多–NH2基团取代杂环类钝感高能离子盐的设计组装及性能研究

It is urgently required to synthesize novel explosive compounds with both low sensitivity and high energetic density to improve the safety of explosives while maintaining their high energetic characteristics. Essentially,functionalization of nitrogen-rich heterocyclic frameworks is one of the most efficient strategies for fine-tuning the relationship between energy and sensitivity of energetic materials at a molecular level. Around such considerations, this project first aimed to design a series of novel multi-amino substituted energetic salts by the aid of energy pre-evaluation of computer calculation. And then synthesize multi-nitrogen heterocycles with adjustable energy and sensitivity and containing N-N and C-N high energy bonds, via the strategies of amination reaction and ionization. With the formation intermolecular and intramolecular hydrogen-bond of N-N•••H-N、C-N•••H-N and N-O•••H-N types, the density and safety of the designed explosive compounds could be improved greatly, so as to solve the contradiction between high energy and low sensitivity. In addition, studies on their energy, safety and stability properties, the high-throughput screening of new energetic molecules with high energy and low sensitivity will be achieved. The successful implementation of this project can not only promote the research & design of azole-derived energetic materials but also provide theoretical and experimental basis for exploring more new energetic compounds with similar structures.

为提高高能炸药的安全性，同时保持其高能特性，拟设计合成一类新型的高能低感含能材料。鉴于富氮杂环骨架的官能化是从分子水平上协调含能材料能量与感度的重要有效策略，本项目首先结合计算模拟对分子能量的预估，设计一系列结构新颖的多氨基取代唑类含能离子盐；采用胺化、离子化等策略对唑类骨架能量与安全性进行可控调节，合成得到含有N-N和C-N高能键的多氨基取代杂环母体，通过离子化形成N-N•••H-N、C-N•••H-N或N-O•••H-N等分子内或离子间氢键，提高所设计合成的单质炸药的密度和安全性，寻求解决单质炸药的高能量与低感度之间的矛盾。在此基础上进一步开展相应离子盐能量、安全与稳定性等相关性能的研究，以实现性能优异含能化合物的筛选，并优化其合成方法，完善炸药分子设计理论。本项目的顺利开展，不仅可推动唑类含能离子盐的研究与发展，而且可为基于该类骨架的新型含能分子的设计提供理论与实验依据。

含能材料能量水平的提高可以显著改善武器系统的效能，但是含能材料的能量水平越高，其安全性随之下降。如何从根本上协调能量水平与安全性能的关系，并研发出新型高能低感含能材料以满足现代战争对能量和安全的双重要求，成为含能材料领域近年来努力攻克的难题之一。本项目针对该难题着重开展高能低感含能材料的设计合成与性能研究。.本项目围绕提高含能材料的安全性，以设计和合成新型含多–NH2基团的高能低感单质炸药为研究对象，从理论设计、实验合成、性能测定与验证等方面进行深入研究。主要以具有高密度、高氧含量的噁二唑与具有高氮含量、高生成焓的四唑为研究对象，对这两个含能单元进行不同的含能基团官能化以及不同的分子结构组装，设计并合成出一系列新型噁二唑与四唑基含能化合物，分析并探讨分子与晶体结构对含能化合物的物化与含能性质的影响。具体包括含多个–NH2基团含能离子化合物的分子设计、富含–NH2基团富氮含能离子盐的合成与表征、含多–NH2基团母体分子与高氮离子的合成组装、含能离子化合物的能量、安全性能研究。.本项目一共掌握了四类多–NH2取代杂环类骨架的高效合成方法；实现5类钝感含能材料的合成，完成其爆轰参数计算，安全、稳定性能研究。在国内外重要刊物发表论文13篇（其中SCI收录11篇，EI收录1篇）；申请专利1项；结合项目研究，培养了硕士生5名，博士生2名。.总之，本课题将通过对多–NH2取代三唑、四唑、呋咱化合物结构的设计、裁剪与组装，挑战多–NH2取代含能化合物的合成、爆轰性能与安全性能研究。通过本项目的研究，获得了一系列能量与安全性兼具的高能低感含能材料，并开拓一些高能量固体推进剂替代物，加深了多–NH2基团对含能材料爆轰性能与安全性能影响的规律性认识。本项目对于提高含能材料和武器装备的安全性，具有十分重要的理论意义和非常明确的实际意义。