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能量高、感度适中、热稳定性良好的含能材料的合成一直是含能材料领域的研究热点。基于分子设计的思想,设计、合成新型的高能量密度材料,并采用有效的技术方法对材料的相关性能进行预测,是研究高能量密度含能材料最具前景的方法。氮杂环化合物,特别是高氮杂环化合物的合成研究受到了国内外含能材料领域学者的广泛关注。吡唑类化合物具有高的正生成焓以及高的晶体密度,且吡唑环上易于进行硝化等亲电取代反应。硝基吡唑类化合物具有良好的爆炸性能、稳定性能以及与大多数含能材料相容性好等特性,是一类具有潜在应用价值的含能化合物。本研究以4-氯吡唑和1-甲基吡唑为原料,设计了三条合成硝基吡唑类化合物的反应路线。首先,运用DFT-B3LYP方法,在6-311++G(2d,p)基组水平上对4-氟吡唑(4-FP)、NO3-和HX(X=F,Cl,CN)三类单体以及它们所形成的二聚体和三聚体复合物进行了结构优化。研究了4-FP???NO3-???HX三聚体中O???HX、F???HX氢键和C???O相互作用的协同效应。结果表明,在三聚体复合物4-FP???NO3-???HX中存在协同效应,HX分子的存在促进了NO3-与4-FP分子的结合。分子中的原子理论(AIM)分析和自然键轨道(NBO)分析进一步确定了协同效应的存在。然后,运用DFT-B3LYP方法,在6-311++G(2d,p)与cep-31g基组水平上对不同反应路线中的化合物进行了结构优化。通过计算各化合物分子的表面静电势,证明了所设计的合成路线具有实现的可能性并预测了反应发生的位点。4-氯-3,5-二硝基吡唑分子4号位C原子上以及1-甲基-3,4-二硝基-5-碘基吡唑分子5号位C原子上更容易进行亲核取代反应。最后,按照设计的合成路线实验合成了三种硝基吡唑类化合物:1-甲基-3,5-二硝基-4-硝酸酯吡唑,1-甲基-3,4-二硝基-5-硝酸酯吡唑和1-甲基-3,4,5-三硝基吡唑。通过IR和H-NMR产物进行了结构与性能表征,并研究了反应中各因素对目标产物收率的影响。合成的第一种新含能化合物1-甲基-3,5-二硝基-4-硝酸酯吡唑是以4-氯吡唑为原料,经过硝化、亲核取代以及甲基化反应制得。实验结果表明,硝酸根对4-氯-3,5-二硝基吡唑上氯原子的亲核取代反应的较佳条件为n(Ag NO3):n(4-CDNP)=2.5:1,反应温度10℃,反应时间3 h,3,5-二硝基-4-硝酸酯吡唑的收率为97.6%。甲基化反应的较佳条件为反应时间10 h,反应温度40℃,碘甲烷用量为3,5-二硝基-4-硝酸酯吡唑的2倍,1-甲基-3,5-二硝基-4-硝酸酯吡唑的收率为55.2%,总收率为39.8%。同时对目标产物的爆炸性能和撞击感度进行了计算和实验研究。1-甲基-3,5-二硝基-4-硝酸酯吡唑的熔点为93.6-95.2℃,爆温为4124.8 K,爆容为768.70 L·kg-1,爆热为6220.1k J·kg-1,爆速为8.46 km·s-1,爆压为31.6 GPa,爆炸百分数分别为73%,特性落高h50为23.0 cm。1-甲基-3,5-二硝基-4-硝酸酯吡唑的爆轰性能接近于黑索金、奥克托金以及1,3,3-三硝基氮杂环丁烷而优于梯恩梯,撞击感度高于太安,与黑索金相近。TG-DSC-MS测试结果表明,1-甲基-3,5-二硝基-4-硝酸酯吡唑的分解温度为200.4℃,气体分解产物主要包括N2、CO、H2O以及CO2。其他两种含能化合物1-甲基-3,4-二硝基-5-硝酸酯吡唑和1-甲基-3,4,5-三硝基吡唑是以1-甲基吡唑为原料,经过碘代、硝化以及硝酸盐/亚硝酸盐亲核取代制得。以Ag NO3为亲核试剂可以制得1-甲基-3,4-二硝基-5-硝酸酯吡唑,反应的较佳条件为n(Ag NO3):n(MDNIP)=2:1,反应温度40℃,反应时间10 h,1-甲基-3,4-二硝基-5-硝酸酯吡唑的收率为33.6%,总收率为28.7%。以Ag NO2为亲核试剂可以制得1-甲基-3,4,5-三硝基吡唑,反应的较佳条件为n(Ag NO2):n(MDNIP)=2:1,反应温度40℃,反应时间10 h,1-甲基-3,4,5-三硝基吡唑的收率为30.2%,总收率为25.8%。同时对目标产物的爆炸性能和撞击感度进行了计算和实验研究。1-甲基-3,4-二硝基-5-硝酸酯吡唑和1-甲基-3,4,5-三硝基吡唑的熔点分别为84.5-86.1℃和90.8-92.4℃。1-甲基-3,4-二硝基-5-硝酸酯吡唑的爆温为4124.8 K,爆容为768.70 L·kg-1,爆热为6013.2 k J·kg-1,爆速为8.31 km·s-1,爆压为30.4 GPa,爆炸百分数为74%。1-甲基-3,4,5-三硝基吡唑的爆温为4024.6 K,爆容为825.35 L·kg-1,爆热为6352.5 k J·kg-1,爆速为8.09 km·s-1,爆压为30.7 GPa,爆炸百分数为75%。1-甲基-3,4-二硝基-5-硝酸酯吡唑和1-甲基-3,4,5-三硝基吡唑的爆轰性能接近于黑索金、奥克托金以及1,3,3-三硝基氮杂环丁烷而优于梯恩梯,撞击感度高于太安,与黑索金相近。