六元氮杂芳环构建方法及含能材料合成研究

综述了吡啶,哒嗪、嘧啶、吡嗪环、三嗪以及四嗪等六元氮杂芳环骨架构建方法,探讨了相应的六元氮杂芳环环化反应机理,概述了典型含能材料的物化与爆轰性能;重点从合成角度总结了缩合反应与环加成反应在构建六元氮杂芳环结构中的应用,讨论了在相应氮原子中心位点实现氮氧化或氮氨化反应的方式。其中,六元氮杂芳环氮氧化片段的引入主要包括两类途径:一是以氧化剂与氮杂芳环中氮原子中心发生反应,形成N-氧化物片段;另一类是利用环化反应,将相应的氮氧双键等结构转化为N-氧化物片段。附参考文献91篇。

2,6-二苦氨基-3,5-二硝基吡啶合成过程硝化反应安全风险分析

为了分析2,6-二苦氨基-3,5-二硝基吡啶(PYX)合成过程硝化反应的热危险性,以2,6-双(苦氨基)吡啶(PAP)为原料,经硝化反应制备得到了PYX,利用反应量热仪(RC1)测定了该硝化反应热数据,利用差示扫描量热仪和绝热量热仪分别对PAP、PYX和硝化液的热分解过程进行了测试,并计算了硝化液的分解反应动力学参数。结果表明,硝化反应的摩尔生成焓Δm H r为-686.8 kJ/mol,绝热温升ΔT ad为76.8 K;硝化反应的最大累积度为48.7%,发生冷却失效时,体系所能达到的最高温度MTSR为86.6℃;DSC测得PAP和PYX的分解峰温分别为312.74℃和377.77℃;利用绝热加速度量热仪(ARC)测得绝热条件下,硝化液的T D24为221.3℃;综合反应量热数据和绝热量热数据得出,该硝化反应发生冷却失效后有可能引起冲料,但触发其二次分解反应风险较低。因此,需设置加料、搅拌与温度的联锁和蒸发冷却装置。

4,8-二(2,4,6-三硝基-3,5-二氨基苯基)双呋咱并吡嗪的合成与性能

为探索兼具良好耐热性能和安全性能的新型含能材料,以1-氯-2,4,6-三硝基-3,5-二氨基苯和4H,8H-双呋咱并吡嗪为原料,经取代反应合成了4,8-二(2,4,6-三硝基-3,5-二氨基苯基)双呋咱并吡嗪(NADFP)。采用核磁共振(氢谱、碳谱)、红外光谱、元素分析等测试方法对化合物结构进行了表征。通过溶剂挥发法培养获得NADFP与N,N’-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂合物的单晶NADFP·DMF,利用X-射线单晶衍射法进行解析。结果表明,NADFP·DMF属单斜晶系,P21/c空间群,a=7.854(3)?,b=18.466(6)A,c=11.093(3)A,ρ=1.640 g·cm^(-3)。使用Hirshfeld表面分析法计算了分子内/分子间作用力,显示氢键占比高达53.5%。采用差示扫描量热法(DSC)和热失重法(TG/DTG)研究了NADFP的热分解性能,结果显示热分解峰温为337.2℃和368.8℃。研究了NADFP的理论爆轰性能和机械感度,密度为1.81 g·cm^(-3),固相生成热827.1 kJ·mol^(-1),理论爆速7968 m·s^(-1),理论爆压27.5 GPa,撞击感度大于40 J,摩擦感度大于360 N。其综合性能显著优于常用耐热炸药六硝基茋。

3-叠氮基-1,3-二硝基氮杂环丁烷的合成工艺改进及性能研究

3-叠氮基-1,3-二硝基氮杂环丁烷(AzDNAZ)是一种含偕叠氮硝基基团的低熔点含能化合物。AzDNAZ结构与性能研究对于新型含能化合物的设计合成具有重要的借鉴意义。采用1-叔丁基-3-硝基-3-羟甲基氮杂环丁烷盐酸盐(TNHAC)为原料,经氧化-叠氮化、中和以及硝化等反应制备了AzDNAZ,改进了合成工艺,总收率达到70%(文献中收率为37%)。采用红外光谱、1H NMR、13 C NMR及元素分析等对中间体及目标化合物进行了结构表征。首次培养出了AzDNAZ的单晶。晶体结构属三斜晶系;空间群为P-1,a=0.6120(6)nm,b=0.6345(6)nm,c=1.0190(9)nm,V=0.368(6)nm 3,Z=2,D c=1.695 g/cm 3,F(000)=192,R 1=0.0321,R 2=0.0372。采用Hirshfeld表面分析方法研究了晶体分子内的相互作用,O…H和N…H的作用点占比达到51%,占主导地位。对比计算了AzDNAZ和1,3,3-三硝基氮杂环丁烷(TNAZ)的键离解能,AzDNAZ的C—NO 2和N—NO 2键离解能分别较TNAZ高9.63 kJ/mol和4.87 kJ/mol;实测AzDNAZ的撞击感度大于40 J。采用EXPLO5程序预估了AzDNAZ的爆轰性能:爆速为8421 m/s;爆压为29.60 GPa。与TNAZ相比,AzDNAZ的能量性能略低。但是,丰富的分子间氢键作用以及较高的键离解能使得AzDNAZ的机械感度较低,安全性提升。

氧化呋咱合成策略、反应机理及其在含能材料研发中的应用

氧化呋咱是蕴含“潜硝基”片段的富氮芳环结构,其骨架致密性与突出的生成焓水平使其成为含能材料等领域的重要分子骨架。特殊的氮氧原子排布显著提升了氧化呋咱互变异构的倾向,而互变异构体的存在降低了氧化呋咱骨架的稳定性同时增加了其合成的难度。本文综述了基于不同策略的氧化呋咱的合成方法研究,以氧化呋咱骨架本身的制备反应机理为重点,分析比较了不同合成方法的优势与不足,并进一步总结了以氧化呋咱合成策略为基础的含能化合物研发进展。鉴于氧化呋咱本身的高致密性、高氧平衡、高生成焓特点,以氧化呋咱结构为基础的含能结构仍将是高能量密度材料研发的重点方向。

含能材料光化学与电化学合成新进展

光化学合成(photochemical Synthesis)与电化学合成(Electrochemical Synthesis)是有机合成化学中的重要方法,经常用于实现一些传统合成方法难以完成或效率过低的反应转化。在含能材料研究中,由于底物溶解性、反应选择性等的局限,光化学与电化学导向的合成方法长期以来未能获得足够的重视。近期,伴随含能材料绿色合成理念的不断发展以及光化学与电化学合成方法学研究的不断深入,以氧化偶联反应为代表的光化学与电化学方法在含能材料合成方法研究中取得重要突破,成为含能材料合成领域的一个新热点,也为其他类型光化学与电化学方法在含能材料中的应用奠定了良好的基础。

2-硝亚胺基-5-硝基-六氢化-1,3,5-三嗪与推进剂常用组分相容性研究

采用差示扫描量热法研究了2-硝亚胺基-5-硝基-六氢化-1, 3, 5-三嗪(NNHT)与固体推进剂和发射药中常用组分硝基胍(NQ)、黑索今(RDX)、奥克托今(HMX)、六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)、1, 1-二氨基-2, 2-二硝基乙烯(FOX-7)、3, 4-二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)以及吸收药硝化棉(NC)+硝化甘油(NG)、NC+1, 5-二叠氮基-3-硝基-3-氮杂戊烷(DIANP)、2号中定剂(二甲基二苯脲)的相容性。结果表明,NNHT与HMX、CL-20、FOX-7的相容性好,与RDX轻微敏感,与NQ和DNTF敏感,与吸收药NC+NG敏感,与吸收药NC+DIANP相容,与2号中定剂轻微敏感。

高温耐热含能材料双1,2,4-三唑并[1,5-b;5′,1′- f ]-1,2,4,5-四嗪-2,7-二胺的合成与性能研究

以3,6-双(3,5-二甲基吡唑基)-1,2,4,5-四嗪为起始原料,经取代、热解、环化等过程合成了一种超高温耐热含能材料双1,2,4-三唑并[1,5-b;5′,1′-f]-1,2,4,5-四嗪-2,7-二胺(DATC),并经红外光谱、核磁共振光谱、高分辨质谱以及元素分析等进行了结构表征;探讨了3,6-双(1-氢-1,2,3,4-四唑-5-氨基)-1,2,4,5-四嗪(BTATz)热解环化反应机理,开展了热解环化工艺优化研究,初步获得了最佳工艺参数;采用SEM表征了DATC形貌;采用DSC和TGA表征了DATC的热性能;基于密度泛函理论预估了DATC的物化性能与爆轰性能;采用落锤仪和BAM摩擦仪测试了DATC的撞击感度和摩擦感度。结果表明,DATC的理论密度为1.827g/cm^(3)、生成焓为+666.37kJ/mol、热分解峰温为477.9℃(DSC,10℃/min)、理论爆速为7.80km/s、理论爆压为27.3GPa,其撞击感度IS>100J、摩擦感度FS>360N,与RDX、HMX、CL-20、4,8-二(2,4,6-三硝基苯基)双呋咱并吡嗪(TNBP)和PYX等相容性良好。

Pd基双金属催化剂催化HBIW氢解脱苄反应

为了降低六苄基六氮杂异伍兹烷(HBIW)氢解脱苄反应中钯催化剂的用量,提出沉淀-还原法合成钯基双金属催化剂的方法。对不同载体负载的催化剂进行筛选和优化,研究不同载体、金属助剂、催化剂中钯的质量分数、催化剂与原料HBIW的质量比对产物收率的影响。结果表明,在0.5 g HBIW、0.4 MPa H2、15℃反应8 h,随后升温至45℃,继续反应24 h的条件下,以Pd质量分数为5%的催化剂(记为5%Pd-Ni/γ-Al_(2)O_(3))为最优催化剂、催化剂的质量为0.0375 g时,催化HBIW的氢解脱苄反应,产物获得85%收率,此时催化剂中钯与原料HBIW的质量比为0.375%。在声共振强化下进行氢解脱苄反应,在加速度为392 m·s^(-)2、0.5 g HBIW、0.4 MPa H2的条件下,反应时间缩短至100 min,产物仍保持了85%收率。

典型含能材料的球形化研究进展

含能材料的球形化可以显著提升炸药晶体的加工及应用性能。基于目前国内外对典型含能材料球形化技术的相关研究,从结晶策略角度综述了球形单晶体、球形聚结晶体以及球形分支晶体的研究进展。重点介绍了各球形产品的结晶工艺、球形化机理及降感效果。指出球形产品具有流动性好、堆密度高、感度低的特点,应用潜力巨大,建议结合晶体工程思维,建立各典型含能材料结晶基础数据库、强化在线过程监测、完善模型计算以及多学科交叉研究,为含能材料球形化结晶工艺精确调控和工业生产提供指导。

基于丙二腈的含能化合物的合成研究进展

丙二腈是一种重要的有机合成原料。介绍了丙二腈分子中亚甲基和氰基的反应特性。利用氰基的反应活性可以构建氮杂环母体骨架,可进一步赋予能量,设计并合成多种性能优异的含能化合物。丙二腈作为原料可以合成3,4-二(3’-硝基呋咱-4’-基)氧化呋咱(DNTF)和1,1’-二羟基-5,5’-联四唑二羟胺盐(HATO)等新型含能材料。系统综述了构建呋咱、四唑、异呋咱、偶氮桥联、醚桥联等含氮含能化合物的合成方法。同时,重点介绍了典型含能化合物的爆轰性能等物理化学性能。对基于丙二腈的含能化合物的合成思路和方法进行总结并提出建议,为未来设计、合成具有自主知识产权且性能优异的新型含能材料提供参考。

超声连续流合成2-甲基-4,6-嘧啶二酮

为探索超声强化化学反应的可行性,掌握强化工艺规律,选取FOX-7前体2-甲基-4,6-嘧啶二酮(MPO)的合成作为研究对象,设计了MPO连续流合成方法。以盐酸乙脒和丙二酸二乙酯为原料,经连续缩合、酸化合成得到MPO,并利用红外光谱(IR)、质谱(MS)及元素分析等进行了结构表征;探究了超声强化作用下缩合反应的关键影响因素及工艺规律。结果表明,最佳反应条件为停留时间9min,反应温度60℃,超声功率150W,原料摩尔比n(盐酸乙脒)∶n(丙二酸二乙酯)为1∶1.15,反应液浓度1.0mol/L(以盐酸乙脒计);得到MPO收率86.6%,纯度99.7%,反应时间由传统釜式工艺的7.5h缩短至9min,大大提高了反应效率,获得的产品粒径小于100μm,粒径均匀、分散性好,表明该超声反应器连续制备效率高,有大规模的应用前景。

3，6-双(1H-1，2,3，4-四唑-5-氨基)-1，2，4，5-四嗪的合成、表征及量子化学研究

以三氨基胍硝酸盐、戊二酮为起始原料,经缩合、氧化、取代等反应合成了3,6-双(1H-1,2,3,4-四唑-5-氨基)-1,2,4,5-四嗪(BTATz),并通过元素分析、红外、核磁、差示扫描量热法(DSC)等分析手段对其进行了表征.采用亚硝酸钠/乙酸代替了二氧化氮/N-甲基吡咯烷酮,改进了氧化步骤,降低了成本,简化了合成工艺.用B3LYP方法,在6-31G(d,p)基组水平上对其性能进行了计算,得到了其稳定的几何构型和键级;在振动分析的基础上求得体系的振动频率、IR谱及不同温度下的热力学性质,并得到了温度对热力学性能影响的关系式;探讨了其热解机理,推断出四唑环开环时的过渡态和活化能.

新型含能材料FOX-12性能研究

研究了N 脒基脲二硝酰胺盐(FOX 12)性能,FOX 12不溶于冷水,结晶密度1.755g/cm3,燃烧热1483.98kJ/mol,分解温度218.41℃,感度低,热安定性好。FOX 12相容性较好,能和HMX、RDX等火炸药常用组分相容。

3,3'-偶氮双(6-氨基-1,2,4,5-四嗪)新法合成、表征与量子化学研究

自行设计了3,3'-偶氮双(6-氨基-1,2,4,5-四嗪)(DAAT)新合成路线、采用3,5-双(3,5-二甲基吡唑-1-基)-1,2,4,5-四嗪(BDT)为原料,由文献报道的4步反应缩减为2步,经高压氨解、高锰酸钾氧化合成了DAAT,总收率大幅提高,达到58.1%,并采用元素分析、红外光谱、核磁共振光谱等进行了结构表征.为了从分子水平探索DAAT的性能,采用B3LYP法,在6-31G(d,p)基组水平上对DAAT的结构进行了优化,计算了其性能,获得稳定的几何构型、分子轨道及键级;在振动分析的基础上求得体系的振动频率、IR谱及不同温度下的热力学性质,并得温度对热力学性能影响的关系式.结果表明:DAAT分子结构中偶氮基两侧的四嗪环和氨基基本在同一个平面上,形成一个大的共轭π键;红外谱计算频率和强度与实验结果整体吻合较好;热能(Et,m)、热容(Cp,m)和熵(Sm)均随温度的升高而增大.

呋咱醚含能化合物研究进展

呋咱醚含能化合物是一类重要的含能材料,具有熔点较低、能量较高、塑性强的优点。从20世纪90年代起始,该类含能化合物已成为含能材料研究领域重要方向之一。本文综述了对称与非对称呋咱醚含能化合物的醚化合成方法,全面介绍了典型含能化合物FOF-1、FOF-2、FOF-11以及FOF-13的合成、性能及应用研究进展。设计出11种未见文献报道的呋咱醚含能化合物结构,并采用半经验计算方法 PM3进行了物化与爆轰性能预估,其中2种呋咱醚含能化合物密度大于1.90 g·cm-3、爆速大于9000 m·s-1。

ADN的合成及性能研究(Ⅰ)

自行设计二硝酰胺铵（ＡＤＮ） 的合成方法，研究了合成ＡＤＮ的关键步骤（ 缩合反应、二次硝化等） ，在国内首次合成出ＡＤＮ。鉴定了ＡＤＮ的结构，测定了ＡＤＮ的熔点、感度、燃烧热。

3,3'-二(氟偕二硝基)二呋咱基醚(FOF-13)新法合成(英文)

自行设计了3,3'-二(氟偕二硝基)二呋咱基醚(FOF-13)新的合成路线,采用3,3'-二氰基二呋咱醚(FOF-2)为原料,经氰基加成、重氮化、硝化、还原、氟化5步反应合成了FOF-13,总收率为8.5%,并通过IR、13C NMR、1 9F NMR、元素分析等分析手段进行了结构表征。开展了FOF-13物化与爆轰性能研究,实验结果为:结晶密度1.92 g·cm-3,熔点43.5℃(DSC),撞击感度大于14 J,摩擦感度为64%,爆速为8497(ρ=1.69 g·cm-3),表明FOF-13为一种性能优异的增塑剂。

富氮化合物3,3′-偶氮双(6-氨基-1,2,4,5-四嗪)合成研究

以三氨基胍硝酸盐、戊二酮为起始原料,经缩合、氧化、肼解、氧化溴代、氨解、水解等反应合成3,3′-偶氮双(6-氨基-1,2,4,5-四嗪)(DAAT)。详细介绍了各反应过程的具体步骤及收率,6步总收率为19%。采用红外光谱、核磁、DSC等分析手段确定DAAT结构,结果表明与文献基本相符。提出了缩合、氧化溴代反应的机理,指出了两步反应的详细历程。

3-氨基-4-偕氨肟基呋咱合成及反应历程研究

由丙二腈(MN)合成3-氨基-4-偕氨肟基呋咱的反应机理,已有文献建议为下述四步:亚硝化、重排、肟化和脱水环化。本研究以原位红外跟踪了亚硝化这一步,检测到2-亚硝基丙二烯(NMN)及2-肟基丙二腈(OMN)这一对异构体。此外,得到了—NO、NOH和—OH的三维原位红外图谱及—NO、C N和—OH在亚硝化过程中特征峰强度的变化,这有助深入了解亚硝化过程。不过,实验未能分离出OMN。NaOMN作为MN与NaNO2反应的产物,1,3-二氨基-1,2,3-三肟基丙烷作为OMN钠盐(NaOMN)与NH2OH的产物,两者均被成功地分离,并以IR、NMR、MS和元素分析证实。根据上述实验结果,提出了一个五步反应机理:硝化、重排、成盐、肟化及脱水环化。