具有"565"结构含能化合物的分子设计、合成及性能研究

Tetranitroglycoluril (TNGU) is of an important energetic compound with excellent detonation properties. However, it is very unstable in the moisture which limits its application. In this report, a series of compounds that based on TNGU were designed in order to obtain nitrogen-rich energetic compounds both with excellent detonation properties and stabilities. Firstly, density functional theory (DFT) calculations at the B3LYP/6-31G (d,p) theoretical level were employed to screen the energetic compounds with better energetic properties and higher stabilities. Then, the screened compounds were synthesized via verities of organic reactions and their structures were also characterized. Finally, nitrogen-rich energetic compounds with high performance and high stabilities were obtained based on the investigation of the properties and stabilities of the synthesized compounds. All the nitrogen-rich energetic compounds may be widely used both in ammunition and civilian which in turn will make great contribution to promote the military and economy.

四硝基甘脲(TNGU)是一种爆轰性能优异的含能化合物，但是由于在潮湿环境下极不稳定而限制了它的应用范围。为解决这个问题，在保证爆轰性能不降低的基础上，本着提高化合物稳定性的原则，本研究项目基于四硝基甘脲的结构，设计了一系列具有“565”结构的新型富氮含能化合物，并利用密度泛函理论(DFT)，在B3LYP/6-31G（d,p）基组水平上计算筛选出性能优异、稳定性较高的化合物；根据筛选结果，通过基本有机单元反应合成筛选出的化合物并进行结构表征；研究所合成化合物的性能及稳定性，以期获得性能优异、稳定性高的富氮含能化合物，并在此基础上建立一套完善的分子设计—分子合成—分子性能评价体系。可以预见，这些新型富氮含能化合物将广泛用于军事装药及民用爆破等领域，为推动我国军事水平的提升和国民经济的发展具有重要意义。

四硝基甘脲是一种爆轰性能优异的含能材料，但是在潮湿环境下极不稳定。为解决这个问题，在提高含能材料稳定性的基础上，本着能量不降低的原则，设计了一系列具有新型结构的高能量密度含能材料。对这些含能材料进行理论计算和模拟，获得了炸药分子安定性和结构之间的关系，并筛选出了一系列性能优异、稳定性较好的高能量密度化合物。对筛选出的含能材料进行合成路线设计及合成方法研究，并研究了其电子结构。具体结论如下：.（1）设计了一系列具有“565”结构的新型含能材料，并计算其生成焓、晶体密度、爆热、爆压、爆速及键解离能。研究了不同侧链含能取代基、端位取代基（C=C/C=N）对其结构和性能的影响，最终筛选出化合物一系列具有优于TNGU的爆轰性能以及较好的热稳定性。其次，还研究了这些化合物的热力学参数、前线轨道能量、静电势以及电子云密度。.（2）根据计算结果，对端位含有硝基胍片段结构的含能材料进行了重点研究。通过加成反应，缩合反应、取代反应、硝化反应等基本有机反应对母体化合物及目标化合物进行了实验室合成研究，进行结构表征，并探讨了其反应机理。此外，还获得了部分化合物的单晶结构，对进一步研究其结构和性能的关系具有重要意义。.（3）对实验室合成的这些化合物进行模拟和计算。计算其生成焓、晶体密度、爆热、爆压和爆速，研究了不同端位含能结构片段对环合反应的影响，研究了这些化合物的红外光谱、热力学参数、前线轨道能量、静电势以及电子云密度。为拓展其他含能材料的合成路径提供了理论依据。