一种基于水且可连续流动使用的级联反应体系：用于四唑杂环化合物的可持续合成

《JACS Au》：A Water-Based and Continuous-Flow-Usable Cascade: Sustainable Synthesis of Tetrazolo-Fused Heterocycles

水基级联反应结合微通道连续流技术高效合成含能化合物AHTO和NHTO，产率达90.8%，纯度>98%，验证其作为钝感炸药和金属-free初级炸药的潜力。

　　在现代科技的发展中，高能材料因其在航空航天、地下勘探以及国防等领域的广泛应用而占据着重要地位。然而，这些材料的创新往往受到经济成本和安全风险的制约。为了克服这些瓶颈，科学家们不断探索新的合成策略，特别是在反应路径设计和绿色化学技术的应用方面。近年来，一种基于水的级联反应方法被提出，为高能材料的高效、安全合成提供了新的思路。本研究通过该方法成功合成了6-氨基-7,8-二氢四唑并[5,1-f][1,2,4]三嗪-8-醇（AHTO），这是一种新型的含氮高能化合物。该方法不仅提高了合成效率，还降低了对有毒溶剂和危险试剂的依赖，同时有效稳定了对敏感性反应中间体。

水作为一种无毒、低成本且可循环使用的溶剂，具有多重功能，能够同时作为反应介质、稳定剂、反应物和催化剂。这种多功能性使得水在高能材料合成过程中能够发挥关键作用。首先，通过级联反应，可以避免传统合成方法中对中间产物的分离步骤，从而减少步骤复杂性和反应时间。其次，水的使用能够显著降低对有毒溶剂和强氧化条件的依赖，提高反应的安全性。第三，水在反应过程中可以起到稳定反应体系的作用，使级联反应得以顺利进行，特别是在涉及敏感性四唑类中间体的合成中，水的作用尤为重要。

为了进一步提升反应效率和安全性，本研究还引入了微通道连续流动技术。该技术能够提供更好的反应物混合效果，使反应在更短的时间内完成，同时提高产物的纯度和结晶收率。在实验条件下，AHTO的结晶收率达到了90.8%，HPLC纯度达到了98.1%。而经过硝胺化处理后，得到的6-硝胺基-7,8-二氢四唑并[5,1-f][1,2,4]三嗪-8-醇（NHTO）则展现出更高的能量特性，成为一种潜在的金属自由初级炸药。

在高能材料的合成过程中，反应路径的设计是决定其性能和安全性的关键因素。传统的合成方法通常涉及多个步骤，不仅增加了成本，还提高了反应过程中的风险。而级联反应能够将多个反应步骤整合到一个连续过程中，从而提高整体的效率。此外，这种反应方式能够减少副产物的生成，提高资源利用率，并降低废物处理的难度。因此，级联反应在高能材料的合成中具有显著的优势。

然而，级联反应的设计本身也存在一定的挑战。一方面，由于反应步骤的复杂性，设计一个高效的级联路径需要深入理解反应机制和中间体的稳定性。另一方面，某些高能反应中间体对环境条件极为敏感，容易在反应过程中发生分解或爆炸，这对反应的控制提出了更高的要求。因此，如何在保持反应效率的同时确保反应的安全性，是当前研究的重要方向。

水作为一种绿色溶剂，不仅能够提供良好的反应环境，还能在反应过程中起到稳定作用。在本研究中，水被用作反应的介质、反应物和催化剂，通过其多重功能，使得整个级联反应过程更加安全和高效。在反应的初始阶段，水作为亲核试剂参与反应，促进了氮化物的加成和环化反应。在反应的后期，水作为质子供体，提供了适宜的反应条件，从而促进了环化反应的进行。同时，水的使用还能够有效降低反应体系的温度，减少热分解的风险。

微通道连续流动技术的应用，进一步提升了反应的效率和安全性。该技术能够实现反应物的均匀混合，提高反应的可控性，并缩短反应时间。在实验中，使用微通道连续流动技术后，AHTO的结晶收率显著提高，同时HPLC纯度也达到较高的水平。这种技术不仅适用于AHTO的合成，也为其他高能材料的合成提供了新的思路。此外，微通道连续流动技术还能够支持大规模生产，使得高能材料的合成更加经济和环保。

在合成过程中，反应条件的优化是提高产物性能的关键。例如，温度、压力和反应时间等参数的调控能够显著影响产物的纯度和结晶质量。在本研究中，通过合理设计反应条件，使得AHTO的合成在短时间内完成，并获得高纯度的产物。此外，反应过程中所使用的溶剂和试剂也经过了严格的筛选，以确保其对环境和人体无害。

除了合成效率的提升，高能材料的性能优化也是研究的重要目标。本研究通过实验测试，评估了AHTO和NHTO的能量特性，包括密度、热形成焓、爆破压力和爆破速度等。这些参数不仅决定了材料的性能，还影响其在实际应用中的可行性。例如，AHTO的密度为1.650 g/cm3，而NHTO的密度则达到1.834 g/cm3，显著高于传统高能材料RDX的密度（1.80 g/cm3）。这表明NHTO在能量密度方面具有更高的潜力。

此外，材料的安全性也是评估其应用价值的重要指标。在实验中，通过热分解温度、冲击敏感性和摩擦敏感性等测试，评估了AHTO和NHTO的安全性能。结果表明，AHTO的热分解温度为158°C，与传统炸药TNT（295°C）相比，其热稳定性较好。而NHTO的热分解温度为118°C，虽然比AHTO低，但其冲击敏感性（IS）和摩擦敏感性（FS）均较低，显示出良好的安全特性。这些测试结果表明，AHTO和NHTO在安全性方面具有较高的应用潜力。

在实际应用中，高能材料的稳定性是决定其是否能够被广泛采用的关键因素。为了验证AHTO和NHTO在储存过程中的稳定性，进行了为期三个月的空气稳定性测试。结果表明，两种材料在常规储存条件下均保持良好的稳定性，并且颜色与新鲜制备时一致。这进一步证明了其在实际应用中的可行性。同时，通过红外光谱（IR）的分析，也确认了两种材料在储存过程中的结构保持性。

在经济性方面，本研究的合成方法也展现出显著的优势。使用水作为反应介质和催化剂，不仅降低了对有毒溶剂的依赖，还减少了试剂的使用成本。此外，微通道连续流动技术的应用，使得反应过程更加高效，从而降低了整体的生产成本。在实验条件下，AHTO的生产成本控制在每公斤500美元左右，这在高能材料的生产中具有重要的经济价值。

从环保角度来看，水的使用是一种绿色化学技术，能够减少对环境的污染。传统高能材料的合成往往需要使用大量有机溶剂和强氧化条件，这不仅增加了生产成本，还对环境造成了较大的负担。而本研究通过水作为反应介质，显著降低了对有机溶剂的依赖，从而实现了更加环保的合成路径。此外，微通道连续流动技术的应用，使得反应过程更加可控，减少了废料的产生，提高了资源利用率。

在高能材料的合成过程中，反应路径的设计和优化是决定其性能和安全性的关键因素。本研究通过水基级联反应，成功合成了AHTO和NHTO两种新型高能化合物。这两种化合物不仅具有较高的能量密度，还表现出良好的安全性能，这使得它们在实际应用中具有较高的可行性。同时，水基级联反应的引入，也为高能材料的合成提供了一种更加绿色、高效的方法。

在材料的性能评估方面，本研究不仅关注其能量特性，还对其热稳定性、冲击敏感性和摩擦敏感性进行了详细测试。这些测试结果表明，AHTO和NHTO在安全性方面具有较高的应用潜力。例如，AHTO的冲击敏感性为30 J，与传统炸药TNT（15 J）相比，其安全性较好。而NHTO的冲击敏感性低于1 J，显示出更高的安全性，但其爆破性能与传统炸药RDX相似，这表明其在能量方面具有较高的潜力。

在高能材料的合成过程中，反应的控制是确保其安全性和性能的关键。本研究通过水基级联反应和微通道连续流动技术的结合，实现了对反应条件的精确控制。这不仅提高了反应的效率，还降低了反应过程中可能出现的风险。此外，水的使用还能够有效稳定反应体系，使得整个合成过程更加安全可控。

在材料的结构分析方面，AHTO和NHTO的晶体结构通过单晶X射线衍射进行了详细研究。结果表明，AHTO的晶体结构属于单环晶体系统，其晶格参数和密度均符合高能材料的要求。而NHTO的晶体结构则属于正交晶系，显示出更高的能量密度。这些结构特征不仅决定了材料的性能，还影响其在实际应用中的可行性。

在高能材料的合成过程中，反应的机制研究也是不可忽视的重要环节。本研究通过实验分析和理论推导，提出了水基级联反应的反应机制。该机制包括多个步骤，如亲核攻击、加成反应和环化反应等。这些步骤的整合使得反应过程更加高效，同时降低了对有毒试剂的依赖。此外，水在反应过程中起到稳定作用，使得反应体系更加安全可控。

在材料的性能优化方面，本研究还对AHTO和NHTO进行了进一步的硝胺化处理，以提升其能量特性。结果表明，NHTO的爆破性能与传统炸药RDX相似，而其冲击敏感性则显著降低，显示出更高的安全性。这表明，NHTO在能量和安全性的平衡方面具有较高的应用潜力。

综上所述，本研究通过水基级联反应和微通道连续流动技术的结合，成功合成了AHTO和NHTO两种新型高能材料。这两种材料不仅在能量密度方面表现出较高的潜力，还在安全性和经济性方面具有显著的优势。此外，水的使用作为一种绿色化学技术，为高能材料的合成提供了一种更加环保和高效的路径。这些研究成果为未来高能材料的开发和应用提供了重要的理论支持和实践指导。