ε-六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)热解机理的理论研究

运用量子化学中非限制性Hartree-Fock自洽场(UHF-SCF) PM3分子轨道(MO)方法, 计算研究六硝基六氮杂异伍兹烷(HNIW或CL-20)的最稳定ε晶型化合物的气相热解引发反应. 求得可能的四种不同热解反应通道的过渡态、活化能和位能曲线, 发现其热解引发步骤为五元环上侧链N—NO₂键的均裂. 在过渡态附近相关原子电荷发生突变.     

反相高效液相色谱法测定ε-六硝基六氮杂异伍兹烷纯度

六硝基六氮杂异伍兹烷(HNIW)是1998年才合成的一种多环笼型硝胺高能炸药,它的学名是2,4,6,8,1O-六硝基-2,4,6,8,1O,12-六氮杂四环[5.5.O.O~(5.9).O~(3.11)]十二烷,ε-HNIW的密度、爆速及爆压超过现在含能材料领域内独鳌头的王牌炸药奥克托今(HMX)5%～8%,而由圆筒实验及钽板加速实验测得的能量输出则可超过HMX14%.目前,美国已在进行HNIW的中试生产,中国及其他国家正在积极研究HNIW的生产和应用.因此,建立HNIW纯度的分析方法,对于HNIW生产工艺改进、产品质量控制及合HNIW混合炸药和推进剂的成分分析都是迫切需要的.美国的S.A.Oehrle曾采用胶束电动色谱(MECC)及高效液相色谱(HPLC)测定了混合炸药中包括HNIW在内的十多种组分的保留时间;瑞典的B.Persson等也以HPLC测出了混合炸药中三硝基氮杂环丁烷(TNAZ)和HNIW的含量;日本的儿玉保也曾提及他们合成的HNIW经HPLC测定其纯度为99%.但上述报道均不够详细,而且多限于分析含HNIW的混合炸药.作者制得了高纯度的ε-HNIW样品,并以HPLC对所得的HNIW样品进行了纯度测定,得到峰面积归一化定量法分析结果,并对结果进行了讨论.     

由四乙酰基二甲酰基六氮杂异伍兹烷合成六硝基六氮 杂异伍兹烷

六硝基六氮杂异伍兹烷(HNIW)是一笼形硝胺,它是迄今已知的能量最高的高能量密度化合物(HEDC),本文由四乙酰基二甲酰基六氮杂异伍兹烷(TADFIW)合成了HNW。所合成的HNW中含有少量(2%～3%)的未硝解完全的副产物,经分离鉴定,确定其为五硝基一甲酰基六氮杂异伍兹烷(PNMFIW)。以此路线合成HNW有以下优点：催化剂耗量低,反应条件温和,得率高,流程简单等。     

γ-六硝基六氮杂异伍兹烷的晶体结构

合成了六硝基六氮杂异伍兹烷(HNIW),用溶剂缓慢挥发法制得了γ-HNIW的单晶,以X射线衍射仪测定了晶体结构,属于单斜晶系,空间群P2~1/n。晶胞参数为:a=1.3213(11)nm,b=0.8161(6)nm,c=1.4898(4)nm;β=109.168(9)ⅲ;Z=4;V=1.5175(4)nm^3。Dc=1.918g/cm^3,Dm=1.92g/cm^3。最终偏离因子R=0.0360。     

β-六硝基六氮杂异伍兹烷的合成及晶体结构

从苄胺和乙二醛出发 ,通过缩合、氢解脱苄及硝解三步合成了高张力多环笼形化合物———六硝基六氮杂异伍兹烷 (HNIW) ,它是迄今为止密度及能量水平最高的高能量密度化合物 .β HNIW的晶体结构表明 ,它是由 2个五元环及 1个六元环构成的笼形结构 ,每个桥氮原子上各连有 1个硝基 ,—NO2 基本位于一平面内 ,C—C键长为 0 1 5 6～ 0 .1 5 9nm ,比标准的sp3 C—C键长 0 0 0 2～ 0 .0 0 5nm .晶体学数据为 :正交晶系 ,空间群Pca2 1,a =0 .96 70 ( 2 )nm ,b =1 .1 6 1 6 ( 2 )nm ,c =1 .30 32 ( 3)nm ;V =1 .46 38( 5 )nm3 ,Z =4,Dc=1 .989g·cm-3 (Dm=1 .982 g·cm-3 ) .     

基于质谱的六硝基六氮杂异伍兹烷热分解动力学

采用低能电子轰击质谱研究了六硝基六氮杂异伍兹烷(HNIW)的裂解过程, 建立了质谱中离子强度曲线的非等温动力学处理方法, 根据产物离子的Arrhenius曲线解释了HNIW热分解的机理. 结果表明, HNIW质谱裂解的表观活化能为145.1 kJ·mol-1. 在130-150 ℃范围内, HNIW质谱的离子产物主要是电子轰击产生的, 其活化能在28-41 kJ·mol-1之间; 在213-228 ℃范围内, 离子主要是热分解产生的, 其活化能在143-179 kJ·mol-1之间. HNIW在213-228 ℃的热分解动力学参数存在良好的动力学补偿效应, 补偿效应公式为lnA=0.252Ea-0.645. HNIW 热分解的主要反应为HNIW.438→6NO2+2HCN+HNIW.108, HNIW.438→6NO2+3HCN+HNIW.81, HNIW.438→6NO2+4HCN+HNIW.54.     

六硝基六氮杂异伍兹烷及其残余物的热分解

在(2.0±0.1) MPa氩气氛围下六硝基六氮杂异伍兹烷(HNIW)在(204.0±0.5)、(208.0±0.5)、(212.0±0.5)和(216.0±0.5) ℃下分别加热10、20、30、40、50 和60 min. 采用元素分析、扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶变换红外(FTIR)光谱仪、差示扫描量热(DSC)仪、热重-差示扫描量热仪-质谱(TG-DSC-MS)仪和热重-红外(TG-FTIR)仪对(208.0±0.5) ℃下得到的残余物进行研究. 结果表明, HNIW离子在210.0 ℃左右恒温热解60 min 后, 残余物的组成为C2H2N2O. 残余物中未分解的HNIW比初始HNIW稳定性差. 在等温条件下, HNIW是逐步分解的. HNIW残余物的热分解分为三个阶段, 第一个分解阶段主要为未分解的HNIW的热分解, 第二阶段主要为五员环硝铵和碳氮杂环化合物的分解反应, 第三阶段主要为五员环硝铵的分解反应和NO2的二次反应, 并获得了每一个阶段的热分解产物.     

六硝基六氮杂异伍兹烷与二甲基甲酰胺分子加合物的制备、性能及晶体结构

六硝基六氮杂异伍兹烷(HNIW)可与二甲基甲酰胺(DMF)形成稳定的分子加合物(两者分子比为1:2)。首次报道了该加合物的晶体结构、晶体学数据和结构参数。该加合物为无色透明片状晶体,属三斜晶系,空间群Pi。在该加合物中,HNIW与DMF分子以范德华力结合,彼此间不存在氢键或偶极作用。     

纳米三氧化钨的制备、表征及对六硝基六氮杂异伍兹烷热分解的影响

采用水热法通过控制前躯体钨酸钠的加入量和反应时间制备了长方体形纳米WO₃,利用X射线粉末衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、扫描电镜及能量散射光谱仪(SEM-EDS)对样品进行表征。并运用差示扫描量热法(DSC)研究纳米WO₃对六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)热分解特性的影响。结果表明:与单组分CL-20相比,纳米WO₃的加入使复合物WO₃/CL-20的热分解峰温降低2.95℃,活化能减小7.74 kJ·mol^-1,因此纳米WO₃能够加速CL-20的热分解。     

纳米三氧化钨的制备、表征及对六硝基六氮杂异伍兹烷热分解的影响

采用水热法通过控制前躯体钨酸钠的加入量和反应时间制备了长方体形纳米WO₃,利用X射线粉末衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、扫描电镜及能量散射光谱仪(SEM-EDS)对样品进行表征。并运用差示扫描量热法(DSC)研究纳米WO₃对六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)热分解特性的影响。结果表明:与单组分CL-20相比,纳米WO₃的加入使复合物WO₃/CL-20的热分解峰温降低2.95℃,活化能减小7.74 kJ·mol^-1,因此纳米WO₃能够加速CL-20的热分解。     

六苄基六氮杂异伍兹烷的氧化反应性

研究了2，4，6，8，10，12－六苄基－2，4，6，8，10，12－六氮杂四环[5．5．0．0^5,9．0^3.11]十二烷在多种氧化条件下的氧化反应性，得到了一系列新的六氮杂异伍兹烷衍生物，并利用两步法以较高的收率得到期望的化合物六苯甲酰基六氮杂异伍兹烷。     

六苄基六氦杂异伍兹烷五种氢解脱苄化合物的合成及工业制备

综述了六苄基六氮杂异伍兹烷（HBIW）五种氢解脱苄化合物的合成条件和工业制备工艺。这五种化合物是：四乙酰基二苄基六氮杂异伍兹烷（TADBIW）、四乙酰基二甲酰基六氮杂异伍兹烷（TADFIW）、四乙酰基六氮杂异伍兹烷（TAIW）、四乙酰基二乙基六氮杂异伍兹烷（TADEIW）和六乙酰基六氮杂异伍兹烷（HAIW）。其中的TADBIW系由HBIW经一次氢解合成，其它四种都系由HBIW经两次氢解合成。HBIW的这五种氢解脱苄化合物均可经硝解合成六硝基六氮杂异伍兹烷（HNIW）。另外，本文总结了HBIW及其五种氢解脱苄产物的红外、核磁和质谱数据及它们的基本性能参数。     

含能材料六硝基六氮杂异伍兹烷分子的B3LYP研究

在B3LYP/6-31G^**水平上对六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)分子进行结构优化、集居数分析、自然键轨道和振动频率计算,得到与实验值相符的稳定构型.根据计算结果,讨论了键特性对分子性质的影响.     

六硝基六氮杂异伍兹烷结构和性质的理论研究

用abinitio和DFT方法,分别在HF/6-31G^*和B3LYP/6-31G^*水平下全优化计算了高能量密度材料六硝基六氮杂异伍兹烷(HNIW)的α(γ),β和ε型构象的分子几何构型、电子结构、IR谱和298～1000K温度下的热力学性质,细致分析比较了两种方法和相关的实验结果。理论计算几何参数与实验值相一致。分子中N—N键较长,N—N键Mulliken集居数较小,预示该键为热解和起爆的引发键。所得的IR谱形符合实验、指纹区频率与实验的平均绝对差值小于45cm^-1。由前线MO能级及其差值预示的热力学稳定性次序[ε＞α(γ)＞β]与实验排序相吻合。     

N2O5硝化四乙酰基六氮杂异伍兹烷的机理研究

为了研究N₂O₅硝化四乙酰基六氮杂异伍兹烷(TAIW)的反应机理,分别在有酸和无酸存在的体系下硝化TAIW,证明在酸催化的条件下,TAIW上的乙酰胺可被硝化成硝胺。应用密度泛函理论(DFT),在B3LYP/6-31G(d, p)水平下对中间产物四乙酰基二硝基六氮杂异伍兹烷(TADN)的乙酰胺硝化机理进行了研究,找到了两种可能反应路径的过渡态,结果表明NO₂⁺在NO₃^-的协助下可以直接硝化TADN,反应的活化能为134.04 kJ·mol^-1。在质子酸存在的条件下,乙酰胺可以首先发生质子化,然后与NO₃^-形成络合物,随后游离的NO₂⁺进攻酰胺氮原子,酰胺键断开并生成硝胺化合物,该反应的活化能为41.65 kJ·mol^-1,反应放热147.31 kJ·mol^-1,酸催化硝化比直接硝化的活化能更低。     

四硝基二(叠氮乙酰基)六氮杂异伍兹烷(TNDAIW)的可能构型及其性质的理论研究

四硝基二(叠氮乙酰基)六氮杂异伍兹烷(TNDAIW)是一种新型的多氮杂、多环、笼 形、多叠氮基的硝胺炸药, 该炸药由本实验室合成. 文中采用了AM1和PM3半经验量子化学方法对TNDAIW所有的可能构型进行优化. 结果显示, TNDAIW的构型比六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)的晶体结构复杂. 然后, 在HF/6-31G(d)理论水平上对D型TNDAIW的AM1和PM3 能量最低的构型进行了研究. 根据N-NO₂键的键长预测具有优化的可能构型的D-TNDAIW比e-CL-20要稳定. 可能构型DA-TNDAIW和DP-TNDAIW的撞击和冲击感度预计比e-CL-20的低. 因此, 具有预测构型的TNDAIW将是很有希望的高能能量密度的炸药.     

六苄基六氮杂异伍兹烷五种氢解脱苄化合物的合成及工业制备

综述了六苄基六氮杂异伍兹烷(HBIW)五种氢解脱苄化合物的合成条件和工业制备工艺。这五种化合物是:四乙酰基二苄基六氮杂异伍兹烷(TADBIW)、四乙酰基二甲酰基六氮杂异伍兹烷(TADFIW)、四乙酰基六氮杂异伍兹烷(TAIW)、四乙酰基二乙基六氮杂异伍兹烷(TADEIW)和六乙酰基六氮杂异伍兹烷(HAIW)。其中的TADBIW系由HBIW经一次氢解合成,其它四种都系由HBIW经两次氢解合成。HBIW的这五种氢解脱苄化合物均可经硝解合成六硝基六氮杂异伍兹烷(HNIW)。另外,本文总结了HBIW及其五种氢解脱苄产物的红外、核磁和质谱数据及它们的基本性能参数。     

三乙酰基三苄基六氮杂异伍兹烷(TATBIW·0.5H2O)的合成及晶体结构

通过控制六苄基六氮杂异伍兹烷(HBIW)的氢解程度,成功制备了其氢解反应过程中一个重要的中间体三乙酰基三苄基六氮杂异伍兹烷(TATBIW),并对其单晶结构(TATBIW·0.5H2O)进行了测定,它属三斜晶系,空间群为P-1,a=0.9893(2)nm,b=1.2624(3)nm,c=1.3396(3)nm;V=1.5963(6)nm3,z=2,Dc=1.194 g·cm-3,该化合物的单晶数据未见文献报道.TATBIW的制备有助于我们进一步了解HBIW的氢解反应机理,提高氢解产品得率.     

六硝基六氮杂异伍兹烷与二甲基甲酰胺分子加合物的制备、 性能及晶体结构

六硝基六氮杂异伍兹烷(HNIW)可与二甲基甲酰胺(DMF)形成稳定的分子加合物(两者分子比为1:2)。首次报道了该加合物的晶体结构、晶体学数据和结构参数。该加合物为无色透明片状晶体,属三斜晶系,空间群Pi。在该加合物中,HNIW与DMF分子以范德华力结合,彼此间不存在氨键或偶极作用。     

空气中CL-20粉尘测试方法研究

以六硝基六氮杂异伍兹烷为例,研究建立了工作场所空气中火炸药成分浓度的紫外分光光度和高效液相色谱测定方法.经过试验和验证,方法各项指标符合《工作场所空气中毒物检测方法的研制规范》的要求,适用于工作场所空气中火炸药成分浓度的测定,为制定空气中火炸药测定方法的国家军用卫生标准提供了依据.