氮杂多环高能炸药的合成及稳定化机理研究

In order to maintain high energetic property of explosives and at the same time increase the security during their production and application process, design and synthesis of novel explosives with both low sensitive and high energetic property is urgently required. In this work, with various factors considered including ring strain, angle and steric effect of polycyclic molecule skeleton structures, a series of aza-polycyclic high explosive compounds of relative high stability are designed based on six-membered ring, such as aza-bicyclic, aza-tricyclic, aza-tetracyclic and hexaaza propellane compounds. Theoretical calculations of these compounds are performed combing Molecular Mechanics and Quantum Chemistry method. Their structure-activity relationship, regularity among structures, energy and security (sensitivity, stability) could be studied in detail to obtain stabilization mechanism for aza-polycyclic high explosives. Target compounds are also screened, and their synthetic conditions of reactions such as condensation and nitrification are optimized so as to obtain high explosives with relative high stability and energy. Characterization of structure, performance, tests of major detonation parameters are supposed to be accomplished in this research. Finally, one or two samples novel aza- polycyclic explosives would be provided with energy comparable to RDX and sensitivity similar to TNT. This project would enrich the design and synthesis theories of insensitive high explosives and what’s more, exhibits both great academic significance and application value in improving the security of energetic materials and weaponry.

为保持炸药的高能特性，同时提高生产和使用过程中的安全性，必须设计和合成新型高能低感单质炸药。本课题综合考虑多环分子骨架结构的环张力、环夹角及立体效应等因素，设计了一系列以六元环为基础拓展的多氮杂二环、三环、四环和六氮杂螺桨烷等类型的相对稳定的氮杂多环高能炸药化合物。通过分子力学和量子化学相结合的方法，对设计的化合物进行性能理论计算，分析结构与性能的构效关系，研究其结构与能量、安全性（感度、稳定性）之间的规律性，获得氮杂多环高能炸药的稳定化机理；筛选拟合成的目标炸药化合物分子；通过缩合、硝化等有机合成反应条件的筛选和优化，获得相对稳定的、高能低感的多环氮杂炸药，并完成结构、性能的表征、主要爆轰参数的实测，最终提供1-2个能量与RDX相当，感度与TNT相当的新型氮杂多环炸药样品。本项目将丰富高能低感单质炸药的设计与合成理论，对提高含能材料和武器装备的安全性，具有重要的学术意义和应用价值。

保持炸药的高能特性，同时提高生产和使用过程中的安全性，必须设计和合成新型高能低感含能化合物。本项目系统考虑多环分子骨架结构的环张力、环夹角及立体效应等因素，设计了一系列多氮杂二环、三环、四环等类型的相对稳定的氮杂多环高能炸药化合物。通过分子力学和量子化学相结合的方法，对设计的部分化合物进行性能理论计算，分析了分子结构与爆炸性能的构效关系，研究其结构与能量、安全性（感度、稳定性）之间的规律性，获得一些氮杂多环高能化合物的稳定化机理；通过缩合、硝化等有机合成反应，制备获得了相对稳定的、高能低感的多环氮杂化合物，并完成了单晶结构测定表征和部分主要爆轰参数的实测表征，最终提供一个能量与RDX相当，感度与TNT相当的新型氮杂多环含能化合物样品。项目研究成果丰富了高能低感单质炸药的设计与合成理论，具有一定的学术意义和潜在应用价值。. 项目研究分析了氮杂多环硝胺炸药的骨架结构与稳定性，研究了氮杂双环硝胺含能材料的分子结构与性能的构效关系，对利用共轭体系稳定的TKX-55的合成工艺进行了优化及性能研究，设计合成了氢键和π-π作用稳定3-硝氨基-4-偕二硝基甲基呋咱二肼盐。进行了氢键稳定的系列全氮五唑阴离子的设计、合成与单晶结构已经,以及对全氮阴离子N5-非金属盐的能量水平的评估。设计合成了利用平面化结构的四环噁二唑作为高性能与高稳定性母体的含能材料；设计合成了由碱金属（钠，钾，铷，铯）与富氮富氧配体DBMF2-组成的系列配合物；设计合成了氢键以及π-π作用的四环吡嗪稠呋咱作为钝感含能材料；设计合成了一系列基于四氨基联三唑原位合成得到的三稠环阳离子的含能离子盐。研究得到一种新的低感含能化合物分子C8N12O8，进行了合成、单晶结构和爆轰性能分析，该化合物单晶结构呈现面对面推积和波浪形推积，密度达到1.92 g cm-3，分解温度256 ℃，撞击感度IS 18 J;摩擦感度 FS 220 N， 爆速D 9240 m s-1; 爆压P 37.5 Gpa），可以作为RDX和HMX的替代品。