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季戊四醇四硝酸酯

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季戊四醇四硝酸酯
IUPAC名
2,2-Bis[(nitrooxy)methyl]propane-1,3-diyl dinitrate
2,2-(雙硝酰氧基甲基)-1,3-丙二醇二硝酸酯
別名 季戊四醇四硝酸酯
戊四硝酯
PETN
太安;泰安;太恩;泰恩
膨梯爾(Pentyl
識別
CAS號 78-11-5  checkY
PubChem 6518
ChemSpider 6271
SMILES
 
  • C(C(CO[N+](=O)[O-])(CO[N+](=O)[O-])CO[N+](=O)[O-])O[N+](=O)[O-]
InChI
 
  • 1S/C5H8N4O12/c10-6(11)18-1-5(2-19-7(12)13,3-20-8(14)15)4-21-9(16)17/h1-4H2
InChIKey TZRXHJWUDPFEEY-UHFFFAOYSA-N
UN編號 0150, 0411, 3344
EINECS 204-500-1
性質
化學式 C5H8N4O12
摩爾質量 316.14 g·mol⁻¹
外觀 白色結晶,工業生產允許呈淺灰色
密度 1.778g/cm3
熔點 141.3°C[1]
沸點 180°C(50mm柱壓強)
205-215°C(爆炸)[2]
溶解性 0.133mg/mL [2]
溶解性 略溶於乙醇乙醚
易溶於丙酮二甲基甲酰胺乙酸乙酯[3]
熱力學[4]
ΔfHm298K -462kJ·mol−1
ΔcHm -2648.9kJ·mol−1
Cp 790J·K-1·mol-1
爆炸性[1]
撞擊感度 3J
摩擦感度 60N
爆速 8400m/s(1.7g/cm3
危險性[6][7]
GHS危險性符號
《全球化學品統一分類和標籤制度》(簡稱「GHS」)中爆炸性物質的標籤圖案
GHS提示詞 Danger
H-術語 H200
P-術語 P201, P202, P372, P373, P380
致死量或濃度:
LD50中位劑量
245.3mg/kg(大鼠,口服)[5]
相關物質
相關硝酸酯類炸藥 硝酸甘油
硝酸纖維素
若非註明,所有數據均出自標準狀態(25 ℃,100 kPa)下。

季戊四醇四硝酸酯(代號PETN[註 1]),也稱戊四硝酯太安太恩膨梯爾,是軍事和民用領域較常使用的炸藥之一,具有熱安定性好、威力大的特性,常作為低爆速、低密度炸藥敏化劑和直徑較小傳爆器件的裝藥使用[8]。季戊四醇四硝酸酯是典型的硝酸酯類炸藥,但因其具有對稱性較好的分子結構,它的熱安定性明顯優於硝酸甘油與其他硝酸酯類物質[3]

為便於敘述,下文統一稱季戊四醇四硝酸酯為太安。

歷史

1891年,德國哥廷根大學伯恩哈德·托倫斯英語Bernhard Tollens和皮特·韋根首次製備出季戊四醇,3年後,一家位於特羅斯多夫的工廠基於該物質成功研製出太安,此後的數十年間,太安都未得到大規模應用。第一次世界大戰結束後,甲醛乙醛製備成本下降,季戊四醇和太安才得以大規模生產使用[9]第二次世界大戰期間,將TNT和太安按一比一配比混合而成的噴特利特英語Pentolite炸藥廣泛用於裝填反坦克火箭彈手榴彈雷管等產品。二戰後,隨着黑索金的問世,具有更優良性能的B炸藥逐漸在各領域取代了噴特利特,該混合炸藥現已基本不再用於軍事用途[10]

物理性質

純的太安為粉末狀白色結晶,某些情況下可能呈現淺灰色,熔點約為141°C,工業級產品熔點約為138至140°C。太安具有3種晶型:α型或I型屬四方晶系,為常用的穩定晶型;β型或II型屬斜方晶系,使用較少;130°C時,α型會轉變為β型[3][8]。此外,少數文獻還記錄到高壓環境下屬斜方晶系的III型晶型,但缺乏對該發現的進一步研究和佐證[11]

晶型 晶系 晶胞參數 Z 空間群
I型 四方晶系 a=b=0.938nm c=0.671nm 2 P421c
II型 斜方晶系 a=1.329nm b=1.349nm c=0.683nm 4 Pcnb
III型 斜方晶系 a=0.8520nm b=0.8824nm c=0.6617nm 2 P21212
參考文獻:[11][12]

太安熱安定性能優良,在75°C及以下環境中幾乎不發生分解且不會爆炸,當環境溫度高於熔點時,太安熱分解加快並放出氮氧化物,至約175°C時晶體冒出黃煙,當溫度超過205°C後,太安會在某一時刻爆炸[3][13]

太安幾乎不會吸濕和揮發,在中的溶解度也極低,此外,它在乙醇乙醚等物質中溶解度也較低,但在丙酮乙酸乙酯二甲基甲酰胺中溶解度較高。太安還可溶解於芳香族硝基化合物硝酸酯的溶液或熔融物中,進而生成熔點較低的共熔物[3]

化學性質及反應

太安具有良好的化學安定性,與黃銅鎂鋁合金等常用金屬材料均不會發生明顯反應[3],與除三氧化鉬外的其他金屬氧化物接觸也無明顯變化[14][註 2],但其在條件下會迅速發生轉化,此處以稀硫酸氫氧化鈉溶液為例:[8]

此外,太安與TNT或其他物質混合時會在低溫下分解,強烈的紫外光照射也會對其晶體造成類似影響[8]

製備工藝

太安的製備工藝簡單,僅需使用濃硝酸直接硝化季戊四醇即可製得產品,其主要反應方程式為:[3]

太安撞擊感度隨着粒度減小而逐漸降低,摩擦感度則隨着粒度減小而先降低後上升,拐點出現在粒徑為1至10微米處[15]。太安經超細化處理後[註 3],其安全性能和顆粒均勻度均會有所提升,常用方法包括重結晶法和機械粉碎法。兩種方法均不會改變晶型,前者可以大幅降低摩擦感度但會導致撞擊感度上升,後者則可以同時降低其摩擦感度和撞擊感度,但降幅不如前者明顯。然而與此同時,太安超細化處理也會導致其活化能降低,爆炸臨界溫度和熱穩定性明顯下降[16]

太安對水生生物具有一定危害,生產過程中含有太安的廢水可通過裝有顆粒的淨化柱去除,期間太安的硝基逐漸脫去形成亞硝酸鹽,隨後其又被鐵還原為,最終太安可幾乎完全轉化為季戊四醇和銨[17],此外,土壤中的某些反硝化細菌英語denitrifying bacteria也可完成相似轉化過程以去除太安[18]

爆炸性能

太安爆炸的理論方程式為:[7]

氧平衡為-10.1%,屬負氧平衡炸藥[1][註 4]太安爆熱6.3MJ/kg,爆容758L/kg,單晶狀態下爆溫4200K,在1.76g/cm3的壓藥密度下爆壓可達34GPa。其爆速與壓藥密度正相關:1.45g/cm3時為7300m/s,1.67g/cm3時為8000m/s,1.7g/cm3時為8300m/s,1.74g/cm3時則可達到8500m/s[3]

太安機械感度較高,一般狀態下其撞擊感度約為3J[註 5]摩擦感度約為60N[註 6][4]。此外,太安的電火花起爆能量約為數毫焦耳至數十毫焦耳[19]激光起爆輻射通量閾值則與其密度、環境溫度、激光參數等相關,數值變化較大[20][21]

醫療用途

太安的硝酸酯基在生物體內會被分解為羥基和氮氧化物,其中的一氧化氮會在一定程度上鬆弛血管,因此,太安具有血管擴張劑的功效。相較於硝酸甘油單硝酸異山梨酯硝酸異山梨酯等其他硝酸酯類血管擴張劑,太安除基本功能外還具有減少血管氧化應激的能力,有助於體內相關還原保持活性以提高藥物利用率[22]。但實際用藥時,由於活性差異,太安實際給藥量約為硝酸甘油的80倍[23]。此外,根據部分前瞻性研究,太安還可以在子宮胎盤灌注存在缺陷的妊娠中期顯著改善該病症[24]

註釋

  1. ^ 該代號為季戊四醇四硝酸酯英語(Pentaerythrite tetranitrate)的縮寫。
  2. ^ 相關實驗材料包括二氧化錳氧化銅三氧化鎢三氧化二鉍二氧化錫三氧化二鐵[14]
  3. ^ 粒徑約為1至20微米[16]
  4. ^ 即炸藥分子中元素無法完全氧化其他元素,在太安中表現為未被全部氧化為二氧化碳,有部分生成一氧化碳
  5. ^ 即在最少3J能量撞擊下,太安即會爆炸,該數據會因儀器和測量方式差異有所偏差。
  6. ^ 即在最少60N摩擦力作用下,太安即會爆炸,該數據會因儀器和測量方式差異有所偏差。

參考文獻

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  2. ^ 2.0 2.1 CID 6518 PubChem的連結
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  4. ^ 4.0 4.1 Koch 2021,第531-532頁.
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