苯的硝基和叠氮基衍生物的理论研究

在密度泛函理论B3LYP/6-31G*水平下优化了91个苯的硝基(NO₂)和叠氮基(N₃)衍生物的分子几何构型, 预测了它们的密度和生成热, 采用Kamlet-Jacobs方法计算了爆速和爆压, 筛选得到11种爆轰性能较好的高能量密度化合物(HEDC), 计算了它们的多个可能的热解引发键的键离解能(BDE)以及按“氧化呋咱机理”分解时的活化能(E_a). 结果表明, 当分子中有NO₂与N₃相邻时, 分解按“氧化呋咱机理”进行, 分解反应的E_a均大于100 kJ/mol|分子中没有NO₂和N₃相邻时, 热解始于C-NO₂或C-N₃均裂, 裂解的BDE都大于200 kJ/mol. 只含NO₂或N₃的7个物质的稳定性好于同时含NO₂和N₃的物质, 而只含N₃的物质的稳定性又好于只含NO₂的物质, 五叠氮苯和六叠氮苯具有很出色的爆轰性能和稳定性. 无论是能量还是稳定性方面, 筛选得到的11种物质基本符合HEDC的要求.     

高氯酸铵热分解机理的密度泛函理论研究

深入理解高氯酸铵的热分解机理,对于优化固体推进剂配方设计十分重要.我们采用对称破缺密度泛函方法(BS-UB3LYP/6-311+G(d,p)),对高氯酸铵的热分解机理进行了系统的梳理和深入研究.首先,高氯酸铵通过质子转移,生成HClO₄和NH₃,从吸附态进入气相.进而高氯酸的Cl—OH键均裂,生成羟基自由基·OH和三氧化氯自由基·ClO₃,它们优先和NH3反应,生成·NH₂.·NH₂和HClO₄反应生成·ClO₄自由基,进而和NH₃反应生成H₂NO,再被自由基物种拔H生成NO. NO和·OH反应生成NO₂,和·NH₂及·OH反应生成N₂O.这些产物与诸多实验观测结果一致.     

CL-20热分解反应机理的ReaxFF分子动力学模拟

为探究固相CL-20热分解反应机理,本文采用反应分子动力学ReaxFF MD模拟研究了含有128个CL-20分子的超胞模型在800–3000 K温度下的热分解过程。借助作者所在课题组研发的反应分析及可视化工具VARxMD得到了热分解过程中多种反应中间物和较为全面的反应路径。氮氧化物是CL-20初始分解的主要中间产物,其中NO₂是数量最多的初始分解产物,观察到的中间物NO₃的生成量仅次于NO₂。统计CL-20初始分解的所有反应后发现,在所有考察温度下CL-20初始分解路径主要是N―NO₂断裂反应和C―N键断裂引起开环的单分子反应路径。N―NO₂断裂反应数量在高温下显著增多,而C―N键断裂引起的开环反应数量随温度升高变化不大。在低温热分解模拟中还观察到CL-20初始分解阶段生成的NO₂会发生双分子反应—从CL-20分子中夺氧生成NO₃。对CL-20热分解过程中环结构演化进行分析后发现,CL-20分解的早期反应中间物主要为具有3元或2元稠环结构的吡嗪衍生物,随后它们会分解形成单环吡嗪。吡嗪六元环结构在热分解过程中非常稳定,这一模拟结果支持Py-GC/MS实验中提出吡嗪存在的结论。CL-20中的咪唑五元环结构相对不稳定,在热分解过程中会发生开环分解而较早消失。由ReaxFF MD模拟得到的3000 K高温热分解产物N₂,H₂O,CO₂和H₂的数量与爆轰实验的测量结果定量吻合。本文获得的对CL-20热分解机理的认识表明ReaxFF MD结合VARxMD有可能为深入了解热刺激下含能材料复杂化学过程提供一种有前景的方法。     

五嗪含氮取代基衍生物结构和性质的理论研究

采用密度泛函理论(DFT)方法在B3LYP/aug-cc-pvDZ理论水平上研究了CN, NO₂, NH₂, N₃, N₂H, NHNH₂, N₄H和N₄H₃等含氮取代基取代五嗪环上的氢原子生成的衍生物, 预测了它们的分子构型、分解能及含能性质. 对衍生物分解能的研究结果表明, CN和NH₂取代的衍生物的分解能比未取代时更高, 而其余基团的取代使分解能降低; 取代基化合物的生成热越大, 取代五嗪中的氢原子后生成衍生物的生成热也越大. N₄H₃, NO₂, H, N₂H, N₄H, N₃和CN取代的五嗪衍生物的单位原子生成热为72.6～108.9 kJ, 比文献报道的三叠氮基-均三嗪的(70.2 kJ)更高. 对于CN, N₂H, N₄H₃, N₃和N₄H取代的衍生物, 其生成热为871.4～1159.3 kJ•mol^－1, 但N₄H和N₄H₃的分解能较小, 稳定性较差. 因此, N₃, N₂H和CN取代的衍生物可能成为高能量、低感度的含能材料.     

八硝基立方烷高温热分解分子动力学模拟

随着对高能量密度材料的性能要求不断提高,新型高能量密度材料成为近期研究热点,其中八硝基立方烷(ONC)由于其优越的性能成为其中典型的代表,然而关于八硝基立方烷热分解的动力学机理研究比较少。本文采用ReaxFF反应力场模拟高温条件下凝聚相八硝基立方烷初始热分解过程。研究发现热分解过程中八硝基立方烷笼状骨架结构中C-C键最先发生断裂,并逐步破坏形成八硝基环辛烯等,随后出现NO₂和O等,计算结果表明笼状骨架结构的破坏存在三种不同路径。八硝基立方烷在高温条件下热分解的主要产物有NO₂、O₂、CO₂、N₂、NO₃、NO、CNO以及CO等,其中N₂和CO₂是终态产物,不同温度对产物均产生不同程度的影响。     

Meso-2,3-二氰基-2,3-二苯基丁二酸二乙酯熔融相热异构化反应动力学及中间体EPR测定

测定了2,3-二氰基-2,β-二苯基丁二酸二乙酯meso-异构体熔融相的热异构化反应动力学及苯环对位为X(X=OCH₃,CH₃,H,Cl,NO₂)的相应二乙酯反应中间体自由基的EPR谱,自由基的结构由计算机模拟确定.结果表明,在实验温度范围内,平衡常数随温度的升高而降低.热力学数据为:ΔH_dl-meao= - 18.02 kJ/mol, ΔS_dl-meao= - 26.51 J/mol·K, ΔH^≠ = 151.78 kJ/mol, ΔS^≠ = 71.64 J/mol·K.反应机理是内消旋体的中心碳-碳键发生均裂,生成α-氰基-α-乙氧甲酰基-P-X取代苄基自由基,再重新结合时发生异构化,生成dl-异构体.     

2-芳胺基-3H-1,3,4-噻二唑-5-硫醇类介离子化合物的X射线光电子能谱研究

用XPS表征2-芳胺基-1,3,4-噻二唑-5-硫酮(1)在ω-溴代-ω-(1H-1,2,4-三唑)-苯乙酮诱导下生成的2-芳胺基-3H-1,3,4-噻二唑-5-硫醇类介离子化合物(4).结果表明,化合物4分子中的C_1s,N_1s,S_2p电子结合能均高于化合物1,尤其以N_1s,S_2p结合能谱最为特征.例如在含3个氮原子的化合物4中由于噻二唑环的两个氮环境不同,故产生3个峰,而在与其结构相近的对照物1中,由于噻二唑环的两个氮环境相近,故产生2个峰.S_2p诸状态结合能加合值化合物4均大于化合物1,在化合物4中均是杂环内硫大于杂环外硫.     

硝酸酯键断裂触发的含能增塑剂DNTN多阶热分解机理

采用反应分子动力学模拟、固相原位红外测试和同步热分析-红外-质谱联用技术相结合的方法对2,3-二羟甲基-2,3-二硝基-1,4-丁二醇四硝酸酯(DNTN)的热分解过程进行了研究,分析了其热分解气体产物和固相产物,阐明了其热分解机理.结果表明,DNTN的分解分为3个阶段:第一阶段为诱导分解阶段,温度区间为127～147℃,DNTN发生部分O—N键的断裂,释放少量的NO₂气体;第二阶段在147～220℃之间,DNTN快速分解,发生硝基基团脱去和季碳骨架的分解,并且伴随小环结构的生成和裂解,释放大量的NO₂和CO₂等气体,同时放出大量的热;第三阶段为240～350℃,DNTN剩余固态产物在高温下热解,释放少量的CO₂,并且在300℃后剩余的固相物质会进一步反应生成氰基.     

3-取代硫基-5-(2-羟基苯基)-4H-1,2,4-三唑类化合物抑菌活性的定量构效关系和结构修饰的理论研究

用DFT-B3LYP 方法, 在基组6-31G 水平, 对24 种3-取代硫基-5-(2-羟基苯基)-4H-1,2,4-三唑类化合物分子进行几何优化, 并计算了E_HOMO, E_LUMO, E_NHOMO, E_NLUMO, Q_C1～Q_C8, Q_N1～Q_N3, Q_O, Q_S和ΔE₁, ΔE₂, ΣQ 等量子化学描述符(q_c). 通过最佳变量子集回归建立13 种上述化合物对大肠杆菌、白色念珠菌、金黄色葡萄球菌等抑菌活性(A_J: A_e, A_m 和A_s) 的QSAR 模型. 对于大肠杆菌的A_e 模型的相关系数(R²)和逐一剔除法交叉验证系数R_cv² 依次为0.930 和0.871, 相应白色念珠菌A_m 模型为0.926 和0.869, A_s 模型为0.781 和0.572. 通过R_adj², F, R_cv², VIF, AIC, FIT 等检验, 上述模型具有令人满意的稳健性和预测能力. 结果显示ΔE₁ 和ΣQ 直接影响这些化合物的生物活性: ΣQ 增大, 其抑菌活性增强; ΔE₁ 越高, A_J 下降. 据此提出三唑类化合物分子可能的抑菌机理. 由此发现, 在三唑类化合物分子的R 中合适部位选用吸电子能力较强的取代基团进行结构修饰, 有利于提高被修饰后分子的抑菌活性. 根据对R 进行结构修饰(共提出11 种化合物), 得出4 种抑菌活性均超出100%的三唑类化合物(质量分数为0.01%), 希望将来得到生物实验的证实.     

NO与NO2在ZnO表面吸附的密度泛函理论研究

采用 DMol ³ 模块中广义梯度密度泛函理论(GGA)的Perdew-Burke-Ernzerh(PBE)方法研究含能材料分解气体产物NO, NO₂在ZnO(10 \bar{1} 0)表面的吸附和NO₂解离生成NO和O的过程. 结果表明, 优化后的吸附构型显示Zn顶位为稳定吸附位点, NO₂的吸附能大于NO. 态密度图分析结合差分电荷密度图表明, NO的N原子与表面Zn有相互作用, 电荷从NO转移到表面; NO₂的N_2p, O_2p轨道与表面Zn_3d轨道发生杂化, NO₂附近积累大量负电荷. 过渡态搜索显示NO₂的解离需跨过较高能垒, 不易进行.     

硝酸异丙酯与Cl原子、 OH和NO3自由基反应的机理及动力学

采用CCSD(T)//M06-2X/6-311++G(d,p)方法, 结合传统过渡态理论, 研究了硝酸异丙酯与Cl原子、 OH及NO₃自由基的反应机理和动力学. 两个反应物单体首先形成氢键复合物, 随后X(X=Cl原子、 OH和NO₃自由基)提取硝酸异丙酯中叔碳的α-H原子或甲基的β-H原子, 室温下, 以X提取α-H原子为主. 反应的主要历程为 Cl原子(OH或NO₃自由基)提取(CH₃)₂CHONO₂的α-H原子, 生成HCl(H₂O或HNO₃)分子和(CH₃)₂CONO₂自由基, 后者分解为丙酮和NO₂. 结果表明, 在200~500 K温度范围内, 随着温度的升高, 丙酮和NO₂的产率降低; 在室温下, 硝酸异丙酯与Cl原子、 OH和NO₃自由基反应的速率常数分别为3.933×10^-11, 1.182×10^-13和7.134×10^-19 cm³·molecule^-1·s^-1. 计算所得硝酸异丙酯与OH自由基反应的动力学数据与实验结论一致.     

Ag-ZSM-5催化剂上CH4选择催化还原NOx的研究

摘要研究Ag-ZSM-5催化剂上CH₄选择性催化还原NO_x的反应性能,采用TPD和TPSR技术研究NO和O₂共吸附于Ag-ZSM-5催化剂表面形成的吸附物种及其和CH₄之间的反应。结果表明,Ag-ZSM-5催化剂上CH₄选择性还原NO_x活性和选择性较高。NO和O₂共吸附在Ag-ZSM-5催化剂上形成的NO₃(s)吸附物种能被CH₄还原生成N₂.在NO₃(s)和O₂共存的体系中,CH₄能优先并选择性还原NO₃(s)生成N₂.     

硝酸碳酰肼合钴、镍、铜含能配合物结构和性质的理论研究

对硝酸三碳酰肼合钴([Co(CHZ)₃](NO₃)₂)、硝酸三碳酰肼合镍([Ni(CHZ)₃](NO₃)₂)和硝酸二碳酰肼合铜([Cu(CHZ)₂(NO₃)₂])进行密度泛函理论计算研究, 获得其稳定分子的几何构型、电子结构、红外光谱以及热化学性质. 研究结果表明, 这三种配合物均表现出六配位八面体结构, 而铜配合物中的硝酸根参与了配位. 自然键轨道分析表明, 配体和金属离子之间存在供体-受体相互作用, 致使配位氨基N—H键上的成键轨道电子发生离域, 进而导致氨基N—H键的电子占据数降低、键长增大、键级减小、伸缩振动频率红移, 这与实测红外光谱变化规律很好地吻合. 标题化合物的金属离子均为＋1氧化态, 金属-氮配位键都是共价键, 而Cu—O配位键是离子键. 通过计算求得理论反应热, 预测这些配合物的合成均为放热反应; 由生成热大小推测标题物的稳定性次序为[Ni(CHZ)₃](NO₃)₂＞[Co(CHZ)₃](NO₃)₂＞[Cu(CHZ)₂(NO₃)₂], 与实测热稳定性次序完全吻合.     

硝酸酯的热分解性能

分别在B3LYP/6-31G*和MP2/6-31G*的理论水平下,计算得到硝酸正丙酯、硝酸异丙酯、硝酸异辛酯和二缩三乙二醇二硝酸酯4种硝酸酯的O-NO2键离解能(BDE)。 采用常压DSC和高压DSC实验方法,研究了4种硝酸酯的热分解过程,获得热分解反应动力学参数。 常压下4种物质的热分解反应发生在气相区,当压力增大至2 MPa时,4种物质直接发生液相分解反应。 4种硝酸酯的O-NO2键离解能在很大程度上符合由实验分析得到的活化能,表明4种硝酸酯的热分解反应只是单分子O-NO2键的均裂反应。     

DABT含能化合物的合成,结构及性质研究

利用水热法制备了一个单核含能配合物[Ni(DABT)(H₂O)₄] SO₄·H₂O(1)(DABT=3,3’-二氨基-5,5’-二(1H-1,2,4-三唑))和一个含能离子盐DABT·SO₄(2)。结构分析表明,1和2均通过三唑环的π-π堆积作用及其氢键相互作用形成了三维超分子结构。研究了1和2的红外光谱,紫外可见光谱;运用TG-DSC热分析仪研究了1的热分解行为,结果表明1在失去水分子后可以稳定到350℃才放热分解;探究了2对推进剂主要组分的热分解行为,结果表明2对AP具有一定的燃烧催化作用。     

LiNd(PO3)4晶体的热分析研究

对LiNd(PO₃)₄晶体分别在N₂气和空气下进行了TG和DTA热分析研究,给出TG和DTA曲线,讨论了LNP晶体在N₂气和空气下不同的热分解机理.得到分解产物分别为Nd₄(P₂O₇)₃和NdP₂O₇.     

气体再燃低NOx燃烧中NO与NHi的反应机理研究

采用量子化学密度泛函理论(DFT)对NO与NH_i自由基的反应机理进行了研究,并结合经典过渡态理论对各反应速率常数进行了计算。结果表明,NO与NH₂自由基的反应体系可通过六个反应通道形成N₂+H₂O、N₂O+H₂和N₂H+OH。从能量变化和反应速率两方面考虑,产物N₂+H₂O最容易生成,其最佳反应通道为NO+NH₂→→N₂+H₂O;NO与NH自由基的反应体系可通过七个反应通道形成N₂+OH、N₂O+H和N₂H+O;其中,N₂+OH最容易生成,最佳反应通道为NO+NH→→N₂+OH。比较发现, NH比NH₂自由基更易与NO发生反应生成N₂。因此,在实际运行中改变操作条件,实现NH₂等向NH方向转化,有利于NO_x的还原。     

溶胶-凝胶法制备NixCo1-xCoAlO4尖晶石型复合氧化物及其催化分解N2O性能

用溶胶凝胶法制备了一组Ni_xCo_1-xCoAlO₄尖晶石型复合氧化物,并采用表面润湿浸渍K₂CO₃溶液进行了K掺杂改性,用于有氧气氛下的N₂O催化分解反应.采用N₂物理吸附、X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、H₂-程序升温还原(H₂-TPR)等技术对催化剂进行了表征,考察了催化剂组成、母液pH值、K负载量等制备参数对其催化活性的影响.结果表明,母液pH值为3、K/(Ni+Co)物质的量比为0.1的K/Ni_0.15Co_0.85CoAlO₄催化剂具有较高的N₂O分解活性,450 ℃ N₂O可完全分解.助剂K的加入弱化了催化剂表面金属氧键,提高了催化剂的还原性、催化活性和抗水性.     

碳质表面异相还原NO2的反应机理

基于量子化学密度泛函理论（DFT），研究了碳质表面异相还原NO₂的反应机理，针对Zigzag与Armchair两种碳质表面，采用M06-2X方法与6-311G （d）基组联用，优化得到了不同反应路径下所有驻点的几何构型与能量，并对各路径进行了热力学与动力学分析，重点探究了CO在NO₂异相还原反应中的作用规律，同时考察了碳质表面与反应温度对异相反应的影响。计算结果表明，NO₂在碳质表面的异相还原过程主要分为两个阶段，即NO₂还原阶段与碳氧化物释放阶段。通过对比无CO分子参与的反应可知，参与反应的CO分子可以降低各阶段的反应能垒并且加快各阶段的反应速率；CO分子存在时，NO₂还原阶段的反应能垒被降低，促进了NO₂还原成NO的异相反应过程，同时参与反应的CO分子与碳质表面剩余氧原子结合，形成CO₂分子并释放，使碳氧化物释放阶段的反应能垒降低，从而促进了整体还原反应的进行。此外，与Armchair型相比，基于Zigzag型碳质表面的NO₂异相还原反应能垒更低且反应速率更快，说明NO₂异相还原反应更容易在Zigzag型碳质表面进行。最后，由反应动力学分析可知，随着温度上升，各阶段的反应速率均增大，说明提高温度对碳质表面的NO₂异相还原能够起到促进作用。     

直链小碳簇Cn(n=3～6)微正则解离速率常数的RRKM理论计算(Ⅰ)

用从头计算法研究小碳簇的解离通道及其动力学.以MP2/6-31G^*精度优化直链C₃,C₄,C₅,C₆及其过渡态的结构,并对它们进行振动分析.在此基础上计算了各解离通道的能垒,并根据RRKM理论估算各个通道的微正则解离速率.计算结果表明,这些小碳簇的解离主要表现为均裂方式.