硝胺的电化学?-C─H功能化以实现双功能高能杂环化合物的合成

《ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION》：Electrochemical ?-C─H Functionalization of Nitramines for Accessing Bifunctional Energetic Heterocycles

硝胺通过电化学α-C-H键功能化与氮杂环结合，形成双功能高能分子，提升了热稳定性和能密度。采用无硝酸体系，两步串联反应（硝基化-氮杂环化）实现高效合成，并优化了酸添加剂和电极材料。连续流动电化学系统显著提高产率（0.42 mmol/h）和空间时间产率，减少电解质用量。DFT和实验表明，引入硝基取代的氮杂环（如4-硝基吡唑）可增强材料性能，晶体密度达1.59 g/cm3，氧平衡接近高能炸药。

　　本研究提出了一种创新的电化学方法，用于硝胺（nitramines）的α-碳-氢（C─H）氮杂化反应，实现了硝胺与多种含氮杂环化合物（如吡唑、三唑、四唑等）在同一分子中形成双功能能量组分。这种方法不仅提高了能量材料（Energetic Materials, EMs）合成的安全性和可持续性，还为设计和合成具有优良能量特性的新型化合物提供了新的平台。以下将对本研究的背景、方法、结果与讨论以及其潜在应用进行全面解读。

### 背景与意义

能量材料在多个关键领域中扮演着不可或缺的角色，包括民用建筑、烟火制造、太空探索以及国防等。这些材料通常含有经典的高能官能团，如硝基、含氮杂环芳烃和张力环结构，以实现特定的性能需求。然而，传统的能量材料合成方法往往依赖于危险试剂和剧烈反应条件，如使用浓硝酸、氮氧化物等强氧化剂，以及高温高压环境。这些条件不仅对操作人员的安全构成威胁，也对环境造成不利影响。因此，开发更安全、更环保且更高效的合成策略成为当前研究的重点。

电化学方法为有机反应提供了一种温和且高效的替代方案，近年来已被广泛应用于已知和新型能量材料的合成中。通过精确控制电极电势和电流输出，电化学方法能够实现高选择性和高效率的反应过程，同时避免使用传统的强氧化剂和还原剂，从而降低化学危害和环境负担。尽管电化学在能量材料合成中展现出巨大潜力，但其在该领域的应用仍较为有限，缺乏系统性研究。本研究旨在填补这一空白，通过电化学手段实现硝胺的α-C─H氮杂化，为能量材料的设计与合成开辟新的方向。

### 硝胺的合成与改进

硝胺的合成通常依赖于自由胺或取代胺的硝化或硝酰化反应，使用浓硝酸作为主要试剂。然而，这种合成方式存在明显的安全隐患和环境污染问题。为了提高硝胺合成的实用性，本研究开发了一种两步串联工艺，能够在无硝酸的条件下，利用稳定且易得的试剂合成硝胺。这一过程首先通过已知的硝酸钠（NaNO?）盐将二级胺转化为亚硝胺，随后利用新的氧化反应将亚硝胺转化为目标硝胺，无需柱层析纯化中间体，仅需水洗即可完成。该方法不仅简化了合成步骤，还提高了反应的可扩展性和操作安全性。

此外，研究还探索了电化学方法在硝胺合成中的应用，发现通过电化学氧化可以在温和条件下生成硝胺，避免了传统化学氧化所需的高电势和复杂条件。这一发现为后续的氮杂化反应奠定了基础，并进一步推动了电化学在能量材料合成中的应用。同时，研究团队还通过实验验证了不同氧化剂（如mCPBA、MoO?/H?O?和Oxone）对硝胺合成的影响，最终选择了稳定性高、毒性低且成本效益好的Oxone作为主要氧化试剂，以实现更高效的合成过程。

### 电化学氮杂化反应的发现与优化

在研究硝胺的α-C─H氮杂化反应时，研究团队借鉴了经典的Shono氧化反应机制，设想通过电化学手段激活硝胺的α-C─H键，使其能够与含氮杂环化合物（如吡唑）发生亲核取代反应，从而生成双功能能量化合物。为了实现这一目标，研究团队对反应条件进行了系统优化，包括酸添加剂的选择、电解质浓度、电流强度以及反应时间等。

通过实验发现，使用三氟乙酸（TFA）或路易斯酸BF?·OEt?作为酸添加剂，能够有效保护吡唑类化合物免受氧化，从而提高反应选择性和产率。TFA的pKa值比吡唑的共轭酸高约2.7个单位，因此更可能通过氢键而非质子化来保护亲核试剂。同时，实验还发现，某些酸性较强的试剂（如甲烷磺酸和三氟甲烷磺酸）反而会抑制反应，因为它们会过度中和亲核试剂的活性。

在优化过程中，研究团队还探索了不同类型的含氮杂环化合物，如咪唑、三唑和四唑等，并评估了它们在电化学氮杂化反应中的表现。结果表明，含有吸电子基团（如酯基、三氟甲基、氰基和硝基）的杂环化合物在反应中表现出更高的活性和更好的产率。此外，研究还发现，某些含氮杂环化合物（如四唑）由于其较低的亲核性，可能需要不同的反应条件以确保反应的顺利进行。

### 串联合成策略与流反应系统的应用

为了进一步提高合成的实用性，研究团队开发了一种串联反应策略，将硝胺的合成与氮杂化反应结合起来，形成一个连续、高效的合成流程。该策略包括两个主要步骤：首先，通过化学氧化将自由胺转化为硝胺；其次，通过电化学氮杂化将硝胺与含氮杂环化合物结合，生成双功能能量化合物。这种串联方法不仅减少了中间体的纯化步骤，还提高了整体反应的效率和可扩展性。

为了实现更大规模的合成，研究团队还引入了连续流电化学反应系统。该系统利用小体积反应通道和高电极表面积，提高了反应物与电极的接触效率，从而加快反应速率并减少电解质的使用量。在优化条件下，连续流系统能够以每小时0.42毫摩尔的速度生成氮杂化硝胺（如化合物20），而传统批次反应的产率仅为0.04毫摩尔/小时。此外，该系统还能够在单次反应循环中实现75%到88%的产率，显著优于传统方法。

### 热力学与物理性质分析

为了验证电化学氮杂化反应对能量材料性能的影响，研究团队对部分产物进行了热力学和物理性质分析。通过密度泛函理论（DFT）计算和热分析技术（如差示扫描量热法DSC和热重分析TGA），研究团队评估了氮杂化硝胺的氧平衡、晶体密度、热分解温度和爆热等关键参数。结果显示，引入含氮杂环化合物能够显著提高硝胺的能量密度和热稳定性。

例如，化合物20（含有额外的硝基）的氧平衡从化合物19的-100%提高到-102%，接近于不敏感高能炸药（如DNAN）的氧平衡水平。同时，化合物20的晶体密度也提高了近10%，达到1.59 g/cm3，与1,3-DNAZ和1,4-DNP相当。相比之下，简单的硝胺（如化合物35）的氧平衡和晶体密度较低，表明引入含氮杂环化合物能够显著改善其能量特性。此外，DFT计算还表明，这些双功能化合物的形成热（ΔfH°gas）在46–53 kcal/mol之间，高于TNAZ的值，显示出较高的能量密度。

### 应用前景与未来展望

本研究提出的方法为能量材料的合成提供了一种全新的思路。通过电化学手段，硝胺与含氮杂环化合物在同一分子中结合，不仅提高了材料的性能，还拓宽了能量材料的设计空间。这种双功能结构的引入，使得能量材料在热稳定性、爆热和氧平衡等方面具有显著优势，从而在多种工业应用中展现出潜力。

此外，研究团队还探索了不同类型的亲核试剂（如叠氮化物、氰化物和硝酸酯）在电化学氮杂化反应中的应用，进一步丰富了能量材料的合成路径。通过两步串联反应，能够将多种能量官能团引入硝胺分子中，从而生成结构多样、性能优良的能量化合物。这些发现不仅为现有能量材料的改进提供了新的方向，也为未来设计具有更高性能的新型能量材料奠定了基础。

### 实验验证与合成方法的验证

在实验验证过程中，研究团队对多种硝胺和含氮杂环化合物进行了系统测试，确保反应的通用性和高效性。例如，化合物1a–1f（包括环状和酯基修饰的吡咯烷衍生物）在高产率（80%–96%）下成功生成了氮杂化产物。同时，化合物1g–1i（包括氮杂环丁烷和哌啶衍生物）也在标准条件下获得了75%–92%的产率，显示出该方法的广泛适用性。

研究团队还对不同反应条件进行了评估，包括电极材料、电解质类型和溶剂选择。结果表明，使用玻璃碳盘作为阳极和铂丝作为阴极能够有效提高反应效率，而使用三氟乙酸（TFA）或BF?·OEt?作为酸添加剂可以显著提升产物的产率和选择性。此外，研究还发现，引入超酸（如三氟甲烷磺酸TfOH）可能会抑制反应，因此需要谨慎选择酸的种类和浓度。

### 与现有方法的对比

与传统的化学氧化方法相比，电化学氮杂化反应具有显著优势。首先，电化学方法能够避免使用强氧化剂和有毒试剂，从而降低合成过程中的安全风险。其次，电化学反应条件温和，能够在较低的温度和压力下进行，提高反应的可控性和可扩展性。此外，连续流电化学系统能够进一步提高合成效率，减少试剂用量，并实现大规模生产。

相比之下，传统的化学氧化方法往往需要高温、高压和高浓度的氧化剂，不仅增加了反应的复杂性，还对环境和操作人员构成威胁。而电化学方法则通过电流供应红ox等价物，实现了更环保的合成路径。同时，研究团队还发现，某些含氮杂环化合物（如四唑）由于其较低的亲核性，可能需要特殊的反应条件以确保反应的顺利进行。

### 结论与展望

综上所述，本研究提出了一种基于电化学的硝胺α-C─H氮杂化反应方法，为能量材料的合成提供了一种更安全、更高效且更可持续的途径。通过两步串联工艺，硝胺能够在无硝酸的条件下合成，并进一步与含氮杂环化合物结合，形成双功能能量化合物。此外，连续流电化学系统的引入，使得该方法在大规模生产中展现出显著优势。

本研究不仅为现有能量材料的改进提供了新的策略，也为未来设计和合成新型能量材料奠定了基础。通过引入含氮杂环化合物，能量材料的热稳定性、爆热和氧平衡等关键性能得到了显著提升，显示出其在多个工业领域中的应用潜力。未来，随着电化学技术的进一步发展，这种方法有望在更多能量材料的合成中得到应用，并推动相关领域的技术创新和产品开发。