In der vorliegenden Arbeit wird die Darstellung neuer organischer Polyazide dokumentiert, die durch einfache nucleophile Substitution mittels NaN3 dargestellt werden können. Organische Azide mit der Formel RN3 können sich unter Stickstoff-Abspaltung in exothermen, teilweise explosionsartigen Reaktionen zersetzen. Sie sind daher prinzipiell als energiereiche Materialien (HEDM) für entsprechende Anwendungen geeignet. Die als Treibladungsmaterialien potentiell geeignetsten, handhabungssicheren, dendritischen Polyazide werden unter anderem mittels Thermogravimetrie und Differenzkalorimetrie analysiert. In einer neuen Synthesemethode können die wenig bekannten Heteroazidomethane aus Tris(azidomethyl)amin erzeugt werden. Von besonderem Interesse ist dabei die Synthese neuartiger Azidohalogenmethane. Diese können durch analytische Gas-Chromatographie charakterisiert und mittels präparativer Gas-Chromatographie isoliert werden. Durch die 1,3-dipolare Cycloaddition mit Cyclooctin konnten einige Heteroazidomethane zu Triazolen abgefangen und so einer Einkristall-Röntgen-Strukturanalyse zugeführt werden. Als letztes in der homologen Reihe der Azidomethane noch fehlendes Azid konnte Tetraazidomethan synthetisiert werden. Das Perazidomethan besitzt mit 93.3% den für organische Azide höchstmöglichen Stickstoffgehalt. Seine Existenz wurde bislang lediglich durch molekültheoretische Berechnungen nahegelegt. Die Synthese dieses homoleptischen Kohlenstoffazides gelang durch die Behandlung von Trichloracetonitril mit Natriumazid. Es ließ sich durch präparative GC als extrem explosive, farblose Flüssigkeit isolieren. Mit Hilfe der analytischen GC konnten sowohl der Siedepunkt als auch die Polarität von C(N3)4 abgeschätzt werden. C(N3)4 wird desweiteren durch IR, MS, 13C-NMR und 15N-NMR-Spektroskopie sowie durch Einkristall-Röntgen-Strukturanalysen seiner Abfangprodukte mit Cyclooctin charakterisiert. Mit Wasser zeigt C(N3)4 eine quantitative Hydrolyse unter Bildung von Carbonyldiazid. Durch Austauschprozesse mit Na15N3 konnte die mögliche Dissoziation von C(N3)4 nachgewiesen werden. Reaktionen von C(N3)4 mit Phosphinen führen zu Cyanamidderivaten, mit Norbornen sowie Norbornadien wurden über vielstufige Reaktionsmechanismen Aminotetraazole erhalten.

To enable future environmentally friendly access to space by means of solid rocket propulsion a viable replacement to the hazardous ammonium perchlorate oxidizer is needed. Ammonium dinitramide (ADN) is one of few such compounds currently known. Unfortunately compatibility issues with many polymer binder systems and unexplained solid-state behavior have thus far hampered the development of ADN-based propellants. Chapters one, two and three offer a general introduction to the thesis, and into relevant aspects of quantum chemistry and polymer chemistry. Chapter four of this thesis presents extensive quantum chemical and spectroscopic studies that explain much of ADN’s anomalous reactivity, solid-state behavior and thermal stability. Polarization of surface dinitramide anions has been identified as the main reason for the decreased stability of solid ADN, and theoretical models have been developed to explain and predict the solid-state stability of general dinitramide salts. Experimental decomposition characteristics for ADN, such as activation energy and decomposition products, have been explained for different physical conditions. The reactivity of ADN towards many chemical groups is explained by ammonium-mediated conjugate addition reactions. It is predicted that ADN can be stabilized by changing the surface chemistry with additives, for example by using hydrogen bond donors, and by trapping radical intermediates using suitable amine-functionalities. Chapter five presents several conceptual green energetic materials (GEMs), including different pentazolate derivatives, which have been subjected to thorough theoretical studies. One of these, trinitramide (TNA), has been synthesized and characterized by vibrational and nuclear magnetic resonance spectroscopy. Finally, chapter six covers the synthesis of several polymeric materials based on polyoxetanes, which have been tested for compatibility with ADN. Successful formation of polymer matrices based on the ADN-compatible polyglycidyl azide polymer (GAP) has been demonstrated using a novel type of macromolecular curing agent. In light of these results further work towards ADN-propellants is strongly encouraged. / QC 20101103

In der vorliegenden Arbeit wird die Darstellung neuer organischer Polyazide dokumentiert, die durch einfache nucleophile Substitution mittels NaN3 dargestellt werden können. Organische Azide mit der Formel RN3 können sich unter Stickstoff-Abspaltung in exothermen, teilweise explosionsartigen Reaktionen zersetzen. Sie sind daher prinzipiell als energiereiche Materialien (HEDM) für entsprechende Anwendungen geeignet. Die als Treibladungsmaterialien potentiell geeignetsten, handhabungssicheren, dendritischen Polyazide werden unter anderem mittels Thermogravimetrie und Differenzkalorimetrie analysiert. In einer neuen Synthesemethode können die wenig bekannten Heteroazidomethane aus Tris(azidomethyl)amin erzeugt werden. Von besonderem Interesse ist dabei die Synthese neuartiger Azidohalogenmethane. Diese können durch analytische Gas-Chromatographie charakterisiert und mittels präparativer Gas-Chromatographie isoliert werden. Durch die 1,3-dipolare Cycloaddition mit Cyclooctin konnten einige Heteroazidomethane zu Triazolen abgefangen und so einer Einkristall-Röntgen-Strukturanalyse zugeführt werden. Als letztes in der homologen Reihe der Azidomethane noch fehlendes Azid konnte Tetraazidomethan synthetisiert werden. Das Perazidomethan besitzt mit 93.3% den für organische Azide höchstmöglichen Stickstoffgehalt. Seine Existenz wurde bislang lediglich durch molekültheoretische Berechnungen nahegelegt. Die Synthese dieses homoleptischen Kohlenstoffazides gelang durch die Behandlung von Trichloracetonitril mit Natriumazid. Es ließ sich durch präparative GC als extrem explosive, farblose Flüssigkeit isolieren. Mit Hilfe der analytischen GC konnten sowohl der Siedepunkt als auch die Polarität von C(N3)4 abgeschätzt werden. C(N3)4 wird desweiteren durch IR, MS, 13C-NMR und 15N-NMR-Spektroskopie sowie durch Einkristall-Röntgen-Strukturanalysen seiner Abfangprodukte mit Cyclooctin charakterisiert. Mit Wasser zeigt C(N3)4 eine quantitative Hydrolyse unter Bildung von Carbonyldiazid. Durch Austauschprozesse mit Na15N3 konnte die mögliche Dissoziation von C(N3)4 nachgewiesen werden. Reaktionen von C(N3)4 mit Phosphinen führen zu Cyanamidderivaten, mit Norbornen sowie Norbornadien wurden über vielstufige Reaktionsmechanismen Aminotetraazole erhalten.

<div>For decades, the response of high-energy (HE) density materials at extreme conditions of pressure and temperature from strong insults like burning or impact have been studied in depth by the shock community. Shock physicists aim to develop a fundamental understanding for coupled chemical and physical processes across orders of magnitude spatial and temporal regimes. In order to succeed, this requires extensive collaboration between experiments and simulations, ranging from the electronic to the engineering scales. The end goals would be to develop predictive multiscale models capable of explaining ignition and initiation of HE systems and composites. The collected works in this thesis detail my contributions to the field of HE materials, specifically addressing the chemical reactivity at the atomistic level using reactive molecular dynamics (MD) simulations.</div><div><div>Through this endeavor, we aim to develop a critical understanding for the decomposition processes of HE materials. We begin with a validation the reactive force field, ReaxFF, by addressing the very strong anisotropic shock sensitivity in 2,2-Bis[(nitrooxy)methyl]propane-1,3-diyl dinitrate (PETN) through direct comparison of time-evolved spectra between experiments and simulations. Such strong orientation dependence is thought to relate to the initial decomposition events. Therefore we compare spectra at three different shock pressures, where we observe similar timescales for the disappearance of the NO2 symmetric and antisymmetric stretch modes. A more detailed chemical species analysis indicates that the NO2 molecular species could be considered the primary intermediate which initiates the decomposition process. Furthermore, these results suggest that the combination of explicit MD simulations and ultrafast spectroscopy will be key to the development of a detailed understanding of chemistry at extreme conditions.</div></div><div><div>Following the validation study, we further our understanding of reactivity in HE systems by investigating the differences in kinetics between an ordered and disordered system. It has been shown that shocked material is often severely strained, causing a loss in crystalline order. This in turn results in the disordered materials, such as amorphous solids, having</div><div>faster reactivity due to their higher internal energy and/or lower thermal conductivity. Our results indicate that extra energy is required to break the long-range order in bulk crystalline systems, thus resulting in slower decomposition rates. Further analyses of thermal hotspots point towards slightly faster chemical propagation in the amorphous samples due to lower thermal conductivity. These results provide an understanding for how molecular disorder can be attributed to increased reactivity.</div></div><div><div>After developing an understanding for the initial decomposition processes of HE materials, we turn our attention to a growing interest in the community which is the developing reduced order chemistry models for use in multiscale efforts. Many schemes report mechanisms that are obtained from experiments, which can have large error bars depending on the apparatus and/or extraction technique, or from gas phase simulations, which may not be relevant at shock conditions. To circumvent these issues, we develop a coarse-grained chemical kinetics model from all-atom reactive MD simulations by taking advantage of an unsupervised dimensionality reduction machine learning technique called non-negative matrix factorization. Doing so allows us to represent the overall decomposition chemistry as latent concentrations akin to reactants, intermediates, and products, which we then use to extract kinetics parameters and heats of reaction. These values are implemented into a continuum model, where we could simulate the criticality of thermal hotspots at regimes beyond the reach of MD, as well as verify how uncertainties in the parameters vary as a function of hotspot sizes.</div></div><div><div>Finally, we close with significant progress made towards on-going and future work, where we address two of the most challenging ideas in the field of HE materials: 1) developing definitive chemistry models at extreme conditions, and 2) improving coarse-grained descriptions for multiscale modeling.</div></div>