含吡啶环高能化合物的分子设计和理论研究

含吡啶环高能化合物的分子设计和理论研究运用量子化学密度泛函理论(DFT)等方法,对设计的系列含吡啶环分子(如硝胺类、桥连双吡啶类、吡啶并含氮杂环类等)的分子结构、电子结构、晶体结构、爆轰性能等进行了较系统的计算研究,以了解其基本性能,筛选品优化合物,为实验合成提供参考。主要内容如下：1.基于硝胺基团的高能特性和毗啶的钝感性,设计了系列含吡啶环的硝胺炸药,并对其进行了理论研究。采用PM3半经验方法和DFT方法计算了生成焓(HOF),采用等电子密度面求体积法及其静电势校正法

计算晶体密度(p)。在此基础上应用Kamlet-Jacobs(K-J)方程求得爆速(D)和爆

压(P)。

发现有些化合物具有较高密度(约1.9g/cm3)和优良的爆轰性能(D高于

9km/s,P约为39GPa),为潜在的高能量密度化合物(HEDC)。根据自然键轨道(NBO)、键解离能(BDE)和撞击感度(h50)分析了化合物的稳定性和热解机理,发现在热分解过程中N-N02键是最可能的引发键。溶剂效应能影响化合物的稳定性。最后总结了吡啶硝胺类化合物的分子设计规律。

2.根据含吡啶环炸药TNPyO(2,4,6-三硝基吡啶氮氧化物)和PYX(2,6-二苦

胺基-3,5-二硝基吡啶)的结构设计了它们的-NO2、-NH2、-N3、-NHNO2、-ONO2、-CH2C(NO2)3和-NF2衍生物,应用DFT进行了理论研究。通过等键反应计算了气态生成焓并进而预测了固态生成焓；应用分子力学(MM)方法计算了ρ；由K-J

方程估算爆热(Q)、D和P,讨论了取代基团对HOF、ρ、Q、D和P的影响；由前线轨道能量、键级、BDE和h50评价感度,并探讨了可能的热解引发机理。综合

考虑爆轰性能与稳定性两方面因素,大多数TNPyO衍生物以及部分PYX衍生物为潜在的HEDC,值得进一步研究。3.对具有不同连接基团(-H-、-O-、-NH-、-CH2、-N=N-、-N=N(O)-、-CH=N-、-CH=CH--NH-NH-和-NH-CH2-NH-)和取代基(-NH2、NO2-NF2)的系列双吡啶进行了计算研究。

设计等键反应计算气态生成焓,进而应用Politzer方法预测固态生成焓。讨论了不同连接基团对生成焓的影响规律。比较三种密度预测方法(体积法、Politzer静电势校正法以及MM预测分子堆积方法)的结果,发现分子堆积法所得晶体密度更可靠。以-O-、-NH-或-CH2-连接的双吡啶化合物的爆轰性能与直接相连的双吡啶相比没有明显提高。

但以-N=N-、-N=N(O)-和-NH-NH-连接有利于提高爆轰性能。吡啶氮的氧化总能提高爆轰性能,但桥连基团-N=N-氧化却未必能提高爆轰性能。以-N=N-桥连且有两个-NF2取代基的衍生物具有最大的D(9.90km/s)和P(47.47GPa)。桥连基团与吡啶环之间存在共轭效应。

-NH-NH-和-NH-CH2-NH-对提高稳定性的作用最大,-CH=N--CH=CH-其

次,-N=N-(?)-N=N(O)-最小。BDE或h50结果表明这些物质具有很好的热力学稳定性。4.对PRAN(2-(5-氨基-3-硝基-1,2,4-三唑基)-3,5-二硝基吡啶)的-N3、-NO2、-NH2和-NF2取代物在B3LYP/aug-cc-pvdz、B3LYP/6-31G(d)、

B3P86/6-31G(d)和B3PW91/6-31G(d,p)等不同水平下进行了研究,分析了不同泛函和基组的影响。5.应用MM方法以及Compass和Dreiding两种力场,在七种最可几空间群(P21/c、P-1、P212121、P21、C2/c、Pbca口Pna2)中进行最佳分子堆积方式搜索,预测了新型硝胺炸药二(1,3-二硝基-二氢-1H-咪唑)并

[4,5-b:4’,5’-e]-4-硝基吡啶(BNINP)及其氮氧化物(BNINPO)的晶体结构。

运用DFT的GGA-RPBE方法,计算能带结构和热力学函数。还应用DFT的LDA/CA-PZ方法预测了其它系列吡啶硝胺化合物的晶体结构,能带结构和态密度图,分析了各原子对价带和导带的贡献。根据计算所得带隙,其中四种物质接近于导体而其它物质为半导体。6.研究了新型高能化合物7-硝基四唑[1,5]呋咱[4,5-b]吡啶氮氧化物(NFP)的分子构型、电子性质、生成焓和爆轰性能,预测了它的两种晶相结构(α-NFP和β-NFP),发现α-NFP的感度略低于β-NFP。

还研究了0～100GPa范围压力对较稳定的α-NFP晶体结构和电子结构的影响。本论文提供了大量含吡啶环高能化合物的基础数据,总结得到了一些有价值的规律,为含能材料的分子设计和深入研究提供了基本信息。