Theoretical studies on new potential high energy density compounds (HEDCs) adamantyl nitrates from gas to solid

A series of adamantyl nitrates have been theoretically studied from gas to solid to search for new po-tential high energy density compounds (HEDCs). The heats of formation (HOFs) for the 26 title com-pounds were calculated by designing isodesmic reactions at the B3LYP/6-31G level. It was found that the HOFs of the 26 isomers with the same number of —ONO2 groups (n) are not correlated well with the corresponding substituted positions. According to the obtained heats of detonation (Q),detonation velocities (D),and detonation pressures (P) using the Kamlet-Jacobs equations,it was found that when n=7～8,the adamantyl nitrates meet the criterion as an HEDC. The calculations on bond dissociation energies of O—N (EO—N) showed that the adamantyl nitrates with gemi —ONO2 always have the worst stability among the isomers,and all the adamantyl nitrates with gemi —ONO2 have similar stability. Due to the complexity of their structures,values of EO—N do not decrease with the increase of the substituent number n obviously,and the stability of adamantyl nitrates is not determined by only one structural parameter. Considering the stability requirement,only 1,2,4,6,8,9,10-adamantyl heptanitrate is recom-mended as a feasible HEDC. Molecular packing searching for 1,2,4,6,8,9,10-adamantyl heptanitrate among 7 most possible space groups (P21/c,P-1,P212121,P21,Pbca,C2/c,and Pna21) using Compass and Dreiding force fields showed that this compound tends to crystallize in P21/c. Ab initio periodic calculations on the electronic structure of the predicted packing showed that the O—NO2 bond is the trigger bond during thermolysis,which agrees with the result derived from the study of dissociation energies of O—N bonds.     

多硝基四面体烷结构和性能的理论研究

在B3LYP/6-31G**水平下, 对四种四面体烷硝基衍生物进行理论研究. 基于全优化构型, 计算其红外光谱(IR)、热力学性质; 通过设计合理等键反应计算其气相生成热(HOF); 运用Kamlet-Jacobs方程估算其爆速(D)和爆压(p); 通过计算和比较各化合物的两种可能引发键(C—C和C—N)离解能(EC—C和EC—N), 确认该系列化合物的热解引发键和热稳定性. 讨论了各性能参数与其结构参数的关系. 兼顾高能量密度化合物(HEDC)的能量性质和稳定性要求, 最终认为该系列化合物不可作为潜在HEDC.     

几种新型六氮杂异伍兹烷衍生物结构与性能的理论预测—— 高能量密度化合物的寻求

以CN, NC, ONO2, N3, NH2, N2H, NHNH2, N4H和N4H3 9种含氮高能基团为取代基, 分别取代2,4,6,8,10,12-六氮杂异伍兹烷(IW)中亚氨基的6个H原子所形成的9种六氮杂异伍兹烷衍生物作为研究目标分子. 运用密度泛函理论, 在B3LYP/6-31G**水平上求得了它们的分子几何构型、电子结构、解离能(BDE)及IR谱等信息, 并设计等键反应计算了生成热( ). 基于统计热力学原理计算拟合了100～1200 K温度范围内体系的热力学函数, 利用Kamlet-Jacobs方程估算了它们的爆轰性能. 研究结果表明, 9种六氮杂异伍兹烷衍生物存在两种可能的热解引发类型. 在衍生物HNiIW, HBDAIW和HBAIW中, 可能的热解引发键是取代基内部的化学键, 而其余衍生物的热解引发键则可能是骨架N与取代基R之间N—R键. 另外, 硝酸酯基(ONO2)取代所得化合物HNiIW的密度ρ、爆速D及爆压p分别为1.998 g•cm－3, 9.71 km•s－1和44.47 GPa, 完全达到高能量密度化合物(HEDC)的基本要求, 且优于已应用的HNIW, 有望成为新型的HEDC.     

高能量密度材料3,3′-偶氮-1,2,4,5-四嗪衍生物的分子设计

运用密度泛函理论(DFT)方法,计算系列3,3′-偶氮-1,2,4,5-四嗪衍生物的生成热.结果显示:—N3取代基在增加3,3′-偶氮-1,2,4,5-四嗪衍生物的生成热方面起了非常重要的作用.通过分析标题化合物的最弱键离解能发现:—NH2或—N3取代基非常有利于增加衍生物的热稳定性.计算的爆速(D)和爆压(p)数值表明:—NO2或—NF2取代基有利于提高3,3′-偶氮-1,2,4,5-四嗪衍生物的爆轰性能.综合爆轰性能和热稳定性的计算结果,3种3,3′-偶氮-1,2,4,5-四嗪衍生物可以作为潜在的品优高能量密度材料(HEDM)候选物.     

多元硝酸酯热解反应的理论研究

运用SCF-MO－AM1方法，在RHF和UHF水平上，计算研究了四种多元硝酸酯在12种稳定构象下的热解反应．均裂氧硝基键（O-NO2）产生RCH2O·和·NO2的活化能较低，是硝酸酯热解的主要途径；通过α－H转移产生RCHO和HONO的环消除反应具有较高活化能均裂ONO2键的活化能与该键的Wiberg键级之间存在良好的线性关系     

N—O键解离焓的密度泛函理论研究

在高精度计算方法G3和G3B3的基础上,比较了密度泛函理论(DFT)十几种方法对N—O键解离焓(BDE)相对于实验值的计算精度,发现用B3P86方法计算15种化合物N—O键的BDE,均方根误差最小,仅为6.36kJ·mol-1,计算值与实验值的线性相关系数为0.991.在此基础上,用该方法分别计算了非芳香化合物及芳香化合物的N—O键BDE.通过自然键轨道分析,发现部分N—O键的BDE与N—O键的键长、原子电荷密度及键级之间存在定量关系.此外,在B3P86方法的基础上预测了几种典型的杂环芳香化合物N—O键BDE值.     

取代氯苯化合物的电子结构和键离解能的理论研究

利用密度泛函（DFT）三种交换／相关函数（B3LYP,B3PW91,B3P86）结合6—31G^＊＊和 6-311G^＊＊基组,计算了13个取代氯苯化合物的键离解能．结果表明B3PS6／6—311G^＊＊方法是计算取代氯苯化合物键离解能的可信方法,研究发现C—Cl键的键离解能与所使用的基组和计算方法密切相关,取代基对C—Cl键的键离解能的影响不明显．研究了目标化合物的前线轨道能级差,并对取代氯苯化合物的热稳定性做了评估．     

一元硝酸酯热解反应的理论研究

运用SCF－AM1－MO方法，计算研究了十个一元硝酸酯的热解反应，揭示了烷基取代对反应过程的影响．UHF计算O－NO2键均裂产生RCH2O·和·NO2两个自由基的反应活化能较低，是硝酸酯热解的主要途径;RHF计算α-H转移环消除产生RCHO和HONO的反应具有较高活化能，且α-C上含两个以上取代基时不发生该反应．还探索性地进行了C－O键断裂的UHF和RHF计算．.     

炸药敏化剂的分子结构、电子结构和生成热的理论研究

在HF/6-31G*和B3LYP/6-31G*基组水平上, 对硝酸乙酯(EN)、硝酸正丙酯(NPN)、硝酸异丙酯(IPN)、硝酸异辛酯(EHN)和四甘醇二硝酸酯(TEGDN)五种炸药敏化剂进行理论计算, 研究了标题物的分子结构、电子结构和能量等方面的性质. 基于Mulliken布居和键长分析, 五种硝酸酯分子的热分解始于O2—N3键的断裂, 且由Mulliken电荷分布推知分子热解产生NO2气体. 在分析前线轨道能(EHOMO, ELUMO)和能量差(ΔE)的基础上对五种硝酸酯的相对热稳定性大小进行了评估. 由等键反应获得的EN、IPN、NPN、EHN和TEGDN的标准生成热分别是-155.972、-190.896、-175.279、-272.376和-790.733 kJ·mol-1.     

NO双分子在Cu2O(111)面吸附与解离的理论研究

采用广义梯度密度泛函理论结合周期平板模型方法, 在DNP基组下, 研究了NO双分子在三重态和单重态两种电子组态下在Cu2O(111)完整表面的吸附情况. 考虑了Cu+(NO)(NO)、Cu+(NO)(ON)及Cu+(ON)(ON)这三种构型, 计算了它们的吸附能和Mulliken电荷, 分析并预测了吸附后可能产生的物种. 结果表明, 当两个NO分子都以O端吸附在Cu2O(111)表面时即Cu+(ON)(ON)构型, N—N键长很短, 只有124.4 pm, 吸附的两个NO分子形成了二聚体形式, 这种吸附构型有利于进一步离解产生N2或N2O并形成Cu-O表面物种.     

立体效应和分子内诱导效应对R—X（R=烷基）键离解能变化趋势的影响

解释了＂为什么R—X键离解能变化趋势不相同＂的问题.R—X键离解能（BDE）可归因于3个主要因素：C—X固有健能,1,3成对排斥和分子内电荷-诱导偶极.当X原子给定,R—X（R=Me,Et,i-Pr,t-Bu）的BDE变化趋势由1,3成对排斥和分子内电荷-诱导偶极两个因素控制,前者减少R—X的BDE,后者增加或者减少R—X的BDE.在R—X为R—C键的系列化合物中（例如R—Me,R—CH==CH2,R—C≡≡CH,R—CN等）,1,3成对排斥减少R—X的BDE,R—C键能变化趋势依R=Me,Et,i-Pr,t-Bu次序减小;对于X原子电负性小于C原子的R—X系列化合物（例如R—H,R—BH2,和R—SiH2等）,上述两个因素均减小R—X的BDE,因而R—X键能变化趋势依R=Me,Et,i-Pr,t-Bu次序减小;对于X原子电负性大于C原子的R—X系列化合物（例如R—F,R—OH,R—Cl,R—Br,R—I,和R—NH2等）,1,3成对排斥减少R—X的BDE,而分子内电荷-诱导偶极则增加R—X的BDE,于是R—X键能变化趋势取决于两者的竞争,结果表现为：（1）有的系列R—X键能变化依R=Me,Et,i-Pr,t-Bu次序增大（如R—F,R—OH等）;（2）有的系列R—X键能变化依R=Me,Et,i-Pr,t-Bu次序减小（如R—I）;（3）有的系列R—X键能变化依R=Me,Et,i-Pr,t-Bu次序变化很小（如R—Br）.     

双（2,2-二硝基丙基）甲缩醛的结构和爆轰性能的量子化学研究

利用B3LYP/6-311＋G（2d,p）方法对一种新型含能增塑剂双（2,2-二硝基丙基）甲缩醛进行几何优化,计算了其红外光谱、生成焓和爆轰特性. 分析了最弱键的键离解能和键级并预测了目标化合物的热稳定性. 结果表明双（2,2-二硝基丙基）甲缩醛中的四个N-NO2键的键离解能都为164.38 kJ/mol. 表明目标化合物是一个热力学性能稳定的化合物. 以凝聚相生成焓和分子密度为基础,采用Kamlet-Jacobs方法预测其爆速和爆压. 目标化合物的晶体结构属于P21空间群.     

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。     

NOx分子在【Ag】-AlMOR分子筛中的吸附

采用Dmol3程序中密度泛函理论（DFT）的广义梯度方法GGA／BLYP和DND基组研究了银离子交换的丝光沸石（[Ag]-AlMOR）结构及其对NOx分子吸附性能的影响,获得吸附复合物的平衡几何结构参数、吸附能以及红外振动频率等数据．结果表明,NOx分子与丝光沸石间的主要作用力为NOx分子中的氮（或氧）原子上的孤对电子和Ag^＋间的静电作用力．吸附能数据表明,NOx分子以η^1-N模式吸附在[Ag]-AlMOR分子筛中的结构更稳定;在η^1-N模式中,NOx分子吸附作用强度的次序为NO〉NO2〉N2O．红外振动频率结果表明,吸附态NOx分子中N—O和N—N键伸缩振动频率的位移趋势与N-O和N—N键变化规律基本相一致．另外,对[Ag]-AlMOR分子筛的抗硫、抗水及抗氧化性能也进行了研究和分析．     

K-Ce改性类水滑石前驱体Co-M—Al复合氧化物催化分解N2O

采用共沉淀法制备不同组分类水滑石前驱体Co-M—Al和Co—M—Ce—Al（M=Zn,Ni,Cu）复合氧化物催化剂催化分解N2O．结果表明,Co—M—Al系列氧化物催化剂的催化活性Co—Ni-Al系列〉Co—Zn-Al系列〉Co—Cu-Al系列;CeO2添加使得催化剂催化活性进一步提高,N20分解温度T50和马0均下降80℃;继续负载碱金属K也使氧化物催化剂催化活性提高,N2O分解温度T50和T90下降约50℃.     

NO2气相硝化金刚烷的计算研究

运用密度泛函理论(DFT)和半经验MO-PM3方法研究了NO₂气相硝化金刚烷反应机理. 计算结果表明, NO₂不能直接取代金刚烷H; 在B3LYP/6-311＋＋G(3df,2pd)//B3LYP/6-31G* 较高水平下, 对三个可能机理的反应势垒(E_a)的精确计算表明, 该反应的决速步骤为NO₂中O和N进攻1-H的竞争过程, 且1-硝基金刚烷为主要产物. NO₂中O进攻1-H决速反应过程中, 分子几何、原子自然电荷及IR光谱变化表明, C—H键的断裂和N—H键的形成是一个协同过程; 参与新键形成和旧键断裂原子C(1), H(11), O(28), O(29)和N(27)的原子自然电荷及与其相关的键长、键角有明显的变化. 反应过程中体系偶极矩的变化表明, 极性溶剂能降低反应势垒, 有利于反应的进行.     

NO2气相硝化金刚烷的计算研究

运用密度泛函理论(DFT)和半经验MO-PM3方法研究了NO₂气相硝化金刚烷反应机理. 计算结果表明, NO₂不能直接取代金刚烷H; 在B3LYP/6-311＋＋G(3df,2pd)//B3LYP/6-31G* 较高水平下, 对三个可能机理的反应势垒(E_a)的精确计算表明, 该反应的决速步骤为NO₂中O和N进攻1-H的竞争过程, 且1-硝基金刚烷为主要产物. NO₂中O进攻1-H决速反应过程中, 分子几何、原子自然电荷及IR光谱变化表明, C—H键的断裂和N—H键的形成是一个协同过程; 参与新键形成和旧键断裂原子C(1), H(11), O(28), O(29)和N(27)的原子自然电荷及与其相关的键长、键角有明显的变化. 反应过程中体系偶极矩的变化表明, 极性溶剂能降低反应势垒, 有利于反应的进行.     

乙腈溶液中亚硝酸苄(醇)酯系列化合物NO化学亲和势的测定

本文选取10个取代的亚硝酸苄(醇)酯化合物, 通过滴定量热和电化学方法, 结合热力学循环, 研究了其在乙腈溶液中的NO化学亲和势, 即O—NO键的均裂能和异裂能.     

1,3,5,7-四硝基金刚烷结构和性能的理论研究

在DFT-B3LYP/6-31G*水平下求得1,3,5,7-四硝基金刚烷的全优化分子几何和电子结构. 经简谐振动分析求得其IR谱并作归属. 由统计热力学求得其不同温度下的热力学性质. 以非限制性半经验MO方法探讨其热解机理, 求得各反应通道的过渡态和活化能, 发现热解始于侧链C—NO₂键的均裂. 还基于理论计算密度和生成热, 以Kamlet-Jacobs方程估算其爆速和爆压.