Новая стратегия конструирования азотсодержащих высокоэнергетических материалов: установление взаимосвязи физико-химических и энергетических характеристик и направленный синтез

Создание энергетических материалов (ЭМ), обладающих оптимальной энергетической эффективностью, высокой термической стабильностью и низкой чувствительностью к механическим воздействиям, является крайне актуальной проблемой. В рамках решения этой проблемы, авторы настоящего проекта ставят перед собой задачу поиска взаимосвязи физико-химических и энергетических характеристик на примере серии гибридных энергоемких производных 1,2,5-оксадиазола и 1,2,4-триазола или тетразола, а также производных пиразолилфуроксана. Указанные запланированные к синтезу соединения будут получены впервые. Члены научной группы являются специалистами в области исследования и направленного синтеза ЭМ. ФИЦ ХФ РАН является одним из лидеров в разработке и применении методов определения характеристик ЭМ и кинетических параметров процессов их термолиза. ИОХ РАН на протяжении многих десятилетий является одним из ведущих разработчиков высокоэнергетических соединений в России. Для решения поставленной задачи будут использованы следующие методы и подходы: 1.Разработка направленных и региоселективных методов синтеза гибридных энергоемких гетероциклических систем, объединяющих фрагменты 1,2,5-оксадиазола и 1,2,4-триазола или тетразола в одной молекуле, и насыщенных дополнительными эксплозофорными группами. 2.Разработка региоселективных подходов к сборке гибридных гетероциклических систем на основе пиразолилфуроксанов, объединяющих фрагменты пиразола и 1,2,5-оксадиазола-N-оксида в одной молекуле. 3.Комплексное определение физико-химических и энергетических параметров гибридных структур, как с использованием стандартных методов, так и с помощью разработанных ранее авторским коллективом подходов (термокинетический анализ, эмпирические уравнения для расчета детонационных характеристик, модифицированная методика определения чувствительности образцов ЭМ к ударному воздействию). 4.Исследование термической стабильности ЭМ комплексом термоаналитических методов анализа (ДСК, ТГА, АРК, анализ выделяющихся газов). Для повышения точности построенных моделей будет использован метод высокочувствительной калориметрии (ДСК) при повышенном давлении, а ранее применявшийся для in-situ анализа выделяющихся газов метод ИК-спектроскопии будет дополнен газовой хроматографией и масс-спектрометрией. Экспериментальные данные будут дополнены современными количественными квантовохимическими расчетами для уточнения механизма первичных стадий разложения. 5.Для определения энтальпии образования ЭМ в твердой фазе будет использован разработанный на предыдущем этапе подход, состоящий в комбинации высокоуровневых квантовохимических расчетов газофазной энтальпии образования ЭМ, и результатов измерения энтальпии сублимации, либо расчет энтальпии сублимации по уточненному уравнению Трутона-Вествелла. Полученные термохимические величины будут использованы для оценки параметров горения и детонации ЭМ. Кроме того, результаты квантовохимических расчетов наиболее вероятных каналов разложения и энергетических барьеров будут использованы для уточнения кинетических моделей термолиза синтезированных ЭМ. Все синтезированные структуры будут исследованы с использованием ОИ на базе ИОХ РАН. Таким образом, предлагаемый проект имеет высокую степень научной новизны. На примере впервые синтезированных энергоемких соединений будет использован комплекс разработанных в проекте 2019 года методик диагностики ЭМ, а планируемые результаты составят основу рекомендаций по направленному синтезу новых энергоемких гибридных структур. В целом, реализация проекта будет иметь большое значение для решения проблемы поиска новых перспективных энергетических соединений различных классов для предотвращения катастрофических явлений взрывного характера.