基于甘脲的含能材料的合成研究

发布时间：2020-10-27 19:06

　　 含能材料是指在一定的外界刺激下会发生化学爆炸的物质,主要包括炸药、火药、推进剂、发射药以及点火药等,在军事及工业上都占有重要的地位,对于国民经济建设也起到不可替代的作用。多年来,获得综合性能优异的高能量密度材料一直是国内外含能材料工作者的研究目标。本文基于量子化学理论,对多硝基六氮杂三环十二烷二酮类化合物(化合物I~IV)、TDCD以及叠氮基葫芦脲类化合物(V~VI)进行了理论性能研究,结果显示:HHTDD(化合物IV)密度高达2.04 g/cm3,爆速达到9794 m/s,爆压达到45.7 GPa;化合物I~III密度介于1.921~1.99 g/cm3,爆速介于8877~9409 m/s,爆压介于36.3~41.6GPa。TDCD密度为1.99 g/cm3,爆速达到8410 m/s,爆压达到32.8 GPa,综合性能与RDX相当。而叠氮基葫芦脲类化合物(V~VI)爆速和爆压略低。以上理论计算结果表明,这些化合物均具有良好的爆轰性能,具有足够的合成和性能研究价值。本文以甲酰胺和乙二醛为原料合成DFTHP,之后经缩合反应得到六氮杂三环十二烷二酮盐酸盐,经初步硝化得到四硝基六氮杂三环十二烷二酮(化合物I、II),并对这两步的合成工艺进行了优化。DSC-TG图显示两种化合物都具有较好的热稳定性。采用色谱纯乙腈/NO2BF4硝化体系进一步硝化化合物II,很遗憾未得到HHTDD。TDCD是一种典型的硝基脲类含能材料,具有一定的应用前景。本文以甘氨酸和尿素为原料,经缩合、还原、乙酰化、光催化[2+2]环加成反应,得到了1,3,4,6-四乙酰基八氢环丁基-[1,2-d;3,4-d']二咪唑-2,5-二酮。合成路线中,光催化[2+2]环加成反应是主要限制步骤,对该反应进行了工艺优化。葫芦脲分子具有笼状结构骨架,且骨架可以进行衍生修饰,因此成为含能材料的一个重要前体化合物。将叠氮基引入杂环骨架能明显增加分子的密度和能量水平,因此成为含能材料的一个重要研究方向。本文设计了以尿素与乙二醛为原料合成甘脲,经缩合反应、氧化反应、卤化反应、叠氮化反应制备叠氮基葫芦脲的路线,对氧化反应的工艺条件进行了优化,并以SN1、SN2和自由基三种卤化反应机理研究了其卤化反应。推测由于羟基葫芦脲中赤道位置与两个酰胺基相连使得其卤化反应很难进行。
【学位单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TQ560.1
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 前言
    1.1 高能量密度材料的研究背景
    1.2 硝基环脲类含能材料的研究背景
        1.2.1 脲缩合-硝化法
        1.2.2 小分子缩合-硝化法
        1.2.3 环硝基胍类化合物硝化法
    1.3 HHTDD和TDCD的研究背景
    1.4 本论文的研究内容
第2章 理论计算研究
    2.1 引言
    2.2 7种含能材料的理论计算
    2.3 本章小结
第3章 HHTDD的合成研究
    3.1 实验部分
        3.1.1 实验仪器及试剂
        3.1.2 HHTDD的合成研究
    3.2 结果与讨论
        3.2.1 六氮杂三环十二烷二酮盐酸盐的合成工艺研究
        3.2.2 四硝基六氮杂三环十二烷二酮的合成研究
        3.2.3 两种四硝基六氮杂三环十二烷二酮的热性能测试
        3.2.4 六硝基六氮杂三环十二烷二酮（HHTDD）的合成探索
    3.3 本章小结
第4章 TDCD的合成研究
    4.1 实验部分
        4.1.1 实验仪器及试剂
        4.1.2 TDCD的合成探索
    4.2 光催化[2+2]环加成反应的工艺研究
    4.3 本章小结
第5章 叠氮基葫芦脲的合成研究
    5.1 葫芦脲的合成分离
        5.1.1 甘脲的合成
        5.1.2 葫芦脲的合成与分离
    5.2 葫芦脲的羟基化反应
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 葫芦脲羟基化反应的工艺研究
        5.3.2 羟基化葫芦脲卤化反应研究
    5.4 本章小结
结论与展望
参考文献
附录
攻读学位期间发表论文与研究成果清单
致谢

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本文编号：2858924