5,5'-氧化偶氮双(4-硝基-1,2,3-三唑-1-)氧化呋咱的理论研究与性能预估

设计了一种新型富氮类高能量密度化合物5,5'-氧化偶氮双(4-硝基-1,2,3-三唑-1-)氧化呋咱,采用密度泛函理论的B3LYP方法,在6-31G**基组水平上得到该化合物全优化构型;在振动分析的基础上求得体系的振动频率、IR谱;通过键级分析得到热解引发键的键离解能(BDE);预估了该化合物密度、生成焓、爆速、爆压和爆热,并预测了撞击感度.结果表明,该化合物存在11个强吸收峰,校正后热解引发键的BDE为144.77kJ/mol,热分解活化能为204.93kJ/mol,稳定性较优;密度1.975g/cm3、生成焓963.837kJ/mol、爆速9015m/s(K-J)、9337m/s(VLW),爆压38.64GPa(K-J)、50.60GPa(VLW);撞击感度H50为16.89cm,稍低于RDX(24cm)和HMX(26cm).     

3-硝基-4-叠氮基氧化呋咱的性能预估

采用密度泛函理论的B3LYP方法,在6-31G(d)基组水平上得到了3-硝基-4-叠氮基呋咱(NAFO)的全优化构型,并在相同基组水平上求得体系的振动频率,用B3LYP/6-311+G(2d,p)方法求得NAFO的核磁数据。预估了该化合物的前线轨道能级差、密度、生成焓、爆速、爆压和撞击感度。结果表明,该化合物的分子轨道能级差为422.45kJ/mol,理论密度为1.86g/cm3,固相生成焓为572.66kJ/mol,爆速为9 398m/s,爆压为40.71GPa,撞击感度H50为2.8cm,爆轰性能优于RDX和HMX,但其感度较高。     

二硝基芳杂环并哒嗪化合物结构和性能的理论计算

设计了3种二硝基芳杂环并哒嗪化合物:4,7-二硝基呋咱并[3,4-d]哒嗪(DNFP)、4,7-二硝基氧化呋咱并[3,4-d]哒嗪(DNFOP)和5,8-二硝基哒嗪并[4,5-e][1,2,3,4]-四嗪1,3-二氧化物(DNPTDO)。采用密度泛函理论的B3LYP方法在6-31G**基组水平上对3种化合物的构型进行了全优化,计算了Wiberg键级、键离解能(BDE)和静电势参数、理论密度和固相生成焓,用Kamlet-Jacobs公式和最小自由能法计算了爆速、爆压和能量特性。结果表明,DNFP的键离解能为216.13kJ/mol,密度为1.903g/cm3,爆速为8 811m/s,爆压为36.27GPa,未达到高能量密度化合物的标准;DNFOP和DNPTDO的键离解能分别为80.37和208.59kJ/mol,密度分别为1.939和1.942g/cm3,爆速分别为9 151和9 235m/s,爆压分别为39.54和40.30GPa。DNFP、DNFOP和DNPTDO的理论比冲分别比RDX高97.6、120.6和140.6N·s/kg。     

含氟唑类含能化合物分子设计及性能预测

以三唑和四唑为主体骨架结构设计了11种新型含氟唑类含能化合物,采用密度泛函理论,优化了化合物的几何结构,计算了化合物的密度、生成焓、爆速、爆压和撞击感度等相关性能参数。计算结果表明,含氟基团的引入使化合物具有较高的键离解能和较好的热稳定性,且对化合物的撞击感度影响较小;除二氟氨基二硝基联三唑外所有化合物的密度均在1.90g/cm3以上,爆速均在8.32~11.13km/s之间,爆压均在31.97~56.31GPa之间;所有化合物都具有较好的热稳定性,其键离解能均大于230kJ/mol;化合物的撞击感度分布在17.51~38.85cm之间;各基团对化合物密度贡献的大小顺序为:-OCF3>-CF3>-NF2>-F>-CF(NO2)2,基团对能量贡献的大小顺序为:-F(NO2)2>-OCF3>NF2;根据理论计算结果优选出了两种性能较好的含能化合物1-三氟甲氧基-3,5-二硝基-1H-1,2,4-三唑和1-三氟甲基-3,5-二硝基-1,2,3,4-四唑,两种化合物的密度分别为2.03和2.10g/cm3,生成焓分别为-170.73和-146.24kJ/mol,爆速分别为9.32和9.23km/s,爆压分别为40.23和32.60GPa,二者能量水平高于DNMT;撞击感度(H50)分别为33.10和38.85cm。     

6,6′-二氨基氧化偶氮-1,2,4,5-四嗪-1,1′,5,5′-四氧化物(DAATO5)的密度泛函理论

运用密度泛函理论,在DFT-B3LYP/6-31G*水平下,对6,6′-二氨基氧化偶氮-1,2,4,5-四嗪-1,1′,5,5′-四氧化物(DAATO5)进行理论计算,求得DAATO5优化后的几何构型和IR光谱,并通过设计合理的等键反应,求得DAATO5的理论生成热为713kJ/mol。按照Kamlet-Jacobs方程计算了DAATO5的爆轰性能。结果表明,DAATO5符合HEDM能量要求,密度为1.904g/cm3,爆速为9.33km/s,爆压为40.0GPa。N-氧化反应能够有效改善DAAT的氧平衡,并能提高密度、爆速、爆压等各项性能。     

2,4,6,8-四硝基-2,4,6,8-四氮杂三环[3.3.0.0~(3,7)]辛烷的理论研究

为了研发新型高能量密度化合物,设计了一种笼型奥克托金——2,4,6,8-四硝基-2,4,6,8-四氮杂三环[3.3.0.0~(3,7)]辛烷(cage-HMX)。基于密度泛函理论(DFT)的B3LYP方法,在6-31G**基组水平上,研究了cageHMX-I~cage-HMX-IV的几何构型、张力能、静电势分布、密度、生成焓、氧平衡、爆速、爆压、单元比冲以及撞击感度。结果表明,cage-HMX-I是4种构型中较为稳定的构型;cage-HMX的张力能大于CL-20;与HMX相比,cageHMX具有较高的密度(1.92~1.93g/cm~3)、爆速(9.341~9.478km/s)、爆压(40.97~42.30GPa)、单元比冲(277.1~281.4s)和撞击感度(4.3~5.0J),是一种潜在的高能量密度材料。     

高氮化合物C_2N_(14)的理论研究与性能预估

采用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法在6–31G(d,p)基组水平下对高氮含能化合物C2N14的4种同分异构体(C2N14–1、C2N14–2、C2N14–3和C2N14–4)进行了全构型优化,并在相同基组水平上对4种同分异构体进行了振动频率分析。预估了4种同分异构体的前线轨道能级差、理论密度、生成焓、理论爆速和爆压。结果表明,C2N14–1、C2N14–2、C2N14–3、C2N14–4的分子轨道能级差分别为359.929 8、434.467 8、553.192 8和553.195 9 kJ/mol,理论密度分别为1.682、1.809、1.742和1.743 g/cm3,生成焓分别为1 521.634、1 435.436、1 404.280和1 404.27 kJ/mol,理论爆速(爆压)分别为8 405 m/s(30.63 GPa)、8 725 m/s(34.52 GPa)、8 454 m/s(31.68 GPa)和8 456 m/s(31.70 GPa)。     

FOF-18结构与性能的量子化学研究

用B3LYP法,在6-31G基组水平上优化了FOF-18的几何构型,得其稳定的几何构型;在振动分析的基础上求得体系的振动频率、IR谱;采用Monte-Carlo方法预估了密度;设计等键等电子反应计算了生成焓;运用Kamlet公式预测爆速、爆压和爆热;将计算性能与CL-20的性能作比较.结果表明,FOF-18整个分子呈N字形,且存在7个强吸收峰,密度2.06 g/cm3、生成焓501.03 kJ/mol、爆速9411.82 m/s、爆压42440.76 MPa、爆热6637.46 kJ/kg,该化合物的性能与CL-20接近.     

FOF-18结构与性能的量子化学研究

用B3LYP法,在6-31G基组水平上优化了FOF-18的几何构型,得其稳定的几何构型;在振动分析的基础上求得体系的振动频率、IR谱;采用Monte-Carlo方法预估了密度;设计等键等电子反应计算了生成焓;运用Kamlet公式预测爆速、爆压和爆热;将计算性能与CL-20的性能作比较。结果表明,FOF-18整个分子呈N字形,且存在7个强吸收峰,密度2.06g/cm3、生成焓501.03kJ/mol、爆速9411.82m/s、爆压42440.76MPa、爆热6637.46kJ/kg,该化合物的性能与CL-20接近。     

3,3′-二(四唑-5-基)-4,4′-偶氮氧化呋咱的合成及性能预估

以3-氰基-4-氨基氧化呋咱为原料,经催化环化、氧化偶联反应合成了3,3′-二(四唑-5-基)-4,4′-偶氮氧化呋咱;利用红外光谱、核磁共振及元素分析对产物进行了结构表征;采用差示扫描量热法(DSC)研究了其热分解过程;采用密度泛函理论方法,在B3LYP/6-31+G(d,p)水平上优化了其分子构型,计算了其键级并预估了其理论密度(ρ)、标准生成焓(Δ_fH(s))、爆速(D)和爆压(p)。结果表明,3,3′-二(四唑-5-基)-4,4′-偶氮氧化呋咱的分解峰温为195.6℃,ρ、Δ_fH(s)、D和p值分别为1.76g/cm~3、1 156.4kJ/mol、8 013m/s和28.6GPa;氧化呋咱环中配位氧侧的氮氧单键键长和键级分别为0.145nm和0.89,为分子中不稳定位点。     

1,1′-二羟基-5,5′-联四唑-5-氨基四唑盐的合成及性能预估

以乙二醛、盐酸羟胺和氨基胍碳酸盐等为原料合成了1,1′-二羟基-5,5′-联四唑-5-氨基四唑盐(5-ATHTO),并对反应条件进行了优化。采用核磁共振光谱、红外光谱、质谱对其进行表征,通过DSC分析了其热稳定性,用密度泛函理论(DFT),在B3LYP/6-31+G**理论水平下估算了该化合物的爆轰性能。结果表明,在水为介质、反应时间为5h、反应温度为100℃条件下,5-ATHTO的产率最高为86.2%。该化合物在240℃左右分解,说明其热稳定性良好。结构优化后用Monte-Carlo方法估算5-ATHTO的理论密度为1.85g/cm3,用Born-Haber循环求得生成热为808.5kJ/mol,用Kamlet-Jacobs公式估算出爆热为1 504.35J/g,爆速为8.25km/s,爆压为32.6GPa,撞击感度的计算值为52cm,表明5-ATHTO是具有良好爆轰性能的钝感含能化合物。     

一水合双四唑乙烷氨基胍的制备及性能研究

采用一锅法制备了新型高氮化合物——一水合双四唑乙烷氨基胍盐(CH7N4·C4H4N8·H2O)。用红外光谱和元素分析对其单晶进行了表征,用X射线单晶衍射法测定了其晶体结构;用TG-DTG法和DSC法测试了其热性能;用Kissinger法和Ozawa法计算了其非等温动力学参数;用氧弹量热法测试了其燃烧热;用K-J方程计算了其爆速、爆压,并测试了其机械感度。结果表明,该晶体属于单斜晶系,空间群为C2/c(No.15),晶胞参数为:a=1.126 1(2)nm,b=0.710 62(14)nm,c=2.724 1(5)nm,β=95.95(3)°,V=2.168 2(8)nm3,Z=4,理论密度为1.527g/cm3;该化合物在289.3℃开始分解,具有良好的热稳定性,其非等温动力学反应活化能为219.05kJ/mol,指前因子lg(A/s-1)为38.61;燃烧热为9.515MJ/kg,生成焓为2 892.2kJ/mol,爆速为6.95km/s,爆压为19.3GPa;撞击感度高于50cm,摩擦感度为0,表明该化合物具有较低的机械感度和良好的热稳定性。     

3,3′-二硝基氧化偶氮呋咱的合成及性能

以3，4－二氨基呋咱为起始原料合成无氢含能化合物3，3′－二硝基氧化偶氮呋咱（DNOAF），利用IR、NMR、MS和元素分析鉴定了其结构。通过计算得出，DNOAF的标准生成焓为640kJ/mol，爆速D＝9390m/s，爆压Pcj＝40．5GPa。按照以20％DNOAF取代NEPE推进剂中的HMX计算，复合推进剂的比冲为269．2s^－1（以HNIW取代则为268．7s^－1）。     

三嗪环类高能产气衍生物分子设计及性能的理论计算

以新型高能产气衍生物为目标,以三嗪环为基本结构单元,引入硝基、氨基、叠氮基为含能基团,设计了15种三嗪环含能化合物;运用密度泛函理论,计算了三嗪环类含能化合物的几何结构、密度、生成焓、爆轰参数、单位质量的产气量以及撞击感度。结果表明,15种化合物密度在1.382～1.786g/cm~3之间,爆速分布范围为5.320～8.901km/s,爆压分布范围为16.159～38.415GPa,单位质量化合物的产气量分布范围为647.8～932.9cm~3/g。不同含能基团对产气量的贡献大小顺序为:—NH_2—N_3—NO_2;—NO_2对能量的贡献高于—N_3与—NH_2。根据理论计算结果,筛选出潜在的高能产气三嗪环衍生物为2-氨基-4,6-二硝基-1,3,5-三嗪,其生成焓为586.256kJ/mol,爆速与爆压分别为8.43km/s和30.958GPa,产气量高达843.01cm~3/g,特性落高为27cm。     

3,4-双(5-氢-1-四唑基)呋咱的合成及理论计算

以3-氨基-4-硝基呋咱(ANF)为原料,与原甲酸三乙酯、叠氮化钠反应,得到3-硝基-4-(5-氢-1-四唑基)呋咱(化合物1),然后低温下经氨水胺化得到3-氨基-4-(5-氢-1-四唑基)呋咱(化合物2),化合物2与原甲酸三乙酯、叠氮化钠反应,最终得到3,4-双(5-氢-1-四唑基)呋咱(化合物3)。采用IR、~1 H NMR、~(13) C NMR及元素分析对3种化合物的结构进行了表征;采用密度泛函理论B3LYP/6-311+G**方法预估了化合物1~3的标准生成焓、密度、爆速、爆压。结果表明,通过控制反应条件,确定了制备化合物2的最佳工艺条件为:化合物1与氨水摩尔比为1∶2,反应时间3h,反应温度-10℃。化合物2的收率为70%。四唑环的引入使化合物1~3都具有较高的正生成焓,其中化合物3最高,达到1 090.07kJ/mol。化合物1的爆速、爆压与RDX相当。除化合物2密度略低于TNT外,化合物1~3各性能均优于TNT。与化合物2和3综合比较,化合物1的性能最佳,密度为1.76g/cm~3,爆速为8 590m/s,爆压为32.3GPa。     

5,8-二硝基四唑并三嗪的理论研究（英文）

运用量子化学方法研究了5,8-二硝基四唑并三嗪化合物的结构和性能。在B3LYP/6-311+G(2d)理论水平下,对其进行了几何优化及计算了电子密度、IR和NMR,以探究其电子结构性质和化学键本质,预估了密度、生成焓和爆炸性能等关键参数。结果表明,5,8-二硝基四唑并三嗪生成焓为497.64kJ/mol,密度为1.82g/cm3,其爆速和爆压分别为8.73km/s和33.97GPa,具有良好的爆炸性能,有望成为潜在的含能材料。     

1,3,4-噁二唑联呋咱含能化合物的设计及构效关系理论研究

在4种1,3,4-噁二唑联呋咱分子骨架上引入三硝基甲基、氟代偕二硝基、硝基及硝氨基等含能基团,设计了5类共10种含能化合物;采用密度泛函方法B3LPY/6-31G(d, p)基组,研究了化合物的物化性能、爆轰性能(密度、生成焓、氧平衡、爆速、爆压)与安全性能(静电势分布和键解离能)间的构效关系。结果表明,三硝基甲基及氟代偕二硝基可大大改善呋咱衍生物的爆轰性能,而联四芳环的1,3,4-噁二唑联呋咱的共轭母体骨架可有效提高致爆基团中C—NO_2的键离解能,是设计高能不敏感含能化合物的有效方法;其中,3,3′-二(5-三硝基甲基-1,3,4-噁二唑)-4,4′-偶氮呋咱(E-1)密度为1.969g/cm~3,爆速达9130m/s,爆压为38.82GPa,最弱键(C—NO_2)键离解能为131.57kJ/mol,表现出优异的综合性能。     

1,1′-二(硝氧甲基)-3,3′-二硝基-5,5′-联-1,2,4-三唑的合成及性能

以草酸与氨基胍碳酸氢盐为原料,经成环反应、重氮化取代、羟甲基化、硝化反应合成了1,1′-二硝氧甲基-3,3′-二硝基-5,5′-联-1,2,4-三唑(BNNMT),总收率为31.2%;用红外光谱、核磁共振、元素分析对其结构进行表征;用差示扫描量热法(DSC)研究了BNNMT的热稳定性;用量子化学方法得到其几何优化构型,计算了其理论密度ρ和固相生成焓ΔfHm;用VLW公式预估了其爆速D和爆压p。结果表明,优化的羟甲基化反应的合成条件为:乙酸乙酯为溶剂,n(HCHO)∶n(DNBT)=8∶1,反应温度20℃,反应时间16h。10℃/min升温速率的DSC曲线峰温为180.8℃,表明BNNMT具有良好的热稳定性;ρ、ΔfHm、D和p的估算值分别为1.882g/cm3、68.76kJ/mol、9.01km/s和39.60GPa,其爆轰性能优于TNT,与RDX相当。     

用密度泛函理论研究多硝基吡嗪氮氧化物的结构和爆轰性能

在DFT-B3LYP(B3P86)/6-31+G**水平上优化了多硝基吡嗪氮氧化物的几何构型。用线性方程式H50=-23.16597+(73.60873×BDE/E)×104,计算了14种炸药的撞击感度,通过设计等键反应,计算了气相生成焓。用Monte-Carlo方法理论估算了标题化合物的密度,用Kamlet-Jacobs经验公式预测了爆速、爆压。结果表明,多硝基吡嗪环具有芳香性,所设计的系列硝基吡嗪类化合物的爆速在7.38～9.77km/s之间,是具有潜力的含能材料的候选物。     

1,7-二叠氮基-2,4,6-三硝基-2,4,6-三氮杂庚烷的合成及其性能

以乌洛托品为起始原料,经硝化、氯化、叠氮化反应合成出了1,7-二叠氮基-2,4,6-三硝基-2,4,6-三氮杂庚烷(DATH),总收率为75.3%;测试了DATH的部分理化及爆轰性能,其密度1.71g/cm3,熔点135～137℃,爆速8300m/s(1.64g/cm3),燃烧热10822.02kJ/kg,分解温度192℃,摩擦感度12%(25kg/cm3,66°),撞击感度95%(12kg,25cm)。