论文部分内容阅读
含能离子液体是一类独特的含能材料,与传统高能炸药如三硝基甲苯(TNT),三亚甲基三硝胺(RDX)和环四亚甲基四硝胺(HMX)等相比,具有蒸汽压低、环境友好、熔点低、热稳定性好等特点,并且对摩擦、撞击、静电等外界刺激钝感,在新型炸药配方和绿色双组元推进剂中都展现出巨大的研究价值和实际应用潜力。咪唑类含能离子液体是一种重要的含能离子盐,咪唑类阳离子与含能阴离子通过复分解或酸碱中和反应形成的离子盐具有较好的稳定性和较高的能量密度。此外,离子液体具有结构可设计性,通过对阴阳离子的合理调整和搭配,使分子本身在能量和安全性之间达到更好的平衡。以N-甲基咪唑、1,2-二甲基咪唑和2-氯乙醇为原料,通过季铵化和复分解反应成功合成了12种N-羟乙基咪唑类含能离子液体(3a~3f和4a~4f),并采用UV-Vis、FT-IR、ESI-MS、1H NMR和13C NMR等对其结构进行了表征确认,利用X-射线单晶衍射,研究了1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑3,5-二硝基-1,2,4-三唑盐(3a)和1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑苦味酸盐(3b)的晶体结构。这些含能离子液体在极性溶剂中具有良好的溶解性。合成的N-羟乙基咪唑类含能离子液体的分解温度介于124~293℃之间,其中大部分离子液体的分解温度在200℃以上,展示出了良好的热稳定性。运用等键反应并结合Gaussian软件计算了合成的N-羟乙基咪唑类含能离子液体的密度和摩尔生成焓,并运用Kamlet-Jacobs公式预测了所合成的12种N-羟乙基咪唑类含能离子液体的爆速和爆压等爆轰参数,结果表明N-羟乙基咪唑类含能离子液体的理论计算密度在1.42~1.59 g·cm-3之间,摩尔生成焓介于-256.07~-15.84 k J·mol-1和39.21~123.63 k J·mol-1范围内,计算爆速在5.97~7.20km·s-1范围内,计算爆压在13.57~20.57 GPa范围内。其中,化合物1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑二硝酰胺盐(3e)的理论爆速为7.20 km·s-1,计算爆压为20.57 GPa,优于TNT,表现出了良好的爆轰性能。以1-(2-羟乙基)-3-甲基咪唑氯化物(1)和1-(2-羟乙基)-2,3-二甲基咪唑氯化物(2)为原料,通过硝化、复分解反应成功合成了14种N-硝酰氧乙基咪唑类含能离子液体(5、6、9a~9f和10a~10f),并采用UV-Vis、FT-IR、ESI-MS、1H NMR和13C NMR等对其结构进行了表征确认,利用X-射线单晶衍射,研究了1-(2-硝酰氧乙基)-3-甲基咪唑苦味酸盐(9b)和1-(2-硝酰氧乙基)-2,3-二甲基咪唑苦味酸盐(10b)的晶体结构。这些含能离子液体在极性溶剂中具有良好的溶解性。合成的N-硝酰氧乙基咪唑类含能离子液体的分解温度介于110~198℃之间,N-硝酰氧乙基咪唑的硝酸盐(5和6)、3,5-二硝基-1,2,4-三唑盐(9a和10a)、苦味酸盐(9b和10b)、二硝酰胺盐(9e和10e)和5-硝基四唑盐(9f和10f)的分解温度均在165℃以上,展示出了良好的热稳定性。运用等键反应并结合Gaussian软件计算了合成的N-硝酰氧乙基咪唑类含能离子液体的密度和摩尔生成焓,并运用Kamlet-Jacobs公式预测了所合成的14种N-硝酰氧乙基咪唑类含能离子液体的爆速和爆压等爆轰参数,结果表明N-硝酰氧乙基咪唑类含能离子液体的理论计算密度在1.49~1.64 g·cm-3之间,摩尔生成焓介于-321.91~-5.63 k J·mol-1和43.88~185.43k J·mol-1范围内,计算爆速在6.62~7.63 km·s-1范围内,计算爆压在17.40~23.84 GPa范围内。化合物1-(2-硝酰氧乙基)-3-甲基咪唑3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮盐(9c)、1-(2-硝酰氧乙基)-3-甲基咪唑5-硝基四唑盐(9f)和1-(2-硝酰氧乙基)-2,3-二甲基咪唑3,5-二硝基-1,2,4-三唑盐(10a)的理论密度均在1.54 g·cm-3以上,计算爆速略高于TNT的值,但计算爆压略低于TNT的值。N-硝酰氧乙基咪唑的硝酸盐(5和6)、苦味酸盐(9b和10b)和二硝酰胺盐(9e和10e)的理论爆速均在7.00 km·s-1以上,计算爆压均在20.00 GPa以上。其中化合物1-(2-硝酰氧乙基)-3-甲基咪唑二硝酰胺盐(9e)的性能最好,爆速为7.63 km·s-1,爆压为23.84 GPa,展现出了优秀的爆轰性能。