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1.2 氮杂环类含能材料
高能量密度材料(HEDM)以其高性能和敏感性、环境兼容度的降低得到了各国化学家们的青睐，其用途非常广泛。高能量密度材料的研究，具有重大的学术意义，而和深远的应用价值。各个发达国家在此领域展开了系统、深入的研究，己经自主合成了很多种新型高能密度材料，并应用到材料、航天、国防军事，民用爆破等地方，相对而言，我国在此方面还很落后[19]。前苏联曾有一个庞大的计划，对高能量密度材料进行了深入系统的研究;二十世纪八十年代，美国为提高火箭和导弹的性能，制定了高能量密度材料计划;随后日本、澳大利亚、加拿大、印度等国也制定了详细的研究计划[20-23], 目前，已经得到大规模生产的是黑索今(RDX)和奥克托今(HMX)[24,25]。
新含能材料的合成主要方向是寻找更高爆炸性能、更低感度、化学及热稳定性更好的化合物。而一个化合物的性能主要决定于它的密度、氧平衡和生成热。其中密度是一个至关重要的因素,因为由润泽提出了Kamlet经验方程[26] ，爆压、爆速是成正比，依赖于密度的。在HEDM领域，一个最新和最重要的进展是氮杂环含能材料的研究。与传统含能材料相比，新型氮杂环含能材料的能量主要来源于环结构中含有的更多高能N-N键、C-N键和更大的环张力。目前国内外各研究机构均希望在这些化合物中寻找到能量密度高、且安全性能优良的第四代含能材料—高能密度材料(HEDM)。氮杂环含能化合物作为一类重要的含能材料，早就引起世界各国的注意。随着科学技术的不断发展，合成新型多氮杂环化合物吸引了越来越多各国化学家们的目光。近年来，出现了一系列含有一个、两个或多个氮原子的氮杂环和全氮含能化合物的合成及性能的研究报道，其应用也几乎涉及到低特征信号推进剂、新型高能钝感炸药和低烟低残渣烟火药等众多含能材料领域。多氮杂环化合物作为高能量密度材料由于其广泛用途及功能，是未来武器的一种基础性关键材料。氮杂环含能材料研究出现了一些非常有价值的成果，表现出很好的稳定性、钝感性和爆炸性能。
氮杂环类化合物是近几年来新提出的一类新型氮杂环含能材料，其结构主要特征是由存在两个以两个C原子为桥联接的对称氮杂环。其结构中较大的环张力,较多的N-N、C-N键，存在多个能够引入硝基等含能官能团的位置等优势，可以预测其含能量、氧平衡、钝感性非常优越，一出现就得到了广泛关注。目前研究还在研究阶段，未投入到实际配方应用中，研究价值非常大，而对于迫切寻找新型低易损炸药来代替TATB的我国来说，其价值无疑是巨大的。
从基本的含能原料，双氮杂环类含能材料一步步发展，结构由简单到复杂，分子量也越来越大。如：从硝基胍逐步发展发现了化合物2～7，并且在将来会发现更多更复杂的高能量密度化合物。
图1.2.1 几种氮杂环类化合物结构式
而在所有这些化合物中，都存在着一个共同的结构，硝亚胺基。科学家们对硝基胍研究发现，硝亚胺基结构中所含含能量相当可观。而通过尽可能多得将硝亚胺基机构引入到各种结构中，以期获得理想的高能量密度化合物。而氮杂环化合物就成了理想的载体，并且在实际研究中，得到很多含能量很高的化合物，也直接肯定了这种思路。不过一些化合物也存在一些稳定性不够的问题，单个氮杂环中较大的环张力是科学家们需要解决的问题。而当引入到并联氮杂环结构中后，发现含能量和稳定性测试数据都得到提高。就这样，我们看到以上化合物的结构式中，分子中硝亚胺基官能团不断增加，甚至可以通过扩展环来继续构建硝亚胺基含能官能团体系，而并联氮杂环结构使稳定性增加，保证了这种思路能得到预期的高能效、稳定、钝感的目标。这种思路是非常开阔的，也给了研究人员巨大的拓展空间。其中化合物化合物1-3的各种性能和合成已经见诸报道了，本论文讨论的是化合物4二硝基甘胍的合成。化合物5-7是目前科研人员积极研究的课题。