五唑负离子（N5-）盐的理论设计与合成表征研究

Poly-nitrogen compounds, which can significantly improve the energy of explosives exhibiting strategic importance for national security, are considered to be the 4th energetic materials. Ionic type poly-nitrogen compounds, consisted of all-nitrogen cation and anion, are one of the most important poly-nitrogen materials. Among the procedures of preparing ionic type poly-nitrogen compounds, the synthesis of stable cation and anion precursors is expected to be an outstanding prerequisite. In our previous study, a complex salt (N5)6(H3O)3(NH4)4Cl is prepared by cleaving the C-N bond in phenylpentazole. Here based on this N5- anion, we will design and synthesize a series of nonmetallic and metallic salt, which can serve as precursors for ionic type poly-nitrogen compounds. The stability of phenylpentazole, mechanism in cleaving the C-N bond and matching rules of oxidant and catalyst will be studied during N5- preparation step; then low temperature feature, single crystal structure and thermal stability of the prepared pentazole salts will be characterized; finally the donation properties will be predicted through theoretical methods. Covering both synthetic study and theoretical prediction, this research is expected to develop a new series of high nitrogen or poly-nitrogen energetic compounds.

全氮化合物是未来的第四代含能材料，可大幅度提高火炸药的能量水平，对国家安全具有战略意义。离子型全氮材料是全氮化合物的一种，由全氮阳离子和全氮阴离子组装而成。合成稳定的全氮阳离子和全氮阴离子是组装得到离子型全氮材料的重要前提条件。申请人在前期研究切断芳基五唑中的C-N键，制备出稳定的五唑盐(N5)6(H3O)3(NH4)4Cl的基础上，进一步设计、合成稳定的五唑阴离子的非金属盐和金属盐，为与全氮阳离子配对组装，形成离子型全氮化合物，提供更多可供选择的另一半。课题研究不同取代芳基五唑的稳定性规律，切断芳基五唑中的C-N键得到五唑负离子的优化工艺条件及反应机理，氧化剂与稳定催化剂的匹配规律；研究五唑负离子盐的分离方法、低温表征方法、单晶结构、热稳定特征，以及用量子化学等计算化学手段，对所合成五唑负离子盐进行理论设计、稳定性和爆炸化学性能预估。本研究将有望发展一类新型的全氮或高氮的含能材料化合物。

全氮化合物是未来的第四代含能材料，可以大幅度提高火炸药的能量水平，对国家安全具有战略意义。离子型全氮材料是全氮化合物的一种，由全氮阳离子和全氮阴离子组装而成。合成稳定的全氮阳离子和全氮阴离子是组装得到离子型全氮材料的重要前提条件。在前期切断芳基五唑中的C-N键，制备出五唑盐的基础上，进一步设计、合成稳定的五唑阴离子的非金属盐和金属盐，为与全氮阳离子配对组装，形成离子型全氮化合物，提供更多可供选择的另一半。项目研究取代芳基五唑的稳定性规律，切断芳基五唑中的C-N键得到五唑负离子的优化工艺条件及反应机理，氧化剂与稳定催化剂的匹配规律；研究五唑负离子盐的分离方法、低温表征方法、单晶结构、热稳定特征，以及用量子化学等计算化学手段，对所合成五唑负离子盐进行理论设计、稳定性和爆炸化学性能预估。本研究为发展一类新型的全氮或高氮的含能材料化合物奠定一定的科学基础。.按照研究计划安排，项目突破了离子型全氮化合物合成的一些关键技术，研制出基于N5离子的一些新型化合物，发展一类新型的全氮或高氮的含能材料，丰富和发展氮化学理论。具体执行情况如下：.① 优化 N5离子的合成路线并放大工艺，通过萃取、过柱等分离手段，获得 N5-离子的固体样品，培养获得了单晶样品，以及热稳定性和机械感度等重要数据。 .② 将 N5与有机阳离子组装，创制了一些N5离子高能化合物，研究全氮阴离子的稳定化方法的反应机制和关键因素，掌握N5离子高能化合物低温合成的反应机理和规律，为全氮离子化合物的制备提供了阴离子的基础技术。.③ 建立了理论模型与爆炸性能的计算预估方法，初步掌握了N5类全氮化合物的分子结构与性能的构效关系规律，以及分子内基团之间的键合作用规律。.④ 根据N5-类全氮化合物的结构特征，建立产品纯度的离子色谱分析方法，通过本项目研究，促进了全氮高能化合物基础理论的完善发展。