TNT ve pikrik asit enerjik maddelerinin ko-kristallerinin deneysel ve teorik yöntemlerle patlayıcı performans özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the explosive performance properties of co-crystals of TNT and picric acid: A combined experimental and theoretical approach
Yazar: İREM TECİMAN
Danışman: DOÇ. DR. NİLGÜN ŞEN
Polis Akademisi / Adli Bilimler Enstitüsü / Delil Bilimi Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Trinitrotoluen (TNT) ve pikrik asit (PA), ideal olmayan termal kararlılıkları ve darbe hassasiyetleri nedeniyle uygulama alanlarında önemli kısıtlamalarla karşılaşmaktadır. Bu çalışmada; 2-kloro-4-iyodoanilin ile ko-kristallendirmenin, TNT ve PA'nın dezavantajlı özelliklerini iyileştirme potansiyeli incelenmektedir. Ko-kristallendirme sürecinin, bu patlayıcıların performansını olumsuz yönde etkilemeden, termal ve darbe hassasiyetlerini artırma üzerindeki etkileri değerlendirilecektir. TNT ve PA'nın 2-kloro-4-iyodoanilin ile 1:1 molar oranında çözücü buharlaştırma yöntemiyle yeni enerjik ko-kristal ve tuz elde edildi. Hedef patlayıcıların kimyasal yapıları tek kristal X-ışını kırınım tekniği ile aydınlatıldı ve kızılötesi spektroskopi, termogravimetrik analiz ile karakterize edildi. Tek kristal X-ışını kırınım sonuçları; TNT:2-kloro-4-iyodoanilin ko-kristalinin π-π etkileşimi, halojen ve hidrojen bağları ile oluştuğunu; PA:2-kloro-4-iyodoanilin tuzunun oluşumunda halojen ve hidrojen bağlarının etkileri olduğunu göstermiştir. Hirshfeld yüzey analizleri bu zayıf etkileşimlerin kristal istiflenmesi için önemli olduğunu vurgulamıştır. Ayrıca, TNT:2-kloro-4-iyodoanilin ko-kristalinin ve Pikrik Asit:2-kloro-4-iyodoanilin tuzunun Hirshfeld yüzey analiz sonuçlarından O…O etkileşim değerlerine bakılarak (sırasıyla 5.6%; 6.7%) TNT:2-kloro-4-iyodoanilin ko-kristalinin darbeye karşı daha az hassasiyet gösterdiği sonucuna varılmıştır. Aynı zamanda, BAM düşme çekici yöntemi (TNT-ko-kristali: 85.6 J; PA tuzu için: 78.2 J) ile de deneysel olarak aynı sonuç elde edilmiştir. TNT:2-kloro-4-iyodoanilin ko-kristalinin ve PA:2-kloro-4-iyodoanilin tuzunun patlama hızı ve patlama basıncı hemen hemen TNT ve PA'nın (sırasıyla 6.77 km/s, 20.87 GPa; 7.28 km/s, 24.87 GPa) değerine yakın değerlerdir. Sonuç olarak, elde edilen yeni enerjik maddeler, düşük duyarlılığa sahip, umut vadeden alternatif patlayıcı madde olarak değerlendirilebilir. Bu nedenle, duyarsız formülasyonlar için gelecekte potansiyel bir patlayıcı alternatifi sunmaktadır.

Abstract:
A novel energetic co-crystal and salt were obtained by solvent evaporation method at a 1:1 molar ratio of TNT and picric acid with 2-chloro-4-iodoaniline. The structures of the target explosives were determined and characterized using single crystal X-ray diffraction technique, infrared spectroscopy, and thermogravimetric analysis (TGA/DTA). Single crystal X-ray diffraction results revealed that in the TNT:2-chloro-4-iodoaniline co-crystal structure, π-π interactions along with halogen and hydrogen bonding govern the architecture, whereas in the PA:2-chloro-4-iodoaniline salt structure, π-π interactions were absent, highlighting the role of halogen and hydrogen bonding arrangements. Hirshfeld surface analyses have underscored the critical role of these weak interactions in the crystalline stacking. Furthermore, based on the Hirshfeld surface analysis results of the TNT:2-chloro-4-iodoaniline co-crystal and PA:2-chloro-4-iodoaniline salt, it has been concluded that the TNT:2-chloro-4-iodoaniline co-crystal exhibits less sensitivity to impact, as indicated by the O…O interaction values (respectively 5.6%; 6.7%). Additionally, experimental results using the BAM fall hammer method (TNT-co-crystal: 85.6 J; PA- salt: 78.2 J) have confirmed the theoretical findings, demonstrating consistency between theoretical predictions and experimental outcomes. The detonation velocity and detonation pressure of the TNT:2-chloro-4-iodoaniline co-crystal and PA:2-chloro-4-iodoaniline salt are nearly equivalent to those of TNT and PA (respectively 6.77 km/s, 20.87 GPa; 7.28 km/s, 24.87 GPa). The decrease in detonation velocity and pressure is attributed to the absence of energetic properties in 2-chloro-4-iodoaniline. In conclusion, the obtained new energetic materials can be considered as promising medium-energy explosives with low sensitivity. Consequently, they represent a promising alternative for the formulation of insensitive explosives in prospective applications.