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新型高性能高稳定性稠环含能化合物的设计与合成

注:文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析


含能材料包括航天推进剂、炸药、烟火剂和气体发生剂,在维护国家安全和支撑国防工业中发挥着不可替代的作用。自从1863年诺贝尔发明了硝化甘油炸药以来,含能材料步入了快速发展的轨道,尽管其能量水平得到了大幅度提高,然而稳定性却存在不同程度的下降。因此,在追求高能量的同时,如何提高化合物的稳定性成为含能材料研究者面对的重要挑战


黑索金(环三亚甲基三硝胺,RDX)作为一种性能优越的工业化生产含能化合物,其衍生化合物的探索是含能材料研究的重点,然而目前的研究结果并不理想。另外,富氮稠环类含能化合物由于具有更高的生成热和更大的环张力,分子层与层之间形成的π-π共轭效应能够显著提高化合物的堆积密度和稳定性,成为近几年研究的热点。


结合以上含能材料存在的问题、发展趋势和哈尔滨工业大学在航空航天领域的特色背景,哈尔滨工业大学(深圳)张嘉教授联合美国爱达荷大学尹平博士和Shreeve教授创新性地合成出平面型稠环含能化合物多硝基1,3,5-三嗪并吡唑(化合物5a)及其系列含能衍生物。多种分析与测试结果表明:与RDX(撞击感度7 J,分解温度205 ℃)相比,化合物5a为平面型稠环结构,具有更低的感度(撞击感度15 J)、更高的分解温度(261 ℃)和更高的堆积密度(1.90 g•cm-3),表现出巨大的应用潜力,可完全替代RDX。同时,其系列衍生物也表现出优异的爆轰性能和稳定性。最后,作者将实验数据和理论分析结合,系统提高了对稠杂环类含能化合物的认知水平,为未来含能材料的设计提供了指导。


这一研究成果发表在近期的Angewandte Chemie International Edition 上。


该论文作者为:Dr. Ping Yin, Prof. Dr. Jiaheng Zhang, Dr. Gregory H. Imler, Dr. Damon A. Parrish, Prof. Dr. Jean'ne M. Shreeve

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Polynitro-Functionalized Dipyrazolo-1,3,5-triazinanes: Energetic Polycyclization toward High Density and Excellent Molecular Stability

Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 8834, DOI: 10.1002/anie.201704687


张嘉恒教授简介


2017.06-至今 哈尔滨工业大学(深圳)教授、研究生导师

2015.10-2017.05 日本横滨国立大学日本学术振兴会(JSPS)特别研究员;合作教授:Masayoshi Watanabe(渡边正义)教授(日本电化学会副主席、日本高分子学会副主席)

2013.07-2015.09 美国爱达荷大学博士后;合作教授:Jean'ne M. Shreeve教授(国际著名氟化学家和含能材料专家,美国国家科学奖章获得者)

2012.06-2013.06 美国爱达荷大学访问学者

2008.09-2013.06 中国农业大学 (985, 211)理学博士;导师:高海翔教授

2004.09-2008.06 中国农业大学 (985, 211)化学专业理学学士


研究领域为绿色化学、离子液体软性材料、离子液体(盐)含能材料、能源材料开发。近五年来,张嘉恒教授在绿色化学、含能离子液体(盐)材料、航天航空推进剂系统、新离子液体合成及应用、离子液体微萃取方法设计、电解液等研究领域取得了一系列高水平的创新性成果,截至2017年11月,共发表SCI论文70余篇,包括Chem. Rev. (共同一作一篇)、J. Am. Chem. Soc.(7篇,5篇为第一作者)、Nat. Commun.(共同一作一篇)、Angew. Chem. Int. Ed.(5篇,4篇为第一作者/通讯作者)、J. Mater. Chem. A(6篇)及Chem. Eur. J.(8篇)等,以第一作者/通讯作者身份发表SCI研究论文40篇,论文总影响因子之和大于450,论文他引次数1600余次,h指数为26,三篇J. Am. Chem. Soc.一作研究文章和一篇Dalton Trans. 入选ESI高引论文。


张嘉恒

http://www.x-mol.com/university/faculty/46711

课题组主页

http://www.hitsz.edu.cn/teacher/view/id-1691.html


科研思路分析


Q:这项研究是什么目的?或者说想法是怎么产生的?

A:这项研究的目的是合成一种性能优良、稳定性高的含能化合物。RDX是一种性能优异的含能材料,但由于不是平面型分子,导致堆积密度仅为1.81 g•cm-3。若能在此基础上合成一种平面型分子结构,其堆积密度必然会得到显著的提高。稠环类含能化合物正是由于具有平面型结构,分子面与面之间形成π-π共轭效应,导致具有较高的堆积密度和较低的感度,在近几年得到含能材料研究者的广泛研究。因此,结合稠环化合物的平面结构特性和RDX的优良含能性能,该研究的思路得以产生。


Q:研究过程中遇到哪些挑战?

A:含能材料分子结构中一般具有大量的N-N、N=N、N-O键等不稳定的高能化学键,因此在实验探索中如何驾驭这些高能化合物是研究中最大的难点和挑战。具体的合成设计中需要综合考虑能量与安全性的平衡,在课题的设计和结果分析等环节中需要充分运用多学科的背景知识对存在的问题进行论证,并在实验中严格按照标准规程进行操作和防护。


Q:该研究成果对含能材料的研发意义是什么?

A:首先,该研究成果表明稠环类含能化合物作为高性能和高稳定性含能材料具有巨大的潜力和前景;其次,该研究成果为高能量密度含能材料家族添加了几种新型的含能材料,化合物5a及其一系列性能和稳定性优良的含能化合物在未来取代RDX方面具有诱人的前景和优势;最后,借助量子化学分析手段,含能材料研究者可以更加清楚地认知含能化合物电子/能量构型与官能团排布之间的关系、结构与性能之间的关系。


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