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¿Por qué la mayoría de los explosivos tienen estructuras químicas simétricas?

Estaba pasando las páginas de mi diccionario de química, cuando encontré la estructura del TNT (Trinitrotolueno):

Wiki/TNT

...después me interesé por su simetría como explosivo, y empecé a buscar estructuras de otros compuestos explosivos y encontré que casi todos tienen estructuras muy simétricas.... Aquí hay algunos que encontré:

  1. RDX

    RDX

  2. HMX: RDX de alto peso molecular (ciclotetrametileno-tetranitramina)

    HMX

  3. PETN [Tetranitrato de pentaeritritol (PETN)]

    PETN

  4. Heptanitrocubano

    heptan.cubane

  5. HHTDD (hexanitrohexaazatricyclododecanedione)

HHTD

  1. TATB, triaminotrinitrobenceno o 2,4,6-triamino-1,3,5- trinitrobenceno

TATB

Hay muchos otros que se pueden encontrar aquí: wikipedia/explosivos químicos

Me pregunto por qué suelen ser tan simétricas (en comparación con cualquier otra molécula aleatoria no explosiva).

5voto

Kevin Gorski Puntos 2860

La principal razón para sintetizar moléculas simétricas está relacionada con su síntesis:

  • Parte de la simetría se debe a la naturaleza de la propia estructura molecular, como el RDX y el HMX. Esto está relacionado con la estructura tricíclica de la hexametilentetramina. Del mismo modo, para los tri/tetrámeros de la peroxiacetona. En el caso de estas estructuras, se crean más bien de forma espontánea (HMX con cierta ayuda) que mediante una síntesis dirigida de varios pasos.

  • Parte de la simetría se debe a la termodinámica y la cinética de la reacción, que no prefiere las estructuras asimétricas. Por ejemplo, el TNT se produce fácilmente mediante la nitración directa del tolueno, ya que los grupos metilo y nitro dirigen los grupos próximos a las posiciones 2,4,6, formando la molécula simétrica. Un 2,3,4-TNT asimétrico no se crea de esta manera, su síntesis sería mucho más complicada, cara y el producto podría no ser seguro de producir.

    • Muchas moléculas asimétricas no son lo suficientemente estables para ser sintetizadas, o no son químicamente estables para ser conservadas.

En cuanto a la estabilidad de conservación, el ácido pícrico y sus sales son famosos por sus productos de desintegración que hacen que el explosivo sea hipersensible.

  • Una parte de la simetría se debe al bajo control del cociente de la reacción, combinado con la ventaja de que la reacción pasa por todos los pasos. Véase que la nitroglicerina es un éster de trinitrato y el PETN es un éster de tetranitrato.

Si son simétricos, su inestabilidad se distribuye uniformemente sobre la molécula, por lo que son relativamente estables, en comparación con una eventual variante asimétrica, considerando su potencial explosivo. Eso permite su síntesis, su producción segura y barata, su manipulación segura, su envejecimiento seguro.

Si fueran asimétricas, su inestabilidad estaría localizada y concentrada en algunos lugares de la molécula y ésta sería mucho menos estable.

Además, en la gran asimetría de las moléculas más grandes, cabe preguntarse por qué mantener la "parte de la molécula no explosiva".

Consideremos el 2,3,4,5,6-pentanitrodifenilo frente al 2,3,4,5,6-pentanitrotolueno.

Otro ejemplo de explosivo inestable asimétrico es el conocido $\ce{NI3 . NH3}$

Resumen

Yo resumiría la respuesta en que la inestabilidad cinética y termodinámica, junto con la complejidad de la síntesis, discrimina la existencia y producción de explosivos asimétricos, en comparación con un grupo mucho más amplio de compuestos no explosivos.

Además, el origen de la simetría se suele acuñar en simetría de las moléculas elegidas para ser convertidas en explosivas o ser la base estructural de los explosivos.

Ya que su simetría promete formar un explosivo eficiente. Por ejemplo. pentaeritritol es un alkohol perfectamente simétrico con 4 grupos OH a nitrar.

5voto

cajunzman Puntos 1

Antes de hablar de la naturaleza simétrica de los explosivos, podríamos preguntarnos: "¿Por qué contienen tantos grupos nitro?".

La respuesta está en la estimación de las propiedades energéticas que se basa en las ecuaciones de Kamlet y Jacobs derivadas empíricamente 1 .

En estas ecuaciones, el calor liberado por la descomposición, el número de moles de gas producidos y el peso molecular de estos gases son factores críticos. La densidad también es crucial. Cuantas más moléculas de un material de alta energía se puedan empaquetar en el volumen limitado de un proyectil o cohete, mejor.

Por ejemplo Los nitrocubanos que llevan cinco o más grupos nitro contienen suficiente oxígeno para oxidar todos los átomos de carbono e hidrógeno constituyentes a CO, CO2 o H2O gaseosos. Cada uno de ellos, junto con el N2, "explota" del sólido a 12 moléculas gaseosas. La expansión del sólido denso a una gran cantidad de gas (muy expandido por el calor liberado) produce el efecto deseado en los propulsores y explosivos.

Si se examina la vía sintética, entonces

  • El RDX se sintetiza tratando la hexametilentetramina o metenamina, también conocida como hexamina o urotropina con ácido nítrico fumante. La urotropina es una molécula SIMÉTRICA sintetizada a partir de formaldehído y amoníaco. 2

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  • La producción de PETN (tetranitrato de pentaeritritol) se realiza mediante la reacción del pentaeritritol con ácido nítrico concentrado. El pentaeritritol se prepara mediante una reacción de poliadición (aldol) catalizada por bases entre el acetaldehído y 3 equivalentes de formaldehído, seguida de una reacción de Cannizzaro con un cuarto equivalente de formaldehído para dar el producto final. 3

    Se utiliza un precursor simétrico, el pentaeritritol. enter image description here

  • El HMX se obtiene mediante una nitrología en dos etapas de la hexametilentetramina (HMTA) en ácido acético, utilizando la solución de nitrato de amonio en ácido nítrico. Se utiliza un precursor simétrico. 4

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  • El heptanitrocubano se obtiene a partir de la nitración del TNC. El TNC se sintetiza a partir del cubano, que es SIMÉTRICO. 5

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  • La HHTDD (hexanitrohexaazatricyclododecanediona) es esencialmente un análogo abierto de los compuestos de jaula de nitroaminas cíclicas como la CL-20.[6]

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Resumiendo

Las rutas sintéticas utilizadas en la producción conducen a compuestos simétricos en los que se pueden empaquetar más moléculas de un material de alta energía en el volumen limitado de un proyectil o cohete, lo que conduce a una mayor densidad. Para un explosivo determinado, la presión de detonación es proporcional al cuadrado de su densidad.

Referencias

1 http://www.ch.ic.ac.uk/local/projects/wang/discussion1.html

2 https://www.organic-chemistry.org/namedreactions/delepine-reaction.shtm

3 https://en.wikipedia.org/wiki/Pentaerythritol

4 http://www.chemikinternational.com/pdf/2012/01_2012/CHEMIK_2012_p58-63.pdf

5 http://www.ch.ic.ac.uk/local/projects/wang/nitro5.html

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/HHTDD

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