由于三唑酮化合物中含有大量的N–N、C–N和N=N键,因而具有很高的正生成热、化学潜能。分子中的高氮、低碳氢含量,使其密度高且易达到氧平衡,因而在高能炸药、气体发生剂、信号推进剂和无烟烟火剂等领域广泛应用。设计与合成结构新颖、性能优越的多氮含能化合物成为新型材料领域热点。本文采用密度泛函理论DFT-B3LYP/6-311+G**对以4-氨基-1,2,4-三唑-5-酮（ATO）、3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮（NTO）和4,4’-偶氮基-二（1,2,4-三唑-5-酮）（ZTO）为母体的三唑酮类硝基衍生物的几何构型进行全优化,并对其电子结构、标准气态生成热、密度以及爆速和爆压进行理论研究。采用不同的硝化剂对ATO、NTO以及ZTO进行硝化反应,通过红外、核磁、元素分析和x-射线单晶衍射技术对物质结构进行表征,并对目标化合物的热分解行为、热安全性进行分析和评价。ATO、NTO和ZTO硝基衍生物分子中三唑酮环具有一定的芳香性。化合物1,4-二硝基-1,2,4-三唑-5-酮（III）、3,4-二硝基-1,2,4-三唑-5-酮（VIII）、1,3,4-三硝基-1,2,4-三唑-5-酮（IX）和N,N’-二硝基-4,4-偶氮基-1,2,4-三唑酮（XI）高温裂解的引发键可能均始于N–NO₂,其键解离能在144.14–374.35 kJ·mol^-1之间;而化合物3-硝基-4-氨基-1,2,4-三唑-5-酮（IV）、和3,3’-二硝基-4,4-偶氮基-1,2,4-三唑-5-酮（XII）中高温裂解的引发键可能均始于C–NO₂,其键解离能在352.40–376.98kJ·mol^-1之间。自然键轨道（NBO）、分子静电势（MESP）、轨道能级差（ΔE）分析结果表明三唑酮环上易受亲核试剂进攻,且环上N（1）、N（4）原子参与三唑酮环共轭体系的形成。在N（1）位引入N（1）–NO₂键会提高硝基三唑酮衍生物的生成热,偶氮基团的引入会明显提高体系的生成热。化合物V、VII、VIII、XIII的爆速分别为9.11、9.20、9.24、9.01 km·s^-1,爆压分别为37.4、39.12、39.56、37.07 GPa,爆轰性能接近HMX。化合物IX、XI、XII的爆速分别为8.85、8.87、8.73km·s^-1,爆压分别为37.0、33.6、34.7 GPa,爆轰性能接近RDX。TO、ATO以及NTO分子中的C=O与邻位的N–H互变异构后形成的烯醇结构参与环结构的共振,降低了环N–H结构中N原子上的电荷密度,这种缺电子体系的硝化很难成功。ATO分子中的N（4）–NH₂中氨基呈弱碱性,在HNO₃强酸体系中易于脱掉。故TO、NTO、ATO在不同硝化剂中反应得到的硝化产物均为NTO。在线红外研究结果表明采用H₂SO₄/H₂O₂氧化ATO,并未使得分子中N（4）–NH₂氧化成为N（4）–NO₂,最终得到的产物是NTO。通过乙酰化进行氨基保护,合成并得到了ATO乙酰化产物DAcATO,分子的结构简式为C₆H₈N₄O₃,属于单斜晶系,P2（1）/n空间群。DAcATO在不同硝化剂的体系中反应得到的最终产物均为NTO。选用了碱金属（Li、Na、K、Cs）、碱土金属（Mg、Ca、Ba、Sr）的氢氧化物以及水合肼（N₂H₄·H₂O）与ZTO反应制备得到相应的盐,应用¹H NMR、¹³C NMR、IR、MS等方法对相关化合物的结构进行了表征,并培养了ZTO的Na、K、Cs、Mg、Ca、Ba、Sr盐的晶体。单晶结构表明在标题化合物中,金属原子与双三唑酮环上的氮和氧原子形成了一个三维层状结构。利用热重-差示热分析仪（TG-DTA）对所有的标题化合物进行热分解研究。机械撞击感度研究表明,标题化合物表现出良好的热稳定性、密度高和低感度(h₅₀>60 cm)。化合物CsZTO·H₂O（4）、SrZTO·4H₂O（8）和BaZTO·4H₂O（9）可作为含能材料的候选物。首次合成了偶氮三唑酮类衍生物N,N’-二乙酰基-4,4-偶氮基-1,2,4-三唑酮（DAcZTO）和N,N’-二硝基-4,4-偶氮基-1,2,4-三唑酮（DNZTO）。分子中N₄形成强烈的偶氮π键的离域。DAcZTO分子间易形成中等强度的C–H…O氢键,其键长分布在2.32–2.60?,键角分布在117–169°之间。DNZTO·CH₃CN晶体属于单斜晶系,P2₁/n空间群,晶体中无明显的氢键作用。DSC分析表明ZTO、DAcZTO和DNZTO在热分解过程中只有一个放热峰,N₂H₅ZTO的热分解过程中有一个吸热峰和一个放热峰。在2℃·min^-1的升温速率下,ZTO、DAc ZTO和DNZTO的峰温分别为282.4、250.8和156.4℃,N₂H₅ZTO的吸热和放热峰温分别为144.0和266.6℃。ZTO、DAcZTO、N₂H₅ZTO及DNZTO的表观活化能（E_a）分别为261.6、302.5、252.6和148.0 kJ·mol^-1,指前因子分别为1.552×10²²、1.395×10²⁸、1.632×10²²和3.81×10¹⁵ s^-1。热爆炸临界温度T_b分别为268.6、245.2、265.1和125.2℃。FTIR-TGA-MS分析表明ZTO和DNZTO分别在283和152℃发生裂解,其裂解气体产物主要成分有CO₂,CO,NO₂,NO,HCN和N₂。N₂H₅ZTO在165℃发生N₂H₅的分解,其后ZTO^-配体随着温度的升高开始加速分解,其主要气体产物成分有CO₂,NO₂,HCN和N₂。ARC分析表明ZTO、N₂H₅ZTO以及DNZTO的初始分解温度分别为203.6、105.7和116.7℃,绝热温升分别为25.5、17.7和13.1℃,最大加热速率分别为105.6、0.08和0.47℃·min^-1,自加速放热持续时间分别为238.5、260.0和49.0 min。绝热条件下ZTO、N₂H₅ZTO以及DNZTO的表观活化能为933.1、215.9和283.1 kJ·mol^–1,指前因子分别为为1.326×10⁹²、1.181×10²⁵和9.915×10³³ s^-1。DNZTO达到最大温升速率所需的时间（TMR）和自加速分解温度(T_D24)分别为1.01 min和109.8℃,表明DNZTO热分解延滞期较短。