阅读说明：本技术 一种硝基硼烷类离子液体及其制备方法 (Nitroborane ionic liquid and preparation method thereof ) 是由 靳云鹤 史远通 张庆华 于 2019-10-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种硝基硼烷类离子液体及其制备方法,包括以下步骤：(1)将三硝基甲烷在乙二醇二甲醚的作用下和硼氢化钠反应得到中间产物；(2)将中间产物与溴盐反应得到含能离子盐。该类离子液体氧化性与还原性基团共存在同一离子骨架结构,可使得离子液体燃烧更充分,是一种有潜力的肼类燃料替代物。(The invention discloses a nitroborane ionic liquid and a preparation method thereof, and the preparation method comprises the following steps: (1) reacting trinitromethane with sodium borohydride under the action of ethylene glycol dimethyl ether to obtain an intermediate product; (2) and (3) reacting the intermediate product with a bromine salt to obtain the energetic ionic salt. The oxidability and the reducibility of the ionic liquid coexist in the same ionic skeleton structure, so that the ionic liquid can be combusted more fully, and the ionic liquid is a potential hydrazine fuel substitute.)

一种硝基硼烷类离子液体及其制备方法

技术领域

本发明涉及离子液体技术领域，具体涉及一种硝基硼烷类离子液体及其制备方法。

背景技术

甲基肼或偏二甲肼类燃料是目前航天液体火箭推进系统应用最广的一类燃料，该类燃料价格低，制备工艺成熟，但毒性高、对环境危害大，其高挥发性的特点则对运输及存储环境提出了较高的要求。随着科技的发展，人们对各类材料的环保性提出了更高的要求，由此引起了各国学者的高度关注并进行了大量环境友好型肼类替代物的研究。

离子液体是21世纪初发展起来的一种绿色材料，其饱和蒸汽压极低、不易挥发、结构可设计、液态可操作温区宽、无毒或低毒，在能源、医药、化工等领域都有较为广泛的应用。2008年美国爱德华兹空军基地首先证实了离子液体与氧化剂反应可以“自燃”，随后各类“自燃型”离子液体被开发出来，其中以硼氢类离子液体性能最为优异，因此对硼氢类离子液体的研究也最为集中，该类研究都将硼氢基团作为还原剂引入阴阳离子结构中，在与氧化剂白烟硝酸等接触后发生氧化还原反应迅速放热，达到材料燃点后生成火焰。由于氧化剂与还原剂被分散在两种不同材料中，因此在燃烧过程中常常存在燃烧不充分等问题。Guillaume等报道了一种室温下稳定的硝基硼烷阴离子，但并未对该类离子的性能进行研究，将该类离子应用于推进剂领域尚属首次。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的硝基硼烷类离子液体及其制备方法。该类离子液体氧化性与还原性基团共存在同一离子骨架结构，可使得离子液体燃烧更充分，是一种有潜力的肼类燃料替代物。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种硝基硼烷类离子液体的制备方法，包括以下步骤：(1)将三硝基甲烷在乙二醇二甲醚的作用下和硼氢化钠反应得到中间产物；(2)将中间产物与溴盐反应得到含能离子盐。

其合成路线如下：

进一步的技术方案为，所述三硝基甲烷与硼氢化钠的物质的量之比为1：1～1：5。

进一步的技术方案为，所述中间产物与溴盐的物质的量之比为2：1～1：5。

进一步的技术方案为，所述步骤(1)具体为将三硝基甲烷溶于乙二醇二甲醚中，然后快速向其中加入硼氢化钠的乙二醇二甲醚悬浊液，室温下搅拌0.5h后加入正戊烷多次洗涤，随后加入二氯甲烷后过滤，取滤液在-40℃条件下真空干燥后得到中间产物。

进一步的技术方案为，所述步骤(2)具体为将中间产物和乙腈混合均匀后向其中加入溴盐，继续反应24～30小时，反应结束后过滤除去不溶物，滤液移去溶剂干燥后得目标化合物。

更进一步的，所述步骤(2)具体为将中间产物和乙腈混合均匀后向其中加入溴盐，继续反应28小时。

进一步的技术方案为，所述溴盐为M⁺Br^-，其中M⁺选自

中的任意一种。

进一步的技术方案为，所述目标产物为

中的任意一种。

本发明还提供一种硝基硼烷类离子液体，其结构式为

中的任意一种。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明将氧化性的硝基基团引入含有还原剂硼烷基团的阴离子中，并将其与适当的阳离子进行组合可以得到一类新的硝基硼烷类离子液体。该类离子液体氧化性与还原性基团共存在同一离子骨架结构，可使得离子液体燃烧更充分，是一种有潜力的肼类燃料替代物。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步的解释和说明。

实施例1

中间产物的合成：

将三硝基甲烷(0.83g，5.5mmol)溶于乙二醇二甲醚(10ml)中，随后快速向其中加入硼氢化钠的乙二醇二甲醚悬浊液(0.2gNaBH₄溶于10ml乙二醇二甲醚)，室温下搅拌0.5h后加入正戊烷多次洗涤，随后加入二氯甲烷后过滤，取滤液在-40℃条件下真空干燥后得到黄绿色固体1(1.43g，yield：78％)。

实施例2

目标产物的合成：

在100mL圆底烧瓶中加入化合物1(370mg,1mmol)和乙腈(60mL),混合均匀后向溶液中加入相应的溴盐(1mmol)，继续反应28小时。反应结束后，过滤除去不溶物，滤液移去溶剂干燥后得相应目标化合物。

当溴盐为

时，目标产物为化合物2-a。浅黄色液体，

(280mg,86％),1H NMR(600MHz,DMSO-d6):δppm:0.00-0.41(m,3H,BH3),5.03-5.07(m,2H,CH2),5.71(m,3H,CH,CH2),7.79(d,H,CH),7.99(d,H,CH),8.92(s,H,CH),3.73(s,3H,CH3).13C NMR(150MHz,DMSO-d6):δ:ppm:37.1,53.0,117.2,122.9,132.5,137.0,179.7.Elemental analysis,calcd(％)for C8H14BN5O6(287.1):C:33.48,H:4.92,N:24.40,Found,C:33.89,H:5.27,N:23.19。

当溴盐为

时，目标产物为化合物2-b，浅黄色液体，

(234mg,85％),1H NMR(600MHz,DMSO-d6):δppm:0.02-0.41(m,3H,BH3),1.57(m,3H,CH3),4.82(m,2H,CH2),7.76(d,H,CH),7.92(d,H,CH),8.95(s,H,CH),3.73(s,3H,CH3).13C NMR(150MHz,DMSO-d6):δ:ppm:16.5,55.1,122.8,123.1,137.0,37.2,179.7.Elemental analysis,calcd(％)for C7H14BN5O6(287.1):C:30.57,H:5.13,N:25.46,Found,C:30.89,H:5.87,N:24.98。

当溴盐为

时，目标产物为化合物2-c，无色液体，

(245mg,88％),1H NMR(600MHz,DMSO-d6):δppm:0.03-0.40(m,3H,BH3),1.25(m,3H,CH3),3.30(m,2H,CH2),3.23(m,4H,CH2),1.71(m,4H,CH2),3.30(s,3H,CH3).13C NMR(150MHz,DMSO-d6):δ:ppm:8.0,22.1,49.2,56.2,64.6,179.8.Elemental analysis,calcd(％)forC8H19BN4O6(278.1):C:34.56,H:6.89,N:20.15,Found,C:34.87,H:7.25,N:19.98。

当溴盐为

时，目标产物为化合物2-d，无色液体，

(238mg,83％),1H NMR(600MHz,DMSO-d6):δppm:0.03-0.40(m,3H,BH3),1.55(m,3H,CH3),3.35(m,2H,CH2),2.90(m,3H,CH3),4.90(d,2H,CH),5.79(m,2H,CH),2.69(m,2H,CH2).13CNMR(150MHz,DMSO-d6):δ:ppm:6.4,30.3,44.7,56.3,129.1,133.3,179.8.Elementalanalysis,calcd(％)for C9H17BN4O6(288.1):C:37.53,H:5.95,N:19.45,Found,C:37.92,H:6.42,N:18.99。

当溴盐为

时，目标产物为化合物2-e，无色液体，

(257mg,85％),1H NMR(600MHz,DMSO-d6):δppm:0.03-0.40(m,3H,BH3),0.94(m,3H,CH3),2.08(m,2H,CH2),3.30(m,2H,CH2),2.90(m,3H,CH3),4.90(d,2H,CH),5.79(m,2H,CH),2.68(m,2H,CH2).13C NMR(150MHz,DMSO-d6):δ:ppm:11.3,15.6,30.2,45.2,65.8,129.0,132.3,179.8.Elemental analysis,calcd(％)for C10H19BN4O6(302.1):C:39.76,H:6.34,N:18.55,Found,C:40.01,H:6.92,N:18.19。

当溴盐为

时，目标产物为化合物2-f，无色液体，

(266mg,87％),1H NMR(600MHz,DMSO-d6):δppm:0.03-0.41(m,3H,BH3),0.89(m,3H,CH3),1.30(m,2H,CH2),1.72(m,6H,CH2),3.22(m,6H,CH2),3.30(s,3H,CH3).13C NMR(150MHz,DMSO-d6):δ:ppm:13.8,19.0,22.0,23.2,49.9,61.6,65.0,179.6.Elemental analysis,calcd(％)for C10H23BN4O6(306.2):C:39.24,H:7.57,N:18.30,Found,C:39.91,H:8.03,N:17.98。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。