Лаборатория органического синтеза (№12)

• Выяснение закономерностей образования и химического поведения органических соединений, содержащих ковалентные и/или координационные связи N-O, преимущественно C- и N-нитропроизводных, азоксисоединений различных типов, гетероциклических N-оксидов.

✓  Высокий энергетический потенциал и умеренная чувствительность — два наиболее важных требования к современным энергетическим материалам. Мощный CL-20 и его ранее полученные производные не отвечают требованиям безопасности. Для достижения желаемой цели создания высокоэффективных полициклических каркасных мультинитраминовых структур с пониженной чувствительностью было разработано и синтезировано новое семейство энергетических соединений путём включения алкилнитраминового фрагмента в пентанитро-гексаазаизовюрцитановый скелет. Все полученные соединения были полностью охарактеризованы с помощью масс-спектрометрии высокого разрешения, ИК- и мультиядерной ЯМР-спектроскопии (¹H, ¹³C{ ¹H}, ¹⁴N, ¹⁵N{ ¹H}), а некоторые из них — с помощью монокристальной рентгеновской дифракции. Для целевых веществ энтальпии образования определялись экспериментально с помощью калориметрии сжигания. Были проведены измерения термостойкости и испытания на безопасность. Их энергетические возможности в качестве компонентов ракетного топлива были изучены с использованием термодинамических расчетов высокотемпературных химических равновесий. Наиболее привлекательные из новых веществ, N-метил-N-[(2,6,8,10,12-пентанитро-2,4,6,8,10,12-гексаазаизовюрцитан-4-ил)метил]нитрамид и N,N'-бис[(2,6,8,10,12-пентанитро-2,4,6,8,10,12-гексаазаизовюрцитан-4-ил)метил]нитрамид, обладают высокой плотностью (1.86–1.92 г см^–3), термостойкостью (начало разложения около 223 °С) и энтальпией образования (до 103 кДж кг^–1). Более того, они являются наиболее нечувствительными среди известных энергоёмких производных гексаазаизовюрцитана и в 2/4 раза безопаснее в отношении удара/трения, чем CL-20. Сочетание замечательных свойств делает эти материалы перспективными для использования в высокоэнергетических конденсированных системах.

✓  Для решения актуальных задач по реализации современной космической программы необходим поиск новых высокоэнергетических компонентов ракетного топлива. С этой целью мы создали новое семейство высокоэнергетических материалов — полинитрогексаазаизовюрцитаны, связанные N,N'-метиленовым мостиком, содержащие вторичные амино-, N-нитро-, N-нитрозо-, N-(2,2,2-тринитроэтильные)-, N-азидометильные- концевые группы, а также разработали эффективный подход к их синтезу путём конденсации соответствующих N-метоксиметильных предшественников и целевой функционализации энергоёмкими группами. Все полученные соединения были полностью охарактеризованы с помощью масс-спектрометрии высокого разрешения, ИК- и мультиядерной ЯМР-спектроскопии (¹H, ¹³C{ ¹H}, ¹⁴N, ¹⁵N), а также методом рентгеноструктурного анализа. Для этих веществ энтальпии образования определены экспериментально методом калориметрии сжигания. Были проведены исследования термической стабильности и испытания на безопасность. Их энергетический потенциал в качестве компонентов ракетного топлива был изучен с использованием термодинамических расчётов высокотемпературных химических равновесий. Соединения новой серии обладают высокой плотностью (до 1.95 г см^–3) и термостойкостью (начало разложения до 226 °С). Кроме того, они имеют очень высокую энтальпию образования (до ~2 МДж кг^–1, что в 2 раза больше, чем у CL-20), и пониженную чувствительность к трению (на 100 Н ниже, чем чувствительность к трению CL-20). Замечательные комплексные характеристики делают эти материалы перспективными для использования в энергетических композициях.

✓  Для создания энергетических веществ нового уровня необходимо расширять арсенал методов функционализации энергоёмких структур, с помощью которых можно настраивать их физико-химические и энергетические характеристики на молекулярном уровне. С этой целью мы разработали подход к синтезу новой серии энергетических каркасных соединений с улучшенными свойствами путём введения N-цианогруппы в полинитрогексаазаизовюрцитановый каркас. Структуры полученных соединений были полностью охарактеризованы комплексом физико-химических методов, включая мультиядерную (¹H, ¹³C{ ¹H}, ¹⁴N, ¹⁵N{ ¹H}) ЯМР и ИК-спектроскопию, масс-спектрометрию высокого разрешения, рентгеноструктурный анализ, электронную микроскопию и квантово-химические расчеты. Для полученных веществ проведены испытания на термическую стабильность и безопасность, проведены калориметрические и пикнометрические измерения, а также определен энергетический потенциал путем высокотемпературных термодинамических расчётов химического равновесия. Новые цианопроизводные имеют приемлемую плотность (до 1.92 г/см³) и высокую энтальпию образования (до 2 МДж/кг), что в 2 раза выше, чем у эталонного CL-20. Устойчивость целевых соединений к трению (до 220 Н) является наиболее высокой по сравнению с CL-20 и его известными аналогами. 4,10-Дициано-2,6,8,12-тетранитро-2,4,6,8,10,12-гексаазаизовюрцитан нового ряда является наиболее термически стабильным (T_разл 238 °С) среди известных энергоёмких полинитрогексаазаизовюрцитанов и является первым производным этого семейства, превосходящим CL-20 по термостойкости.