偶氮桥连富氮杂环含能化合物的合成及性能研究进展

偶氮键不仅是一种桥连基团,通常还能提高富氮杂环含能化合物的密度和生成焓,因此,通过这种桥连方式来构筑新型含能材料已逐渐成为该领域的研究热点.本研究围绕唑类和嗪类两大类底物,从C—NH2和N—NH2氧化偶联两个方面,综述了近二十年来偶氮桥连富氮杂环含能化合物的制备方法、理化性质和爆轰性质等,为该类化合物后续的研究和发展提供一定的参考.     

富氮杂环含能化合物的创制

含能化合物能量与安全性的矛盾极大限制了高能材料在高价值平台中的应用,同时也制约了装备的性能提升.因此,研制兼顾高能量与高安全性的新型含能化合物受到世界各国的高度重视.     

亚氨基桥联的富氮杂环化合物研究进展

桥联富氮杂环化合物具有丰富的多样性,良好的热稳定性和优异的能量密度,是潜在的高能量密度材料,受到了国内外学者的广泛研究和报道。其中,亚氨基(—NH—)作为桥联单元,不仅能提高化合物的生成焓和能量密度,还能通过桥联的亚氨基形成氢键而降低感度,构建高能低感含能材料。本文介绍了亚氨基桥联富氮杂环化合物及其盐的研究进展,综述了这些含能化合物的制备方法、理化性质和爆轰性能,对亚氨基桥联富氮杂环化合物未来的发展潜力和重点研究方向进行了展望,从而为亚氨基桥联富氮杂环化合物的设计与合成提供借鉴和参考。     

氮杂环含能化合物的研究进展

综述了含有单个或多个氮原子的新型氮杂环含能化合物的合成与性能研究进展,主要包括呋咱、三唑、三嗪、四唑、四嗪、笼形及全氮化合物等;同时对此类含能材料存在的问题进行了评述,并给出了可能的解决方案。     

亚胺基桥连的平面型富氮含能化合物的合成与性能

为了合成平面型的高能钝感富氮类含能化合物,以6-(3,5-二甲基吡唑)-[1,2,4]三唑[4,3-b][1,2,4,5]四嗪(1)为底物,与2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪(2)在碱性条件下反应,合成了—NH—桥联的基于稠杂环体系的6-(2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪)-1,2,4-三唑[4,3-b][1,2,4,5]四嗪(3),收率为81.3％.采用核磁、红外、X射线衍射等分析手段对化合物3的结构进行表征;利用差示扫描量热(DSC)研究了化合物3的热分解过程,其初始分解温度高达254.6℃;采用Gaussian 09 D.01和Explo5 V6.05.02软件计算化合物3的爆速和爆压分别为7568 m·s-1和23.5 GPa;采用BAM法测得化合物3的撞击感度和摩擦感度分别为12.5 J和240 N.结果表明化合物3具有较好的爆轰性能和较低的感度,同时较高的分解温度表明化合物3可以作为耐热性炸药.     

偶氮桥联氮杂环化合物结构与热化学性能的DFT研究（英）

为了探寻含能化合物结构与热化学性能的关系,用密度泛函理论方法研究了15种偶氮桥联氮杂环化合物的结构与热化学性能.在B3 LYP/6-31 G(d,p)水平上,优化了它们的结构,计算了它们的熵和等压热容,通过等键反应设计,估算了它们的生成焓.结果表明,杂环上的N原子与C原子均为sp2杂环原子,所有杂环,几乎在同一平面上.化合物生成焓与氮原子数目成正比,对于氮原子数目相同的化合物,化合物的生成焓随着偶氮桥与杂环上氮原子的距离和杂环上氮原子之间的距离的增加而减小.不同温度下的等压比热容与化合物的氮含量(杂环上的氮原子数)成反比.     

含氧富氮含能化合物的合成研究进展

综述了近年来五类含氧(包括硝基氧、羟基氧、配位氧、羰基氧和复合氧)唑基和嗪基富氮含能化合物的合成方法,其中硝基氧富氮含能化合物和复合氧富氮含能化合物的合成研究最为活跃。认为以下几点是今后的研究重点:对合成工艺简单、原料易得的优异含氧富氮含能化合物进行放大合成和实际应用研究;对合成难度大、成本高的优异含氧富氮含能化合物进行工艺改进;设计新型含氧富氮含能化合物时要考虑引进偶氮基和稠环。     

硼基含能化合物制备方法研究进展

硼基含能化合物具备高热值特性,将会成为含能材料领域重点研究方向。目前国内关于硼基含能化合物的研究还未广泛展开,本文依据国外研究现状,将已报道的硼基含能化合物初步归纳为富氮硼酸酯类、唑基硼化盐类、硝基硼烷类、富氮硼嗪类、叠氮硼类等,并分别从结构特点、合成路线及基本性能等方面对这5类含能硼化物进行了介绍,最后对硼基含能化合物的发展趋势及在推进剂中的应用前景进行了分析与展望:硼嗪类或硼氮杂环类化合物具有高张力键能释放特性,有望成为含能材料领域新研究热点;唑基硼化盐类化合物合成方法相对便捷,性能便于调控,可考虑用其替代硼颗粒,作为改善富燃料推进剂燃烧性能的一种新途径;硼酸酯类含能化合物具备较高氧含量,通过引入多硝基富氮含能基团,进一步提高生成焓和氧平衡,可探索用其替代高氯酸铵的可能性。     

联氮杂芳环含能化合物研究进展

联氮杂芳环化合物是一类重要的富氮含能化合物,是国内外含能材料研究领域热点之一。氮杂芳环可通过N—N、C—N单键等不同键合方式而获得种类繁多的联氮杂芳环含能化合物,主要包含对称型与非对称型两类结构,也可按双环、三环及多环等环系特征进行分类。综述了呋咱、多氮唑等富氮环系通过N—N、C—N单键键合所形成的联氮杂芳环含能化合物研究进展,重点评述了联氮杂芳环的构建方法及其含能化合物合成技术途径探索,同时,简要介绍了典型联氮杂芳环含能化合物的物化与爆轰性能。发展简捷、高效及条件温和的新型环系合成方法,引入新型高能基团,设计新型联氮杂芳环含能化合物应是今后该领域研究的重点。     

含能配位化合物的研究进展及其应用

含能配位化合物(Energy Coordination Compound,ECC)具有不同金属元素与配体之间配位方式多样化的特点,预期可获得性能可调控的含能材料,因此成为近十几年来的研究热点之一。本文综述了不同配体组装ECC的方式和类型,ECC及其功能材料在作为起爆药、推进剂催化剂、铝热剂的可燃剂和氧化剂、烟火着色剂方面的应用。结果表明,不同的金属离子与富氮配体配位后形成的含能配合物在作为新型含能材料领域确实表现出巨大潜力,而且改变配体类型和个数能满足能量、感度等性能方面的要求。本文总结ECC合成规律并对未来如何在提升能量特性以及扩大应用方面进行了展望。     

富氮多环含能离子盐的合成和性能

以多氨基稠环化合物6,7-二氨基-3亚氨基-[1,2,4]三唑并[1,2,4]三唑连四唑(TATOT-T)为原料,经过高锰酸钾氧化偶联和高氯酸成盐等步骤,合成了一种偶氮桥联的富氮多环含能化合物2,2'-二四唑基-3,6-二氨基-7,7'-偶氮基-[1,2,4]三唑并[1,2,4]三唑高氯酸盐(2).采用傅里叶红外光谱、核磁共振、元素分析、X-射线单晶衍射技术,以及差示扫描量热法(DSC)和热重分析(TG)对化合物2进行结构表征和热性能分析,结合高斯软件计算的生成焓,使用EXPLO5软件计算了其爆轰性能.结果表明,所得化合物2晶体属于单斜晶系,晶体密度为1.750 g·cm-3,每个晶胞中包含 4个分子,起始热分解温度为 232.6℃,理论爆速为8373 m∙s-1,爆压为29.05 GPa,撞击感度为40 J,摩擦感度为360 N,对外界机械刺激钝感,具有良好综合性能.     

1，3，3-三硝基氮杂环丁烷的合成及性能初步研究

介绍了从原料特丁胺和环氧氧氯丙烷出发,合成１,３,３－三硝基氮杂环丁烷（ＴＮＡＺ）的方法,用核磁共振等四种分析手段,对其结构进行了鉴定并测定了熔点等物化性质。     

联吡唑含能化合物合成及性能研究进展

联吡唑结构具有氮含量高、结构致密、钝感且热稳定性好的性质,是构建高能量密度材料理想的含能骨架。基于单吡唑环C—C、C—N以及N—N不同键合方式,从联吡唑环构建、爆轰基团引入策略与衍生物性能评价等方面,对近几年在含能材料领域已报道的5种联吡唑结构单元2H,2'H-3,3'-联吡唑(Ⅰ)、1H,1'H-4,4'-联吡唑(Ⅱ)、1'H-1,4'-联吡唑(Ⅲ)、2'H-1,3'-联吡唑(Ⅳ),1'H,2H-3,4'-联吡唑(Ⅴ)相关含能化合物的最新进展进行了简要综述。从合成方法及物化爆轰性能等方面梳理了联吡唑含能化合物合成研究发展方向与趋势。指出以下几点是今后联吡唑含能化合物发展的重点方向:筛选已报道的性能优异的联吡唑含能化合物进行合成优化及应用研究;通过引人不同的含能基团和富氮阳离子,设计合成更多综合性能优异的联吡唑含能化合物;完善联吡唑含能化合物研究体系,加强几种报道较少的联吡唑单元(如2'H-1,3'-联吡唑(Ⅳ)、1'H,2H-3,4'-联吡唑(Ⅴ)和1,1'-联吡唑(Ⅵ))含能化合物的制备与性能研究。     

1，3，3－三硝基氮杂环丁烷的合成及性能初步研究

介绍了从原料特丁胺和环氧氯丙烷出发，合成１，３，３三硝基氮杂环丁烷（ＴＮＡＺ）的方法，用核磁共振等四种分析手段，对其结构进行了鉴定并测定了熔点等物化性质。     

基于数据驱动的氮杂多环含能化合物的开发研究进展

含能材料的开发面临诸多挑战,传统\"试错法\"的研发模式会导致研发周期长,效率低.随着数据科学与人工智能技术的发展,基于数据驱动的研发模式为含能材料的发展开辟了新的路径.多环含能化合物是当前含能材料学科的研究热点,其中氮杂多环骨架由于存在π电子的离域共振和较多的可修饰位点,分子结构的稳定性得到提高,同时能量基团的存在保证了分子的能量水平,使得能量与稳定性之间的固有矛盾得到很好的平衡.研究简要介绍了数据驱动开发新型含能材料的工作流程,概述了数据驱动方法用于氮杂多环含能化合物开发的最新研究进展,最后对数据驱动的方法用于新型含能材料的开发提出展望.未来的发展方向应考虑通过数据增强、治理等手段补充数据量,以提高模型预测的准确性及泛化能力;可通过建立化学反应条件和合成路径筛选的机器学习模型预测分子的可合成性,从而加速新型氮杂多环含能化合物的开发.     

4，7-二氨基哒嗪并［4，5-c］氧化呋咱含能盐的合成和性能

以多氨基稠环化合物4,7-二氨基哒嗪并［4,5-c］氧化呋咱（4）为原料,分别与3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮（NTO）及其它高氮类硝胺化合物构筑的富氮阴离子结合制备了一系列含能离子盐（5~11）。运用核磁共振、元素分析和红外光谱等分析方法对化合物（5~11）进行了结构表征,结合量子计算对3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮的4,7-二氨基哒嗪并［4,5-c］氧化呋咱盐（6）进行¹⁵N NMR谱分析,并通过X-射线单晶衍射技术对5,5′-二硝氨基-3,3′-偶氮-1,2,4-噁二唑的4,7-二氨基哒嗪并［4,5-c］氧化呋咱盐（9）进行晶体结构解析。通过Explo5软件计算得到化合物的爆轰性能;采用BAM法测得化合物的撞击和摩擦感度。结果发现,5硝氨基四唑的4,7-二氨基哒嗪并［4,5-c］氧化呋咱盐（5）具有优异的爆轰性能和较低的感度,其爆速爆压分别为8816 m·s^-1和32.1 GPa,撞击感度和摩擦感度分别为15 J和200 N。     

硝基咪唑类含能化合物的合成研究进展

综述了10种硝基咪唑类含能化合物的合成及性能,包括1,4-二硝基咪唑(1,4-DNI),2,4-二硝基咪唑(2,4-DNI),4,5-二硝基咪唑(4,5-DNI),2,4,5-三硝基咪唑(2,4,5-TNI),1-甲基-2,4-二硝基咪唑(2,4-MDNI),1-甲基-4,5-二硝基咪唑(4,5-MDNI),1-甲基-2,4,5-三硝基咪唑(MTNI),1-苦基-2,4-三硝基咪唑(2,4-PDNI),1-乙酸乙酯-2,4,5-三硝基咪唑(CTNII),1-苦基-2,4,5-三硝基咪唑(PTNI)。对高能钝感炸药1,4-DNI、2,4-DNI及MTNI的合成与性能进行了详细介绍并对路线中存在的问题进行了简要评述。同时提出了一条理论上可行的合成MTNI的新路线,即碘代-硝化法:以N-甲基咪唑为原料经碘化得到1-甲基-2,4,5-三碘基咪唑(MTII),然后再用超酸硝化得到目标物。     

三唑类含能化合物研究进展

三唑类含能化合物是近些年发展的一类新型含能化合物,具有高生成焓、高氮含量和高热稳定性的特点。本文从分子结构出发,综述了单三唑类、双三唑类、吡唑基三唑类、噁二唑基三唑类和四唑基三唑类等40余系列含能化合物的最新合成研究成果,对部分化合物性能进行了阐述。并结合三唑类含能化合物的性能特点,指出基于构效关系设计新型三唑化合物,平衡能量-安全间的矛盾关系,是发展高能钝感三唑含能化合物的有效策略;在此基础上,设计合成笼状三唑含能化合物是较具潜力的发展方向,并提出筛选综合性能优异的三唑化合物开展应用研究。