Nitroguanidin

Strukturformel
	Strukturformel von Nitroguanidin
Allgemeines
Name	Nitroguanidin
Andere Namen	NGu; NQ; Picrit; Guanite; NiGu;
Summenformel	CH4N4O2
Kurzbeschreibung	farbloser, kristalliner Feststoff<ref name="GESTIS" />
Externe Identifikatoren/Datenbanken
EG-Nummer	209-143-5
ECHA-InfoCard	100.008.313
PubChem	11174
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Eigenschaften
Molare Masse	104,06 g·mol−1
Aggregatzustand	fest<ref name="GESTIS" />
Dichte	1,77 g·cm−3<ref name="IHE" />
Schmelzpunkt	239 °C (Zersetzung)<ref name="sigma">Datenblatt Vorlage:Linktext-Check bei Sigma-AldrichVorlage:Abrufdatum (PDF).</ref>
Dampfdruck	1,63·10−12 Torr (25 °C)<ref name="Östmark">Östmark, H.; Wallin, S.; Ang, H.G.: Vapor Pressure of Explosives: A Critical Review in Propellants Explos. Pyrotech. 37 (2012) 12–23, doi:10.1002/prep.201100083.</ref>
Löslichkeit	3,45 g/kg Wasser bei 25 °C, 42,5 g/kg bei 80 °C<ref name="Sprengstoffe Treibmittel Pyrotechnika">E.-C. Koch: Sprengstoffe, Treibmittel, Pyrotechnika. 2., vollständig überarbeitete Auflage. de Gruyter, Berlin, 2019, ISBN 978-3-11-055784-8.</ref>; 1,2 g/kg in Alkohol bei 20 °C<ref name="Sprengstoffe Treibmittel Pyrotechnika" />;
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung<ref name="GESTIS">Eintrag zu Vorlage:Linktext-Check in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFAVorlage:Abrufdatum (JavaScript erforderlich)</ref> Gefahr	Gefahrensymbol
	Gefahrensymbol
H- und P-Sätze	H: 201
	P: 210‐280‐402+404‐501<ref name="GESTIS" />
Thermodynamische Eigenschaften
ΔHf0	−98,74 kJ·mol−1<ref name="Sprengstoffe Treibmittel Pyrotechnika" />
	Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa).

Nitroguanidin (abgekürzt auch NiGu oder NQ) ist eine energiereiche, chemische Verbindung aus der Gruppe der Nitroimine, die als Komponente von Treibladungspulvern und Sicherheits-Sprengstoffen Bedeutung besitzt.

Nitroguanidin ist ein extrem unempfindlicher Sprengstoff, der trotz niedriger Detonationsenergie bei einer Dichte von 1,742 g/cm³ eine hohe Detonationsgeschwindigkeit (8344 m/s) und einen hohen Detonationsdruck von 29 GPa erreicht, was an die Leistungsdaten von Hexogen heranreicht<ref name="IHE2">Ernst-Christian Koch: Insensitive high explosives: IV. Nitroguanidine – Initiation & detonation. In: Defence Technology. Band 15, Nr. 4, August 2019, S. 467–487, doi:10.1016/j.dt.2019.05.009. </ref>.

Gewinnung und Darstellung

Nitroguanidin entsteht bei der Einwirkung von kalter konzentrierter Schwefelsäure auf Guanidiniumnitrat. Es kann auch durch die Umsetzung von Dicyandiamid mit Ammoniumnitrat bzw. auch durch die Reaktion von Harnstoff mit Ammoniumnitrat hergestellt werden.<ref name="IHE">Ernst-Christian Koch: Insensitive High Explosives: III. Nitroguanidine – Synthesis – Structure – Spectroscopy – Sensitiveness. In: Propellants, Explosives, Pyrotechnics. Band 44, Nr. 3, März 2019, S. 267–292, doi:10.1002/prep.201800253. </ref>

Eigenschaften

Nitroguanidin bildet farblose, orthorhombische, nadelförmige Kristalle aus. Seine röntgenographisch bestimmte Dichte beträgt 1,77 g/cm³, sein Schmelzpunkt liegt bei 239 °C (Subl., Zers.). Nitroguanidin ist nicht hygroskopisch. Es ist schwer löslich in kaltem Wasser, Methanol und Ethanol, löslich in heißem Wasser (langsame Hydrolyse), Säuren und Basen (Zersetzung).<ref name="IHE" /> Es bildet Additionsverbindungen mit Ketonen und Alkoholen.

Nitroguanidin bildet die zwei Kristallhabitus α-Nitroguanidin und β-Nitroguanidin, die diffraktometrisch identisch sind.<ref name="IHE" /> Beide Formen werden durch Umkristallisation aus Wasser, Eisessig oder Ammoniak nicht verändert. Wird β-Nitroguanidin in 96%iger Schwefelsäure gelöst und die Lösung in Wasser eingetragen, so scheidet sich α-Nitroguanidin ab.

Die thermische Zersetzung der Verbindung wird bei Temperaturen oberhalb von 150 °C relevant.<ref name="Cheng">Yanchun Li, Yi Cheng: Investigation on the thermal stability of nitroguanidine by TG/DSC-MS-FTIR and multivariate non-linear regression. In: J. Therm. Anal. Calorim. 100, 2010, S. 949–953 (doi:10.1007/s10973-009-0666-3).</ref> Als Zersetzungsprodukte werden Distickstoffmonoxid, Ammoniak, Stickstoffdioxid, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid beobachtet.<ref name="Cheng" />

Explosionskenngrößen

Nitroguanidin ist sehr unempfindlich und detoniert nur nach Initiierung mit einem Zündverstärker. Wichtige Explosionskennzahlen sind:

Explosionswärme 3062 kJ·kg⁻¹<ref name="Sprengstoffe Treibmittel Pyrotechnika" /> entsprechend einer Temperatur von 2800 K oder 2811 K bei Maximaldichte.<ref name="Doherty">R. Doherty, R. L. Simpson: Comparative Evaluation of several insensitive high explosives, 28th International Annual ICT Conference, June 1997, Karlsruhe, Germany. V-32.</ref>

Detonationsgeschwindigkeit: 8546 m·s⁻¹ bei der Maximaldichte<ref name="Sprengstoffe Treibmittel Pyrotechnika" />
Normalgasvolumen: 1075 l·kg⁻¹.<ref name="Explosivstoffe">J. Köhler, R. Meyer, A. Homburg: Explosivstoffe. 10., vollständig überarbeitete Auflage. Wiley-VCH, Weinheim 2008, ISBN 978-3-527-32009-7.</ref>
Spezifische Energie: 932 kJ·kg⁻¹<ref name="Explosivstoffe" />
Detonationsdruck: 29 GPa<ref name="IHE2" />
Bleiblockausbauchung: 305 cm³/10 g<ref name="Explosivstoffe" />
Schlagempfindlichkeit bis 50 N·m keine Reaktion<ref name="IHE" />
Reibempfindlichkeit bis 353 N Stiftbelastung keine Reaktion<ref name="IHE" />
Kritischer Durchmesser bei einer Dichte von 1,52 g/cm³ < 14 mm<ref name="Sprengstoffe Treibmittel Pyrotechnika" />
Stahlhülsentest bei einem Grenzdurchmesser 1 mm keine Entzündung.<ref name="IHE" />

Die Detonationsgeschwindigkeit, v_D, des Nitroguanidins steigt, wie bei allen Sprengstoffen, mit dessen Dichte an. v_D folgt im Bereich von 0,3 bis 1,78 g·cm⁻³ folgendem Gesetz: v_D = 1,44 + 4,015·Dichte [mm·µs⁻¹]<ref name="Gibbs">Terry R. Gibbs, Alphonse Popolato: LASL explosive property data. University of California Press, 1984, ISBN 0-520-04012-0, S. 52–60 (eingeschränkte Vorschau in der Google-BuchsucheSkriptfehler: Ein solches Modul „Vorlage:GoogleBook“ ist nicht vorhanden.). </ref> (siehe auch nachfolgende Grafik)

Datei:Nitroguanidine detonation velocity DE.svg

Detonationsgeschwindigkeit von Nitroguanidin in Abhängigkeit von der Dichte<ref name="Gibbs" />

Nitroguanidin gehört zu den starken, aber schwer detonierenden Explosivstoffen. Dadurch erklärt sich die starke Abhängigkeit der Detonationsgeschwindigkeit vom Durchmesser. Eine Ladung mit einer Dichte von 0,95 g/cm³ hat in einem Rohr von 20 mm Innendurchmesser eine Detonationsgeschwindigkeit von 4340 m/s.

Verwendung

Nitroguanidin wird in gaserzeugenden pyrotechnischen Sätzen für Airbags und in sogenannten „kalten“ dreibasigen Treibladungspulvern verwendet, welche die Läufe schonen und weniger Mündungsfeuer geben. NiGu wird als extrem unempfindlicher aber leistungsfähiger Explosivstoff in Sprengstoffen wie z. B. AFX-760, IMX-101 und AlIMX-101 verwendet.<ref name="IHE2" />

Nitroguanidin kommt als feinnadeliges LBDNQ (low bulk density nitroguanidine) sowie als körniges HBDNQ (high bulk density NQ) und sehr selten als kugeliges SHBDNQ (spherical high bulk density NQ) in den Handel.

Nitroguanidin ist ein Baustein für Insektizide aus der am schnellsten wachsenden Stoffklasse der Neonicotinoide, deren wichtigste Vertreter Imidacloprid (Bayer Crop Science), Clothianidin (Takeda, Bayer Crop Science), Thiamethoxam (Syngenta) und Dinotefuran (Mitsui Chemicals) sind.<ref>P. Maienfisch: Synthesis and Properties of Thiamethoxam and Related Compounds. In: Zeitschrift für Naturforschung B. 61, 2006, S. 353–359 (PDF, freier Volltext).</ref>

Struktur

In vielen Quellen wird für Nitroguanidin eine falsche Strukturformel angegeben, wonach NQ ein Nitramin wäre.<ref>J. Köhler, R. Meyer, A. Homburg, Explosivstoffe. 10. Auflage. Wiley-VCH, Weinheim, 2008, S. 216–217.</ref> Allerdings steht durch Neutronenbeugung<ref>C. S. Choi: Refinement of 2-Nitroguanidine by Neutron Powder Diffraction. In: Acta Cryst. B. 37, 1981, S. 1955–1957. doi:10.1107/S0567740881007735.</ref> und ¹H- sowie ¹⁵N-NMR Experimente<ref>S. Bulusu, R. L. Dudley, J. R. Autera: Structure of Nitroguanidine: Nitroamine or Nitroimine? New NMR Evidence from ¹⁵N-Labeled Sample and ¹⁵N Spin Coupling Constants. In: Magnetic Resonance in Chemistry. 25, 1987, S. 234–238. doi:10.1002/mrc.1260250311.</ref> eindeutig fest, dass Nitroguanidin ein Nitroimin ist.

Einzelnachweise