含能化合物合成反應(yīng)與過程

前言

含能化合物是一種具有特殊性能的合成材料，通常由化學(xué)合成的方法制造。含能化合物是生產(chǎn)制造混合炸藥、發(fā)射藥、固體推進劑的基本材料，是完成槍炮彈丸發(fā)射、火箭導(dǎo)彈推進的動力能源，是戰(zhàn)斗部進行毀傷的威力能源。含能化合物的性能在很大程度上決定了武器裝備的戰(zhàn)技水平，也是發(fā)展先進武器裝備的關(guān)鍵物質(zhì)基礎(chǔ)。  關(guān)于含能化合物合成的理論和方法，國內(nèi)已有學(xué)者作過專門的研究，出版了一些論著。1984年由北京理工大學(xué)周發(fā)岐教授主編的《炸藥合成化學(xué)》，主要論述了單質(zhì)炸藥爆轟參數(shù)的估算、合成方法及結(jié)構(gòu)表征；1993年由南京理工大學(xué)呂春緒教授著的《硝化理論》，深入探討了硝化機理及有關(guān)硝化反應(yīng)的基礎(chǔ)理論；2004年由北京理工大學(xué)歐育湘、劉進全著的《高能量密度化合物》，對高能量密度化合物，特別是CL20的性能、結(jié)構(gòu)及合成方法做了較全面的論述和評價。但針對含能化合物合成反應(yīng)過程的強放熱特征及安全性要求，其制造過程及控制與一般化工過程有較大的差別，目前尚未見專著做過專門的論述。  筆者結(jié)合多年科研工作及研究生論文，特別是國防973項目“高性能含能材料合成機理研究”的最新研究成果，就含能化合物結(jié)構(gòu)及合成路線的計算機輔助設(shè)計、合成反應(yīng)機理、合成方法、化工過程及控制等進行了歸納總結(jié)。以含能化合物結(jié)構(gòu)特點分類，重點論述其合成反應(yīng)的共性規(guī)律，不僅對現(xiàn)有的含能化合物合成研究有所幫助，并且對新型含能化合物的合成具有啟發(fā)作用；本書最后兩章對含能化合物制造過程的工藝、設(shè)備的設(shè)計基礎(chǔ)理論，以及安全控制策略的基本原則進行了闡述。  本書在撰寫過程中注重其理論性、新穎性、先進性、系統(tǒng)性及實用性。適用于本專業(yè)科研人員作為參考書，也可作為高等院校含能材料專業(yè)研究生的教材使用。  本書在撰寫過程中參考了國內(nèi)外有關(guān)文獻資料，并結(jié)合了課題組的科學(xué)研究工作。西安近代化學(xué)研究所呂劍研究員、王伯周研究員、楊建明高級工程師、邱少君高級工程師、李春迎高級工程師、廉鵬高級工程師、劉愆高級工程師、來蔚鵬博士、余慶偉博士，北京理工大學(xué)孟子暉副教授，南京理工大學(xué)呂春緒教授、陸明教授、程廣斌教授、李斌棟副教授、羅軍副教授、葉志文副教授，浙江大學(xué)何潮洪教授、黃志堯教授、戴立言副教授、雷鳴副教授、冀海峰副教授、車圓圓博士、吳可君博士、劉明碩士，中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所趙剛研究員以及西北大學(xué)李華教授等為本書做了大量資料及科學(xué)實驗研究工作，在此一并表示感謝。本書初稿完成后，承蒙南京理工大學(xué)呂春緒教授、西安近代化學(xué)研究所朱春華研究員審閱并提出許多寶貴意見，在此謹向他們表示衷心的感謝！

內(nèi)容概要

　　本書以含能化合物合成為主線，在簡述含能化合物的概念、結(jié)構(gòu)特點及其合成反應(yīng)及過程的進展情況的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)介紹了含能化合物的設(shè)計、合成方法和機理、制造工藝及設(shè)備，重點論述了氮雜環(huán)化合物的合成反應(yīng)、氮雜環(huán)化合物的硝解反應(yīng)、芳香族化合物的硝化反應(yīng)、離子型含能化合物的合成反應(yīng)的反應(yīng)機理，以及典型含能化合物的合成路線及方法。此外，還針對含能化合物制造過程常用的釜式反應(yīng)和管式反應(yīng)過程，闡述了制造過程的工藝、設(shè)備的設(shè)計基礎(chǔ)理論，以及安全控制策略的基本原則。
　　本書在撰寫過程中注重其理論性、新穎性、先進性、系統(tǒng)性及實用性。適合有機化學(xué)、含能材料合成等專業(yè)科研人員閱讀參考，也可作為高等院校含能材料專業(yè)研究生的教材使用。

書籍目錄

1　緒論
　1.1　含能化合物的概念
　1.2　含能化合物的結(jié)構(gòu)特點及分類
　　1.2.1　含能化合物的結(jié)構(gòu)特點
　　1.2.2　含能化合物的分類
　1.3　含能化合物的合成反應(yīng)
　　1.3.1　醛胺縮合反應(yīng)
　　1.3.2　曼尼?？s合反應(yīng)
　　1.3.3　直接硝化（硝解）反應(yīng)
　　1.3.4　間接硝化反應(yīng)
　　1.3.5　疊氮化反應(yīng)
　1.4　含能化合物的合成過程
　　1.4.1　含能化合物合成工藝過程的特點
　　1.4.2　含能化合物合成工藝進展
　1.5　含能化合物合成反應(yīng)與過程展望
　　1.5.1　計算機輔助設(shè)計將成為含能化合物合成與過程研究的重要手段
　　1.5.2　“清潔合成方法”是含能化合物合成反應(yīng)與過程發(fā)展的目標
　參考文獻
2　含能化合物合成計算機輔助設(shè)計
　2.1　含能化合物的分子設(shè)計
　2.2　含能化合物的性能預(yù)估
　　2.2.1　密度的預(yù)估
　　2.2.2　生成焓的預(yù)估
　　2.2.3　爆轟性能的計算與預(yù)估
　　2.2.4　撞擊感度的預(yù)估
　2.3　含能化合物的計算機輔助合成路線設(shè)計
　　2.3.1　計算機輔助合成路線設(shè)計的起源及發(fā)展
　　2.3.2　計算機輔助合成路線設(shè)計在含能材料領(lǐng)域的意義
　　2.3.3　計算機中的化學(xué)反應(yīng)知識
　　2.3.4　計算機輔助合成路線設(shè)計系統(tǒng)的分類
　　2.3.5　反合成法及其在含能化合物計算機輔助合成路線設(shè)計中的應(yīng)用
　　2.3.6　合成樹的裁剪及合成路線優(yōu)劣評價
　參考文獻
3　氮雜環(huán)化合物的合成
　3.1　氮雜四元環(huán)的合成
　　3.1.1　1,3,3-三硝基氮雜環(huán)丁烷
　　3.1.2　其他氮雜四元環(huán)
　3.2　氮雜五元環(huán)的合成
　　3.2.1　單呋咱環(huán)化合物
　　3.2.2　5-硝基四唑及其鹽類化合物
　　3.2.3　五元氮雜環(huán)三唑類化合物
　　3.2.4　4-氨基.3,5-二硝基吡唑（LLM.116）
　　3.2.5　2,3,4-三硝基吡咯和2,3,4,5-四硝基吡咯
　3.3　氮雜六元環(huán)的合成
　　3.3.1　黑索今(RDX)母體環(huán)的合成
　　3.3.2　1,3,5,5-四硝基.1,3-二氮雜環(huán)己烷（DNNC）的合成
　　3.3.3　1,1-二氨基.2,2-二硝基乙烯(FOX.7)的合成
　3.4　氮雜八元環(huán)的合成和機理
　　3.4.1　DPT的合成
　　3.4.2　TAT的合成
　　3.4.3　小分子綜合法
　　3.4.4　其他小分子合成法
　3.5　氮雜籠狀化合物的合成
　　3.5.1　氮雜籠狀含能材料的合成進展
　　3.5.2　CL.20的合成
　　3.5.3　TEX的合成
　3.6　氮雜環(huán)合成的新思路
　　3.6.1　“點擊化學(xué)”在氮雜環(huán)合成中的應(yīng)用
　　3.6.2　超分子策略在氮雜環(huán)合成中的應(yīng)用
　參考文獻
4　氮雜環(huán)化合物的硝解
　4.1　氮雜環(huán)化合物的結(jié)構(gòu)與?化特性
　4.2　硝解劑的特性及選擇
　4.3　硝解反應(yīng)機理及動力學(xué)
　　4.3.1　硝酰陽離子結(jié)構(gòu)與濃度特征
　　4.3.2　RDX合成的硝解反應(yīng)及機理
　　4.3.3　HMX合成的硝解反應(yīng)及其機理
　　4.3.4　籠形氮雜環(huán)化合物的硝解反應(yīng)
　參考文獻
5　含能芳香化合物的合成
　5.1　芳香化合物硝化概述
　　5.1.1　芳香化合物的性質(zhì)
　　5.1.2　芳香化合物硝化反應(yīng)機理簡述
　　5.1.3　芳香化合物硝化的發(fā)展動態(tài)
　5.2　離子液體中硝基芳香化合物的合成
　　5.2.1　咪唑型離子液體中硝基芳香化合物的合成
　　5.2.2　己內(nèi)酰胺型離子液體中硝基芳香化合物的合成
　　5.2.3　吡啶型離子液體中硝基芳香化合物的合成
　　5.2.4　直鏈季銨鹽型離子液體中硝基芳香化合物的合成
　5.3　無機固體酸催化作用下芳香化合物的硝化反應(yīng)
　　5.3.1　分子篩催化作用下芳香化合物的區(qū)域選擇性硝化
　　5.3.2　負載型固體酸催化劑作用下芳香化合物的區(qū)域選擇性硝化反應(yīng)
　　5.3.3　雜多酸催化作用下芳香化合物的區(qū)域選擇性硝化反應(yīng)
　　5.3.4　固體超強酸催化作用下芳香化合物的區(qū)域選擇性硝化
　5.4　過渡金屬及鑭系金屬鹽作用下硝基芳香化合物的合成
　　5.4.1　三氟甲烷磺酸過渡金屬及鑭系金屬鹽對芳香化合物的催化硝化反應(yīng)
　　5.4.2　長鏈全氟烷基磺酸過渡金屬和鑭系金屬鹽對芳香化合物的催化硝化反應(yīng)
　　5.4.3　芳香基磺酸過渡金屬鹽對芳香化合物的催化硝化反應(yīng)
　　5.4.4　全氟磺酰亞胺過渡金屬鹽對芳香化合物的催化硝化
　　5.4.5　其他過渡金屬鹽對芳香化合物的催化硝化
　5.5　相轉(zhuǎn)移催化劑在芳香化合物硝化反應(yīng)中的應(yīng)用
　5.6　微反應(yīng)器在芳香化合物硝化反應(yīng)中的應(yīng)用
　5.7　其他反應(yīng)新體系和新方法在芳香化合物硝化反應(yīng)中的應(yīng)用
　參考文獻
6　離子型含能化合物的合成
　6.1　概述
　6.2　硝仿鹽的合成
　　6.2.1　硝仿的合成
　　6.2.2　硝仿的分離、純化
　　6.2.3　硝仿鹽的轉(zhuǎn)化
　6.3　二硝酰胺鹽的合成
　　6.3.1　ADN的合成
　　6.3.2　其他二硝酰胺鹽的合成
　6.4　離子型富氮含能化合物的合成
　　6.4.1　三唑類離子型富氮含能化合物的合成
　　6.4.2　四唑類離子型富氮含能化合物的合成
　　6.4.3　四嗪類離子型富氮含能化合物
　6.5　離子型全氮化合物
　　6.5.1　N+5離子鹽的合成
　　6.5.2　其他全氮離子的合成設(shè)想
　參考文獻
7　強放熱釜式反應(yīng)過程
　7.1　概述
　7.2　含能化合物反應(yīng)釜的結(jié)構(gòu)
　7.3　攪拌部件
　　7.3.1　攪拌器的類型
　　7.3.2　攪拌器的選型
　　7.3.3　攪拌附件
　7.4　反應(yīng)釜的流動特性
　　7.4.1　流體循環(huán)量和壓頭
　　7.4.2　葉輪雷諾數(shù)
　　7.4.3　攪拌功率的計算
　7.5　含能化合物反應(yīng)釜的傳熱特性
　　7.5.1　反應(yīng)釜的傳熱方式
　　7.5.2　反應(yīng)釜的傳熱計算
　7.6　含能化合物釜式反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)模型
　　7.6.1　攪拌反應(yīng)釜的操作方式
　　7.6.2　釜式反應(yīng)器的物料衡算
　　7.6.3　釜式反應(yīng)器的能量衡算
　　7.6.4　基于數(shù)學(xué)模型的反應(yīng)過程優(yōu)化
　7.7　含能化合物反應(yīng)過程的飛溫模擬及應(yīng)急措施
　　7.7.1　含能化合物反應(yīng)過程的飛溫模擬
　　7.7.2　含能化合物反應(yīng)過程的技術(shù)預(yù)防和應(yīng)急措施
　7.8　含能化合物的反應(yīng)釜放大
　　7.8.1　均相系統(tǒng)的放大
　　7.8.2　非均相系統(tǒng)的放大
　參考文獻
8　強放熱管式反應(yīng)過程
　8.1　概述
　8.2　管式反應(yīng)器中強放熱反應(yīng)模型舉例
　　8.2.1　管式反應(yīng)器內(nèi)硝化甘油反應(yīng)簡介
　　8.2.2　管式反應(yīng)器內(nèi)質(zhì)量和能量衡算
　8.3　管式反應(yīng)器安全問題
　　8.3.1　管式反應(yīng)器的熱交換能力
　　8.3.2　管式反應(yīng)器的本質(zhì)安全問題舉例
　　8.3.3　微管傳熱現(xiàn)象研究進展
　8.4　微反應(yīng)器在強放熱反應(yīng)中的應(yīng)用
　　8.4.1　微反應(yīng)器發(fā)展概況
　　8.4.2　微反應(yīng)器的特點
　　8.4.3　微反應(yīng)器在含能化合物合成中的應(yīng)用
　8.5　小型管式反應(yīng)器檢測技術(shù)
　　8.5.1　光學(xué)檢測法
　　8.5.2　電容檢測法
　　8.5.3　電導(dǎo)檢測法
參考文獻

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：插圖：在進行合成路線設(shè)計時，化學(xué)家會從一類或幾類相關(guān)的反應(yīng)中抽象出某些通用的反應(yīng)模式，再結(jié)合實際需要形成一個或多個基本切實可行的合成反應(yīng)，應(yīng)用于某個特定目標化合物的合成。對化學(xué)家來說，合成路線設(shè)計是一種知識的學(xué)習(xí)與運用過程。從這個角度考慮，用計算機解決合成路線設(shè)計問題，可看作是用計算機模擬化學(xué)家的這種知識學(xué)習(xí)與運用的過程。在這個過程中，首先必須解決的問題，是將化學(xué)家頭腦中的反應(yīng)知識轉(zhuǎn)變成計算機可處理的形式，即建立所謂的反應(yīng)知識表述模型。因此，計算機輔助合成路線設(shè)計系統(tǒng)實際上是由反應(yīng)知識庫和合成分析兩部分組成的。為了提高系統(tǒng)的創(chuàng)新能力，就必須使系統(tǒng)具備與已有知識作類比和外推的能力。因此，在建立反應(yīng)知識庫的時候，應(yīng)盡可能全地提供反應(yīng)條件、反應(yīng)類型、反應(yīng)可能的適用范圍等信息，即讓系統(tǒng)知道此種反應(yīng)對目標化合物的適用性，反應(yīng)條件對目標分子中其他官能團產(chǎn)生的影響，或者反應(yīng)起始物中官能團的存在是否會抑制反應(yīng)的發(fā)生（或產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物）等知識，以便決定應(yīng)采取的應(yīng)對措施。為了提高程序的外推能力，使計算機輔助合成路線設(shè)計系統(tǒng)更加智能化，化學(xué)家們嘗試在反應(yīng)知識的表達模型中加入反應(yīng)的可能適用范圍。例如，哪些官能團可以參與反應(yīng)、反應(yīng)的溫度范圍為多少、反應(yīng)體系的pH值范圍為多少、對較敏感基團在酸、堿、氧化劑、還原劑等存在的條件下是否會發(fā)生反應(yīng)、需不需要采取基團的保護、鈍化等保護策略。

編輯推薦

《含能化合物合成反應(yīng)與過程》由化學(xué)工業(yè)出版社出版。

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