Новости

15 марта, 2021 16:52

Получены производные фуроксанов для новых энергетических материалов

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

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.

13 мая, 2021
Проект МГУ «Флора России» собрал 1 миллион наблюдений дикорастущих растений страны
Ученые биологического факультета МГУ в январе 2019 года запустили на международной платформе ...
13 мая, 2021
Пористые наночастицы помогут эффективнее доставлять лекарства длительного действия
Российские химики получили наноконтейнеры для лекарств из металлоорганического материала на основе ц...