新型5/6/5型富氮稠环高能炸药的分子设计与合成

“Higher energy, safer and greener” is the goal in the development of new generation of energetic materials. Focusing on the key scientific issues of the relationship between energy, sensitivity and safety, this project will devote to design of novel 5/6/5-fused nitrogen-rich high explosive by quantitative calculation. Nitrogen-rich fused rings as the skeleton are used to stabilize the molecular, different functional groups are introduced to ensure energetic performance and improve sensitivity. To achieve the target molecules, efficient cyclization strategies including ring closure strategy via C-NH2/N-NH2 oxidative coupling reaction, N-NH2/N-NH2 oxidative coupling reaction and azido-tetrazole isomerization, will be employed. Energetic compounds with high detonation performance and good stability will be prepared. This project will not only provide the theoretical basis for design, preparation and application of the new generation of energetic materials and ultra-high-energy energetic compounds, but also lay the foundation for modern weaponry.

“更高能、更安全、更绿色”是新一代含能材料不断追求的目标。围绕协调能量、感度和安全性关系的关键科学问题，本项目通过量化计算设计新型5/6/5型富氮稠环高能炸药分子，以富氮稠环为骨架保证分子的稳定性，不同官能团的修饰以保证能量水平和改善感度。探索高效地环化策略以实现目标化合物的合成，主要包括C-NH2/N-NH2氧化偶联关环策略、N-NH2/N-NH2氧化偶联关环策略、叠氮基-四唑异构化关环策略，制备兼具高爆轰性能和良好稳定性的炸药分子，为新一代含能材料以及超高能含能化合物的设计、制备及应用提供理论依据，为装备新型武器提供基础。

平衡炸药的能量与感度是含能材料领域的巨大挑战。构筑新型5/6/5型富氮稠环高能炸药被认为是最可行的策略之一。本研究首先通过构建肼基重氮化和叠氮化钠异构化的环化合成策略，实现了富氮四唑并哒嗪为基团的含能材料6-叠氮-8-硝基四唑[1,5-b]哒嗪-7-胺和8 -硝基四唑[1,5-b]哒嗪-6,7-二胺的制备。其中，叠氮基取代的富氮稠环化合物具有优异的爆轰性能（Dv = 8746 m s-1和P = 31.5 GPa），优于商用起爆药LA（Dv = 5920 m s-1和P = 33.8 GPa）和DDNP（Dv = 6900 m s-1和P = 24.7 GPa）。此外，该化合物的撞击（IS）和摩擦感度（FS）分别为5 J和120 N，比LA和DDNP具有更好的安全性和可靠性。爆轰性能和感度的良性平衡，加上对环境无害的合成方式，有助于其作为一种有前途的起爆药进行实际应用。随后，继续研究构建肼基与溴化氰的环化合成策略，实现了富氮三唑并三唑为基团的含能材料的制备。该化合物表现出非常高的热稳定性（261℃），优于同骨架的DATT（219℃）和TATOT（245℃），有望作为耐热炸药投入到深空及深海探索中。更重要的是，该化合物还表现出极低的机械感度（IS>40 J, FS>360 N），进一步保证了其在未来应用中的安全性。此外，通过氨基的重氮化及与硝基乙腈钠的环化合成策略，实现了吡唑并三嗪为基团的含能材料的制备。该化合物具有非常高的热稳定性（332℃）。其初始热分解温度与TATB（350℃）及LLM-105（342℃）相当。表现出作为耐热炸药的极大潜力。除此之外，该化合物还表现出不错的能量特性（Dv = 8538 m s -1，P = 30.4 GPa）和极低的机械感度（IS>40 J, FS>360 N），为未来应用提供了更大的可能。