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乌洛托品制备RDX硝解机理的理论研究

冯晓琴  
【摘要】: 随着现代科学技术的发展,国防科技水平的提高,各国对含能材料制备的研究越来越多。硝基类火炸药中RDX是一种性能优良的含能材料,其生产工艺已经比较成熟,但相应的理论研究还处于起步阶段。由于理论研究的欠缺,导致RDX的生产受到一定程度的制约,对我国的国民经济乃至国防建设必将产生一定的影响。 由于芳烃的硝化反应机理对乌洛托品硝解反应机理有重要启示,故本研究首先从实验和理论两个方面,对芳烃硝化反应机理进行了综述。第二章是计算方法的理论基础,介绍了本论文研究乌洛托品制备RDX硝解机理所用到的理论方法,重点介绍了从头计算和密度泛函理论。 第三章采用密度泛函B3LYP和MP2方法,在6-311++G~(**)基组水平上对硝解过程中硝酰水合阳离子与H_2NO_3~+互变异构反应进行了计算研究。应用统计热力学方法研究了NO_2~+和H_2O反应过程中各热力学量的变化及平衡常数,获得了硝解过程中不同温度下互变异构过程的反应焓、活化能、活化吉布斯自由能和反应的速率常数。计算结果表明,硝解过程中两H都在不带H的O原子方向的异构体是最稳定,其两条主通道活化能分别为22.52和25.37 kJ·mol~(-1)。 第四章用密度泛函B3LYP方法在6-311++G~(**)和aug-cc-pVTZ水平下,对乌洛托品和硝酸单体及它们的复合体、乌洛托品一硝酸、二硝酸盐的几何结构进行了全优化和振动频率计算,并对B3LYP/6-311++G~(**)优化的构型进行了Natural Bond Orbital(NBO)布居分析,温度效应计算。计算结果表明,乌洛托品在硝酸溶液中主要以乌洛托品一硝酸盐的形式存在,而并非以复合物的形式存在,并且以a结构(结构a中氢键的键长为2.745(?),O23-H9的键长为2.784(?),键角O26-C13-N7、O26-C6-N7分别为91.1°、101.8°)的形式为主;乌洛托品一硝酸盐结构中,与形成的N-H相邻的C-N键长较长,说明在乌洛托品制备RDX的化学反应中,C-N键为化学反应的活性键,化学反应在该处进行;在乌洛托品二硝酸盐中,乌洛托品只与一个硝酸的氢形成化学键,与另一个硝酸的氢形成氢键,表明在后面的化学反应中,断键并不是一步完成的,而是分步进行的。结构分析表明,在乌洛托品制备RDX硝解机理的第一步是以形成复合体为主。选用密度泛函B3LYP/6-311++G(d,p)方法,对乌洛托品硝解反应的路径上的各过渡态进行了模拟,通过振动频率计算对各驻点进行了确认,同时获得了零点能、总能量、焓和吉布斯自由能,并在相同水平上进行内禀反应坐标(IRC)计算。结果表明,我们获得了乌洛托品硝解反应路径上共有七种合理的过渡态,有四种反应通道,其中通道最容易发生,其次是通道


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