作為含能材料。Kimberly等[6]于2013年報(bào)道了以丙基硝基胍為基礎(chǔ)形成的DGX-Al炸藥配方，其撞擊感度（H50）大于測(cè)試上限，摩擦感度、靜電感度遠(yuǎn)優(yōu)于黑索今[7]。對(duì)于烷基硝基胍的合成研究，早期研究者從2-烷基-2-異硫脲硫酸鹽出發(fā)經(jīng)兩步反應(yīng)制備，但由于技術(shù)因素，該方法難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。隨后，有研究者提出以硝基胍為原料，在堿性條件下與脂肪胺反應(yīng)，可得到較高純度的N-烷基-N′-硝基胍。該方法操作簡(jiǎn)單，便于工業(yè)應(yīng)用，但是一些脂肪胺價(jià)格高昂，使得某些烷基硝基胍的制備成本大大提高。因此，探索一條原料易得、價(jià)格低廉的合成方法具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義[8]。本研究報(bào)道了一條利用鹵代烴為原料合成烷基硝基胍的方法。合成路線如圖1所示。

圖1 目標(biāo)化合物的合成路線

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 藥品與儀器

硝基胍，N,N-二甲基甲酰胺（DMF），NaH，上海泰坦科技股份有限公司。DMF經(jīng)無(wú)水處理后使用。

1H NMR由Bruker AV400（400 MHz）核磁共振儀（布魯克公司）測(cè)定，四甲基硅烷（TMS）作為內(nèi)標(biāo)；熔點(diǎn)由Yanaco MP500熔點(diǎn)儀（株式會(huì)社阿納泰克·柳本）測(cè)定，熔點(diǎn)儀溫度沒(méi)有較正。

1.2 化合物的合成

1.2.1 1-（4-氯芐基）-2-硝基胍的合成

在干燥的250 mL圓底燒瓶中加入無(wú)水DMF 100 mL和硝基胍12 g（0.12 mmol），在冰浴條件下分3次將60%的NaH溶液6.23 g［n（NaH）=0.156 mol］加入反應(yīng)液中，反應(yīng)1 h；將對(duì)氯芐氯24.96 g（0.156 mol）緩慢滴加至反應(yīng)液中，滴加完畢后加入0.5 g KI，再將反應(yīng)液轉(zhuǎn)移到油浴鍋中，在70℃下繼續(xù)反應(yīng)，利用薄層色譜（TLC）監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)度。待反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)液倒入100 mL水中淬滅，用乙酸乙酯萃取4次、飽和食鹽水洗滌3次，然后加入無(wú)水硫酸鈉干燥，減壓旋蒸除去溶劑得到粗產(chǎn)品。將粗產(chǎn)品加入到70 mL乙酸乙酯中，重結(jié)晶得到目標(biāo)產(chǎn)物。產(chǎn)品質(zhì)量為15.4 g，白色晶體，收率為56.3%，熔點(diǎn)為183.9～185.2%℃。

1HNMR（400MHz，DMSO-d6）：δ=4.41（s,2H），δ=7.33（d，J=8.0 Hz，2H），δ=7.43（d，J=8.0 Hz，2H），δ=8.02（br，2H），δ=8.98（br，1H）。質(zhì)譜MS（ESI）∶m/z=229［M+H］+。

以相同或相似的方法合成了下列化合物。

1.2.2 1-丙基-2-硝基胍

白色固體，收率為45.2%，熔點(diǎn)為98.0～98.1℃。

1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）：δ=8.56（s，1H），7.89（brs，2H），δ=3.11（m，2H），δ=1.50（m，2H），δ=0.87（t，J=8.0 Hz，2H）。MS（ESI）∶m/z=147［M+H］+。

1.2.3 1-丁基-2-硝基胍

白色固體，收率為40.3%，熔點(diǎn)為82.6～83.4℃。

1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）：δ=8.52（s，1H），δ=7.85（s，1H），δ=3.14（q，2H），δ=1.44～1.49（m，2H），δ=1.28～1.35（m，2H），δ=0.89（t，J=8.0 Hz，3H）。MS（ESI）∶m/z=161［M+H］+。

1.2.4 1-戊基-2-硝基胍

白色固體，熔點(diǎn)為109.5～110.1℃。

1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）：δ=0.83（t，J=8.0 Hz，3H），δ=1.20～1.28（m，4H），δ=1.42～1.46（m，2H），δ=3.06～3.11（m，2H），δ=7.75（br，2H），δ=8.49（br，1H）。MS（ESI）∶m/z=175［M+H］+。

1.2.5 1-己基-2-硝基胍

白色固體，收率為45.2%，熔點(diǎn)為95.1～95.8℃。

1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）：δ=0.82（t，J=8.0 Hz，3H），δ=1.21～1.25（m，6H），δ=1.42～1.45（m，2H），δ=3.08（t，J=8.0 Hz，2H），δ=7.82（br，2H），δ=8.49（br，1H）。MS（ESI）∶m/z=189［M+H］+。

1.2.6 1-(4-氟芐基)-2-硝基胍

白色固體，收率為51.8%，熔點(diǎn)為192.4～193.5℃。

1H NMR（400 MHz，DMSO-d6）：δ=4.40（s，2H），δ=7.20（t，J=8.0 Hz，2H），δ=7.36（t，J=8.0 Hz，2H），δ=7.96（br，2H），δ=8.97（br，1H）。MS（ESI）∶m/z=213［M+H］+。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)合成

2.1.1 堿對(duì)反應(yīng)產(chǎn)率的影響

以價(jià)廉易得的鹵代烴和硝基胍為初始原料，在堿性催化劑的作用下，經(jīng)過(guò)取代反應(yīng)得到1-烷基硝基胍。在反應(yīng)中，不同的堿性催化劑對(duì)反應(yīng)的收率有顯著影響，以4-氯芐氯和硝基胍的反應(yīng)為例，催化劑對(duì)反應(yīng)的影響如表1所示。由表1可知，有機(jī)堿如吡啶、三乙胺，無(wú)機(jī)堿碳酸氫鈉作為催化劑，沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)；碳酸鉀作為催化劑，收率為16.4%；NaOH作為催化劑，收率提高到47.8%。NaH作為催化劑，收率最高，為56.3%。這是因?yàn)镹aH是強(qiáng)堿，能夠奪取氮原子上的氫，從而生成胺基負(fù)離子，增強(qiáng)了其親核反應(yīng)能力，提高了產(chǎn)物的收率。

表1 不同堿對(duì)產(chǎn)率的影響

2.1.2 原料投料比對(duì)產(chǎn)率的影響

在該反應(yīng)中，以NaH為堿，4-氯芐氯、硝基胍及NaH的投料比對(duì)產(chǎn)物的收率也有顯著影響，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出：當(dāng)硝基胍、4-氯芐氯和NaH的物質(zhì)的量比為1∶1∶1時(shí)，收率最低；當(dāng)其比例為1.0∶1.3∶1.3時(shí)，收率最高，達(dá)到56.3%；當(dāng)其比例為1∶2∶2時(shí)，二取代的副產(chǎn)物增多，導(dǎo)致收率有所下降。

2.1.3 溫度對(duì)收率的影響

在該反應(yīng)中，1位氮原子由于受到吸電子基團(tuán)硝基亞胺的誘導(dǎo)效應(yīng)，電子云密度降低，親核活性減弱，從而導(dǎo)致溫度對(duì)收率有重要影響?？刂葡趸摇?-氯芐氯和NaH的物質(zhì)的量比為1.0∶1.3∶1.3時(shí)，改變反應(yīng)溫度，以獲得最理想的收率，結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可看出，在較低溫度下，原料沒(méi)有反應(yīng)完全，收率較低；當(dāng)溫度升至70℃時(shí)，收率提高到56.3%；溫度繼續(xù)提高至90℃，由于雙取代產(chǎn)物增加，收率則有所降低。

表3 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)率的影響

2.2 波譜解析

以1-（4-氯芐基）-2-硝基胍為例（見(jiàn)圖2），化學(xué)位移為4.41的峰是芐位亞甲基質(zhì)子，由于受到苯環(huán)和1位氮原子的誘導(dǎo)效應(yīng)，向低場(chǎng)移動(dòng)；化學(xué)位移為7.33和7.43的兩個(gè)d峰，是苯環(huán)上的4個(gè)氫中相鄰的兩個(gè)氫發(fā)生耦合裂分，生成d峰，耦合常數(shù)為8.0 Hz；化學(xué)位移為8.02的寬峰是3位氮原子上的氫，化學(xué)位移為8.98的寬峰是3位氮原子上的氫。

圖2 1-（4-氯-芐基）-2-硝基胍的核磁共振波譜

3 結(jié)論

以價(jià)廉易得的鹵代烴和硝基胍為初始原料，經(jīng)過(guò)取代反應(yīng)制備了6個(gè)烷基取代硝基胍。在該反應(yīng)中，最優(yōu)的反應(yīng)條件是：以NaH為催化劑，硝基胍、氯代烴和NaH的物質(zhì)的量比為1.0∶1.3∶1.3，在70℃下反應(yīng)10 h。該方法為制備復(fù)雜的烷基硝基胍開(kāi)辟了新的思路。