ε-CL-20基PBX结构和性能的分子动力学模拟——HEDM理论配方设计初探

以高能量密度化合物ε-CL-20(六硝基六氮杂异伍兹烷)为主体,分别添加5种高聚物黏结剂(Estane5703、GAP、HTPB、PEG和F2314)构成高聚物黏结炸药(PBXs).用分子动力学(MD)方法模拟研究各PBX的结合能、相容性、安全性、力学性能和能量性质,通过比较和分析,为优选黏结剂、指导HEDMs配方设计提供信息和规律.由结合能预测各PBX的相容性和稳定性排序为:ε-CL-20/PEG>ε-CL-20/Estane5703≈ε-CL-20/GAP>ε-CL-20/HTPB>ε-CL-20/F2314.以对相关函数g(r)描述了组分之间相互作用的方式.5种黏结剂的少量加入均能显著改善ε-CL-20的弹性力学性能,增强各向同性.各黏结剂并非通过改变ε-CL-20的分子结构影响PBX的感度.它们主要通过自身的热容(C°p)和密度(ρ)影响PBX的安全性和能量性质.     

NO2气相硝化金刚烷的计算研究

运用密度泛函理论(DFT)和半经验MO-PM3方法研究了NO₂气相硝化金刚烷反应机理. 计算结果表明, NO₂不能直接取代金刚烷H; 在B3LYP/6-311＋＋G(3df,2pd)//B3LYP/6-31G* 较高水平下, 对三个可能机理的反应势垒(E_a)的精确计算表明, 该反应的决速步骤为NO₂中O和N进攻1-H的竞争过程, 且1-硝基金刚烷为主要产物. NO₂中O进攻1-H决速反应过程中, 分子几何、原子自然电荷及IR光谱变化表明, C—H键的断裂和N—H键的形成是一个协同过程; 参与新键形成和旧键断裂原子C(1), H(11), O(28), O(29)和N(27)的原子自然电荷及与其相关的键长、键角有明显的变化. 反应过程中体系偶极矩的变化表明, 极性溶剂能降低反应势垒, 有利于反应的进行.     

新潜在高能量密度化合物（HEDC）多硝酸酯基金刚烷由气态到固态的理论研究

为寻求新的潜在高能量密度化合物（HEDCs）,对系列（26个）多硝酸酯基金刚烷进行由气态到固态的理论研究.在B3LYP/6-31G水平下,通过设计合理的等键反应,求得26个标题物的生成热（HOFs）,其结果表明：具有相同—ONO2基数目（n）的同分异构体的HOFs值与取代基的位置相关性不好,即并非取代基间距离越近,其HOF越大.基于所求HOFs和理论密度（ρ）,运用修正的适合CHNO系的Kamlet-Jacobs方程,估算了该26个化合物的爆炸性质（能量性质）：爆热（Q）、爆速（D）和爆压（P）,结果表明：当n=7-8时,对应硝酸酯基金刚烷符合HEDC的能量要求,即ρ〉1.9g·cm^-3,D〉9.0km·s^-1,P〉40.0GPa.为考虑HEDC的适用性,对两种可能引发键（C—O和O—NO2）离解能（EC—O和EO—N）进行计算和比较发现EC—O总是小于EO–N,这表明O—NO2为该系列化合物的热解引发键;且发现具有偕二硝酸酯基的金刚烷在同分异构体中的热稳定性总是最差,并且所有偕二硝酸酯基金刚烷的稳定性均相当;由于该系列化合物结构的复杂性,随化合物中取代基数（n）的增加,化合物的EO–N并不明显降低,且该系列化合物的稳定性并非由某个结构参数决定.因而,结合HEDC的能量和稳定性要求（引发键离解能〉12kJ·mol^-1）,仅1,2,4,6,8,9,10-七硝酸酯基金刚烷被推荐为潜在品优HEDC.运用分子力学（MM）方法,分别以Compass和Dreiding力场,在七种最可几空间群（P21/c,P-1,P212121,P21,Pbca,C2/C和Pna21）中,对1,2,4,6,8,9,10-七硝酸酯基金刚烷分子的堆积方式进行预测.两种力场的预测结果均表明,该化合物属P21/c空间群.进行对该预测晶胞的电子结构的周期性从头算,报道其能带结构和态密度,关联其稳定性.发现Fermi能级附近的能带主要由—O—NO2的O和N原子的p态所贡献,且—NO2中N和—O—的p态相重叠形成O—NO2键;这与其气相分子键离解能计算结果相一致,即O—NO2键为该系列化合物的热解引发键.     

1,2,6-三取代苯并咪唑的合成研究

研究了1,2,6-三取代苯并咪唑衍生物合成的新方法.即以3-氟-4-硝基苄腈和芳香胺为初始原料,借助微波合成中间体N-取代-2-硝基-4-腈基苯胺(1),在Na_2S_2O_4作用下,化合物1与不同的醛反应,一步关环合成1,2,6-三取代苯并咪唑衍生物.第一步反应微波技术的使用,大大缩短了反应时间,提高了产率.通过优化,第二步反应最优实验条件为:以二甲基亚砜(DMSO)-H_2O为溶剂,n(中间体)∶n(对氯苯甲醛)∶n(保险粉)=1∶1∶9,在80℃下反应2 h.应用该方法,合成21个1,2,6-三取代苯并咪唑衍生物.     

苯的硝基和叠氮基衍生物的理论研究

在密度泛函理论B3LYP/6-31G*水平下优化了91个苯的硝基(NO₂)和叠氮基(N₃)衍生物的分子几何构型, 预测了它们的密度和生成热, 采用Kamlet-Jacobs方法计算了爆速和爆压, 筛选得到11种爆轰性能较好的高能量密度化合物(HEDC), 计算了它们的多个可能的热解引发键的键离解能(BDE)以及按“氧化呋咱机理”分解时的活化能(E_a). 结果表明, 当分子中有NO₂与N₃相邻时, 分解按“氧化呋咱机理”进行, 分解反应的E_a均大于100 kJ/mol|分子中没有NO₂和N₃相邻时, 热解始于C-NO₂或C-N₃均裂, 裂解的BDE都大于200 kJ/mol. 只含NO₂或N₃的7个物质的稳定性好于同时含NO₂和N₃的物质, 而只含N₃的物质的稳定性又好于只含NO₂的物质, 五叠氮苯和六叠氮苯具有很出色的爆轰性能和稳定性. 无论是能量还是稳定性方面, 筛选得到的11种物质基本符合HEDC的要求.     

蒽醌及其羟基衍生物的密度泛函理论研究

运用密度泛函理论, 在B3LYP/6-31G*水平上, 对蒽醌及其羟基取代衍生物进行理论计算. 几何全优化的结果表明, 标题化合物均取平面构型, 分子内氢键对几何构型和电子结构影响很大. 基于简谐振动分析求得IR谱频率和强度, 并作了对称性分类和指认, 计算值与实验值良好相符. 运用含时密度泛函理论方法在相同水平上计算了标题物的电子吸收光谱, 发现蒽醌芳环取代衍生物的最低激发单重态均源自HOMO-LUMO(π→π*)跃迁. 基于振动分析, 由统计热力学求得了标题物的热力学性质.     

多硝基金刚烷生成热和稳定性的理论研究

在密度泛函理论（DFT）B3LYP/6-31G水平下，通过不破裂金刚烷分子骨架（即 选择金刚作为参考物）的等键反应设计，比较精确地计算了系列多硝基金金刚烷的 生成热。经验性基团加和法和半经验MO法（AM1，PM3，MNDO，MNDO/3）均不适用于 标题生成熟的估算。4种半经验MO方法中，以MP3计算结果略好些。探讨了生成热和 分子结构的关系，发现桥头C上硝基使生成热减小，而偕二硝基使生成热增大。运 用生成热、前沿轨道能级差和C-NO_2键级等计算结果，阐明了标题的相对稳定性， 为新一代高能量密度材料（HEDM）的分子设计提供了基础数据和规律性。     

1,3,5,7-四硝基金刚烷结构和性能的理论研究

在DFT-B3LYP/6-31G*水平下求得1,3,5,7-四硝基金刚烷的全优化分子几何和电子结构. 经简谐振动分析求得其IR谱并作归属. 由统计热力学求得其不同温度下的热力学性质. 以非限制性半经验MO方法探讨其热解机理, 求得各反应通道的过渡态和活化能, 发现热解始于侧链C—NO₂键的均裂. 还基于理论计算密度和生成热, 以Kamlet-Jacobs方程估算其爆速和爆压.     

NO2气相硝化金刚烷的计算研究

运用密度泛函理论(DFT)和半经验MO-PM3方法研究了NO₂气相硝化金刚烷反应机理. 计算结果表明, NO₂不能直接取代金刚烷H; 在B3LYP/6-311＋＋G(3df,2pd)//B3LYP/6-31G* 较高水平下, 对三个可能机理的反应势垒(E_a)的精确计算表明, 该反应的决速步骤为NO₂中O和N进攻1-H的竞争过程, 且1-硝基金刚烷为主要产物. NO₂中O进攻1-H决速反应过程中, 分子几何、原子自然电荷及IR光谱变化表明, C—H键的断裂和N—H键的形成是一个协同过程; 参与新键形成和旧键断裂原子C(1), H(11), O(28), O(29)和N(27)的原子自然电荷及与其相关的键长、键角有明显的变化. 反应过程中体系偶极矩的变化表明, 极性溶剂能降低反应势垒, 有利于反应的进行.     

吡啶类含能化合物的合成研究进展

吡啶类化合物在含能材料领域中的研究和应用较为广泛.从分子结构出发,按照硝基吡啶、吡啶类含能离子盐和吡啶类含能配合物分类,综述了多种吡啶硝基衍生物的合成,并简单介绍了一些重要的硝基吡啶类含能化合物的特性及主要应用.