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唑类氮杂环化合物结构与性能关系的理论研究认领

被引量： 7

作者：

殷明

学位授予单位：

中国工程物理研究院

摘要：

设计并合成出高能钝（低）感炸药是含能材料领域最重要的任务之一,因此从理论上对其进行能量和安全性能评估有非常重要的意义。在总结分析大量文献的基础上,设计了非常有应用潜力的新型硝基咪唑、吡唑和偶氮三唑类氮杂环化合物为（国内外开展咪唑和吡唑化合物的理论研究工作还较少）本文研究对象,采用量子化学理论研究其结构与能量性能之间的关系,并结合了分子动力学的方法研究了具有代表性的2,4-二硝基咪唑（2,4-DNI）和4-氨基-3,5-二硝基吡唑（LLM-116）的热分解机理,在验证已有实验研究基础上,更进一步认识此类炸药热分解的机理和内在规律,为库存、老化及安全性评估提供了重要理论参考。采用密度泛函理论,在B3LYP/6-311（d,p）水平上对设计的硝基咪唑、吡唑和偶氮三唑类氮杂环化合物进行了几何构型优化,并使用自然键轨道方法分析了其电荷分布情况以及轨道之间和孤对电子与轨道之间的相互作用,还用gOpenMOl 2.32程序画出三维的分子静电势图,分析电子结构和反应活性。结果表明,各化合物中均存在共轭体系,唑环上有一定的芳香性特征,由分子静电势图分布情况可初步判断这些化合物符合含能体系电子分布的要求。分别采用原子化方案、Monte-Carlo方法和VLW状态方程理论计算了标准气态摩尔生成热、Bader密度、爆速和爆压,计算结果与已有实验数据吻合较好,说明本文采用的理论方法具有较高精度。研究结果显示,设计的三类化合物有较好的能量性质,三硝基咪唑、双环吡唑体系是非常好的高能量密度结构单元,还发现部分设计化合物结构与上述参数之间的定量关系,这些研究结果可为实验合成人员提供素材和理论依据。借助于VASP程序包,本文对不同温度下的2,4-DNI和LLM-116的反应轨迹进行模拟计算,并采用Gaussian98程序在B3LYP/6-311G（d,p）水平上计算了热解初始步骤过渡态及产物的几何构型,同时计算了其反应能垒。对于能垒较为接近的分解途径,还进行了速率常数的计算。结果表明,气相的2,4-DNI按热解起始步骤的不同可分为C-NO2的断裂和硝基—亚硝基的异构化反应;LLM-116按热解起始步骤为C-NO2的断裂和氢转移反应;其中C-NO2的断裂为两个化合物最重要的热分解途径,硝基—亚硝基的重排与氢转移反应会对热分解起着一定的作用。此外,还从反应能垒角度理论研究了NO2对LLM-116热分解的催化作用,目前这一研究领域在国内外文献中还少见报道。以上研究结果可以较好地解释热分解实验中的现象。

摘要译文

关键词：

唑类氮杂环化合物; 结构与性能; 理论研究; 爆轰性能; 热分解机理

学位年度：

2009

学位类型：

硕士

学科专业：

武器系统与运用工程

导师：

舒远杰

中图分类号：

TQ560.1[基础理论]

学科分类号：

081702[化学工艺];082605[特种能源工程]