Energetic Materials
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DISSERTATION ZUR ERLANGUNG DES DOKTORGRADES DER FAKULTÄT FÜR CHEMIE UND PHARMAZIE DER LUDWIG-MAXIMILIANS-UNIVERSITÄT MÜNCHEN Synthesis, Characterization, Scale-up and Investigation of Structure-property Relationships of High Energy Density Materials Dominik Ernst Dosch aus Wertheim, Deutschland 2021 Erklärung: Diese Dissertation wurde im Sinne von § 7 der Promotionsordnung vom 28. November 2011 von Herrn Professor Dr. Thomas M. Klapötke betreut. Eidesstattliche Versicherung: Diese Dissertation wurde eigenständig und ohne unerlaubte Hilfe erarbeitet. München, den 23 März 2021 __________________ Dominik Dosch Dissertation eingereicht am: 24. März 2021 1. Gutachter: Prof. Dr. Thomas M. Klapötke 2. Gutachter: Prof. Dr. Konstantin Karaghiosoff Mündliche Prüfung am: 29.04.2021 Danksagung An erster Stelle gilt mein Dank meinem Doktorvater Prof. Dr. Thomas M. Klapötke für die freundliche Aufnahme in seinen Arbeitskreis und die interessante Themenstellung für meine Promotion. Außerdem möchte ich mich für die stetige finanzielle und fachliche Unterstützung meiner persönlichen Forschungsvorhaben sowie für seine Begeisterung für die Erforschung hochenergetischer Materialien bei ihm bedanken und nicht zuletzt für das Vertrauen, welches er beim EURENCO Projekt in mich und meine Fähigkeiten als Chemiker gesetzt hat. Herrn Prof. Dr. Konstantin Karaghiosoff danke ich nicht nur für die freundliche Übernahme des Zweitgutachtens dieser Dissertation, sondern auch für seinen unermüdlichen Einsatz für das IT-Team und das X-Ray Team. Seine Anmerkungen und Korrekturen zu diversen Publikationen waren für mich von unschätzbarem Wert und durch seine freundliche und offene Art konnte er mich auch in schwierigen Phasen immer motivieren. Dafür möchte ich dir meinen Dank aussprechen Conny! Ich hoffe, dass das IT Team auch bei künftigen Raubzügen zum LRZ weiterhin fette Beute macht. Der Prüfungskommission, bestehend aus Prof. Dr. T. M. Klapötke, Prof. Dr. K. Karaghiosoff, Prof. Dr. H. C. Böttcher, Prof. Dr. A. Kornath, Prof. Dr. I. Ivanović- Burmazović und Prof. Dr. O. Trapp danke ich für Ihre Zeit und die Bereitschaft zur Bildung der selbigen. Herrn Dr. Burkhard Krumm danke ich für die gute Betreuung beim EURENCO Projekt, für interessante Anregungen und Diskussionen auch fernab der Chemie, sowie für die Aufnahme zahlreicher NMR Spektren. Bei Herrn Dr. Jörg Stierstorfer möchte ich mich vor allem dafür bedanken, dass er mich bei verschiedenen Projekten sowohl fachlich als auch persönlich herausfordern konnte und mir auf diese Weise eine große Hilfe in meiner Entwicklung als Wissenschaftler war. Durch seine unnachahmliche Art, ist er ein elementarer Bestandteil dieses Arbeitskreises und durch niemanden zu ersetzen. Frau Irene Scheckenbach danke ich für Ihr herausragendes organisatorisches Talent und Ihre Unterstützung bei sämtlichen bürokratischen Angelegenheiten. Eine gute Seele wie Sie im Arbeitskreis zu haben ist Gold wert und ich hoffe für meine Nachfolger, dass sie dieser Funktion noch lange nachgehen kann. Allen während meiner Promotionsdauer anwesenden Kollegen im Arbeitskreis danke ich für die stets sehr gute und freundschaftliche Arbeitsatmosphäre. In möchte mich bei Herrn Dr. Marco Reichel für die gute Zusammenarbeit bei diversen Projekten und Publikationen bedanken. Allen Mitstreitern aus Labor D.3.103 gilt mein besonderer Dank, namentlich Stefan Huber, Alicia Dufter-Münster, Christin Kirst, Alexander Schweiger, Jonathan Tietze und Dr. Sarah Linert. Wir hatten eine großartige Zeit im Labor und ich hoffe, dass euch die Marschmusikmontage, die Cantina-Band, Sputnik Booster, das Bananaphone und der YEE-Dino in Zukunft fehlen werden. I Bei meinen Mentoren aus den beiden Abschlussarbeiten und meinen F-Praktika möchte ich mich ebenfalls bedanken, namentlich bei Dr. Tomasz Witkowski, Dr. Johann Glück, Dr. Johannes Broichhagen, Dr. Oliver Pham-Schönwetter und Dr. Arno Hahma. Ihr alle habt auf eure individuelle Art und Weise einen Beitrag dazu geleistet meine präparativen und fachlichen Fähigkeiten auszubauen und zu verfeinern – Dafür ein herzliches Dankeschön! Mein weiterer Dank gilt meinem F-Praktikanten Daniel Bauer sowie meiner Bachelorandin Veronika Fuchs. Durch ihre präparativen Tätigkeiten und die Mitarbeit konnten beide in erheblichem Maße zu meiner letzten Publikation für diese kumulative Dissertation beitragen. Beide werden ihren Weg in der Wissenschaft erfolgreich gehen und ich schätze sie als ausgezeichnete Chemiker & Kollegen. Bei meinen besten Freunden Max Born, Sebastian Birkholz, Johannes Guilleaume, Christoph Dengel, Thomas Metz, Tobias Fäth und Jörn Dietze möchte ich mich ebenso für Ihre Unterstützung bedanken. Ein Mensch ist nur dann wirklich reich gesegnet, wenn er Freunde wie euch hat, die ihm stets zur Seite stehen, in guten wie in schlechten Tagen! Nicht zuletzt gilt mein Dank meiner Familie, im Besonderen meinen Eltern Ernst und Gisela, sowie meinen Geschwistern Isabell und Christopher. Durch euren unermüdlichen Glauben daran, dass ich alles schaffen kann was ich mir vornehme und durch euren Einsatz für meinen persönlichen Bildungsweg bin ich euch für immer zum Dank verpflichtet. Nicht zu vergessen sind meine Großeltern Irmgard und Bruno, meine Tante Helga, mein Patenonkel Edgar meine „Kosengine“ Alice und die übrigen Ludwigshäfner. Ihr alle seid mir ein einzigartiger Rückhalt im Leben und habt mich von Kindesbeinen an mit allen euch zur Verfügung stehenden Mitteln gefördert und entwickelt. Ohne euren jeweiligen Einfluss, wäre ich heute nicht der Mensch der ich bin und dafür möchte ich mich bei euch allen bedanken, denn ohne euren individuellen Anteil wäre diese Arbeit nicht möglich gewesen. II Table of Contents 1 Introduction ........................................................................................................ - 1 - 1.1 Energetic Materials ........................................................................................... - 1 - 1.1.1 Classification of high energy density materials (HEDMs) ................... - 1 - 1.1.2 Thermostable secondary explosives & booster explosives ................. - 3 - 1.1.3 High energy density oxidizers (HEDOs) for propellants ...................... - 5 - 1.2 Hirshfeld Surface Analysis ................................................................................ - 7 - 1.2.1 Hirshfeld Surface Analysis (HSA) – A short Introduction .................... - 7 - 1.2.2 Safety assessment of energetic materials via HSA ............................ - 9 - 1.3 Motivation and Objectives ............................................................................... - 10 - 1.4 References ..................................................................................................... - 11 - 2 Summary and Conclusion .............................................................................. - 14 - 2.1 An Optimized & Scaled-Up Synthetic Procedure for Trinitroethyl Formate TNEF .............................................................................................................. - 14 - 2.2 Scalability of a Time- and Cost-Effective Procedure for the Synthesis of Picryl Bromide................................................................................................. - 14 - 2.3 Correlation between Structure and Energetic Properties of Three Nitroaromatic Compounds: Bis(2,4-dinitrophenyl) Ether, Bis(2,4,6- trinitrophenyl) Ether, and Bis(2,4,6-trinitrophenyl) Thioether .......................... - 15 - 2.4 Investigation of Structure-Property Relationships of Three Nitroaromatic Compounds: 1-Fluoro-2,4,6-trinitrobenzene, 2,4,6-Trinitrophenyl methanesulfonate, and 2,4,6-Trinitrobenzaldehyde. ....................................... - 16 - 2.5 A Study of 3,5-Dinitro-1-(2,4,6-trinitrophenyl)-1H-pyrazol-4-amine (PicADNP) as a New High Energy Density Booster Explosive ....................... - 17 - 3 An Optimized & Scaled-Up Synthetic Procedure for Trinitroethyl Formate TNEF ................................................................................................................. - 18 - 3.1 Abstract .......................................................................................................... - 18 - 3.2 Introduction ..................................................................................................... - 18 - 3.3 Experimental Section ...................................................................................... - 19 - 3.4 Results and Discussion .................................................................................. - 21 - 3.4.1 Synthesis .......................................................................................... - 21 - 3.4.2 Spectroscopic Characterization and Elemental Analysis .................. - 21 - 3.4.3 Sensitivity Assessment ..................................................................... - 22 - 3.4.4 Thermal Analysis .............................................................................. - 22 - 3.4.5 Storage and Short Term Stability Test .............................................. - 23 - 3.5 Conclusion ...................................................................................................... - 23 - III 3.6 Acknowledgements......................................................................................... - 23 - 3.7 References ..................................................................................................... - 24 - 3.8 Supporting Information ................................................................................... - 25 - 4 Scalability of a Time-