Квантово-химическое исследование некоторых высокоэнергетических азоло-бис(тетразоло)азинов

Вадим Маркович Волохов; Елена Сергеевна Амосова; Владимир Валерьевич Парахин; Давид Борисович Лемперт; Ольга Андреевна Гончарова; Владимир Валентинович Воеводин

doi:10.14529/cmse260204

Авторы

Вадим Маркович Волохов Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН https://orcid.org/0000-0002-5586-9374
Елена Сергеевна Амосова Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН https://orcid.org/0000-0002-1790-9769
Владимир Валерьевич Парахин Институт органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН https://orcid.org/0000-0003-3258-4875
Давид Борисович Лемперт Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН https://orcid.org/0000-0002-0219-1571
Ольга Андреевна Гончарова Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН
Владимир Валентинович Воеводин Научно-исследовательский вычислительный центр Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

DOI:

https://doi.org/10.14529/cmse260204

Ключевые слова:

квантово-химические расчеты, высокоэнергетические материалы, энтальпия образования, тетрациклические соединения, трис(азоло)азины, трис(тетразоло)[1,3,5]триазины

Аннотация

Высокоэнергетические соединения широко применяются в различных областях промышленности и техники, что обусловливает актуальность разработки новых веществ этого типа и исследования их свойств. В работе представлено квантово-химическое исследование шести высокоэнергетических тетрациклов на основе бис(тетразоло)азинов, аннелированных незамещенными азолами. Цель исследования — определение ключевой энергетической характеристики этих соединений, энтальпии образования в газообразном состоянии, и анализ ее зависимости от молекулярной структуры. Расчеты выполнены в программном комплексе Gaussian 09 методами теории функционала плотности B3LYP/6-311+G(2d,p) и B3LYP/cc-pVTZ, комбинированным методом G4MP2, а также с использованием реализации G4MP2 в программном комплексе NWChem. Энтальпии образования определяли на основе реакций атомизации и изодесмических реакций. Показано, что энтальпия образования в целом возрастает при увеличении содержания азота и числа эндотермических связей в аннелированном азольном фрагменте; максимальное значение получено для трис(тетразоло)-s-триазина. Результаты реализации G4MP2 в NWChem хорошо согласуются с расчетами Gaussian 09, а использование нескольких вычислительных узлов позволяет уменьшить время выполнения задач. Рассчитаны и проанализированы ИК-спектры исследуемых соединений, установлено соответствие характеристических полос поглощения структурным фрагментам молекул. Квантово-химические расчеты выполнены с использованием суперкомпьютера "Ломоносов-2".

Библиографические ссылки

Rice B.M., Pai S.V., Hare J. Predicting heats of formation of energetic materials using quantum mechanical calculations. Combust. Flame. 1999. Vol. 118. P. 445–458. DOI: 10.1016/S0010-2180(99)00008-5.

Byrd E.F., Rice B.M. Improved prediction of heats of formation of energetic materials using quantum mechanical calculations. J. Phys. Chem. A. 2006. Vol. 110. P. 1005–1013. DOI: 10.1021/jp0536192.

Muthurajan H., Sivabalan R., Talawar M.B., et al. Prediction of heat of formation and related parameters of high energy materials. J. Hazard. Mater. 2006. Vol. 133. P. 30–45. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2005.10.009.

Zhong L., Liu D., Hu M., et al. First-principles calculations of solid-phase enthalpy of formation of energetic materials. Commun. Chem. 2025. Vol. 8. P. 1–7. DOI: 10.1038/s42004-025-01544-9.

Larin A.A., Muravyev N.V., Pivkina A.N., et al. Assembly of tetrazolylfuroxan organic salts: Multipurpose green energetic materials with high enthalpies of formation and excellent detonation performance. Chem. Eur. J. 2019. Vol. 25. P. 4225–4233. DOI: 10.1002/chem.201806378.

Luk’yanov O.A., Parakhin V.V., Shlykova N.I., et al. Energetic N-azidomethyl derivatives of polynitro hexaazaisowurtzitanes series: CL-20 analogues having the highest enthalpy. New J. Chem. 2020. Vol. 44. P. 8357–8365. DOI: 10.1039/D0NJ01453B.

Gao H., Zhang Q., Shreeve J.M. Fused heterocycle-based energetic materials (2012–2019). J. Mater. Chem. A. 2020. Vol. 8. P. 4193–4216. DOI: 10.1039/c9ta12704f.

Wu J.T., Xu J., Li W., Li H.B. Coplanar fused heterocycle-based energetic materials. Propellants Explos. Pyrotech. 2020. Vol. 45, no. 4. P. 536–545. DOI: 10.1002/prep.201900333.

Wang S., Huang Y., Ma Q., Chen F.X. Theoretical research on tricyclic-based as high-energy performance energetic materials. J. Mol. Model. 2025. Vol. 31. P. 183. DOI: 10.1007/s00894-025-06401-z.

Kuznetsova A.N., Leonov N.E., Anikin O.V., et al. Parent 1,4-dihydro-[1,2,3]triazolo[4,5-d][1,2,3]triazole and its derivatives as precursors for the design of promising high energy density materials. New J. Chem. 2025. Vol. 49. P. 311–320. DOI: 10.1039/D4NJ04427D.

Volokhov V., Amosova E., Parakhin V., et al. Quantum-Chemical Study of Some Tris(pyrrolo)benzenes and Tris(pyrrolo)-1,3,5-triazines. Supercomputing. RuSCDays 2023. Vol. 14388 / ed. by V. Voevodin, S. Sobolev, M. Yakobovskiy, R. Shagaliev. Cham: Springer, 2023. P. 177–189. Lecture Notes in Computer Science. DOI: 10.1007/978-3-031-49432-1_14.

Volokhov V.M., Parakhin V.V., Amosova E.S., et al. Quantum-Chemical Study of Some Trispyrazolobenzenes and Trispyrazolo-1,3,5-triazines. Supercomput. Front. Innov. 2024. Vol. 11, no. 3. P. 64–73. DOI: 10.14529/jsfi240304.

Volokhov V., Amosova E., Parakhin V., et al. Quantum-Chemical Simulation of Some Triimidazolobenzenes and Triimidazolo-1,3,5-Triazines. Parallel Computational Technologies. PCT 2024. Vol. 2241 / ed. by L. Sokolinsky, M. Zymbler, V. Voevodin, J. Dongarra. Cham: Springer, 2024. P. 292–303. Communications in Computer and Information Science. DOI: 10.1007/978-3-031-73372-7_21.

Volokhov V.M., Parakhin V.V., Amosova E.S., et al. Comparison of Quantum-Chemical Programs and Methods for the Calculation of Enthalpies of Formation of High-Energy Tetracyclic Compounds. Supercomput. Front. Innov. 2025. Vol. 12, no. 2. P. 60–73. DOI: 10.14529/jsfi250205.

Volokhov V., Amosova E., Parakhin V., et al. Quantum-chemical study of unsubstituted tris(triazolo)benzenes and 1,3,5-triazines. Parallel Computational Technologies. PCT 2025. Vol. 2891 / ed. by L. Sokolinsky, M. Zymbler, V. Voevodin, J. Dongarra. Cham: Springer, 2026. P. 386–397. Communications in Computer and Information Science. DOI: 10.1007/978-3-032-22051-6_21.

Volokhov V.M., Parakhin V.V., Amosova E.S., et al. Quantum-chemical study of high energy derivatives of tris(triazolo)benzenes. Lobachevskii Journal of Mathematics. 2025. Vol. 46, no. 8. P. 3883–3894. DOI: 10.1134/S1995080225610100.

Volokhov V.M., Parakhin V.V., Amosova E.S., et al. Quantum-chemical study of high energy derivatives of tris(1,2,4-triazolo)-1,3,5-triazines. Lecture Notes in Computer Science. Vol. 16196. Cham: Springer, 2026. P. 159–171. DOI: 10.1007/978-3-032-13127-0_12.

Chen B., Lu H., Chen J., et al. revealing recent progress on nitrogen-rich energetic materials based on tetrazole skeleton. Top. Curr. Chem. 2023. Vol. 381. A. 25. DOI: 10.1007/s41061-023-00435-8.

Manzoor S., Yin X., Zhang J.G. Nitro-tetrazole based high performing explosives: Recent overview of synthesis and energetic properties. Defence Technology. 2021. Vol. 17. P. 1995–2010. DOI: 10.1016/j.dt.2021.02.002.

Volokhov V., Parakhin V., Amosova E., et al. Quantum-chemical calculations of the enthalpy of formation of isomeric 5/6/5 tricyclic tetrazolotetrazine derivatives annelated with nitroazoles. Supercomputing. RuSCDays 2024. Vol. 15406 / ed. by V. Voevodin, A. Antonov, D. Nikitenko. Cham: Springer, 2024. P. 187–201. Lecture Notes in Computer Science. DOI: 10.1007/978-3-031-78459-0_14.

Hammerl A., Klap¨otke T.M., Rocha R. Azide–tetrazole ring–chain isomerism in polyazido-1,3,5-triazines, triazido-s-heptazine, and diazidotetrazines. Eur. J. Inorg. Chem. 2006. P. 2210–2228. DOI: 10.1002/ejic.200600100.

Hu A., Zhang F. Ab initio molecular dynamics simulations on sensitivity of nitrogen-rich poly-tetrazolo energetic compounds. AIP Conference Proceedings. Vol. 1195, no. 1. American Institute of Physics, 2009. P. 809–812. DOI: 10.1063/1.3295265.

Hu A., Zhang F. A nitrogen-rich C3N12 solid transformed from cyanuric triazide under high pressure and temperature. J. Phys.: Condens. Matter. 2010. Vol. 22. A. 505402. DOI: 10.1088/0953-8984/22/50/505402.

Liang X.Q., Zhou J.J., Zheng Y., Ma F. Theoretical studies on the mechanism of the azido–tetrazole of azido-s-triazine. Natur. Prod. Commun. 2015. Vol. 10. P. 269–272. DOI: 10.1177/1934578x1501000213.

Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., et al. Gaussian 09, Revision B.01. Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2010.

Valiev M., Bylaska E.J., Govind N., et al. NWChem: a comprehensive and scalable open-source solution for large scale molecular simulations. Comput. Phys. Commun. 2010. Vol. 181. P. 1477. DOI: 10.1016/j.cpc.2010.04.018.

Becke A.D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange. J. Chem. Phys. 1993. Vol. 98, no. 7. P. 5648–5652. DOI: 10.1063/1.464913.

Johnson B.J., Gill P.M.W., Pople J.A. The performance of a family of density functional methods. J. Chem. Phys. 1993. Vol. 98, no. 7. P. 5612–5626. DOI: 10.1063/1.464906.

Dunning T.H., Jr. Gaussian basis sets for use in correlated molecular calculations. I. The atoms boron through neon and hydrogen. J. Chem. Phys. 1989. Vol. 90, no. 2. P. 1007–1023. DOI: 10.1063/1.456153.

Curtiss L.A., Redfern P.C., Raghavachari K. Gaussian-4 theory using reduced order perturbation theory. J. Chem. Phys. 2007. Vol. 127, no. 12. A. 124105. DOI: 10.1063/1.2770701.

Curtiss L.A., Redfern P.C., Raghavachari K. Gn theory. Comput. Mol. Sci. 2011. Vol. 1, no. 5. P. 810–825. DOI: 10.1002/wcms.59.

Curtiss L.A., Redfern P.C., Raghavachari K. Gaussian-4 theory. J. Chem. Phys. 2007. Vol. 126, no. 8. P. 084108. DOI: 10.1063/1.2436888.

CCCBDB Vibrational Frequency Scaling Factors. URL: https://cccbdb.nist.gov/vsfx.asp (accessed: 25.12.2025).

NIST-JANAF Thermochemical Tables. URL: https://janaf.nist.gov/ (accessed: 25.12.2025).

Voevodin V.V., Antonov A.S., Nikitenko D.A., et al. Supercomputer Lomonosov-2: Largescale, deep monitoring and online analytics for the user community. Supercomput. Front. Innov. 2019. Vol. 6, no. 2. P. 4–11. DOI: 10.14529/jsfi190201.

Nikitenko D.A., Voevodin V.V., Zhumatiy S.A. Deep analysis of job state statistics on Lomonosov-2 supercomputer. Supercomput. Front. Innov. 2019. Vol. 5, no. 2. P. 4–10. DOI: 10.14529/jsfi180201.