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以连四嗪二氧化物(v-TDO)为基础通过稠联或取代等方式进行分子设计，从而获得兼顾能量和稳定性的高氮高能低感炸药是高能量密度化合物(HEDC)的研究热点之一。本论文运用理论和计算化学方法，对v-TDO化合物进行了系统的理论研究;首先设计了一系列v-TDO高能化合物并对其结构、性能进行了理论预测，进而筛选出性能优良、具有潜在应用价值的HEDC候选物;通过总结v-TDO化合物的构效关系，提出了新型连四嗪含能化合物的分子设计方法;并对相关v-TDO化合物进行了合成研究。其主要内容包括五个部分: 1.在呋咱并v-TDO(FTDO)的基础上设计了氧化呋咱并v-TDO化合物(FTTO-α和FTTO-β)，运用密度泛函理论(DFT)方法研究了它们的分子结构、爆轰性能、热稳定性、感度和分解反应途径，发现FTTO极易分解为二亚硝基v-TDO，相对稳定的FTTO-β可能作为合成单环v-TDO和二连四嗪四氧化物(DTTO)的原料，提出了FTTO-β的合成路线并从热力学的角度评价了反应的可行性; 2.运用DFT方法对1，2，3-三唑并v-TDO(TTDO)、吡唑并v-TDO(PzTDO)、咪唑并v-TDO(ITDO)和嗯唑并v-TDO(OTDO)等唑类杂环并v-TDO化合物进行了理论研究，通过预测爆轰性能、热稳定性和感度筛选出了多个能量水平优于RDX同时具有较好稳定性的高能低感炸药候选物;总结了唑类杂环并v-TDO的构效关系，即硝基和配位氧等吸电子基团在唑环上的位置对结构的稳定性影响巨大，当硝基取代于6位碳原子上时，稳定性所受的负面影响相对较小; 3.理论研究了苯并v-TDO(BTDO)和吡啶并v-TDO化合物(PTDO)的电子结构，预测了亲电位点，结论与实验得到的硝化产物和产率完全吻合，证明在最佳亲电位点进行硝基取代时目标物更加稳定、易得。PTDO上的亲电位点存在一定的规律，即没有引入配位氧的PTDO其亲电位点仍然集中于5位和7位附近且7位通常为最佳位点，引入氮配位氧会影响亲电位点，当配位氧位于非亲电的6位或8位时影响相对较小; 4.用DFT方法研究了六元高氮杂环并v-TDO化合物的配位氧位置与分子稳定性的关系和亲电位点规律。单配位氧位置与分子稳定性大小顺序的关系为6位＞7位＞5位＞8位，双配位氧位置与分子稳定性大小顺序的关系为5、7位＞6、8位＞5、8位，大多情况下分子的亲电位点分别为7位（最佳位点）和5位（次佳位点），当配位氧位于原本亲电的5或7位的氮上时，亲电反应区域朝8位的方向发生一定程度的转移，当两个配位氧原子同时接于5和7位时，其亲电区域偏移程度最大并使8位成为亲电位点;设计了NTTTO、DNPTTO和NTDO三种新型连四嗪HEDC，理论预测了它们的结构和爆轰性能，发现NTTTO和DNPTTO的能量水平与DTTO和CL-20接近，且感度远低于RDX和HMX;NTDO的能量水平与RDX相当，其感度优于低感炸药FOX-7，三种物质均为性能突出的高能低感炸药或高能氧化剂的候选物，证明了兼顾配位氧和亲电位规律的设计原则具有较好的实用性。NTTTO分子具有与DTTO相近的能量、热稳定性和感度，建议把其作为连四嗪HEDC研究方向的重点研究对象之一，必要时作为DTTO的替代物进行深入研究; 5.对FTDO和三种BTDO硝基衍生物的合成工艺进行了研究。提出了一种以3，4-二氨基呋咱为原料经三步合成FTDO的方法，通过平行试验探索了每一步反应的最佳反应条件，使用发烟硝酸和浓硫酸作为FTDO成环的硝化剂，三步反应总收率为38.8％;通过正交实验确定以BTDO为原料合成5-NBTDO、7-NBTDO和DNBTDO的最佳反应条件分别为40℃下物料比n(BTDO)∶n(KNO3)=1∶2时的发烟硫酸/硝酸钾体系、20℃下物料比n(BTDO)∶n(HNO3)=1∶3时的硝硫混酸体系和80℃下物料比n(BTDO)∶n(HNO3)=1∶4时的硝硫混酸体系，产率分别为34.9％、77.1％和19.7％，以5-NBTDO或7-NBTDO为原料，在95℃下物料比n(NBTDO)∶n(发烟硝酸)=1∶8时的发烟硫酸/发烟硝酸体系中合成DNBTDO产率高达90％。