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《南京理工大学》 2006年
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三唑和四嗪类高氮杂环化合物结构和性能的量子化学研究

鲁亚琳  
【摘要】:三唑和四嗪类高氮杂环化合物具有较高的正生成焓,分子中的高氮和低碳氢含量使其具有较高的密度并容易达到氧平衡,且感度不高,符合高能钝感炸药的特征要求。20世纪90年代中后期以来,国内外学者对此类化合物进行了大量研究,但主要采用实验手段,理论研究并不多见。爆炸物的实验研究耗资大,周期长,效率低,危险性大,且存在许多不可预见的因素,因此,理论上研究三唑类和四嗪类杂环化合物的结构与性能的关系,对高能钝感炸药和高能量密度化合物的分子设计有重要意义。 本文运用密度泛函理论(DFT)B3LYP/6-311++G~(**)方法,较系统地研究了6个三唑母体异构体和38个三唑衍生物(ANTA同系物),给出了它们的几何、电子结构和IR光谱,运用统计热力学方法得到相应的热力学数据;阐明了三唑的硝基、氨基和硝氨基的取代效应,给出了结构与性能的规律性关系;发现了9个能量较低、结构较稳定的三唑化合物。对其中最稳定的4种化合物,即3个ANTA异构体和5-硝基-4-氨基-2H-1,2,3-三唑进行了二聚体分子间相互作用的DFT研究,探讨了单体和二聚体的结构与性能,发现了气相时三唑衍生物从单体到二聚体的几何、电子结构、稳定性和热力学性质的递变规律。还研究了6个三唑母体的溶剂效应,给出了它们的溶剂化能,比较了从气相到溶液时各种参数的变化,探讨了有机极性溶剂对它们的结构、性能的影响。 采用B3LYP/6-311++G~(**)方法较系统地研究了17个四嗪化合物,求得它们的结构、能量、红外光谱、热力学函数,通过对理论和实验结果的比较分析,揭示了其宏观物性与结构的关系。 由DFT和G2理论结果,通过设计相关反应,较系统地计算了55种三唑和四嗪衍生物的理论生成热,由生成热导出的化合物稳定性与由分子总能量预示的结论一致;发现四嗪衍生物的生成热不符合简单的基团加和关系,取代基对生成热的影响显著;与硝基相比,氰基能更有效地提高四嗪的生成热;DAAT和BTATZ的生成热最高,值得关注。 在计算理论密度和生成热的基础上,进一步利用Kamlet公式,预测了55种化合物的爆轰性能,给出了它们的爆压和爆速的理论计算结果,为HEDM分子设计提供了定量依据。 本论文提供了大量三唑和四嗪类高氮杂环化合物的基础数据,总结得到了有价值的规律,为高氮含能材料的深入研究和分子设计提供了理论依据,奠定了理论基础。
【学位授予单位】:南京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TQ560.1

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