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。

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。

CL-20/DNDAP共晶含能材料的晶体结构与性能研究

以乙酸甲酯为溶剂,采用溶剂挥发法制得六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)/2,4-二硝基-2,4-二氮杂戊烷(DNDAP)共晶含能材料。利用扫描电子显微镜和单晶X射线衍射仪对其形貌和结构进行表征,采用差示扫描量热法测试其热性能,并研究了该材料的机械感度和爆轰性能。结果表明,CL-20/DNDAP晶体属于单斜晶系,P21/c空间群,晶胞参数a=1.3022(2)nm,b=2.2619(4)nm,c=1.2962(2)nm,α=90°,β=104.648(3)°,γ=90°(a,b,c均为晶胞长度;α,β,γ均为空间角)。CL-20/DNDAP共晶含能材料在210～260℃集中放热分解,熔点明显高于DNDAP;共晶含能材料特性落高值为33.1cm,摩擦感度为48%,摩擦感度较CL-20大幅降低;应用Kamlet-Jacobs方程预测得到共晶含能材料的理论爆速为8870m/s,理论爆压为36.40GPa,具有较高的能量。

5,6-二氨基呋咱并[3,4-b]吡嗪-4,7-二氧化物(DAFPO)的合成、结构及性能

新型高能不敏感含能材料的合成对于武器装备能量水平和安全性的提升有重要意义。以5,6-二氨基呋咱并[3,4-b]吡嗪为原料,经氧化反应首次合成了5,6-二氨基呋咱并[3,4-b]吡嗪-4,7-二氧化物(DAFPO),用核磁共振(氢谱、碳谱、氮谱)、红外光谱和元素分析对其进行了表征。以乙酸乙酿为溶剂使用缓慢蒸发法获得了DAFPO-2H_2O的单晶,利用X-射线单晶衍射和Hirshfeld表面分析完成了结构解析和分子间相互作用研究。结果表明,DAFPO·2H2O属正交晶系,Pna21空间群,296 K下晶体密度1.806 g·cm^-3,分子间存在较强的O…H和N…H氢键作用。使用差示扫描量热法(DSC)和热失重法(TG/DTG)进行热分析,结果显示其热分解峰温为131.8℃。基于原子化反应利用Gaussian 09计算DAFPO的固相生成热为753.5 kJ·mol^-1,由气体膨胀置换法测得其密度1.86 g·cm^-3,使用EXPLO5预测其理论爆速和理论爆压分别为8836 m·s^-1和36.0 GPa,采用BAM标准方法测得其撞击感度大于40 J,摩擦感度大于360 N。性能研究结果表明,DAFPO是一种兼具较高能量水平和优良安全性能的新型不敏感含能材料。

7H-三呋咱并[3,4-b:3',4'-f:3″,4″-d]氮杂环庚三烯及新型含能衍生物合成及性能的理论计算

以3,4-双(3'-硝基呋咱-4'-基)氧化呋咱(DNTF)为原料,经亲核取代、环化、还原反应得到7H-三呋咱并[3,4-b:3',4'-f:3″,4″-d]氮杂环庚三烯(HTFAZ);利用HTFAZ的反应活性,自主设计合成了两种新型含能化合物7-(2,4,6-三硝基苯基)-三呋咱并[3,4-b:3',4'-f:3″,4″-d]氮杂环庚三烯(化合物1)和7-(2,4,6-三硝基-3,5-二氨基苯基)-三呋咱并[3,4-b:3',4'-f:3″,4″-d]氮杂环庚三烯(化合物2),并采用红外、核磁(1H NMR、13C NMR)、元素分析等进行了结构表征;采用DSC方法研究了化合物1和化合物2的热性能;采用Kamlet-Jacobs方程预估了两种化合物的爆轰性能。结果表明,改进HTFAZ的合成路线后,HTFAZ的收率达到63. 2%;化合物1和化合物2的热分解温度分别为371. 7℃和296. 3℃,表现出良好的热稳定性;化合物1的密度为1. 90 g/cm^3,理论爆速为8033 m/s,理论爆压为30. 11 GPa,其爆轰性能优于TNT,密度和热稳定性高于TNT和RDX。

耐热炸药NBTTP的合成反应优化及热分解性能

为研究耐热炸药2,4,8,10‐四硝基‐苯基吡啶基‐1,3a,6,6a‐四氮杂戊搭烯(NBTTP)的合成工艺及热性能,以苯并三氮唑和2‐氯‐3‐硝基吡啶为原料,通过取代、环化和硝化三步反应合成出了耐热炸药NBTTP。采用红外光谱(FTIR)、核磁共振(NMR)对产物进行了结构表征,并对环化反应进行了工艺条件优化;采用差示扫描量热仪和热失重分析仪对NBTTP的热分解及热失重历程、热分解动力学及相关热爆炸参数进行了研究。结果表明:当亚磷酸三乙酯与1‐(3‐硝基‐2‐吡啶)‐1H‐苯并三唑(BTP)的投料比为3∶1时,环化反应收率最高(83.44%);NBTTP仅存在一个剧烈的放热阶段,该放热阶段的起始分解温度为388.79℃,分解峰温在406.23℃;NBTTP的热分解反应动力学方程为dα/dt=(6.36×10^(14)/β)(1-α)exp[-2.34×10^(5)/(RT)],热分解反应的活化熵、活化焓及活化自由能分别为23.60 J·mol^(-1)·K^(-1)、228.97 kJ·mol^(-1)和213.46 kJ·mol^(-1);自加速分解温度TSADT为655.11 K。

4H,8H-双呋咱并[3,4-b:3′,4′-e]吡嗪(DFP)有机双胺盐的合成及性能研究

为改善4H,8H-双呋咱并[3,4-b:3′,4′-e]吡嗪(DFP)结构存在的酸性问题,以DFP和有机胺为原料,合成了DFP的氨基胍盐(DAGDFP)、氨基脲盐(DSDFP)、1,3-二氨基胍盐(DBAGDFP)、脒基脲盐(DGUDFP)、胍盐(DGDFP)、缩二胍盐(DBGDFP)、三氨基胍盐(DTAGDFP)等7种有机双胺盐化合物;通过核磁共振谱、红外光谱和元素分析对其结构进行了表征;采用DSC和TG法分析了目标化合物的热性能;采用BAM标准方法测试了机械感度;通过Kamlet-Jacobs方程和最小自由能法分别计算了DFP双胺盐的爆轰参数和单元推进剂的燃烧性能。结果表明,DFP双胺盐热稳定性良好,撞击感度均大于40J,摩擦感度均大于360N,为钝感含能离子盐;DSDFP热分解温度为273.4℃,理论爆速为7891m/s,爆压为27.07GPa,比冲为2352N·s/kg,特征速度为1462.9m/s,爆轰性能优于TNT,比冲和特征速度较偶氮四唑胍盐(GZT)大幅提高,有望应用于气体发生剂和固体推进剂等。

四氮杂戊搭烯类含能化合物分子设计及性能预估

以耐热含能材料为目标,四氮杂戊搭烯为基本结构单元,构建含苯环或吡啶环的四氮杂戊搭烯结构,引入硝基、氨基为含能基团,设计了12种四氮杂戊搭烯类耐热含能化合物。基于密度泛函理论(DFT),采用B3LYP方法结合6-311g(d,p)基组对四氮杂戊搭烯类耐热含能化合物进行几何优化,得到其稳定的几何构型。采用蒙特-卡洛法、原子化法和Kamlet-Jacobs方程对化合物的密度、生成焓和爆轰性能进行了计算和讨论。结果表明,12种化合物密度在1.80~1.94 g·cm^(-3)之间;生成焓介于646.5~745.3 kJ·mol^(-1);爆速分布范围为7480~8203 m·s^(-1),爆压分布范围为25.3~31.8 GPa。引发键的BDE值大小顺序为:C—N>N—N>C—NO_(2),C—NO_(2)键是上述化合物中的相对最弱键,其中,1,3,7,9-四氨基-2,4,8,10-四硝基-二苯并-1,3a,6,6a-四氮杂戊搭烯(B7)同时兼具较高的引发键键离解能和较大的能带宽度,热稳定性最好。1,3a,6,6a-构型四氮杂戊搭烯的生成焓、爆速和爆压整体高于1,3a,4,6a-构型的化合物,且感度更低,归因于其高度对称的分子结构。根据理论计算结果,3,9-二氨基-2,4,8,10-四硝基-二吡啶并-1,3a,6,6a-四氮杂戊搭烯(B9)的爆轰性能最优,感度较低,热稳定性较好,其密度为1.94 g·cm^(-3),爆速与爆压分别为8203 m·s^(-1)和31.8 GPa,特性落高(H)值为90 cm。

固体推进剂有机含能燃速催化剂的研究进展

含能燃速催化剂是近年来固体推进剂领域的热点研究方向。本文从单金属有机框架型、双金属基多功能型、分子负载型和其他新型催化剂等4个方面分类综述了含能燃速催化剂在固体推进剂领域的应用研究进展及发展趋势,指出单金属有机框架型燃速催化剂催化效果较为单一,与其他金属盐复配使用的催化效果更好;双金属基多功能型燃速催化剂催化性能优良,具有潜在的应用前景;分子负载型燃速催化剂尚处于初步探索阶段,其制备和应用成为燃速催化剂的发展方向之一;其他新型含能燃速催化剂还需加强应用研究。提出绿色环保化、高能低感化、纳米化和多功能复合化等是今后研究的重点方向:含重金属的燃速催化剂会对环境造成不利影响,发展绿色环保的燃速催化剂已成为必然趋势;赋予燃速催化剂一定的能量特性可减少对推进剂的能量损失,高能低感化已成为燃速催化剂发展的重要方向;含能燃速催化剂纳米化一直是有效提升催化剂催化活性的有效途径;具备多重功效的燃速催化剂是未来的发展趋势。

基于硝化棉助燃的含能粘合剂爆热特征值测试研究

为了表征含能粘合剂的能量特性,开展了含能粘合剂的燃烧热、生成焓与爆热特征值的测试研究并评估了将其作为含能粘合剂能量特性量化指标的合理性,探索了利用硝化棉(NC)助燃来测试含能粘合剂爆热特征值的方法。结果表明:当含能粘合剂/NC质量比达到1∶5时,绝大多数含能粘合剂可以充分燃烧;以硝化棉为助燃物可准确测取含能粘合剂的爆热特征值,所测聚硝酸酯基缩水甘油醚(PGN)与聚乙烯醇硝酸酯(PVN)的爆热特征值分别为3164、4713 kJ·kg^(-1),与文献值的相对误差均小于5%;燃烧热不能准确反映含能粘合剂的能量优势,采用爆热特征值可较好地表征含能粘合剂的能量特性,避免了生成焓正负之分导致估值体系自我矛盾的缺点;在隔绝氧气的条件下,含能粘合剂能量贡献值从小到大依次为GETPE<FATPE<GAP<PBAMO<NC(12%)<PGN <PVN。