新型唑类低熔点含能化合物的分子设计

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为了改进传统TNT基熔铸炸药在生产、贮存等方面的不足,及其能量水平较低等问题,需要寻找替代TNT的新型含能化合物。本研究以熔点范围及能量水平为主要设计依据开展了新型的低熔点含能化合物的分子设计,筛选出性能和稳定性都较好的候选物。同时探究了影响含能化合物熔点的主要因素,为设计和合成新型低熔点高能量密度化合物(HEDC)提供基本依据。主要内容如下:  (1)搜集单唑环类含能化合物的熔点数据,并按照化合物的母体结构和取代基团进行分类,归纳总结熔点等性质与含能化合物结构、取代基、分子量等的变化关系,得到唑类氮杂环含能化合物的结构与熔点之间的规律:分子量较大的化合物熔点一般较高;取代基为庞大的刚性取代基如苯基、苦基等时含能化合物的熔点通常较高;取代基对单唑环类含能化合物熔点的影响远大于分子对称性,而且取代基位置对熔点的影响要远大于取代基数量。取代基的熔点贡献大小顺序为:NH2>NO2>CN~N3>OCH3>CH3。  (2)熔点决定了含能化合物的使用温度下限,是研究含能化合物及界定其使用范围的一个重要参考指标。通过分析含能化合物的晶体结构和分子结构,从化合物分子对称性、分子间氢键、范德华力和电荷力等角度针对多系列唑类化合物熔点的影响因素进行分析,得出了分子间氢键是影响唑类含能化合物熔点的主要因素:甲基能够破坏分子间氢键使得化合物分子间相互作用变弱,而氨基对熔点的影响主要是通过与硝基形成氢键增强了分子间相互作用。此外,共面性较差的化合物熔点相对较低主要是因为分子偶极距较小。  (3)将联唑类含能化合物的熔点数据按照母体结构进行分类比较,归纳总结出熔点影响因素:影响联吡唑类含能化合物熔点的主要因素是取代基位置和分子对称性;联咪唑类含能化合物熔点整体偏高不适合作为低熔点含能化合物设计骨架;影响联三唑和联四唑类含能化合物熔点的因素与联吡唑类相似。  (4)偶氮唑类含能化合物的熔点普遍比较偏高,而且取代基不仅影响它们的熔点,还会对分解温度产生影响:受到氨基和叠氮基的影响,偶氮三唑类含能化合物的分解温度会降低;甲基会使偶氮四唑类含能化合物的分解温度升高。  (5)分别以二唑、三唑和四唑杂环为基本结构单元,设计了几种低熔点含能化合物。计算候选化合物的密度,并利用Kamlet-Jacobs等方程计算爆轰性能,同时预估候选化合物的熔点。通过比较候选化合物的爆轰性能筛选出综合性能较好、可作为熔铸炸药载体的潜在化合物。结果表明,1-氨基-3,4,5-三硝基吡唑、1-甲基-3,5-二硝基吡唑基-4-甲硝胺等几种唑类含能化合物有成为熔铸炸药载体的潜力。
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