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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-(双硝酰氧基甲基)-1,3-丙二醇二硝酸酯
别名 季戊四醇四硝酸酯
戊四硝酯
PETN
太安；泰安；太恩；泰恩
膨梯尔（Pentyl）
识别
CAS号 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编号 0150, 0411, 3344
EINECS 204-500-1
性质
化学式 C5H8N4O12
摩尔质量 316.14 g·mol⁻¹
外观 白色结晶，工业生产允许呈浅灰色
密度 1.778g/cm3
熔点 141.3°C[1]
沸点 180°C（50mm汞柱压强）
205-215°C（爆炸）[2]
溶解性（水） 0.133mg/mL [2]
溶解性 略溶于乙醇、乙醚、苯
易溶于丙酮、二甲基甲酰胺、乙酸乙酯[3]
热力学[4]
ΔfHm⦵298K -462kJ·mol−1
ΔcHm⦵ -2648.9kJ·mol−1
Cp 790J·K-1·mol-1
爆炸性[1]
撞击感度 3J
摩擦感度 60N
爆速 8400m/s（1.7g/cm3）
危险性[6][7]
GHS危险性符号
《全球化学品统一分类和标签制度》（简称“GHS”）中爆炸性物质的标签图案
GHS提示词 Danger
H-术语 H200
P-术语 P201, P202, P372, P373, P380
致死量或浓度：
LD50（中位剂量）
 245.3mg/kg（大鼠，口服）[5]
相关物质
相关硝酸酯类炸药 硝酸甘油
硝酸纤维素
若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。

季戊四醇四硝酸酯（代号PETN[注 1]），也称戊四硝酯、太安、太恩、膨梯尔，是军事和民用领域较常使用的炸药之一，具有热安定性好、威力大的特性，常作为低爆速、低密度炸药敏化剂和直径较小传爆器件的装药使用[8]。季戊四醇四硝酸酯是典型的硝酸酯类炸药，但因其具有对称性较好的分子结构，它的热安定性明显优于硝酸甘油与其他硝酸酯类物质[3]。

为便于叙述，下文统一称季戊四醇四硝酸酯为太安。

历史

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1891年，德国哥廷根大学的伯恩哈德·托伦斯（英语：Bernhard Tollens）和皮特·韦根首次制备出季戊四醇，3年后，一家位于特罗斯多夫的工厂基于该物质成功研制出太安，此后的数十年间，太安都未得到大规模应用。第一次世界大战结束后，甲醛和乙醛制备成本下降，季戊四醇和太安才得以大规模生产使用[9]。第二次世界大战期间，将TNT和太安按一比一配比混合而成的喷特利特（英语：Pentolite）炸药广泛用于装填反坦克火箭弹、手榴弹、雷管等产品。二战后，随着黑索金的问世，具有更优良性能的B炸药逐渐在各领域取代了喷特利特，该混合炸药现已基本不再用于军事用途[10]。

物理性质

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纯的太安为粉末状白色结晶，某些情况下可能呈现浅灰色，熔点约为141°C，工业级产品熔点约为138至140°C。太安具有3种晶型：α型或I型属四方晶系，为常用的稳定晶型；β型或II型属斜方晶系，使用较少；130°C时，α型会转变为β型[3][8]。此外，少数文献还记录到高压环境下属斜方晶系的III型晶型，但缺乏对该发现的进一步研究和佐证[11]。

晶型 晶系 晶胞参数 Z 空间群
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
参考文献：[11][12]

太安热安定性能优良，在75°C及以下环境中几乎不发生分解且不会爆炸，当环境温度高于熔点时，太安热分解加快并放出氮氧化物，至约175°C时晶体冒出黄烟，当温度超过205°C后，太安会在某一时刻爆炸[3][13]。

太安几乎不会吸湿和挥发，在水中的溶解度也极低，此外，它在乙醇、乙醚、苯等物质中溶解度也较低，但在丙酮、乙酸乙酯、二甲基甲酰胺中溶解度较高。太安还可溶解于芳香族硝基化合物和硝酸酯的溶液或熔融物中，进而生成熔点较低的共熔物[3]。

化学性质及反应

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太安具有良好的化学安定性，与铜、黄铜、铝、镁、镁铝合金等常用金属材料均不会发生明显反应[3]，与除三氧化钼外的其他金属氧化物接触也无明显变化[14][注 2]，但其在酸、碱条件下会迅速发生转化，此处以稀硫酸与氢氧化钠溶液为例：[8]

此外，太安与TNT或其他物质混合时会在低温下分解，强烈的紫外光照射也会对其晶体造成类似影响[8]。

制备工艺

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太安的制备工艺简单，仅需使用浓硝酸直接硝化季戊四醇即可制得产品，其主要反应方程式为：[3]

太安撞击感度随着粒度减小而逐渐降低，摩擦感度则随着粒度减小而先降低后上升，拐点出现在粒径为1至10微米处[15]。太安经超细化处理后[注 3]，其安全性能和颗粒均匀度均会有所提升，常用方法包括重结晶法和机械粉碎法。两种方法均不会改变晶型，前者可以大幅降低摩擦感度但会导致撞击感度上升，后者则可以同时降低其摩擦感度和撞击感度，但降幅不如前者明显。然而与此同时，太安超细化处理也会导致其活化能降低，爆炸临界温度和热稳定性明显下降[16]。

太安对水生生物具有一定危害，生产过程中含有太安的废水可通过装有颗粒铁的净化柱去除，期间太安的硝基逐渐脱去形成亚硝酸盐，随后其又被铁还原为铵，最终太安可几乎完全转化为季戊四醇和铵[17]，此外，土壤中的某些反硝化细菌（英语：denitrifying bacteria）也可完成相似转化过程以去除太安[18]。

爆炸性能

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太安爆炸的理论方程式为：[7]

其氧平衡为-10.1%，属负氧平衡炸药[1][注 4]太安爆热6.3MJ/kg，爆容758L/kg，单晶状态下爆温4200K，在1.76g/cm3的压药密度下爆压可达34GPa。其爆速与压药密度正相关：1.45g/cm3时为7300m/s，1.67g/cm3时为8000m/s，1.7g/cm3时为8300m/s，1.74g/cm3时则可达到8500m/s[3]。

太安机械感度较高，一般状态下其撞击感度约为3J[注 5]，摩擦感度约为60N[注 6][4]。此外，太安的电火花起爆能量约为数毫焦耳至数十毫焦耳[19]，激光起爆辐射通量阈值则与其密度、环境温度、激光参数等相关，数值变化较大[20][21]。

医疗用途

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太安的硝酸酯基在生物体内会被分解为羟基和氮氧化物，其中的一氧化氮会在一定程度上松弛血管，因此，太安具有血管扩张剂的功效。相较于硝酸甘油、单硝酸异山梨酯、硝酸异山梨酯等其他硝酸酯类血管扩张剂，太安除基本功能外还具有减少血管氧化应激的能力，有助于体内相关还原酶保持活性以提高药物利用率[22]。但实际用药时，由于酶活性差异，太安实际给药量约为硝酸甘油的80倍[23]。此外，根据部分前瞻性研究，太安还可以在子宫胎盘灌注存在缺陷的妊娠中期显著改善该病症[24]。

注释

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  1. ^ 该代号为季戊四醇四硝酸酯英语（Pentaerythrite tetranitrate）的缩写。
  2. ^ 相关实验材料包括二氧化锰、氧化铜、三氧化钨、三氧化二铋、二氧化锡和三氧化二铁[14]。
  3. ^ 粒径约为1至20微米[16]。
  4. ^ 即炸药分子中氧元素无法完全氧化其他元素，在太安中表现为碳未被全部氧化为二氧化碳，有部分生成一氧化碳。
  5. ^ 即在最少3J能量撞击下，太安即会爆炸，该数据会因仪器和测量方式差异有所偏差。
  6. ^ 即在最少60N摩擦力作用下，太安即会爆炸，该数据会因仪器和测量方式差异有所偏差。

参考文献

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Meyer, Köhler & Homburg 2015，第251-253页.
  2. ^ 2.0 2.1 CID 6518 PubChem的链接
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 韦爱勇 2014，第31-33页.
  4. ^ 4.0 4.1 Koch 2021，第531-532页.
  5. ^ 张香莉; 刘亚杰; 杨雪萍; 武海明; 张延巍. 太安对大鼠血常规和肝功能的影响. 中国工业医学杂志. 2003, (01): 35–36. ISSN 1002-221X. CNKI SOLE200301021 （中文（简体））. 
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参考书籍

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  • Meyer, Rudolf; Köhler, Josef; Homburg, Axel. Explosives 7th, completely revised and updated Edition. Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. 2015. ISBN 978-3-527-33776-7 （英语）. 
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