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有机笼状化合物的分子设计与性质研究

张建英  
【摘要】:笼状化合物如六硝基六氮杂异伍兹烷CL-20和八硝基立方烷ONC因其卓越的性能吸引了大量关注,也引起了研究者探求新型笼状化合物的兴趣。本论文运用当代理论和计算化学方法,主要是量子化学和分子力学方法,对系列新型高氮笼状化合物的结构和性能,从气相分子到晶体,从几何构型到电子结构,从热力学性质到爆轰性能,进行了较为系统的计算和模拟。以寻求高能量密度化合物(HEDC)和高能量密度材料(HEDM),为实验合成提供参考。论文主要包括如下内容: 1.通过设计CL-20衍生物、硝基立方烷与TATB杂合物、N12笼碳取代衍生物以及2,4,6,8,10,12,13-七氮杂四环[5.5.1.03,11.05,9]十三烷衍生物,采用密度泛函理论方法和分子力学方法对其结构进行优化,分析了气态和固态的各种结构信息,总结了结构参数与性能的关系。 发现随着化合物中硝基数增多,前线轨道能级差和零点能逐渐减小,C-N02和C-C键变长,C-H键变短。固态笼状化合物属于分子型晶体,均具有较大的带隙,对态密度的分析表明N-NO2键可能是笼状化合物的热解引发键。 2.进行了主要特征区的振动分析,对计算频率采用校正因子0.96进行校正,得到了各化合物的IR光谱,并对其主要特征振动带进行了归属分析。 3.根据统计热力学原理和校正后的频率,用自编程序计算了化合物在200-800K温度范围的热力学函数,包括气体和晶体的标准恒压摩尔热容、标准摩尔熵和标准摩尔焓以及晶体的标准摩尔吉布斯自由能。所有化合物的热力学函数均随温度升高和硝基数的增加而增大。 4.设计反应预测了系列笼状化合物的生成热,探讨了分子结构与生成热的内在联系,总结了不同取代基对生成热的影响规律。硝基对生成热的影响是排斥和超共轭协同作用的结果。当分子中取代基数目较少时,硝基的超共轭作用可以稳定分子结构;当取代基数目较多时,笼状骨架上拥挤的硝基基团之间的排斥作用占主导地位,此时化合物的总能量增加,对应的生成热也增加。 5.设计反应计算了系列笼状化合物的张力能,研究了不同取代基对笼状化合物张力的影响。对于笼结构相同取代基不同的化合物,环上氮原子上连接吸电子基团会增大分子张力,而供电子基团则减小分子张力。 6.采用Kamlet-Jacobs和Stine方法预测了笼状化合物的爆速、爆压和爆热等爆轰性能。结果表明前者的计算结果更接近实验值,而且氮杂环笼状化合物均具有较好的爆轰性能。密度、爆速和爆压值均随着硝基数目的增多而增大。 7.计算了笼状化合物中各可能断裂键的键离解能。发现除C(N)-NO2键外,笼状骨架上的C-C或C-N键也有可能是热解引发键;所有键的键离解能均大于150kJ·mol-1,有的甚至接近200或300kJ·mol-1,因此所有笼状化合物均具有较高的热稳定性。


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