硝基吡唑类衍生物的结构和爆轰性能的理论研究

采用B3LYP/6-311G**方法对24种硝基吡唑类衍生物体系进行了全优化,几何优化结果表明所有化合物均无虚频,为势能面上的稳定结构;采用Monte-Carlo方法理论估算了24种化合物的密度,并设计等键等电子反应计算了其生成焓;运用Kamlet-Jacobs预测了爆速、爆压,其爆速在6.42～9.00 km.s-1之间。结果表明:吡唑环上有一定的芳香性,所设计的系列硝基吡唑化合物能量较高,是有潜力的含能材料候选物。     

硝基三唑类衍生物的结构和爆轰性能的理论研究

采用B3LYP/6-31+G**方法对21种硝基三唑类衍生物体系进行了全优化,几何优化结果表明所有化合物均无虚频,为势能面上的稳定结构;采用Monte-Carlo方法理论估算了21种化合物的密度,并设计等键等电子反应计算了其生成焓;运用Kamlet-Jacobs预测了爆速、爆压,其爆速在7.08～9.53 km/s之间...     

1,4-二氨基-3,6-二硝基吡唑[4,3-c]并吡唑的制备及热分解机理

以3,6-二硝基吡唑[4,3-c]并吡唑(DNPP)为原料,经N-胺化反应合成了1,4-二氨基-3,6-二硝基吡唑[4,3-c]并吡唑(DADNP),采用红外光谱、核磁共振(1H NMR、~(13)C NMR)、质谱及元素分析等手段表征了化合物结构;利用差示扫描量热仪(DSC)、热重仪(TG)、固相原位热红外检测仪(RSFTIR)、热重-质谱联用技术(TG-MS)等热分析方法研究了DADNP的热分解过程和机理,结果表明,DADNP热分解反应的活化能和指前因子分别为166.45 kJ·mol~(-1)和10~(16.53)s~(-1)。DADNP的热分解过程主要包含两个阶段,第一阶段分别在电离源或加热条件下,DADNP分子中C─NO_2首先发生断裂,生成NO_2小分子;第二阶段是吡唑并吡唑环的进一步破裂及二次氧化反应,生成HCN、N_2H_2等小分子。     

1,4-二硝胺基-3,6-二硝基吡唑[4,3-c]并吡唑及其含能盐的合成、表征及性能

以自制的1,4-二氨基-3,6-二硝基吡唑[4,3-c]并吡唑(DADNP)为原料,经硝化反应合成了1,4-二硝胺基-3,6-二硝基吡唑[4,3-c]并吡唑(DNANP),DNANP与有机胺经中和、复分解等反应制备了12种有机含能盐,采用红外光谱、~1H NMR、~(13)C NMR、元素分析及质谱等方法表征了目标物的结构;获得了DNANP·CH_3COOH的单晶并进行了晶体结构解析;采用DSC分析了DNANP及其含能盐的热性能。采用Gaussian 09程序的CBS-4M方法和Kamlet-Jacobs爆轰方程预估了目标化合物的爆轰性能。结果表明,DNANP及其12种含能盐的热分解峰温度分别为133.28,176.66,178.45,155.52,156.90,144.78,160.86,155.60,159.05,198.90,158.10,173.06℃和157.41℃;其密度介于1.71～1.92 g·cm~(-3),爆速介于7.690～9.463 km·s~(-1),爆压介于25.9～41.8 GPa,表明,DNANP及其有机含能盐是一类性能较好的高能量密度材料。     

5H-[1,2,3]三唑并[4,5-c]呋咱及其含能衍生物的合成

以呋咱并[3,4-e]-1,2,3,4-四嗪-4,6-二氧化物(FTDO)为原料,经水解反应合成了新型富氮含能材料5H-[1,2,3]三唑并[4,5-c]呋咱(2),然后与氨气、水合肼、脒基脲盐酸盐、三氨基胍硝酸盐反应合成了[1,2,3]三唑并[4,5-c]呋咱铵盐(3)、[1,2,3]三唑并[4,5-c]呋咱肼盐(4)、[1,2,3]三唑并[4,5-c]呋咱脒基脲盐(5)和[1,2,3]三唑并[4,5-c]呋咱三氨基胍盐(6)4种新的含能衍生物,并采用红外光谱、核磁共振光谱、元素分析等进行了结构表征; 探讨了水解反应的机理和条件,确定最佳条件为: 80 ℃下反应5 h,收率为76.92%; 采用DSC热分析手段研究了化合物2、4、5和6的热性能,其初始分解峰温分别为173.23, 144.82,172.81,164.94 ℃。     

季戊四醇四硝酸酯及其结构相似物的爆轰性能和热解机理的理论研究

采用密度泛函理论B3LYP/6-31G*方法研究了季戊四醇的五个结构相似的硝酸酯基（-ONO2）和叠氮基（-N3）衍生物,包括四叠氮基季戊烷（ TAPE）、三叠氮基季戊醇硝酸酯（ PTAN）、二叠氮基季戊二醇二硝酸酯（ PDADN）、叠氮基季戊三醇三硝酸酯（ PATN）和季戊四醇四硝酸酯（ PETN）。优化了分子几何构型。进行了振动分析。估算了密度、生成热、热力学函数、爆轰性能和比冲。计算了可能的热解引发键的键离解能（ EBD ）和氢转移反应的活化能（ Ea ）。结果表明,与PTAN 、PDADN、 PATN和 PETN比较,TAPE的生成热最大,比冲与PETN相当。 PATN的爆轰性能和稳定性与PETN接近,优于其它衍生物,包括PDADN。含-N3的TAPE的热解由氢转移导致-N3热裂解放出N2引发,其Ea 为130．57 kJ· mol-1。含-ONO2的其它衍生物的热裂解均由O-NO2键断裂开始, EBD为130．91～137．45 kJ· mol-1。这些能量值满足高能化合物的稳定性指标要求。     

5,6-二氨基呋咱并[3,4-b]吡嗪-4,7-二氧化物（DAFPO）的合成、结构及性能

新型高能不敏感含能材料的合成对于武器装备能量水平和安全性的提升有重要意义。以5,6-二氨基呋咱并[3,4-b]吡嗪为原料,经氧化反应首次合成了5,6-二氨基呋咱并[3,4-b]吡嗪-4,7-二氧化物(DAFPO),用核磁共振(氢谱、碳谱、氮谱)、红外光谱和元素分析对其进行了表征。以乙酸乙酿为溶剂使用缓慢蒸发法获得了DAFPO-2H_2O的单晶,利用X-射线单晶衍射和Hirshfeld表面分析完成了结构解析和分子间相互作用研究。结果表明,DAFPO·2H_2O属正交晶系,Pna2_1空间群,296 K下晶体密度1.806 g·cm~(-3),分子间存在较强的O…H和N…H氢键作用。使用差示扫描量热法(DSC)和热失重法(TG/DTG)进行热分析,结果显示其热分解峰温为131.8℃。基于原子化反应利用Gaussian 09计算DAFPO的固相生成热为753.5 kJ·mol~(-1),由气体膨胀置换法测得其密度1.86 g·cm~(-3),使用EXPLO5预测其理论爆速和理论爆压分别为8836 m·s~(-1)和36.0 GPa,采用BAM标准方法测得其撞击感度大于40 J,摩擦感度大于360 N。性能研究结果表明,DAFPO是一种兼具较高能量水平和优良安全性能的新型不敏感含能材料。     

稠环类1,2,4,5-四嗪衍生物结构和性能的理论研究

运用密度泛函理论DFT-w B97/6-31+G**方法研究了14种稠环类1,2,4,5-四嗪衍生物的几何结构、前线轨道能量和生成焓(ΔH_f)。在此基础上运用Kamlet-Jacobs方程估算衍生物的爆轰性能;运用统计热力学,计算了标题化合物在200~800 K的热力学性质;比较了1,2,4,5-四嗪衍生物的生成焓和爆轰性能。结果表明,稠环四嗪衍生物爆速(D)和爆压(p)与所含N原子数具有良好的一次线性相关关系,其生成焓为527.49~1122.53 k J·mol~(-1),爆速为5.59~8.65 km·s~(-1);随温度升高,标准摩尔热容(Cp,m)、标准摩尔熵(Sm)和标准摩尔焓(Hm)逐渐增大。化合物T7(C_2N_7H_2)和T72(C_2N_(10)H_2)可以作为高能量密度材料(HEDM)候选物。     

7-羟基三呋咱并［3，4-b：3′，4′-f：3″，4″-d］氮杂环庚三烯的合成与性能

以3,4-双（4′-硝基呋咱-3′-基）呋咱为原料,与羟胺溶液一步法合成了一种新型七元环化合物7-羟基三呋咱并［3,4-b： 3′,4′-f：3″,4″-d］氮杂环庚三烯（HYTF）,并利用红外光谱、核磁共振、元素分析对产物进行了表征。通过规范不变原子轨道方法完成了HYTF的¹³C NMR和¹⁵N NMR理论模拟,结合实验数据实现了HYTF的¹³C NMR和¹⁵N NMR的准确归属。发现3,4-双（4′-硝基呋咱-3′-基）呋咱与羟胺在不同反应温度条件下可分别生成HYTF和7H-三呋咱并［3,4-b：3′,4′-f：3″,4″-d］氮杂环庚三烯（HATF）,提出了HYTF与羟胺作用生成HATF的反应机理。基于实测密度（ρ=1.86 g·cm^-3）和预估生成焓（Δ_fH（s）=573.8 kJ·mol^-1）,利用Explo5（V6.04）软件预估HYTF的爆速和爆压分别为8181 m·s^-1和28.0 GPa。采用差示扫描量热仪（DSC）研究了HYTF的热分解过程,其热分解峰温为161.8 ℃。     

亚稳态分子间复合物Al-MoO3的制备与性能研究

以纳米铝粉和纳米氧化钼为原料,采用超声分散混合的方法,制备了纳米复合含能材料Al-MoO3.利用扫描电镜(SEM)和红外光谱对原料和产物的结构进行了初步分析表征;进行了Al-MoO3撞击感度、火焰感度以及燃烧热性能试验.结果表明,该含能材料具有一定的撞击、火焰感度,是一种具有高的能量密度的纳米含能材料.     

呋咱及其自由基结构和性质的理论研究

采用DMol3程序对呋咱及其双自由基、单自由基的结构和性质(优化几何、振动分析、热力学、反应活性及稳定性)进行了理论研究。结果表明:呋咱环的共轭性较弱,其强弱及分子的热稳定性次序为呋咱>单自由基>双自由基,且N—O键可能是环稳定的"薄弱环节"。呋咱环能够从与之相连的氢原子上转移电子,环获得一定量的电子后,稳定度增加。双自由基对亲核、亲电及自由基反应均有一定的活性,单自由基次之,而呋咱最稳定;所有分子上的N原子可能对反应有一定活性。     

偶氮四唑非金属盐类含能材料的合成与性能研究

以5-氨基四唑(5-AT)为起始物,经两步反应得到了数种偶氮四唑非金属盐类高氮含能化合物,包括偶氮四唑的胍盐(GZT)、氨基胍盐(AGZT)、二氨基胍盐(DAGZT)及三氨基胍盐(TAGZT)等;对合成产物和偶氮四唑肼盐(HZT)、铵盐(AZT)的基本理化性能和爆炸性能进行了研究。研究表明:此类高氮含能材料生成焓高、产气量大、热稳定性较好、分解放热量大,有望作为新型气体发生剂、低特征信号推进剂、低烟或无烟烟火以及高性能炸药的重要组成。     

三种联结方式对典型双四唑含能材料晶体结构和性能的影响

为了研究不同联结方式对双四唑含能材料结构和性能的影响,比较分析了5,5′-联四唑-1,1′-二氧羟铵盐(TKX-50)、5,5′-偶氮四唑-1,1′-氮氧化物二羟氨盐(ATZO-1)、5,5′-偶氮四唑-5-氮氧化物钠(ATO-Na)等三个化合物的晶体数据,从键长、键角、二面角、氢键作用等微观层面总结了偶氮键(─N=N─)和氧化偶氮键(─N=N(O)─)的引入对双四唑化合物结构的影响。研究发现两个四唑环分子直接相连形成的联四唑结构最为致密,对称和致密结构使其具有高的晶体密度,采用玻恩-哈伯循环(Born-Haber cycle)和热力学中盖斯(Hess)定律计算了TKX-50、ATZO-1和5,5′-偶氮四唑-5-氮氧化物二羟氨盐(ATO-1)的生成热,根据Kamlet-Jacobs公式(K-J方程)计算了其爆轰参数,比较发现,─N=N─和─N=N(O)─引入到联四唑中可降低其晶体密度,在一定程度上提高其生成焓,由于晶体密度相差较大,TKX-50仍具有最高的爆轰性能。     

N-甲基-N′-甲氧基偶氮-N-氧化物结构和性能的理论研究

基于密度泛函理论研究了N-甲基-N′-甲氧基偶氮-N-氧化物(MMDO)的结构、生成焓、密度和热分解机理,同时对其硝胺异构体二甲基硝胺(DMNA)进行了对比研究。结果表明:MMDO的Z式构型比E式构型稳定性更好,为主要存在形式;两种构型之间的异构化能垒高于热分解能垒,在热分解的条件下不会发生Z-E异构化反应;Z-MMDO的生成焓(42.50 kJ.mol-1)明显高于其硝胺异构体DMNA(-12.74 kJ.mol-1),热稳定性也好于DMNA,但密度(1.331 g.cm-3)略低于后者(1.363 g.cm-3);CH3O—N和CH3—O断裂为MMDO的两条竞争热分解途径。     

多硝甲基氧化偶氮呋咱含能衍生物爆轰与安全性能理论研究

为了考察多硝甲基氧化偶氮呋咱含能衍生物的爆轰与安全性能,基于密度泛函理论的B3LYP方法,在6-31G**基组水平上,对比研究了硝基氧化偶氮、三硝甲基氧化偶氮及氟二硝甲基氧化偶氮三种含能基团对呋咱、偶氮呋咱、氧化偶氮呋咱及呋咱醚的几何构型、静电势分布、密度、生成焓、氧平衡、爆速、爆压、键离解能以及撞击感度的影响。结果表明,三硝甲基氧化偶氮基团与氟二硝甲基氧化偶氮基团均可大幅提高呋咱衍生物的密度和氧平衡,氟二硝甲基氧化偶氮基团还可大幅提高呋咱衍生物的爆速和爆压,且具有良好的热稳定性和撞击感度特性。基于12种呋咱含能衍生物理论计算结果,筛选出一种高能量密度化合物:3,3′-双(氟二硝甲基氧化偶氮基)-4,4′-氧化偶氮呋咱,其密度为2.019g·cm~(-3)、爆速为9.735km·s~(-1)、爆压为44.90GPa、特性落高为36cm。     

四氢双环戊二烯硝基衍生物的热力学性质与爆轰性能的理论研究

在B3LYP／6-31G水平上对四氢双环戊二烯（THDCPD）的系列硝基衍生物进行了几何构型优化和振动频率计算,并采用统计热力学原理求得不同温度下的热容及焓。通过设计等键反应,获得了各衍生物的标准生成焓。用Monte-Carlo方法和自编程序,基于0．001e·bohr^-3等电子密度面所包围的体积空间求得分子平均摩尔体积和理论密度。以理论计算得到的密度和标准生成焓为基础,用Kamlet-Jacobs方程估算标题物的爆速和爆压。计算结果表明,THDCPD硝基衍生物的总能量与硝基数目有很好的线性相关性,且桥式异构体衍生物的稳定性普遍高于挂式;预计其热解引发键始于C-N键,而不是骨架C-C键的均裂;其焓随温度升高急剧增大,而热容随温度上升其增幅则逐渐减小;随衍生物中硝基数目增多,其爆速和爆压等计算值迅速增大。     

四氢双环戊二烯硝基衍生物的热力学性质

在B3LYP/6-31G水平上对四氢双环戊二烯(THDCPD)的系列硝基衍生物进行了几何构型优化和振动频率计算,并采用统计热力学原理求得不同温度下的热容及焓。通过设计等键反应,获得了各衍生物的标准生成焓。用Monte-Carlo方法和自编程序,基于0.001 e.bohr-3等电子密度面所包围的体积空间求得分子平均摩尔体积和理论密度。以理论计算得到的密度和标准生成焓为基础,用Kamlet-Jacobs方程估算标题物的爆速和爆压。计算结果表明,THDCPD硝基衍生物的总能量与硝基数目有很好的线性相关性,且桥式异构体衍生物的稳定性普遍高于挂式;预计其热解引发键始于C—N键,而不是骨架C—C键的均裂;其焓随温度升高急剧增大,而热容随温度上升其增幅则逐渐减小;随衍生物中硝基数目增多,其爆速和爆压等计算值迅速增大。