PROPELLANS – PERSPECTIVE FRAME COMPOUNDS FOR THE CREATION OF HIGH-ENERGY SUBSTANCES

Abstract

Гетероциклические соединения вызывают большой интерес у исследователей как потенциальные соединения в создании биологически активный веществ или веществ с высокой энергией. 3,7,10-Триоксо-2,4,6,8,9,11-гексааза[3.3.3]пропеллан (ТНАР) состоит из трех конденсированных колец, соединенных одинарной связью C1-C5 является новым, малоизученным веществом, синтезированным во втором десятилетии XXI века. Теоретические расчеты энергий нитропроизводных пропелланов с пятью или шестью атомами азота показали перспективность использования в качестве высокоэнергетических веществ. Целью работы было проведение квантово-химических расчетов теплоты образования и сгорания, а также длины пропеллановой связи нитро- и ацетилпроизводных 3,7,10-триоксо-2,4,6,8,9,11-гексааза[3.3.3]пропеллана и его восстановленного аналога 2,4,6,8,9,11-гексааза[3.3.3]пропеллана (НАР) с различным количеством заместителей. В результате исследовательской работы была выявлена следующая закономерность: последовательное введение нитрогрупп в изучаемую структуру увеличивает теплоты образования получаемых производных, тогда как для ацетильных групп тенденция противоположная. Оказалось, что гексанитропроизводное ТНАР по термодинамической стабильности сравнимо с гексанитробензолом, а восстановленный пропеллан НАР с шестью нитрогруппами сравним с CL-20. Поведение длины пропеллановой связи C1-C5 при последовательном замещении соединения ТНАР нитро- и ацетильными группами. Накопление ацетильных групп вызывает монотонное укорочение этой связи, вплоть до обычной длины C(sp3)-C(sp3). В случае нитрогрупп тенденция более сложная: сначала укорочение, а затем значительное удлинение, до 1.67 Å для шести нитрогрупп в 3,7,10-триоксо-2,4,6,8,9,11-гексанитро-2,4,6,8,9,11-гексааза[3.3.3]пропеллане. Гексаазапропеллан (НАР), несмотря на нежесткую структуру, имеет 22 стабильных конформера, тогда как у ТНАР их 2, и более короткие связи, что вероятно в дальнейшем позволит синтезировать его гексанитро производное. Heterocyclic compounds are of great interest to researchers as potential compounds in the creation of biologically active substances or substances with high energy. 3,7,10-Trioxo-2,4,6,8,9,11-hexaaza[3.3.3]propellane (THAP) consists of three condensed rings connected by a single C1-C5 bond, is a new, poorly studied substance synthesized in the second decade of the 21st century. Theoretical calculations of the energies of nitro-derivatives of propellanes with five or six nitrogen atoms have shown that they are promising for use as high-energy substances. The aim of the work was to carry out quantum-chemical calculations of the heats of formation and combustion, as well as the length of the propellane bond of nitro- and acetyl derivatives of 3,7,10-trioxo-2,4,6,8,9,11-hexaaza[3.3.3]propellane, as well as its reduced analogue 2,4,6,8,9,11-hexaaza[3.3.3]propellane (HAP) with a different number of substitutes. As a result of the research work, the following regularity was revealed: the successive introduction of nitro groups into the structure under study increases the heats of formation of the resulting derivatives, while the trend is opposite for acetyl groups. It turned out that the hexanitro derivative of THAP is comparable in thermodynamic stability to hexanitrobenzene, and the reduced propellane (HAP) with six nitro groups is comparable to CL-20. Behavior of the C1-C5 propellane bond length upon successive substitution of THAP compound with nitro- and acetyl groups. The accumulation of acetyl groups causes a monotonic shortening of this bond, up to the usual length of C(sp3)-C(sp3). In the case of nitro groups, the trend is more complex: first, shortening and then significant lengthening, up to 1.67 Å for six nitro groups in 3,7,10-trioxo-2,4,6,8,9,11-hexanitro-2,4,6, 8,9,11-hexaaza[3.3.3]propellane. Hexaazapropellane (HAP), despite its non-rigid structure, has 22 stable conformers, whereas THAP has two, and shorter bonds, which is likely to make it possible to synthesize its hexanitro derivative in the future.