Energetic polynitrogen compounds : synthesis strategies and reactivity using photochemistry

Les enjeux stratégiques historiques liés à l’exploration spatiale s’accompagnent aujourd’hui de nouveaux enjeux économiques de plus court terme. Une vaste campagne de réduction des coûts de fabrication et de la chaine logistique liée aux lancements s’est ainsi engagée avec des thématiques de réutilisation d’étages propulsifs, de développement de moteurs à rendement plus élevé ou encore de l’utilisation de l’impression 3D. Ainsi, afin de rendre l’accès à l’espace plus compétitif, le lanceur de demain devra être plus simple, plus performant, flexible et réutilisable. Au cœur de cette politique de réduction des coûts se trouvent les propergols. Bien qu’ils ne représentent qu’une faible partie du coût total d’un lanceur, leurs performances sont déterminantes pour la réussite d’un projet. Leurs propriétés physico-chimiques conditionnent l’architecture du lanceur ainsi que la charge utile embarquée. Aujourd’hui, différents types de propergols font l’objet d’intenses recherches afin d’améliorer leurs propriétés dans l’espoir de réduire les coûts structuraux des lanceurs et améliorer ainsi leur rentabilité. Les High Energy Density Materials (HEDM) polyazotés représentent une classe de composés dont les performances énergétiques théoriques sont en rupture avec les technologies actuelles. Leur utilisation permettrait un gain de performance, simplifierait la technologie des lanceurs et permettrait d’en abaisser les coûts. Des candidats potentiels possédant une structure polyazotée cyclique ont été identifiés en raison de leurs excellentes performances théoriques. Afin d’accéder à ces ergols à l’horizon 10-15 ans, l’objectif majeur de cette thèse est de développer de nouvelles stratégies de synthèse de précurseurs polyazotés permettant l’accès à ces structures originales cycliques. Une nouvelle voie d’accès à des tétrazolidinones a été mise au point par oxydation de dérivés de type bis-hydrazines et a permis d’accéder à des précurseurs d’intérêt. Des preuves structurales de ces enchainements azotés inédits ont été obtenues par diffraction des rayons X. D’autre part, une nouvelle voie de synthèse d’azimines a été développée par photochimie en lumière visible et optimisée en chimie en flux continu. Cette méthodologie permet d’accéder à des 1,3-dipôles de grand intérêt synthétique puisqu’ils conduisent aux molécules cibles souhaitées par cyclisation.The historic strategic challenges related to space exploration are now accompanied by new, shorter-term economic challenges. A massive campaign to reduce manufacturing costs and the logistics chain of launches has been initiated with goals such as the reuse of propulsion stages, the development of higher efficiency engines or even the use of 3D printing. Thus, in order to make access to space more competitive, new launchers will have to be simpler, more efficient, flexible and reusable. At the centre of this cost reduction policy are propellants. Although they represent only a small percentage of the total cost of a launcher, their performance is critical to the success of a project. Their physicochemical properties condition the launcher’s architecture as well as the on-board payload. These days, propellants are the subject of intense research work to improve their properties in the hope of reducing the structural costs and thus improving launcher’s profitability. Polynitrogen High Energy Density Materials (HEDM) represent a class of compounds with computed energetic performances breaking away from existing technologies. Their use would improve performance, highly simplify launchers’ technology and lower their costs. Two potential candidates possessing a cyclic nitrogen structure have been identified due to their excellent theoretical performances. To access these next generation propellants, the major goal of this thesis is to develop new strategies for the synthesis of polynitrogen precursors that would allow the access to these original cyclic structures. A new synthetic route to tetrazolidinones has been developed by oxidation of bis-hydrazine-type derivatives and has provided access to precursors of interest. Structural evidence of these novel polynitrogen sequences have been obtained by X-ray diffraction. In addition, a new azimine synthetic pathway has been developed using visible light photochemistry and optimized in continuous flow chemistry. This methodology provides access to 1,3-dipoles of great synthetic interest since they lead to target molecules by cyclization