高能低感含吡啶環硝胺炸藥理論設計與合成研究

項目摘要

為解決炸藥安全性問題，同時保持炸藥的高能量特性，迫切需要合成新型高能低感炸藥，為此開展含吡啶環硝胺炸藥理論設計與合成研究。本項目將含吡啶環炸藥的鈍感性與硝胺炸藥的高能性相結合，將吡啶環引人炸藥分子內的同時，在炸藥分子中又引人含有N-N鍵的硝醯胺基團；採用量子化學密度泛函理論計算，結合化學熱力學和化學動力學研究，對含吡啶環硝胺炸藥進行系統的理論計算，建立分子和晶體結構與爆炸性能和安全性能之間的規律性聯繫，然後，通過理論設計和篩選，提供多個高能低感含吡啶環硝胺炸藥目標物，並預測其主要性能；進行合成路線設計和合成實驗研究，通過縮合反應、N-硝化反應、N-氧化反應、C-硝化反應等以獲得含吡啶環硝胺化合物；對獲得的目標化合物樣品進行爆炸性能和安全性能的測定驗證；最終提供1-2個能量與HMX相當、機械感度明顯低於HMX的含吡啶環高能低感硝胺炸藥的合成方法，以及含吡啶環硝胺類炸藥的理論設計方法。

結題摘要

採用量子化學和分子力學等方法，對設計的系列含吡啶環炸藥分子的分子結構、電子結構、晶體結構、爆轟性能、穩定性等進行了較系統的計算研究，得到了大量含吡啶環高能化合物的基礎數據和一些有價值的規律。取得的研究成果和進展如下：（1）設計了系列含吡啶環的硝胺分子，並對其生成焓（HOF）、晶體密度（ρ）、爆速（D）和爆壓（P）進行了理論研究。根據自然鍵軌道（NBO）、鍵解離能（BDE）和撞擊感度（h50）分析了化合物的穩定性、熱解機理，總結了吡啶硝胺類化合物的分子設計規律。（2）設計了含吡啶環炸藥TNPyO（2,4,6-三硝基吡啶氮氧化物）和PYX（2,6-二苦胺基-3,5-二硝基吡啶）的-NO2、-NH2、-N3、-NHNO2、-ONO2、-CH2C(NO2)3和-NF2衍生物，討論了取代基團對HOF、ρ、Q、D和P的影響；由前線軌道能量、鍵級、BDE和h50評價感度，探討了可能的熱解引發機理。（3）對不同連線基團（-NH-、-CH2-、-N=N-、-CH=N-、-CH=CH-、-NH-NH-和-NH-CH2-NH-）和取代基（-NH2、-NO2 和-NF2）的系列雙吡啶進行了計算，得到了橋連基團和取代基團對爆轟性能以及穩定性的影響規律。（4）預測了吡啶硝胺分子二(1,3-二硝基-二氫-1H-咪唑)並[4,5-b:4’,5’-e]-4-硝基吡啶（BNINP）及其氮氧化物，以及系列吡啶硝胺化合物的晶體結構、能帶結構和態密度圖。（5）研究了高能吡啶分子7-硝基四唑[1,5]呋咱[4,5-b]吡啶氮氧化物（NFP）的分子構型、電子性質、生成焓和爆轟性能，預測了它的兩種晶體結構。通過實驗研究，合成了鈍感單質炸藥2,6-二氨基-3,5-二硝基吡啶-N-氧化物（ANPyO）、2,4,6-三氨基-3,5-二硝基吡啶-N-氧化物（TANPyO）、2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪(ANPZ)、2,6-二氨基-3,5-二硝基吡嗪-N-氧化物（LLM-105）、鈍感單質炸藥中間體2,3,5,6-四氨基吡啶、吡啶並[2,3-b:5,6-b']二咪唑等十多個化合物，比較系統地研究了這些化合物合成過程中的硝化反應、氨化反應、氧化反應、縮合環化反應、溶劑效應等，最佳化了這些化合物的製備工藝條件，為含吡啶環高能低感單質炸藥的進一步研究發展提供了一定的基礎支撐。

高能低感含吡啶環硝胺炸藥理論設計與合成研究

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項目摘要

結題摘要

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