(19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (51) 국제특허분류 (Int. Cl.) C07D 487/18 (2006.01) C06B 25/04 (2006.01) C06B 43/00 (2006.01) (21) 출원번호 10-2012-0085155 (22) 출원일자 2012 년 08 월 03 일 심사청구일자 (56) 선행기술조사문헌 논문 2010. 2 2012 년 08 월 03 일 (45) 공고일자 2013년04월30일 (11) 등록번호 10-1259433 (24) 등록일자 2013년04월24일 (73) 특허권자 국방과학연구소 대전광역시유성구북유성대로 488 번길 160 ( 수남동 ) (72) 발명자 김영규 서울특별시관악구관악로 1 서울대학교공과대학화학생물공학부 김진석 대전광역시유성구노은로신성월드컵아파트 105-1301 ( 뒷면에계속 ) (74) 대리인 특허법인원전전체청구항수 : 총 2 항심사관 : 김병숙 (54) 발명의명칭신규분자화약중간체로사용가능한헥사아자 3.3.3 프로펠레인화합물, 및이의제조방법 (57) 요약 본발명은신규분자화약의주요골격구조로사용될수있는하기화학식 (I) 로표시되는헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인화합물및이의제조방법에관한것이다 : [ 화학식 I] 상기식중, R 은 H, 산소, 질소, 황, 할로겐등의이종원자또는불포화기를포함할수있는 C 1 ~C 20 의알킬, 시클 로알킬, 아릴알킬또는아릴이고 ; X 는 H 2, O 또는 S 이다. 대표도 - 도 1-1 -
(72) 발명자 정규현 인천광역시남구경인남길인하대학교 5 북 512 호 신문용 서울특별시관악구관악로 1 서울대학교 302 동 70 8 호 김승희 대전광역시유성구반석동로 30 반석마을 7 단지 709 동 203 호 하태환 서울특별시관악구관악로 1 서울대학교 302 동 70 8 호 이혜령 서울특별시관악구관악로 1 서울대학교 302 동 70 8 호 김명학 서울특별시관악구관악로 1 서울대학교 302 동 70 8 호 - 2 -
특허청구의범위청구항 1 하기화학식 (I) 로표시되는헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인화합물 : [ 화학식 I] 상기식중, R은 H, C 1 ~C 20 알킬, C 3 ~C 20 시클로알킬, 또는 C 7 ~C 20 아릴알킬이고, 상기알킬또는아릴은산소, 질소, 황및할로겐으로부터선택되는이종원자또는불포화기를그안에포함할수있으며 ; X는 O 또는 S이다. 청구항 2 제 1항에있어서, 상기화합물은분자화약제조에사용되는것을특징으로하는헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인화합물. 청구항 3 삭제청구항 4 삭제청구항 5 삭제청구항 6 삭제청구항 7 삭제 명세서 [0001] 기술분야 본발명은신규의분자화약으로사용가능한화합물인헥사니트로헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인화합물의주요골 격구조인, 구체적으로신규의헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인화합물의제조방법에관한것이다. [0002] 배경기술현재까지미국등선진각국에서개발되어온고밀도, 다중고리둔감성분자화약물질들중가장뛰어난폭발특성을나타낸다고알려진화합물은 isowurtzitane구조의 HNIW 화합물과 cubane구조의옥타니트로큐반 (ONC) 으로, 그폭발특성은현재상용되는 HMX, RDX에비해월등히뛰어남이알려져있다. 이화합물들의다양한기존연구를통해고리구조의원자밀도가높은화합물이폭발특성에유리한구조임을알수있으나, HNIW나 ONC화합물의기존합성법들이여러단계의복잡한과정을거치거나수율이낮은단점이있다. 따라서 HNIW나 ONC와같은고리긴장이크고원자밀도가높은화합물을개발하고자삼중고리화합물인프로펠레인구조를구상하였으며, 특히 [3.3.3] 프로펠레인은분자의고리긴장에너지가 28kcal/mol로잠재에너지도비교적높지만생성에너지 (Δ - 3 -
H f (kcal/mol)) 가 -30Kcal/mol 로안정하여합성이가능할것으로예상하였고, 이에질소원자를다수치환한아자 프로펠레인화합물을구상하였다. 아자프로펠레인구조의화합물은합성및고에너지물질로적용된예가적으 며, 그중헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인은아직합성되거나사용된예가없다. 발명의내용 [0003] 해결하려는과제본발명의목적은분자화약으로적용시에너지성이높은신규의고밀도다중고리둔감성분자화약물질인, 헥사니트로헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인구조의주요골격인헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인화합물로프로펠레인골격구조에질소 6개가치환된화합물및이의제조방법을제공하는것이다. [0004] [0005] 과제의해결수단본발명은분자화약으로사용될수있는신규의고에너지물질의핵심구조인하기화학식 (I) 로표시되는헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인화합물을제공한다. [ 화학식 I] [0006] [0007] 상기식중, R 은 H, C 1 ~C 20 알킬, 시클로알킬, 아릴알킬, 또는아릴이고, 상기알킬또는아릴은산소, 질소, 황 등의이종원자, 또는불포화기를그안에포함할수있으며 ; X 는 H 2, O 또는 S 이다. [0008] [0009] 또한, 본발명은상기화학식 (I) 로표시되는헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인화합물의제조방법을제공하며, 특히, 하기반응식 1에나타낸화합물 (3), (4), (5), (6) 및 (7) 로표시되는헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인구조의화합물의제조방법을제공한다. [ 반응식 1] [0010] [0011] [0012] 상기반응식 1 중, Y는 O 또는 S이며 ; R 1 및 R 2 는, 일반적으로아민의보호기로적용될수있는유기작용기이면특별히제한되지는않지만, 예로서각각산소, 질소, 황, 할로겐등의이종원자또는불포화기를포함할수있는 C 1 ~C 20 의알킬, 시클로알킬, 아릴알킬또는아릴을나타낸다. 상기반응식 1에나타낸것과같은, 본발명에따른상기화학식 (I) 로표시되는헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인화합물의제조방법에있어서, 특히화학식 (I) 의화합물들중 X가 O 또는 S인경우를포함하는, 상기반응식 1에나타낸화합물 (3) 으로표시되는헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인구조의화합물의제조방법이제공된다. - 4 -
[0013] 상기반응식 1 에서, 상기화합물 (2) 로는, 예로서, 요산 (uric acid) 으로부터포타슘시안화철 (K 3 Fe(CN) 6 ), 수산 화암모늄을반응시켜제조되는글리콜유릴디아민 (Y 가 O 인경우 ) 이사용될수있다. [0014] 상기화합물 (2) 에 R-CO-X 시약을이용하여카르보닐기를도입하여, 본발명에따른헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인 구조의화합물중하나인화합물 (3) 을제조할수있다. 상기 R-CO-X 시약중, R 은 H, 또는산소, 질소, 황, 염 소등의이종원자또는불포화기를포함할수있는 C 1 ~C 20 의알킬, 시클로알킬, 알콕시, 아릴알킬또는아릴을 나타내고, X는 Cl, Br, I, H, 또는 R과같거나같지않은산소, 질소, 황등의이종원자또는불포화기를포함할수있는 C 1 ~C 20 의알킬, 시클로알킬, 알콕시, 아릴알킬또는아릴을나타낸다. 상기정의에해당하는 R-CO-X 시약의구체적인종류는당업자에의해임의선택되어사용될수있는것이나, 예로서벤질클로로포르메이트등의포르메이트류 ; 디터셔리부틸디카보네이트등의카보네이트류 ; 디이미다졸카보닐등의우레아류 ; 카바메이트류 ; 옥살릭클로라이드등의포스젠류 ; 포름알데하이드등의알데하이드류가언급될수있다. [0015] [0016] [0017] [0018] 상기카르보닐기의도입반응은당업계에알려진통상의반응조건에의하여수행될수있으나, 예로서실온이나환류조건의온도에서 1시간혹은그이상의시간조건에의해실시될수있고, 필요에따라통상적으로사용되는적당한염기또는산보조시약이사용될수있다. 상기반응식 1에나타낸것과같은, 본발명에따른상기화학식 (I) 로표시되는헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인화합물의제조방법에있어서, 특히화학식 (I) 의화합물들중 X가 O, S 또는 H인경우를포함하는, 화합물 (4), (5), (6) 및 (7) 으로표시되는헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인구조의화합물들의제조방법이제공된다. 상기반응식 1에서합성된헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인구조의화합물 (3) 은, 필요에따라하기설명되는것과같이그보호기를비교적자유롭게전환시킬수있어, 이에따라화합물 (3) 으로부터상기반응식 1에나타낸바와같은화합물 (4), (5), (6) 및 (7) 로표시되는다양한화합물들의합성이가능하며, 이는하기에서더욱구체적으로설명되는바와같다. 상기반응식 1에나타낸화합물들의제조에있어서, 화합물 (3) 으로부터화합물 (4), (5), (6) 및 (7) 의제조는 다음단계들을포함한다 : 화합물 (3) 으로부터질소에결합된유기작용기들 (R 1 ) 을제거, 즉질소를탈보호시키므로써화합물 (4) 를제조하고 ; 제조된화합물 (4) 를다시다른유기화합물 (R 2 -X) 과반응시켜질소를보호화시켜화합물 (5) 를제조하고 ; 화합물 (5) 의 Y( 카르보닐기또는티오카르보닐기 ) 를 [M]-H n 을이용하여환원시키므로써화합물 (6) 을제조하고 ; 화합물 (6) 으로부터질소에결합된유기작용기들 (R 2 ) 을제거, 즉질소를탈보호시키므로써화합물 (7) 을제조한다. [0019] 더욱구체적으로, 상기반응식 1 에나타낸화합물들의제조에있어서, 화합물 (3) 으로부터화합물 (4) 의제조는 상기화합물 (3) 의질소에결합된유기작용기 R 1 들을제거하는질소의탈보호화에의해수행된다. 상기탈보호화는상기화합물 (3) 에존재하는작용기 (R 1 기 ) 에따라, 적당한염산, 황산, 질산, 초산, 트리플루오로아세트산등을포함하는유기산또는무기산의조건하에서, 또는수산화나트륨용액, 암모니아용액, 하이드라이드, 삼차아민등의유기, 무기염기의조건하에서, 또는중성조건하에서, 구리, 세슘, 철, 할로알루미늄, 사마륨 (samarium), 마그네슘, 이터븀, 티타늄, 주석등의금속촉매또는비금속촉매를사용하여실시될수있다. 상기탈보호조건및적당한촉매는특별히제한되지않으며, 제거하고자하는작용기에따라당업자에의해적절하게선택되어실시할수있다. [0020] 상기반응식 1 에나타낸화합물들의제조에있어서, 화합물 (4) 로부터화합물 (5) 의제조는, 보호기를제공하는 R 2 -X 화합물을상기화합물 (4) 와반응시키므로써, 화합물 (4) 의아민기에보호기를도입하여실시될수있다. 상기 R 2 -X에서, R 2 는일반적인아민보호기인한특별히제한되는것은아니지만, 산소, 질소, 황, 할로겐등의이종원자또는불포화기를포함할수있는 C 1 ~C 20 의알킬, 시클로알킬, 아릴알킬또는아릴을나타내고, X는 Cl, Br, I, H, 또는 R 2 와같거나같지않은, 산소, 질소, 황, 할로겐등의이종원자또는불포화기를포함할수있는 C 1 ~C 20 의알킬, 시클로알킬, 알콕시, 아릴알킬또는아릴을나타낸다. 상기보호기도입과정에서사용되는염기는수소화나트륨, 수산화나트륨, 수산화리튬, 부틸리튬, 탄산칼륨, 탄산나트륨, 중탄산나트륨, 디알킬아민리튬과같은유기또는무기의염기가사용될수있다. 상기보호기도입조건및염기는특별히제한되지않으며, 당업자에의해적절하게선택되어실시할수있다. - 5 -
[0021] 한편, 상기반응식 1 에나타낸화합물 (5) 에서, Y 는 O 또는 S 일수있으며, 하기반응식 2 에나타낸것과같이, 화합물 (5) 에서 Y 가 O( 카르보닐기 ) 인경우, 상기 Y 는 Lawesson 의시약등을환류조건에서사용하면 S( 티오카르 보닐기 ) 로치환될수있다고유사한경우들이잘알려져있다. R 2 는상기반응식 1에서화합물 (5) 의제조와관련하여설명된 R 2 -X에서의 R 2 에대한정의와동일하다. 이러한치환단계는특별히제한되지는않고, 통상의치환방법이사용될수있으며, 이러한방법은당업자에의해적절하게실시될수있다. 예로써 Lawesson의시약을이용하여벤젠등의적절한용매에환류조건으로치환시킬수있다. [0022] [ 반응식 2] [0023] [0024] 상기반응식 1 에나타낸화합물들의제조에있어서, 화합물 (5) 로부터화합물 (6) 의제조는, 카르보닐기또는 티오카르보닐기인 Y 를반응식 1 에나타낸바와같이 [M]-H n 을이용하여환원시키므로써실시될수있으며, 상기 식중 M은알루미늄, 붕소등의금속으로이루어지는군으로선택되고, n은 1~4의정수이다. 상기환원제인 [M]-H n 의구체적인예들은, 수소화붕소, 수소화붕소리튬, 수소화붕소나트륨, 수소화알루미늄, 수소화알루미늄나트륨, 수소화알루미늄리튬, 시안화수소화붕소나트륨, 수소화디알킬아민붕소나트륨, 수소화디알킬알루미늄, 라니 (Raney) 니켈로이루어지는군으로부터선택되는어느하나이다. 이는단독으로사용되어상기환원과정을수행할수있거나, 또는요오드, 황산, 염화티타늄, 염화알루미늄, 염화주석, 아연, 트리에틸에테르테트라플루오로붕산염으로이루어지는군으로부터선택되는어느하나를같이사용하여상기환원과정을수행할수있다. [0025] 상기반응식 1 에나타낸화합물들의제조에있어서, 화합물 (6) 으로부터화합물 (7) 의제조는, 상기화합물 (3) 으로부터화합물 (4) 의제조와관련하여상기설명된것과유사한방식으로, 화합물 (6) 을탈보호하므로써 실시될수있다. 상기탈보호단계는상기화합물 (6) 에존재하는작용기 (R 2 기 ) 에따라, 적당한염산, 황산, 질 산, 초산, 트리플루오로아세트산등을포함하는유기산또는무기산의조건하에서, 또는수산화나트륨용액, 암모니아용액, 하이드라이드, 삼차아민등의유기, 무기의염기조건하에서, 또는중성조건하에서, 구리, 세슘, 철, 할로알루미늄, 사마륨 (samarium), 마그네슘, 이터븀, 티타늄, 주석등의금속촉매또는비금속촉매를사용하여작용기를제거하는탈보호과정을실시한다. 상기탈보호조건및적당한촉매는특별히제한되지않으며, 제거하고자하는작용기에따라당업자에의해적절하게선택되어실시할수있다. [0026] 합성된상기헥사아자트리시클로 [3.3.3] 운데케인화합물들의구조는 NMR 등의기기분석및 X 선회절분석을통해 확인가능하다. [0027] 발명의효과본발명에따라, 신규의고밀도, 다중고리둔감성분자화약물질인헥사니트로헥사아자프로펠레인화합물의핵심구조의헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인화합물의합성방법이제공되며, 상기합성된헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인화합물은그보호기를필요에따라자유롭게전환할수있어추후니트로기를도입하거나유사한다른화합물을합성하는데상황에따른적절한보호기를도입하여원활한합성을진행할수있는유리한점이있으며, 고에너지분자화약의기본골격으로사용된경우, 기존의분자화약물질들에비해잠재에너지가높다는장점이있다. 또한, 기존의분자화약물질들의수명과같이본발명의분자화약화합물의수명도최소 20년이상일것으로예측된다. [0028] 도면의간단한설명 도 1, 도 2 및도 3 은각각실시예 1, 2 및 4 에서수득된화합물에대한 X 선회절분석결과이다. 발명을실시하기위한구체적인내용 - 6 -
[0029] [0030] [0031] 이하, 본발명을구체적인실시예에의해보다더상세히설명하고자한다. 하지만, 본발명은하기실시예에의해한정되는것은아니다. 시약및재료포타슘시안화철 (K 3 Fe(CN) 6 ), 디터셔리부틸디카보네이트 (BoC 2 O), 트리에틸아민 (TEA), N,N-디메틸아미노피리딘 (DMAP), 벤질브로마이드, 알릴브로마이드, 수소화나트륨 (NaH) 및리튬수소화알루미늄 (LAH) 은시그마 - 알드리 치사의시약을사용하였다. 트리플루오로아세트산, 수산화암모늄, 아세톤, 에탄올, 테트라하이드로퓨란, 디메 틸설폭사이드, 디메틸포름아미드및염화메틸의용매류는 OCI 사및대정사로부터구입한것을이용하였다. [0032] [0033] 실시예 1 2,4,6,8,9,11- 헥사 -N-Boc-3,7,10- 트리옥소 -2,4,6,8,9,11- 헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인 (3') 의합성 [0034] [0035] [0036] [0037] 상기반응식에나타낸것과같이, 글리콜유릴디아민 (2')(0.5g, 2.90밀리몰 ) 과디터셔리부틸디카보네이트 (6.7mL, 29.04밀리몰 ) 를디메틸설폭사이드 (2mL) 에녹였다. 디메틸아미노피리딘 (1.42g, 11.62밀리몰 ) 을천천히가하고, 6시간이상실온에서교반하였다. 반응후디에틸에테르로추출하여감압증류한다음실리카겔컬럼크로마토그래피를이용하여 ( 전개액 : 헥산 : 에틸아세테이트 =4:1) 정제하였다. 흰색고체화합물 (1.88g, 수율 81%) 을얻었고, 이를염화메틸렌으로결정화한다음 X선회절분석을이용해결정구조를분석하여그결과를도 1에나타내었으며, 이에따라화합물 3' 가합성되었음을확인하였다. NMR분석결과 : 1 H NMR (CDCl3 ) δ 1.54 (s, 54H) [0038] 13 C NMR (CDCl3 ) δ 147.6, 144.4, 85.2, 83.2, 27.8 [0039] [0040] [0041] [0042] IR (KBr) ν max : 2938, 2936, 2045, 1802, 1775, 1628, 1475, 1458 cm -1 원소분석결과 : 계산치 : C-52.62, H-6.81, N-10.52 실측치 : C-52.57, H-7.06, N-10.12 [0043] [0044] 실시예 2 3,7,10- 트리옥소 -2,4,6,8,9,11- 헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인 (4') 의합성 [0045] [0046] 상기반응식에나타낸것과같이, 상기실시예 1 에서합성된화합물 (3') (1.0g, 1.25 밀리몰 ) 에트리플루오로 아세트산을기포가생기지않을때까지실온에서천천히적가하고 1 시간동안교반한뒤, 트리플루오로아세트 - 7 -
산을감압증류하여제거하였다. 에탄올 (20mL) 을적가하여침전물이생기면거른뒤아세톤으로충분히씻어낸다음, 거른침전물은건조하여흰색고체 (0.25ㅎ, 수율 : 99%) 를얻었다. 이고체를디메틸설폭사이드를이용해재결정하여바늘모양의무색결정을얻었고, 이를 X선회절분석을이용하여구조를확인하였으며, 그결과를도 2에나타내었고, 이에따라화합물 4' 가합성되었음을확인하였다. [0047] [0048] NMR 분석결과 : 1 H NMR (DMSO-d6 ) δ 8.06 (s, 6H) [0049] 13 C NMR (DMSO-d6 ) δ 159.4, 85.2 [0050] [0051] [0052] [0053] [0054] IR (KBr) ν max : 3217, 2830, 1748, 1688, 1524, 1473cm -1 HRMS (FAB): C 5 H 7 N 6 O 3 [M]+ 에대한계산치 : 199.0574, 실측치 : 199.0584 원소분석결과 : 계산치 : C-30.31, H-3.05, N-42.41 실측치 : C-30.70, H-3.33, N-42.39 [0055] [0056] 실시예 3 2,4,6,8,9,11- 헥사 -N- 벤질 -3,7,10- 트리옥소 -2,4,6,8,11- 헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인 (5') 의합성 [0057] [0058] [0059] [0060] 상기반응식에나타낸것과같이, 상기실시예 2에서합성한화합물 (4') (0.7g, 3.53밀리몰 ) 를질소분위기하에서 N,N-디메틸포름아미드 (4mL) 와디메틸설폭사이드 (1mL) 의혼합물에녹인뒤벤질브로마이드 (3.4mL, 28.28 밀리몰 ) 를가하고반응온도를 0 이하로내리고교반하였다. 5분뒤수소화나트륨 (1.13g, 28.28밀리몰 ) 을가하였다. 반응온도를천천히실온으로올리고 6시간을더교반하였다. 반응이끝나고다시온도를 0 로내린뒤, 염화암모늄수용액을가하고, 디에틸에테르로추출하였다. 유기층을감압증류한뒤에실리카겔크로마토그래피 ( 전개액 : 헥산 : 에틸아세테이트 = 4:1) 로정제하여흰색고체 (1.28g, 수율 49%) 로서, 상기반응식에나타낸것과같은화합물 (5') 를합성하였다. NMR분석결과 : 1 H NMR (CDCl3 ) δ 7.32-7.27 (m, 18H), 7.12-7.09 (m, 12H), 4.32 (s, 12H) [0061] 13 C NMR (CDCl3 ) δ 157.3, 136.8, 128.8, 127.7, 126.6, 89.5, 45.8 [0062] [0063] [0064] [0065] [0066] IR (KBr) ν max : 3086. 3059. 2693, 2927, 1718, 1472, 1450, 1421cm -1 HRMS (FAB+): C 47 H 42 N 6 O 3 [M]+ 에대한계산치 : 739.3391, 실측치 : 739.3395 원소분석결과 : 계산치 : C-76.40, H-5.73, N-11.37 실측치 : C-76.24, H-5.89, N-11.57-8 -
[0067] [0068] 실시예 4 2,4,6,8,9,11- 헥사 -N- 벤질 -2,4,6,8,11- 헥사아자 [3.3.3] 프로펠레인 (6') 의합성 [0069] [0070] [0071] [0072] 상기반응식에나타낸것과같이, 무수테트라하이드로퓨란 (7mL) 을 LAH (0.46g, 12.20밀리몰 ) 가담긴초자반응기에질소분위기하에서천천히가한뒤온도를 0 이하로내렸다. 실시예 3에서합성한화합물 (5')(0.5g, 0.68밀리몰 ) 를천천히가하고교반하였다. 40분뒤실온 (20 ) 으로천천히올리고, 40 에서 12시간동안교반하였다. 반응후온도를다시 0 이하로내리고교반하였다. 5분뒤에틸아세테이트 (15mL) 를천천히가하여 30분동안교반하였다. 용액을셀라이트패드와실리카겔패드로순차적으로거른뒤감압증류하여흰색고체 (0.38g, 수율 : 81%) 를얻었다. 이를염화메틸렌을이용해결정화하여, 상기반응식에나타낸것과같은화합물 (6') 를합성하였다. 이를 X선회절분석을이용하여구조를확인하였으며, 그결과를도 3에나타내었고, 이에따라화합물 (6') 가합성되었음을확인하였다. NMR분석결과 ; 1 H NMR (CDCl3 ) δ 7.18-7.41 (m, 30H), 4.16 (s, 12H), 3.75 (s, 6H) [0073] 13 C NMR (CDCl3 ) δ 140.2, 128.3, 128.1, 126.7, 108.9, 76.5, 52.2 [0074] [0075] [0076] 원소분석결과 : 계산치 : C-81.00, H-6.94, N-12.06 실측치 : C-81.01, H-6.99, N-11.92 도면 도면 1-9 -
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