氧桥呋咱类含能材料的研究进展

氧桥呋咱类化合物是一类化学稳定性好、综合性能优良的含能材料.系统论述了几种典型的呋咱醚类化合物(FOF-1、FOF-2、NFME等)、大环呋咱醚类化合物及线性链状呋咱醚类化合物等含能材料的合成及其性能特点.氧桥呋咱类化合物作为含能材料具有良好的应用前景.     

偶氮及氧化偶氮呋咱化合物的合成与表征

以3,4-二氨基呋咱(DAF)为原料,次氯酸钠为氧化剂合成出3,3′-二氨基-4,4′-偶氮呋咱(DAAF);用相对较强的氧化剂过硫酸氢钾的复合盐(OXONETM)氧化DAF得到3,3′-二氨基-4,4′-氧化偶氮呋咱(DAOAF);以100%硝酸为硝化剂硝化DAAF制得3,3′-二硝氨基-4,4′-偶氮呋咱(DNAAF);DAAF和DAOAF分别经重氮化叠氮取代得到3,3′-二叠氮基-4,4′-偶氮呋咱(DADAF)和3-氨基-3′-叠氮基-4,4′-氧化偶氮呋咱(AAAF);DADAF久置一段时间完全转化成5-[4-叠氮基呋咱基]-5H-[1,2,3]三唑并[4,5-c][1,2,5]呋咱内盐(I)。采用红外、质谱、核磁等分析手段对所合成化合物进行表征。     

呋咱含能化合物的合成及其衍生物反应研究进展

阐述了二肟脱水和氧化呋咱还原2种构建呋咱环的主要方法,以及氨基取代呋咱衍生物、硝基取代呋咱衍生物和氰基取代呋咱衍生物的反应;列举了几种典型的呋咱含能化合物如二硝基呋咱(DNF)、二氨基偶氮呋咱(DAAF)、3,4–双(4′–硝基呋咱–3′–基)氧化呋咱(DNTF)、呋咱醚类化合物(FOF–1,FOF–2,FOF–13)和稠环类呋咱含能化合物(MNOTO、4,5,9,10–四硝基–1,4,5,8–四氮杂氢化萘(2,3,–6,7)并双呋咱)的合成方法及性能。     

呋咱系列含能材料的研究进展

本文系统地概述了呋咱系列含能材料的研究进展。     

新型含能材料呋咱类化合物的研究进展

介绍了几种呋咱类含能化合物3,4–二氨基呋咱(DAF)、3,3′–二氨基–4,4′–氧化偶氮呋咱(DAAF)、3,3′–二氨基–4,4′–偶氮呋咱(DAAzF)、3,4–二硝基呋咱基氧化呋咱(DNTF)、3–硝基呋咱–4–甲醚(NFME)、(3 E,4 E)–二肟甲基氧化呋咱(DPX1)的合成方法和性能。通过与其他含能材料的性能对比,可知呋咱类化合物是一类性能优良、具有广阔应用前景、可应用于推进剂的含能材料。     

苦基呋咱醚化合物的性能预估

为得到综合性能优良的高能量密度材料,设计了氧桥苦基呋咱系列化合物苦基-(3-硝基呋咱基-4)醚(FOP)、双(3-硝基呋咱基-4)苦基醚(DFOP)和叁(3-硝基呋咱基-4)苦基醚(TFOP).采用B3LYP/6-31G方法、Kamlet公式及H50经验公式对3种化合物进行了密度、生成焓、爆轰性能及稳定性预估.结果表明,硝基呋咱单元的引入可以大大提高钝感苦基类化合物的密度、生成焓及爆轰性能;苦基的引入可以提高呋咱类化合物的稳定性.     

5-(4-叠氮呋咱基)-[1,2,3]三唑[4,5-c]并呋咱内盐的合成、晶体结构及性能

以3,4-二氨基呋咱为原料,经重氮化-叠氮化、氧化-环化等反应合成了一种新型无氢富氮含能材料5-(4-叠氮呋咱基)-[1,2,3]三唑[4,5-c]并呋咱内盐(AFTF);采用红外光谱、核磁共振、元素分析等方法表征了目标物的结构;获得了AFTF的单晶并进行了晶体结构解析;采用DSC方法研究了AFTF的热稳定性,初步探讨了氧化-环化反应机理;采用Gaussian 09程序CBS-QB3方法计算了AFTF的固相生成热,基于晶体密度和固相生成热,利用EXPLO5爆轰软件预估了AFTF的爆轰性能。结果表明,化合物AFTF晶体为正交晶系,空间群为P 2(1)2(1)2(1),晶胞参数为:a=8.1782(17),b=8.6446(18),c=11.521(2),V=814.5(3)3,Z=4,μ=0.151 mm^-1,F(000)=440;AFTF的熔点为101.02℃,热分解温度为186.39℃;AFTF晶体密度为1.795 g/cm 3(296 K),氮含量为63.6%,理论爆速为8.982 km/s,爆压为33.5 GPa,生成热为1178.9 kJ/mol,爆热为6450.8 kJ/kg,表明AFTF是一种爆轰性能优良的无氢富氮高能量密度化合物,有望应用于高能推进剂或气体发生剂领域;低熔点特性有望使其作为熔铸炸药载体使用。     

3-硝基-4-叠氮基氧化呋咱的性能预估

采用密度泛函理论的B3LYP方法,在6-31G(d)基组水平上得到了3-硝基-4-叠氮基呋咱(NAFO)的全优化构型,并在相同基组水平上求得体系的振动频率,用B3LYP/6-311+G(2d,p)方法求得NAFO的核磁数据。预估了该化合物的前线轨道能级差、密度、生成焓、爆速、爆压和撞击感度。结果表明,该化合物的分子轨道能级差为422.45kJ/mol,理论密度为1.86g/cm3,固相生成焓为572.66kJ/mol,爆速为9 398m/s,爆压为40.71GPa,撞击感度H50为2.8cm,爆轰性能优于RDX和HMX,但其感度较高。     

呋咱类含能化合物及其在推进剂中的应用

讨论了呋咱类含能化合物的分子结构特点和理化性质,综述了典型呋咱化合物即单呋咱、链状呋咱及大环呋咱、稠环呋咱的合成方法,总结了该类含能化合物在推进剂中的应用情况。认为呋咱类含能化合物由于其优良的性能。在推进剂中有广泛的应用前景。     

苦基呋咱醚化合物的合成及表征

为了得到综合性能优良的高能量密度材料,通过将羟基硝基呋咱转化为相应的醇钠盐,分别与苦基氯（PcCl）和2,4-二氯-1,3,5-三硝基苯（DCPc）缩合得到苦基-（3-硝基呋咱基-4）醚（FOP）和双（3-硝基呋咱基-4）苦基醚（DFOP）,采用红外光谱、核磁共振、质谱及元素分析方法对其结构进行了表征。确定了最佳合成条件,FOP合成条件为：PcCl与硝基呋咱醇钠的摩尔比1．0：1．1,反应温度80℃,反应时间16h,以原料PcCl计产品收率达到31％以上;DFOP合成条件为：DCPc与硝基呋咱醇钠的摩尔比1．0：2．7,反应温度80℃,反应时间2h,以原料DCPc计产品收率达到42％以上。     

N,N'-二(硝基苯并二氧化呋咱)草酰胺的合成及爆轰性能研究

合成了化合物N,N'-二(硝基苯并二氧化呋咱)草酰胺并考察了其爆轰性能。3,3',5,5'-四氯-2,2',4,4',6,6'-六硝基草酰苯胺(Ⅰ)在N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中,室温下与叠氮化钠水溶液反应,生成化合物3,3',5,5'-四叠氮基-2,2',4,4',6,6'-六硝基草酰苯胺(Ⅱ),收率79.8%。化合物Ⅱ在丙酸中,110℃左右进行热解脱氮得到目标化合物N,N'-二(硝基苯并二氧化呋咱)草酰胺(Ⅲ),熔点220℃(分解),收率79.1%,并通过红外光谱、质谱及元素分析确定了目标化合物的结构。由密度瓶法测得化合物的密度为1.86 g/cm3,根据氮当量公式计算的理论爆速为8.529 km/s,爆压为33.31 GPa,根据氧平衡指数值计算的h50值为70.02 cm。     

新型呋咱(氧化呋咱)类炸药爆轰参数的理论计算

以3,4-二(氨基呋咱基)氧化呋咱(BAFF)为结构单元设计了一类新型呋咱(氧化呋咱)类炸药分子.运用预测炸药分解产物的BW法则、计算爆速的Rothsteine方法和计算C-J压力的库珀方法等对该类炸药的爆炸参数进行了理论计算,并与HMX等炸药的爆炸参数进行了比较.结果表明,该类炸药的密度大,爆速和爆压介于TATB和HMX之间,是一类新型高能量密度材料化合物.由于该类炸药分子中含呋咱环具有芳香性,预测其分子的稳定性良好.     

3,3′-二硝基氧化偶氮呋咱的合成及性能

以3，4－二氨基呋咱为起始原料合成无氢含能化合物3，3′－二硝基氧化偶氮呋咱（DNOAF），利用IR、NMR、MS和元素分析鉴定了其结构。通过计算得出，DNOAF的标准生成焓为640kJ/mol，爆速D＝9390m/s，爆压Pcj＝40．5GPa。按照以20％DNOAF取代NEPE推进剂中的HMX计算，复合推进剂的比冲为269．2s^－1（以HNIW取代则为268．7s^－1）。     

1,3,4-噁二唑联呋咱含能化合物的设计及构效关系理论研究

在4种1,3,4-噁二唑联呋咱分子骨架上引入三硝基甲基、氟代偕二硝基、硝基及硝氨基等含能基团,设计了5类共10种含能化合物;采用密度泛函方法B3LPY/6-31G(d, p)基组,研究了化合物的物化性能、爆轰性能(密度、生成焓、氧平衡、爆速、爆压)与安全性能(静电势分布和键解离能)间的构效关系。结果表明,三硝基甲基及氟代偕二硝基可大大改善呋咱衍生物的爆轰性能,而联四芳环的1,3,4-噁二唑联呋咱的共轭母体骨架可有效提高致爆基团中C—NO_2的键离解能,是设计高能不敏感含能化合物的有效方法;其中,3,3′-二(5-三硝基甲基-1,3,4-噁二唑)-4,4′-偶氮呋咱(E-1)密度为1.969g/cm~3,爆速达9130m/s,爆压为38.82GPa,最弱键(C—NO_2)键离解能为131.57kJ/mol,表现出优异的综合性能。     

3,4-二氨基呋咱基氧化呋咱合成的反应动力学模型

以3-氨基-4-酰胺肟基呋咱为原料合成了3,4-二氨基呋咱基氧化呋咱,考察了反应体系中反应物浓度、温度和反应时间对反应速率的影响。通过ChemCAD速率回归计算程序对实验数据进行回归计算,并将速率方程进行线性化处理,得到反应级数、反应活化能和频率因子,建立了3,4-二氨基呋咱基氧化呋咱合成反应的动力学模型,计算值与实验值的相对误差均小于1%,说明动力学方程及动力学参数与3,4-二氨基呋咱基氧化呋咱的反应动力学行为相吻合。从反应动力学模型得出,降低反应温度、提高起始原料AAOF浓度、降低硫酸浓度、采用分批加入硫酸的间歇操作方式都可抑制副反应的发生,提高目标产物的转化速率和选择性。     

四嗪类高氮含能化合物的合成与表征

以硝酸胍、水合肼、乙酰丙酮为起始原料制得3,6-对(3,5-二甲基吡唑)-1,2,4,5-四嗪(BT);以BT为前躯体,经亲核取代得到几种1,2,4,5-四嗪类高氮含能化合物,包括3-肼基-6-(3,5-二甲基吡唑)-1,2,4,5-四嗪(HDM PT)、3-叠氮基-6-(3,5-二甲基吡唑)-1,2,4,5-四嗪(IADM PT)、3,6-二肼基-1,2,4,5-四嗪(DHT)、3,6-二叠氮基-1,2,4,5-四嗪(D IAT)、3,6-二胍基-1,2,4,5-四嗪(DGTZ)。采用红外、质谱、核磁等分析手段对其进行了表征。     

3,4-双(4′-氨基呋咱基-3′)氧化呋咱的合成及性能

以丙二腈为起始原料,经亚硝化、重氮化、缩合等反应合成出3,4-双(4′-氨基呋咱基-3′)氧化呋咱(DATF),总收率为50%。经测定,DATF的部分理化及爆轰性能为:密度1.795g/cm3,熔点170~171℃,爆速7177m/s(1.530g/cm3),热分解温度260℃,摩擦感度8%(90°摆角),撞击感度60%(10kg,25cm),真空安定性(5g样品,100℃,48h),放气量0.4~0.7mL。采用差热扫描(DSC)法,测定了DATF的热稳定性及DATF同NC,RDX,HMX和NC/NG体系的相容性。结果表明,DATF具有较好的热稳定性和较低的感度,与RDX,HMX,NC和NC/NG体系有较好的相容性。     

3,4-双(4'-氨基呋咱基-3')氧化呋咱的合成及性能

以丙二腈为起始原料,经亚硝化、重氮化、缩合等反应合成出3,4-双(4′-氨基呋咱基-3′)氧化呋咱(DATF),总收率为50%.经测定,DATF的部分理化及爆轰性能为: 密度1.795 g/cm3,熔点170～171 ℃,爆速7 177 m/s(1.530 g/cm3),热分解温度260 ℃,摩擦感度8%(90°摆角),撞击感度60%(10 kg,25 cm),真空安定性(5 g样品,100 ℃,48 h),放气量0.4～0.7 mL.采用差热扫描(DSC)法,测定了DATF的热稳定性及DATF同NC,RDX,HMX和NC/NG体系的相容性.结果表明,DATF具有较好的热稳定性和较低的感度,与RDX,HMX,NC和NC/NG体系有较好的相容性.     

7-氨基-6-硝基苯并二氧化呋咱的合成、晶体结构及热分析

以间二氯苯胺为起始原料,用氯乙酰基保护氨基的方法,经乙酰化、硝化、叠氮化及脱氮、水解4步合成了7-氨基-6-硝基苯并二氧化呋咱(ANBDF),其中叠氮化及脱氮反应不经分离一锅完成,脱氮反应在80℃完成,其余反应均在0℃至室温下完成。4步反应的得率分别为97.7%,70.0%,82.5%和80.0%。以IR1、HNMR、MS及元素分析对目标化合物的结构进行了表征。制备并测定了ANBDF的晶体结构,其晶体结构属正交晶系,空间群P2121/n;晶胞参数:a=1.3626(3)nm,b=0.6961(13)nm,c=0.95745(3);Dc=1.931 g.cm-3。晶体结构分析表明,ANBDF是一平面分子,分子内存在氢键,分子结构紧密,密度大。DSC分析结果证明,ANBDF在199.3℃达到最大放热峰,是热稳定性能极佳、极具前途的高能量高密度化合物。