КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 19-73-20217
НазваниеНовая стратегия конструирования азотсодержащих высокоэнергетических материалов: установление взаимосвязи физико-химических и энергетических характеристик и направленный синтез
Руководитель ПИВКИНА АЛЕВТИНА Николаевна, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук , г Москва
Конкурс №31 - Конкурс 2019 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-407 - Фундаментальные проблемы химической технологии
Ключевые слова высокоэнергетические материалы, чувствительность к механическим воздействиям, термический анализ, термохимия, кинетика, квантовохимические расчеты, нитрофуроксаны, тетразолилфуроксаны, кристаллосольваты.
Код ГРНТИ31.15.25
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Высокоэнергетические материалы (ВМ) являются основными химическими источниками энергии и генераторами рабочих тел в подавляющем большинстве энергосиловых установок, определяя их энергетические и тактико-технические возможности. В настоящее время ведется активный поиск новых материалов с высоким удельным энергосодержанием и перспективных для использования в качестве альтернативных компонентов топлив для смесевых твердых ракетных топлив (СТРТ) и взрывчатых веществ. При этом преследуются такие цели, как улучшение основных рабочих характеристик вещества, повышение безопасности при обращении с ВМ и минимизация негативного воздействия на окружающую среду. Создание высокоэнергетических соединений, обладающих оптимальной энергетической эффективностью (определяемой в первую очередь CHNO-составом, плотностью, и энтальпией образования), высокой термической стабильностью в сочетании с низкой чувствительностью к механическим воздействиям является крайне актуальной проблемой.
Конкретной задачей настоящего проекта является исследование взаимосвязи физико-химических и энергетических характеристик серии энергоемких производных фуроксана и тетразола (ВМ) с последующим направленным синтезом энергоемких гибридных систем, в которых эти гетероциклы связаны друг с другом С-С или C-N связями, а также разработка методов получения конкретной полиморфной модификации CL-20 посредством выделения ее из кристалло-сольватов с ионными жидкостями.
Члены исследовательской группы, предлагающей настоящий проект, являются специалистами именно в области исследования свойств и направленного синтеза высокоэнергетических соединений. Институт химической физики им. Н. Н. Семенова (ИХФ РАН) является одним из лидеров в разработке и применении теоретических и практических методов определения кинетических параметров твердофазных процессов и прогнозирования термической стабильности соединений. Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН (ИОХ РАН) на протяжении нескольких десятилетий является одним из ведущих разработчиков высокоэнергетических соединений военного и промышленного назначения в России. В результате исследований были получены новые типы окислителей и других компонентов (наполнителей, пластификаторов и др.) энергоемких составов, высокоплотные взрывчатые вещества (ВВ).
Для выполнения задач, предложенных в проекте, будет использован комплексный подход, ранее не применявшийся для разработки перспективных высокоэнергетических веществ, который включает:
(i) разработку новых подходов к определению энтальпии образования энергоемких производных классов фуроксана и тетразола, основанного на сочетании квантово-химического моделирования и экспериментального термоаналитического определения энтальпии сублимации/испарения;
(ii) усовершенствование методов термокинетического моделирования для определения кинетических параметров термического разложения и прогнозирования термической стабильности на примерах энергоемких производных фуроксана и тетразола;
(iii) синтез серии энергоемких производных фуроксана и тетразола, включая наработку образцов этих соединений для комплексного исследования их физико-химических и энергетических характеристик;
(iv) разработку методов направленного синтеза перспективных энергоемких производных гибридных систем, в которых фуроксановый и тетразольный гетероциклы связаны друг с другом С-С или C-N связями;
(v) получение кристалло-сольватов CL-20 с ионными жидкостями и разработку методов выделения конкретной полиморфной модификации CL-20 с использованием методов высокоточной дифференциальной сканирующей калориметрии, а также методов рентгенофазового и рентгеноструктурного анализа.
Все проведенные синтетические исследования будут сопровождаться комплексным исследованием физико-химических свойств синтезированных энергоемких производных гибридных систем, которые будут получены с использованием современного парка оборудования ОИ на базе ИОХ РАН и оборудования ИХФ РАН. В качестве арсенала физико-химических методов будут использованы методы оптической и колебательной спектроскопии и спектроскопии ядерного магнитного резонанса, термические методы (термогравиметрия и дифференциально-сканирующая калориметрия), определение чувствительности полученных соединений к механическим воздействиям, дифракционные методы исследования монокристаллов и порошков.
Таким образом, предлагаемый проект имеет высокую степень научной новизны. На примере энергоемких производных фуроксана и тетразола будет разработана комплексная методология диагностики энергоемких соединений, а результаты, полученные при анализе взаимосвязи физико-химических и энергетических характеристик, будут положены в основу рекомендаций как по направленному синтезу энергоемких гибридных структур, содержащих фуроксановый и тетразольный гетероциклы, так и по методам выделения конкретной полиморфной модификации CL-20 из кристалло-сольватов. В целом, полученные в проекте результаты будут иметь большое значение для решения проблем поиска новых перспективных азотсодержащих энергетических соединений других классов и для предотвращения катастрофических явлений взрывного характера.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1.
Киселев В.Г., Голдсмит К.Ф.
Accurate Thermochemistry of Novel Energetic Fused Tricyclic 1,2,3,4- Tetrazine Nitro Derivatives from Local Coupled Cluster Methods
JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY A, J. Phys. Chem. A 2019, 123, 9818−9827 (год публикации - 2019)
10.1021/acs.jpca.9b08356
2. Муравьев Н.В., Киселев В.Г., Моногаров К.А., Пивкина А.Н. Interplay of Thermal Analysis and Quantum Chemistry in Study of Thermochemistry and Phase Transitions of Energetic Materials Proceedings of EUROPYRO/44th International Pyrotechnics Society Seminar, June, 3 – 7 2019, Tours, France, p. 11-19 (год публикации - 2019)
3.
Муравьев Н.В., Киселев В.Г., Моногаров К.А., Мееров Д.Б., Мельников И.Н., Ферштат Л.Л., Махова Н.Н., Пивкина А.Н.
Развитие научных основ диагностики высокоэнергетических материалов для повышения их энергоэффективности и безопасности
Сборник трудов Всероссийской конференции «Химия нитросоединений и родственных азот-кислородных систем» (АКС-2019), 23-25 октября 2019 г., Москва, с.73-75 (год публикации - 2019)
10.29003/m713.aks-2019/73-75
4.
Мельников И.Н., Муравьев Н.В., Кучуров И.В., Пивкина А.Н., Киселев В.Г.
Кинетика и механизм первичных реакций разложения бициклооктогена по данным высокоточных квантовохимических расчетов
Сборник трудов Всероссийской конференции «Химия нитросоединений и родственных азот-кислородных систем» (АКС-2019), 23-25 октября 2019 г., с. 275-278 (год публикации - 2019)
10.29003/m713.aks-2019/275-278
Публикации
1.
Ваддипалли Ш., Киселев В.Г., Бирне А.Н., Голдсмит К.Ф., Здилла М.Д.
Transition-metal-mediated reduction and reversible double cyclization of cyanuric triazide to an asymmetric bitetrazolate involving cleavage of the six-membered aromatic ring
Chemical Science (год публикации - 2020)
10.1039/D0SC04949B
2.
Ларин А.А., Быстров Д.М., Ферштат Л.Л., Коннов А.А., Махова Н.Н., Моногаров К.А., Мееров Д.Б., Мельников И.Н., Пивкина А.Н., Киселев В.Г., Муравьев Н.В.
Nitro-, Cyano-, and Methylfuroxans, and Their Bis-Derivatives: From Green Primary to Melt-Cast Explosives
Molecules, Molecules, 2020, 25, 5836. (год публикации - 2020)
10.3390/molecules25245836
Публикации
1.
Чаплыгин Д.А., Ларин А.А,, Муравьев Н.В., Мееров Д.Б., Косарева Е.К., Киселев В.Г., Пивкина А.Н., Ананьев И.В., Ферштат Л.Л.
Nitrogen-rich metal-free salts: a new look at the 5-(trinitromethyl)tetrazolate anion as an energetic moiety
Dalton Transactions, 2021, V. 50, P. 13778-13785. (год публикации - 2021)
10.1039/d1dt02688g
2.
Муравьев Н.В., Мееров Д.Б., Моногаров К.А., Мельников И.Н., Косарева Е.К., Ферштат Л.Л., Шереметев А.Б., Далингер И.Л., Фоменков И.В., Пивкина А.Н.
Sensitivity of energetic materials: Evidence of thermodynamic factor on a large array of CHNOFCl compounds
Chemical Engineering Journal, 2021, V. 421, 129804. (год публикации - 2021)
10.1016/j.cej.2021.129804
3.
Муравьев Н.В.
What Shall We Do with the Computed Detonation Performance? Comment on “1,3,4‐Oxadiazole Bridges: A Strategy to Improve Energetics at the Molecular Level”
Angewandte Chemie International Edition, 2021, V. 60, P. 11568–11570 (год публикации - 2021)
10.1002/anie.202104041
4.
Муравьев Н.В., Моногаров К.А., Мельников И.Н., Пивкина А.Н., Киселев В.Г.
Learning to fly: thermochemistry of energetic materials by modified thermogravimetric analysis and highly accurate quantum chemical calculations
Physical Chemistry Chemical Physics, 2021, V. 23, P. 15522–15542 (год публикации - 2021)
10.1039/D1CP02201F
5.
Муравьев Н.В., Мельников И.Н., Моногаров К.А., Кучуров И.В., Пивкина А.Н.
The power of model-fitting kinetic analysis applied to complex thermal decomposition of explosives: reconciling the kinetics of bicyclo-HMX thermolysis in solid state and solution
Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, DOI: 10.1007/s10973-021-10686-6 (год публикации - 2021)
10.1007/s10973-021-10686-6
Публикации
1.
Моногаров К.А., Мееров Д.Б., Фоменков И.В., Пивкина А.Н.
Energy transferred to energetic materials during impact test at reaction threshold: look back to go forward
FirePhysChem, V. 2. (год публикации - 2022)
10.1016/j.fpc.2022.11.003
2.
Муравьев Н.В., Горн М.В., Мельников И.Н., Моногаров К.А., Корсунский Б.Л., Далингер И.Л., Пивкина А.Н., Киселев В.Г.
Autocatalytic decomposition of energetic materials: interplay of theory and thermal analysis in the study of 5-amino-3,4-dinitropyrazole thermolysis
Physical Chemistry Chemical Physics, V. 24, P. 16325–16342 (год публикации - 2022)
10.1039/D1CP04663B
3.
Чаплыгин Д., Ларин А., Мееров Д., Моногаров К., Пронькин Д., Пивкина А., Ферштат Л.
(2-Vinyltetrazolyl)furoxans as New Potential Energetic Monomers
ChemPlusChem, DOI: 10.1002/cplu.202200365 (год публикации - 2022)
10.1002/cplu.202200365
4.
Муравьев Н.В., Пронькин Д.К., Воронин А.А., Кленов М.С,, Далингер И.Л., Моногаров К,А.
Thermal stability of emerging N6-type energetic materials: kinetic modeling of simultaneous thermal analysis data to explain sensitivity trends
Physical Chemistry Chemical Physics, 25, 3666-3680 (год публикации - 2023)
10.1039/D2CP05759J