几种含氟类含能化合物的设计及合成研究

摘要

含氟类含能化合物是一类重要的炸药。设计并合成新型含氟类含能化合物，对于提高传统的含C、H、O、N类含能化合物能量，平衡能量与感度间所形成的矛盾具有深远的意义。本文设计并合成了几种含有氟元素的新型含能化合物，并对其结构和主要性能进行了测试表征。主要工作如下： 以苯环，三唑环为主要的结构单元，以-NO2，-NH2，-ONO2，-N3，-NHNO2为含能官能团，-OCF3，-CHF2为含氟官能团。设计了六种含能化合物；采用密度泛函理论（DFT）的B3LYP方法，在6-31+G**水平上对设计的化合物进行几何结构优化，进而得到系列化合物的密度。设计合适的等键反应，计算出化合物的生成焓。根据Kamelet-Jacobs方程预估化合物的爆轰性能；使用Multiwfn程序计算化合物静电势分布，预测其感度；考察具有最小键级化学键(即最弱键)的键离解能EBDE，进一步分析含能化合物热稳定性。根据系列化合物的性能预测结果，筛选出3,5-二氨基-2,4,6-三硝基三氟甲氧基苯，3,5-二硝基-1-二氟甲基三唑两种目标化合物，并设计出两种化合物的合成技术路线。 以3,5-二溴三氟甲氧基苯为原料，经一阶硝化、二阶硝化，得到2,4,6-三硝基-3,5-二溴三氟甲氧基苯。以甲酰胺作为反应溶剂，使用氨气作为氨化剂，常压下与2,4,6-三硝基-3,5-二溴三氟甲氧基苯反应，得到目标产物2,4,6-三硝基-3,5-二氨基三氟甲氧基苯。用红外（FT-IR），核磁氢谱碳谱（1H NMR,13C NMR）等手段对产物进行表征，并对合成工艺条件进行了优化。采用差示扫描量热仪（DSC）初步测试了目标产物的热性能，分解温度为326℃，使用撞击感度仪测试其特性落高为123.79cm。 以双氰胺、二盐酸肼为原料，经缩合环化、重排、重氮化反应合成3,5-二硝基三唑（DNT），使用一氯二氟甲烷（CHClF2）为氟化试剂与DNT反应合成3,5-二硝基-1-二氟甲基三唑。详细研究了DAT的硫酸溶液滴加速度对中间体DNT合成产率的影响，探究了由DNT合成3,5-二硝基-1-二氟甲基三唑过程中无机碱种类的影响，使用红外、差热、元素分析，核磁等手段对合成产物进行表征，并对存在的问题进行了探讨。

目录

声明

1绪论

1.1引言

1.2.含氟类含能材料研究现状

1.2.1–NF2类含能材料研究进展

1.2.2–SF5类含能材料研究进展

1.2.3–CF(NO2)2类含能材料研究进展

1.2.4–CF3、-OCF3类含能材料研究进展

1.3课题研究概述

1.3.1课题研究目的及意义

1.3.2课题研究主要内容

2 含氟类新型含能材料的分子设计

2.1 概述

2.2分子设计

2.2.1结构单元选择

2.2.2官能团的选择

2.2.3构造候选分子

2.3 性能参数预测

2.3.1密度理论计算

2.3.2生成热预测

2.3.3爆轰性能计算

2.3.4 键解离能

2.3.5性能预测

2.4 筛选合成目标化合物

2.5 分子合成路线设计

2.5.1 3,5-二氨基-2,4,6-三硝基三氟甲氧基苯合成路线

2.5.2 3,5-二硝基-1-二氟甲基-1,2,4三唑合成路线

2.6 本章小结

3 3,5-二氨基-2,4,6-三硝基三氟甲氧基苯的合成研究

3.1 概述

3.2实验合成路线

3.3 实验仪器及药品

3.4 合成步骤

3.4.1 2,4-二硝基-3,5-二溴三氟甲氧基苯合成

3.4.2 2,4,6-三硝基-3,5-二溴三氟甲氧基苯合成

3.4.3 2,4,6-三硝基-3,5-二氨基三氟甲氧基苯合成

3.5 产物表征及分析

3.5.1 2,4-二硝基-3,5-二溴三氟甲氧基苯表征及分析

3.5.2 2,4,6-三硝基-3,5-二溴三氟甲氧基苯表征

3.5.3 2,4,6-三硝基-3,5-二氨基三氟甲氧基苯表征

3.6结果与讨论

3.6.1硝化机理及过程

3.6.2合成工艺探讨

3.7 性能测试

3.7.1热性能测试

3.7.2撞击感度测试

3.8本章小结

4 3,5-二硝基-1-二氟甲基-1,2,4-三唑的合成探索

4.1 概述

4.2合成路线

4.3 实验仪器及药品

4.4 合成过程

4.4.1 3,5-二氨基-1,2,4-三唑的合成

4.4.2 3,5-二硝基-1,2,4-三唑（DNT）的合成

4.4.3 1-二氟甲基-3,5-二硝基-1,2,4-三唑合成探索

4.5合成机理及可行性分析

4.5.1 3,5-二氨基-1,2,4-三唑合成反应过程

4.5.2 3,5-二硝基-1,2,4-三唑合成反应过程

4.5.3 1-二氟甲基-3,5-二硝基-1,2,4-三唑合成可能机理

4.6产物表征分析

4.6.1 3,5-二氨基-1,2,4-三唑产物表征

4.6.2 3,5-二硝基-1,2,4-三唑（DNT）产物表征

4.6.3 1-二氟甲基-3,5-二硝基-1,2,4-三唑表征

4.7.结果与讨论

4.7.1合成路线优化

4.7.2 1-二氟甲基-3,5-二硝基-1,2,4-三唑合成结果分析

4.8 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢