高能量密度材料取代基效应理论的研究

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1、博士论文高能量密度材料取代基效应理论研究摘要运用量子力学(QM)和计算化学方法，对含有二氟氨基(NF2)、硝酸酯基(ON02)，硝基(N02)和叠氮基(N3)高能化合物的结构和性能，进行了较为系统的计算研究。主要包括有新戊烷化合物，四元环化合物，六元环氮杂化合物，八元环氮杂化合物以及立方烷衍生物结构和性能的研究。从理论上设计高能量密度材料分子(HEDM)。基于量子化学计算，运用判别HEDM的定量标准(密度P≈1．9g／cm3，爆速D≈9．0klll／s和爆压P≈40．0GPa)，从上述多系列标题物中推荐了数十种高能量密度材料分子。在DFT-B3LYP／6．31lG宰·水平下，求得一系列新

2、戊基二氟氨基化合物的全优化构型。设计等键反应，获得化合物的生成热，不同取代基对生成热的影响不同。当ON02被NF2或者N02取代时，化合物的生成热逐渐缓慢地增加。而ON02被N(N02)CH3或者N3取代时，化合物的生成热急剧增加。同时采用半经验分子轨道方法(MNDO，AMl和FM3)计算出化合物的生成热，与密度泛函理论方法(DFT)进行比较。结果表明：半经验方法计算的生成热与实验或DFT值存在较大偏差。通过比较生成热、前线轨道的能级差和C__R键(C-NF2，C-ON02，D-N02和C-N3)的键级，对标题物的相对稳定性进行了评价。分子内基团的相互作用可以通过基团作用能(历)ispI

3、Dp硎嘲翩)来预测。在UB3LYP／6．311G奉木水平下计算了集居数最小键的离解能，发现C-N02的裂解较容易，而N-N02的裂解最易发生。对含有二氟氨基(NF2)，硝酸酯基(ON02)，硝基(N02)和叠氮基(N3)化合物的四元环化合物进行密度泛函计算研究。设计合理的等键反应，求得四元环化合物的生成热。发现含有N3的环氧丁烷化合物的生成热，都大于ON02和NF2的环氧丁烷化合物的生成热。并且含有N3的环氧丁烷化合物的生成热都是正值，而含有ON02和NF2的环氧丁烷化合物生成热都是负值。对于环氮丁烷来说，连接在环上的取代基影响着化合物的生成热。当NF2被N02取代的时候，化合物的生成热

4、增加。通过计算基团交换反应时的基团作用能预测了分子内基团的相互作用。通过设计homo等键反应求得标题物的环张力。在环氮丁烷中，连接在杂环氮上的NF2基团降低了标题物的张力。在UB3LYP／6．311G木幸水平下，计算了标题物的键离解能。环氧化合物中，O-N02键比c-℃键更易裂解。在环氮丁烷和环丁烷化合物中，C-．№(2或懒2键(X=O，F)的均裂，是热解引发机理的最初步骤。标题物的爆轰性能通过Karnlet经验公式来预测。发现1，1一二硝基q，3一-(-氟氨基)—环丁烷的预估密度在1．98g／cm3，爆速(D)在9．37km／s，爆压(P)为41．13GPa。这些值都超过了典型的高能炸

5、药TNAZ。由此可见，l，l一二硝基-3，3一-(-氟氨基)—环丁烷为潜在高能量密度化合物。同时，nitro．BDFAA(1．硝基．3，3．-(-氟氨基)-环氮丁烷)和TNCB(1，1，3，3一摘要博士论文四硝基_环丁烷)的爆轰性能也接近前述的HEDM分子的能量标准。对结构与RDX、HMX相似的六元氮杂环和八元氮杂环部分化合物结构和性质进行了研究。通过设计等键反应计算出标题物的生成热。含有硝基基团(N02)的化合物生成热大于含有二氟氨基基团(NF2)化合物的生成热。C-NF2或C-N02键的均裂是引发热解机理的关键。从七个标题物的爆轰性能可以看出，3，3，7，7-1图(--氟氨基)八氢一

6、1，5一二硝基一1，s_二氮杂环辛烷(HNFX)和3，3，5，5_四(二氟氨基)一1—硝基—氮杂环己烷(NitroTDFAPP)有很高的预测密度(p>2．0g／cm3)，二者的爆速(D)均高达9．9km／s，爆压(D均为47GPa，其爆轰性能超过目前广泛应用的HMX。可作为新型高能量密度化合物。同时，1，3，3，5，7，7坑硝基一1，S-二氮杂环辛烷(HNDZ)和3，3一二硝基_7，7_二(二氟氨基)八氢一l，5_二硝基一1，5一二氮杂环辛烷(TNBDFAPP)的爆轰性能显示，它们也具备高能量密度化合物的要求。张力在结构化学和有机化学中是一个很重要的概念，它在一定程度上决定了化合物的稳定

7、性及其合成的难易程度。通过设计两种等键反应，计算出含二氟氨基(NF2)，硝酸酯基(ON02)，硝基(N02)和叠氮基(N3)立方烷衍生物的张力。通过homo等键反应的计算，立方烷的张力为169．13kcal／mol，与实验值基本吻合。两种等键反应中，随着取代基数目的变化，张力的变化很相似。在取代基数目为1—4的时候，多硝基立方烷和多二氟氨基立方烷的张力缓慢增加。相反的，当取代基数目为5—8的时候，张力急剧的增加。对于多硝酸酯基立方烷