笼状化合物与三元小环分子作为含能材料的理论研究

作     者：迟伟杰 

作者单位：山西师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李步通

授予年度：2013年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070303[理学-有机化学] 0703[理学-化学] 

主      题：高能量密度化合物 爆炸性能 生成热 解离能 密度泛函 

摘      要：由于高能量密度化合物在军事、燃料和烟火方面的重要应用，使得它在近年来得到了广泛的关注。在过去的几十年，由于氮团簇在分解为1mol氮气的时候能放出高达50kcal/mol的能量，因此人们对其进行了大量的理论研究，研究结果显示氮团簇尽管有优秀的爆炸性能，但是它在热力学上很不稳定，在实验室不容易合成。因此将他作为未来的炸药来研究是不现实的。除了纯氮化合物，一些氮杂环化合物，笼状化合物也受到了广泛的关注。这类化合物的主要特点是在燃烧或者是环破裂的时候能放出大量的热，除此以外，氮杂化合物一般具有大的分子密度、好的氧平衡与稳定性，这些都是高能量密度化合物的基本特点。对于高能量化合物，在实验室合成不但困难，而且对环境与人类也是不利的，随着计算机模拟技术的发展，它给我们提供了一个行之有效的分子设计方法，经常被用来设计新的含能化合物。分子的理论设计也被看作是合成化学中关键的一步。 本文采用精确的量子化学计算方法对三类含能化合物进行了详细的理论研究。采用等键反应准确地计算了物质的生成热。基于计算的爆炸热量与分子的理论密度在结合K-J方程，初步预测了含能分子的爆炸速度与压强。通过预测分子中最弱键的解离能来粗略判断分子的稳定性，解离位置采用威伯格键级与密立根分析获得，这些结果给实验室合成化学提供大量的理论依据。 1.棱柱烷衍生物 我们在DFT-B3LYP/6-311G**的水平下优化了33种棱柱烷衍生物的几何构型并计算了他们的相关性质。实验结果表明所有的衍生物均有高的正的生成热，并且生成热同取代的数目之间有着良好的线性关系，符合基团的加和原理。所有化合物最弱键的解离能均大于80KJ/mol，说明他们都具有好的热力学稳定性。对于硝基棱柱烷来说，C-NO2键为爆炸反应的引发键，而对于亚硝基棱柱烷与硝铵基棱柱烷来说，则C-C键的断裂为反应的起始步。考虑到稳定性与爆炸性能的综合要求，五硝基棱柱烷与六硝基棱柱烷最有可能成为未来的高能材料。特别是六硝基棱柱烷衍生物，其爆炸速率达到了10.15m/s，压强达到了48.61GPa。 2.立方烷衍生物 我们采用密度泛函理论，在B3LYP/6-311G**的水平下优化了42种立方烷烷衍生物。实验结果显示所有的硝铵立方烷都有大的能隙差，并且都高于TATB的能隙差值。对于同分异构体，其能隙差值还被取代基的相对位置影响。生成热的值会随着取代基数目的增加而增加，但是质量燃烧焓反而会依次减小。对比与C-NHNO2的解离能数值，C-C键的断裂被预测为立方烷衍生物爆炸反应的起始步。七硝铵基立方烷与八硝铵基立方烷的爆炸性能超过了HMX达到了我们对高能量密度化合物的要求。相似的结论会在二硝铵基立方烷衍体系中得到，不同的是二硝铵基立方烷化合物具有更优秀的爆轰性能。除此以外我们还发现，除了密度与爆炸热量以后，氧平衡也是影响爆炸性能的一个重要参数。 3.三元环衍生物 采用密度泛函理论，分别在B3LYP/6-311G**与MP2/6-311G**水平下系统地预测了三氮杂环丙烷衍生物的含能性质。实验结果显示所有衍生物在MP2水平下都有高的解离能，但是在B3LYP水平下只有A1的解离能大于80KJ/mol，说明电子相关能对于解离能有大的影响。我们通过K-J方程与相对冲量预测了爆炸性能，但是他们得到的结果差异很大，因此我们预测，对于只含有N、H、O元素的衍生物，其K-J方程可能是不适用的。此外，本节我们还计算了硝基环氧乙烷衍生物的性质，实验结果表明尽管他们具有很好的热力学稳定性，但是其爆炸性能并没有达到我们对于高能量密度化合物的要求。