Химики из Великобритании и Турции разработали новый подход к синтезу высокоэнергетических или взрывчатых веществ, основанный на использовании металлоорганических каркасов. В нем они объединили окислитель и топливо, как правило использующиеся в виде смеси, в единую супермолекулярную структуру, обеспечивающую идеальное смешение компонентов. Работа опубликована в журнале Chemical Communications, а кратко с ней можно ознакомиться в блоге Королевского Химического Общества.

Структуры металлоорганических каркасов, полученных авторами. В качестве органических лигандов здесь выступает тетрафтортерефталевая кислота, а в качестве металлов (слева направо, сверху вниз) барий, калий, кальций/стронций, рубидий/цезий. Изображение: L. H. Blair et al. / Chemical Communications, 2015

В качестве окислителя авторы выбрали нитраты щелочных и щелочноземельных металлов — эти вещества, селитры, традиционно использовались в пороховых смесях и многих других классических пиротехнических составах. Как правило, восстановителем при этом выступали порошки углерода (в виде угля), серы или различные органические вещества. В новой работе органическая компонента выступала сразу в двух ролях: как топливо и как ребра молекулярного каркаса, включающего в себя окислитель.

Схема синтеза, в левой колонке органические лиганды: сверху вниз замещенные терефталевая, изофталевая и фталевая кислоты. Изображение: L. H. Blair et al. / Chemical Communications, 2015

Синтез нового материала химики проводили смешивая замещенные ароматические дикарбоновые кислоты и нитраты в органическом растворителе. Процесс самосборки запускали добавлением основания — триэтиламина. В результате образовывался белый кристаллический порошок, энергетические свойства которого исследовали авторы.

Оказалось, что среди различных органических компонент наиболее выраженным эффектом обладает фторированная производная фталевой кислоты. Авторам также удалось связать интенсивность горения материала с его структурой. Например, наиболее прочный каркас (из тетрафтортерефталевой кислоты) соответствовал менее выраженному горению, а фторированные производные оказались лучшими кандидатами для использования в пиротехнике, чем незамещенные кислоты.

Горение комплексов с тетрафторфталевой кислотой (слева направо) кальция, стронция и бария. Изображение: L. H. Blair et al. / Chemical Communications, 2015

Исследователи подчеркивают, что предложенный подход позволяет очень точно управлять структурой получаемых материалов. А она, в свою очередь, является определяющей для их свойств. По словам эксперта в области высокоэнергетических соединений, Нигеля Дэвиса, подобные металлоорганические каркасы могут стать кандидатами на роль инициирующих взрывчатых веществ, поскольку в них можно добиться высокой интенсивности химических реакций даже в граммовых количествах. Однако, свойства новых материалов еще недостаточно изучены и требуют уточнения, в частности, еще неизвестна их чувствительность и устойчивость к трению.

Это не первая попытка синтеза высокоэнергетических каркасов. В 2013 году группа китайских ученых синтезировала комплекс серебра, обладающий каркасной структурой, но он не обладал выраженным разделением на окислительные и восстановительные компоненты, к тому же, использованный химиками азотистый лиганд сложен в получении, в отличие от производных фталевой кислоты.