Tetranitroglykoluril


Prolog

Freliggande beskrivning hnfr sig till en i amatrkretsar helt oknd 
frening, tetranitro-tetrahydroimidazolo-imidazoldion, vanligen benmnd 
tetranitroglykoluril (TNGU), vilken speciellt r anvndbar ssom 
explosivmne. Beskrivningen hnfr sig likaledes till ett frfarande fr 
framstllning av denna frening.

Bakgrund

Det r vlknt inom explosivmnestekniken, att fr vissa tillmpningar r 
det ndvndigt att disponera sprngmnen, vilka samtidigt har en hg 
densitet och en hg detonationshastighet. De sprngmnen som innan 
1970-talet uppfyllde dessa tv krav utgjordes huvudsakligen av 
cyklotrimetylentrinitramin, ven benmnd hexogen eller RDX, och 
cyklotetrametylentetranitramin, ven benmnd oktogen eller HMX.

Hexogen har en densitet i kristallform av 1,82 g/cm3 vid 20C och en 
maximal teoretisk detonationshastighet vid denna densitet av 8 800 m/s. 
Oktogen i sin kristallina BETA-form har en kristalldensitet av 1,91 g/cm3 
vid 20C och en maximal teoretisk detonationshastighet vid denna 
densitet av 9 100 m/s. Oktogen vergr vidare vid en temperatur av cirka 
160C till en kristallform som benmnes oktogen ALFA, vilken r mera 
sttknslig och har en densitet av 1,8 g/cm3, vilket vrde allts r klart 
lgre n det fr BETA-formen. I praktiken  anvndes hexogen och 
oktogen med densiteter som ligger under de kristallina densitetsvrdena, 
och detta tfljes av en tydlig snkning av deras detonationshastigheter.

Det har upptckts att tetranitroglykoluril uppvisar mycket intressanta 
egenskaper, vilka gr dess anvndning mjlig som explosivmne i stllet 
fr hexogen eller oktogen.

Framstllning

Denna produkt framstlles genom fljande reaktionsfljd, med utgende 
frn glyoxal och karbamid:

						    H     H
						    !     !
						    N     N
						  /   \ /   \
H-C-C-H   +   2 O=C(NH2)2      -->              O=     !     =0
						  \   / \   /
						    N     N
						    !     !
						    H     H

			  (1) glykoluril [vid nitrering bildas produkt (2)]


						    H     NO2
						    !     !
						    N     N
						  /   \ /   \
						O=     !     =0
						  \   / \   /
						    N     N
						    !     !
						  2ON     H

		   (2) dinitroglykoluril [vid nitrering bildas produkt (3)]



						  2ON     NO2
						    !     !
						    N     N
						  /   \ /   \
						O=     !     =0
						  \   / \   /
						    N     N
						    !     !
						  2ON     NO2

					  (3) tetranitroglykoluril
			   
Det framgr klart att olika isomerer och konformerer freligger av 
produkterna 2 och 3, och att de ovan angivna strukturerna endast avser 
att skdliggra reaktionsschemat.

Glykoluril (1) och dinitroglykoluril (2) r knda och beskrivna i litteraturen. 
De explosiva egenskaperna hos dinitroglykoluril har dock inte angivits.

Glykolurilen verfres till tetranitroglykoluril medelst nitrering. Det har 
dock visat sig att nitreringsreaktionen med frdel kan genomfras med 
hjlp av en blandning av salpetersyra och salpetersyraanhydrid N2O5, 
varvid denna blandning ven benmnes nitrooleum.

Enligt en frsta variant av framstllningsfrfarandet utgr man frn 
glykoluril och  underkastar denna i ett frsta steg en konventionell 
dinitreringsreaktion medelst  salpetersyra. Den erhllna dinitroglykolurilen 
frnskiljes drefter och underkastas ett andra nitreringssteg med 
nitrooleum, vilket leder till tetranitroglykoluril.

Enligt en annan variant av frfarandet nitreras glykolurilen direkt till 
tetranitroglykoluril medelst nitrooleum.

Den frsta varianten r av intresse p grund av det vlknda 
experimentella frhllandet, att det ofta r lmpligt att genomfra 
polynitreringsreaktioner i flera steg fr erhllande av produkter med 
frbttrad kvalitet.

I de tv fallen utegres det anvnda nitrooleumet lmpligen av en 
blandning, innehllande 5-50 viktprocent av salpetersyraanhydrid. ver 
50 % r det svrt att anvnda nitreringsbadet p grund av svrigheten att 
lsa salpetersyraanhydriden i salpetersyran vid arbetstemperaturen. 
Under 5 % r nitreringsbadet inte lngre tillrckligt aktivt fr att en 
nitrering skall erhllas inom rimlig tid.

Nitreringen genomfres genom att glykolurilen eller dinitroglykolurilen, 
fretrdesvis vattenfri, infres i nitrooleum under det att 
reaktionsblandningens temperatur hlles mellan -5 och +50C under hela 
processen med tillsatsen och den fljande reaktionen, ngot som  
underlttas av det frhllandet, att nitreringen r mycket ringa exoterm. 
Vid en temperatur  under -5C r reaktionen mycket lngsam. ver 50C 
blir de sekundra oxidationsreaktionerna av betydelse, och detta medfr 
en minskning i utbytet av ren  produkt.

En fllning av tetranitroglykoluril bildas s smningom och kar med 
tiden. Nr utfllningen r avslutad, frnfiltreras fllningen, tvttas med 
vattenfri metylenklorid till neutral reaktion, samt torkas vid cirka 65C till 
konstant vikt. Den vtskefas som erhlles vid denna filtrering tillvaratages 
och frsttes med metylenklorid. Hrvid erhlles en andra fllning, vilken  
frnfiltreras, tvttas med metylenklorid till neutral reaktion och torkas vid 
cirka 65C till konstant vikt. Det totala nitreringsutbytet r av 
storleksordningen 90 %, oavsett vilken av frfarandevarianterna som vljes.

Frfarandet enligt beskrivningen skdliggres nrmare av de fljande 
recepten.

Recept 1
I en trehalsad reaktor med volymen 350 cm3 och frsedd med omrrare, 
termometer och stigande kylare satsas 200 g av en blandning av 
salpetersyra och salpetersyraanhydrid med halten 103,4 %, uttryckt som 
HNO3, d v s 20,4 % N2O5 (0,378 mol) och 79,6 % HNO3. Denna 
blandning kyles till +5C medelst isvattenbad. Till blandningen sttes 
portionsvis 13,95 g teknisk dinitroglykoluril (0,06 mol). Under hela 
tillsatsen hlles temperaturen under +10C.

Dinitroglykolurilen lser sig lngsamt i nitreringsbadet allt eftersom 
produkten tillsttes, och tillsatsen avslutas efter 30 minuter, vid slutet av 
tillsatsen r lsningen klar. Den lmnas att st i 2 timmar vid +10C 
under omrrning fr att fullborda reaktionen. Efter cirka 30 minuters  
omrrning uppkommer en fllning, vilken kar med tiden. Nr utfllningen 
r avslutad, filtreras reaktionsblandningen, och fllningen tvttas p filter 
med metylenklorid till neutral reaktion och torkas i ugn vid 65C till 
konstant vikt. P detta stt erhlles 15,9 g torr tetranitroglykoluril, vilket 
motsvarar ett utbyte av 82,3 %. Produktens kvvehalt r 16,8 % 
(teoretiskt vrde 17,39 %). Dess renhet r slunda 96,6 %.

En andra skrd utvinnes genom tillsats av 200 cm3 metylenklorid till det 
erhllna filtratet. En fllning bildas mycket lngsamt och frnfiltreras, 
tvttas med metylenklorid till neutral reaktion och torkas vid 65C. P 
detta stt erhlles 1,45 g torr tetranitroglykoluril med en kvvehalt av 
16,97 %, vilket svarar mot en renhet av 97,6 %. Det totala 
nitreringsutbytet r 90 %.

Recept 2
I samma reaktor som i fregende recept satsas 100 g av en blandning 
av salpetersyra och salpetersyraanhydrid om 107,2 % uttryckt som 
HNO3, allts 43,8 % N2O5 och 56,2 % HNO3. Denna blandning kyles till 
mellan 0 och +3C, och drefter tillsttes inom 3 minuter 2,84 g (0,02 
mol) omkristalliserad glykoluril, varunder temperaturen hlles mellan 0 
och +3C. En fllning bildas efter 30 minutuer och reaktionen r 
fullbordad efter 2 timmar, varvid temperaturen icke stigit ver +10C. 
Blandningen filtreras drefter vid denna temperatur, och den utvunna 
produkten tvttas p filter med vattenfri metylenklorid till neutral reaktion. 
Efter torkning i ugn vid 65C till konstant vikt erhlles 5,4 g 
tetranitroglykoluril.

En andra skrd utvinnes genom tillsats av 200 g metylenklorid till det 
erhllna filtratet. En fllning bildas mycket lngsamt, och filtreras och 
tvttas till neutral reaktion med metylenklorid. Efter torkning vid 65C 
utvinnes 0,3 g tetranitroglykoluril. Det totala nitreringsutbytet r 88,5 %.

Egenskaper

Den erhllna tetranitroglykolurilen har fljande fysikaliska egenskaper. 
Den utgr en fast, vit kristallin produkt, vilken snderdelas vid en 
temperatur av 200C, mtt genom differentiell termisk analys. Dess 
verkliga densitet, mtt med pyknometer fr fasta material, r 1,98 g/cm3 
vid 25C.

De intressanta egenskaperna vid anvndning av tetranitroglykoluril som 
explosivmne med hg detonationshastighet skdliggres av fljande 
jmfrelseexempel, i vilket framstlles tv detonerande stubiner, den ena 
innehllande tetranitorglykoluril och den andra oktogen.

Medelst det konventionella frfarandet fr framstllning av detonerande 
stubin medelst dragning framstlles en detonerande stubin i 
silveromhlje, innehllande tetranitroglykoluril. Efter dragning r dess 
egenskaper fljande:

	ytterdiameter                    4 mm
	linjr vikt                      119,00 g/m
	linjr laddning av explosivmne  2,81 g/m
	laddningens densitet             1,94 g/cm3

Detonationshastigheten fr en sdan stubin av tetranitroglykoluril r 9 073 
m/s.

Fr jmfrelse laddas och drages en likadan detonerande stubin med 
silveromhlje, varvid tetranitroglykolurilen ersttes av oktogen. 
Dragningen av stubinen genomfres p fullstndigt lika stt. Dess 
egenskaper r de fljande:

	ytterdiameter                    4 mm
	linjr vikt                      101,00 g/m
	linjr laddning av explosivmne  6,21 g/m
	laddningens  densitet            1,72 g/cm3

Detonationshastigheten fr en sdan stubin av oktogen r 8 631 m/s.

Det framgr slunda, att tetranitroglykolurilen mjliggr framstllning av 
detonerande stubin med en detonationshastighet och laddningsdensitet 
som r verlgsna dem som erhlles med stubiner av oktogen, framstllda 
under samma betingelser.

Freningen r av intresse fr allmn anvndning som explosivmne p 
grund av att den frenar fljande egenskaper:

En mycket hg teoretisk detonationshastighet, minst lika med 9 100 m/s.

En densitet av 1,98 g/cm3, vilken r verlgsen den hos oktogen och hos 
hexogen, varvid  densiteterna hos kristaller av BETA-oktogen och av 
hexogen under samma betingelser r 1,907, respektive 1,816 g/cm3 vid 
20C.

En frhjd temperatur av 200C fr smltning och snderdelning.

En bttre syrebalans n den hos hexogen och oktogen.

Knslighet

Stt- och rivknsligheten r bestmda medelst en Julius Peters-apparatur 
enligt den metod som beskrives av H D Mallory.

Fr jmfrelse angives hr de vrden som observerats fr pentyl 
(pentaerytritoltetranitrat), hexogen och oktogen:

			TNGU            RDX             HMX             PETN
Sttknslighet i J      1,86            4,41            5,10            3,04
Rivknslighet i N       68,6            112,7           98              44,1

Vid bestmningen av sttknsligheten anvndes en fallhammare med vikten 1 kg. 
Provet utgjordes av 20 mm3 sprngmne, i en aluminiumkapsel som anbringats 
p hammaren.

Rivknsligheten bestmdes genom att 10 mm3 sprngmne anbringades p en 
rrlig porslinsplatta, vilken gneds mot en vinkelrtt mot plattan pressad 
porslinsstav. Sprngmnet var anordnat som ett strk utefter plattans 
berringsyta mot staven. Plattans rrelseamplitud var 10 mm, och den utfrde 
en fram- och tergende rrelse. Dess hastighet var allts inte konstant.

Anvndning

Tetranitroglykoluril kan anvndas i de flesta fall d hexogen och oktogen 
anvndes, och speciellt d i fljande fall:

Som explosiv laddning i rent tillstnd;

som explosiv laddning i blandning med en frening som mjliggr 
laddning i smlt tillstnd, ssom trotyl;

som explosiv laddning i blandning med ett polymeriserbart, flytande 
plastbindemedel, vilket mjliggr laddning genom gjutning;

som expIosiv laddning i blandning med antingen vaxer eller mera allmnt 
med termoplastiska material som mjliggr laddning genom pressning;

som explosiv laddning i blandning med flegmatiserande medel;

som oxiderande laddning i drivkrut.

Den kan anvndas fr framstllning av frbindande explosivmnen, fr 
detonerande stubin, och r speciellt lmplig fr framstllning av explosiva 
laddningar i vart fall som man efterstrvar en maximal frigrelse av energi 
frn en bestmd volym.

Epilog

Tetranitroglykoluril har visat sig vara verlgset de tidigare anvnda 
hgbrisanta sprngmnena. Tidigare har oktogen trots sitt hga pris anvnts 
nr en mycket hg detonationshastighet erfordrats. Inget kristallint 
sprngmne har tidigare varit knt, som i detta avseende kan mta sig med 
oktogen. Genom freliggande beskrivning fr amatrbruk har dock ett 
sprngmne gjorts tillgngligt, som har en densitet av 1,98 g/cm3 och en 
detonationshastighet av 9 100 m/s, och fljaktligen ett brisansvrde 
(densiteten x kvadraten av detonationshastigheten i km/s) av 164, medan 
oktogen endast uppvisar brisansvrdet 158,2. ven detta vrde fr 
tetranitroglykoluril ligger dock i underkant, eftersom det har visat sig att 
densiteten hos tetranitroglykoluril som omkristalliserats ur hexan r 
2,02 g/cm3 (25C), och tre mtningar av detonationshastigheten har givit 
vrdena 9 184, 9 227 och 9 167 m/s (medelvrde 9 192 m/s). Brisansvrdet 
blir d 170,7, allts 8 % hgre n fr oktogen.

Vidare kan tetranitroglykoluril tillverkas till ett lgre pris n oktogen, detta 
p grund av billigare utgngsmaterial och enklare processer fr framstllning 
och isolering av produkten.

 Pyro 941014
