论文题目：基于吡唑并[1,2,3]三嗪-2-氧化物骨架的新型二元稠环含能分子的设计、合成与性能研究
摘要：按照功效的不同,炸药可分为单质炸药、起爆药、传爆药、延期药、针刺药、点火药、发射药等众多类别。不同用途的炸药需要满足不同的性能指标,如起爆药需要迅速完成爆燃到爆轰过程的转变,延期药要能够稳定、精确地控制燃烧时间等。虽然在关键性指标上存在差异,但在应用上炸药有着共同的目标,即在满足不同弹药或火工品功效的同时,能够有更高的能量输出,同时也具有良好的安全性、环保性和工艺操作性。近年来,基于高氮含量稠环骨架的新型含能分子设计与合成被认为是实现上述目标的重要研究方向。本论文围绕着吡唑并[1,2,3]-三嗪-2-氧化物骨架结构的新型二元稠环含能分子的设计与合成展开研究,得到了多种性能优异的新型含能分子,包括有机起爆药ICM-103、高能低感的二维层状炸药NAPTO和耐热炸药MPTO等。主要研究内容包括:1、新型有机起爆药ICM-103的设计、合成及应用研究以廉价的3-氨基-4-氰基-1H-吡唑为起始原料,利用“一锅法”将稠环的合成、致爆官能团的引入合二为一,以较高的收率得到了符合绿色起爆药标准的二元氮杂稠环有机起爆药—6-硝基-7-叠氮基-吡唑并[3,4-d][1,2,3]三嗪-2-氧化物（ICM-103）。对“一锅法”的成环机理进行了研究,并对其性能进行了理论计算和实验研究。实验结果表明,ICM-103的极限起爆药量为60 mg,热分解温度达到160℃,更表现出对火焰刺激的特征性感度（撞击感度4J,摩擦感度60 N,静电火花感度135 mJ,火焰感度大于60 cm）。与此同时,其与铁、RDX等相容性良好、对光照刺激不敏感、无生物毒性。完成了其百克量级生产工艺优化及工艺文件,深入评估了其用于8#工业雷管用起爆药的可行性。2、新型二维平面结构炸药NAPTO的设计、合成与性能研究长期以来,设计合成新型不敏感高能量密度材料一直是含能材料领域的重要挑战。以4-氨基-3-氰基吡唑为起始原料,经两步反应设计合成了一种新型的二元稠环含能材料—4-硝基-7-叠氮基吡唑并[3,4-d][1,2,3]-三嗪-2-氧化物（NAPTO）,完成了结构表征和感度测试。单晶X射线衍射分析表明,该化合物具有超平面的二维（2D）层状结构,属于正交晶系,Pnma（no.62）空间群,晶胞参数为a=13.307（3）A,b=5.7100（13）A,c=10.531（3）,α=β=γ=90°,V=800.2（3）A3,Z=4,D)=1.852 g·cm-3。理论和实验研究表明,该含能分子具有较高的能量水平（理论爆速Dv=9.12 km·s-1,理论爆压P=35.1 GPa）,对撞击、摩擦、热等外界刺激相对不敏感（撞击感度18 J,摩擦感度325 N,静电火花感度0.32 J,热分解温度203.2℃）,实现了能量和安全性的较好平衡。采用量化计算对其在外部刺激下的稳定化机制进行了研究。结果表明,晶体中超平的2D层状结构通过将作用在材料上的机械能转化为层间滑动和压缩,并依靠氢键作用和偶极-偶极作用完成对外界刺激的耗散和吸收,较其他结构能更有效地缓冲外部机械刺激,较好地解释了晶体中二维层状堆积结构的协同降感机理。3、耐热炸药MPTO的合成和性能研究通过首先构建邻位叠氮基团和硝基基团（叠氮基团和硝基基团分别位于两个不同的环上）取代的二元稠环结构,而后将叠氮基团还原为氨基,最终得到具有分别位于两个不同环上的邻位氨基与硝基结构的二元氮杂稠环耐热炸药—4-氨基-7-甲基-5-硝基-7H-吡唑并[3,4-d][1,2,3]三嗪-2-氧化物（MPTO）。MPTO的稳定性较高,表现在热分解温度为350℃,撞击感度18 J,摩擦感度360N。通过理论计算分析得知,MPTO高的稳定性是由其分子内强的氢键作用和分子间强的π-π相互作用共同决定的。利用量化计算的方法对比了几种高热分解温度的单质炸药分子结构中与氨基相邻的C-NO2的键解离能。其中,MPTO结构中该C-NO2的键解离能为284.49 kJ·mol-1,该值仅比TATB相应值低3 kJ·mol-1,而显著高于所计算的其它物质的值。这说明MPTO分子本身的稳定性较高。另一方面,运用Hirshfeld表面分析方法和二维指纹谱分析了几种高热分解温度的单质炸药,其中MPTO的分子间π-π相互作用比例高达16.6%,超过了分析的其它几种含能材料,同时MPTO分子间氢键作用比例也达到52%,这表明MPTO分子间具有较强的氢键相互作用和强的π-π相互作用,这对于其机械感度的降低具有重要意义。
关键词：高能量;安全性;高氮含量;稠环化合物;绿色起爆药;二维结构;高能炸药;耐热炸药
学科专业：凝聚态物理
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 课题背景
1.2 二元氮杂稠环含能分子研究进展
1.2.1 [1,2,3,4]四嗪[5,6-e][1,2,3,4]四嗪1,3,6,8-四氧化物(TTTO)的合成
1.2.2 3,6-二硝基吡唑并[4,3-c]吡唑(DNPP)的合成和衍生化
1.2.3 基于三嗪环的二元稠环含能分子
1.2.4 基于四嗪环的二元稠环含能分子
1.2.5 三唑并三唑二元稠环分子的合成与衍生化
1.2.6 哒嗪并四唑类二元稠环分子的合成
1.2.7 由FOX-7衍生得到的二元稠环类含能分子的合成
1.3 论文的选题思路
1.3.1 绿色有机起爆药的合成研究
1.3.2 具有二维平面堆积结构的新型炸药分子的设计合成与性能研究
1.3.3 具有二元氮杂稠环结构的耐热炸药
第二章 基于吡唑并[1,2,3]-三嗪-2-氧化物骨架的稠环起爆药的合成和性能研究
2.1 前言
2.2 实验部分
2.2.1 化学药品和试剂
2.2.2 分析测试及仪器
2.2.3 目标物质的合成
2.2.4 物质的晶体结构
2.3 稠环形成机理的研究
2.3.1 反应机理的理论推测
2.3.2 反应机理的同位素标记实验
2.4 ICM-103的物化性质和能量水平
2.4.1 ICM-103的感度性质和热稳定性质
2.4.2 ICM-103的起爆性能测试
2.4.3 ICM-103的光敏性研究
2.4.4 ICM-103的生物毒性试验
2.4.5 ICM-103的生成焓和能量水平
2.4.6 ICM-103的标准色谱分析方法的建立
2.5 本章小结
第三章 ICM-103的放大合成和应用评估
3.1 ICM-103的放大合成
3.1.1 ICM-103较优合成条件的摸索
3.1.2 ICM-103前体生产的放大合成操作
3.1.3 ICM-103产品的放大生产操作
3.2 ICM-103的应用评估
3.2.1 相容性评估
3.2.2 火工品起爆性能测试
3.2.3 火工品器件试制与评估
3.3 本章小结
第四章 基于吡唑并[1,2,3]-三嗪-2-氧化物骨架的新型高能低感炸药的合成和性能研究
4.1 前言
4.2 NAPTO的合成和性能研究
4.2.1 分子的设计和晶体结构的预测
4.2.2 实验部分
4.2.3 结果与讨论
4.3 本章小结
第五章 基于吡唑并[1,2,3]-三嗪-2-氧化物的耐热炸药的合成和性能研究
5.1 前言
5.2 MPTO的合成和性能研究
5.2.1 MPTO的合成
5.2.2 化合物35的晶体结构
5.2.3 MPTO的晶体培养和结构
5.2.4 结果与讨论
5.3 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 工作总结
6.2 工作的创新点
6.3 发展与展望
致谢
参考文献
附录B 论文中新合成化合物的核磁共振谱图和红外谱图
附录C ICM-103放大合成的安全论证