Президентская программа
исследовательских проектов

Получены производные фуроксанов для новых энергетических материалов

15.03.2021 | ИОХ РАН
Старший научный сотрудник ИОХ РАН Леонид Ферштат и аспирант Дмитрий Быстров (одни из авторов работы) синтезируют новые соединения. Источник: Дарья Гудакова/ИОХ РАН

Химики из ИОХ РАН совместно со специалистами ФИЦ ХФ РАН объединили усилия по созданию и исследованию новых химических соединений класса фуроксанов. Эти соединения имеют широкую область применения: от потенциальных лекарственных препаратов до компонентов новых высокоэнергетических материалов. В то же время до сих пор сведения об энергетике и стабильности производных фуроксанов достаточно разрознены, а их физико-химические свойства не исследованы системно. Многолетний опыт по синтезу гетероциклических соединений, накопленный в лаборатории азотсодержащих соединений ИОХ РАН, позволил получить представительный ряд производных фуроксанов, причем многие из них были синтезированы впервые. В Центре коллективного пользования ИОХ РАН была подтверждена структура этих соединений, а их физико-химические и энергетические свойства были определены физиками лаборатории энергетических материалов ФИЦ ХФ РАН с применением современных экспериментальных и теоретических методик. Работа поддержана грантом РНФ, а первые результаты опубликованы в журнале Molecules.

Поиск новых, более эффективных энергетических материалов осложняется тем, что энергонасыщенные молекулы часто обладают повышенной чувствительностью к механическому и тепловому воздействию, что делает опасными их хранение, транспортировку и обработку. Цель проекта – комплексное исследование взаимосвязи физико-химических и энергетических свойств соединений, содержащих фуроксановый и тетразольный циклы с последующей разработкой методов направленного синтеза наиболее перспективных веществ, сочетающих термическую стабильность и низкую чувствительность к механическим воздействиям с высоким энергосодержанием.

Фуроксановый цикл из-за его планарности обладает высокой плотностью, а наличие в его структуре двух активных атомов кислорода приводит к более высоким значениям кислородного баланса и, следовательно, к более полному сгоранию энергоемких веществ на его основе. Для проверки теоретических оценок в течение первого года выполнения проекта была синтезирована серия как известных, так и новых производных нитрофуроксанов на основе каскадного one-pot процесса.

«Направленный синтез энергоемких фуроксанов – это весьма нетривиальная задача из-за большого количества азота и кислорода в их составе, – говорит старший научный сотрудник лаборатории азотсодержащих соединений ИОХ РАН, доктор химических наук Леонид Ферштат. – Однако в нашей лаборатории были разработаны удобные и надежные методы сборки этих молекул, которые позволили получить целевые высокоэнергетические материалы в значительных количествах, достаточных для определения их функциональных свойств».

Хороший кислородный баланс обеспечивает высокие расчетные параметры детонации (скорость до 8.8 км/с, теплота взрыва до 6.7 кДж/г). Для синтезированных соединений установлены энтальпии образования, которые и определяют их энергосодержание. Кроме того, эти величины важны для понимания механизма реакций разложения, разработки кинетических моделей и расчета термодинамических параметров.

«Основными методоми определения энтальпии образования в твердой фазе в настоящее время являются прямые калориметрические эксперименты (бомбовая калориметрия сгорания), либо теоретические расчеты, однако в случае энергетических соединений оба подхода имеют свои недостатки. В результате даже, например для тринитротолуола, известного уже более 150 лет, экспериментальные значения энтальпии образования до сих пор различаются между собой более чем на 20 кДж/моль. Для новых соединений разброс данных в литературе еще выше, – говорит старший научный сотрудник лаборатории энергетических материалов ФИЦ ХФ РАН, кандидат технических наук Никита Муравьев. – Однако вместе еще с одним участником проекта, кандидатом физико-математических наук Виталием Киселевым нам удалось разработать и верифицировать альтернативный подход, суть которого заключается в комбинации относительно простых и надежных термогравиметрических экспериментов для определения энтальпии испарения или сублимации и высокоточных теоретических расчетов энтальпии образования вещества в газовой фазе с помощью современных квантовохимических методов».

Установлено, что величина твердофазной энтальпии образования нитрофуроксанов достигает очень высоких значений (например, около 380 кДж/моль для цианонитрофуроксана), а исследования физико-химических и энергетических характеристик синтезированных соединений показали, что варьирование природы заместителя позволяет получать перспективные высокоэнергетические соединения с требуемыми значениями термической стабильности и чувствительности к удару и трению.

Возврат к списку