环烷烃和棱柱烷类高能密度化合物的分子设计

发布时间：2020-08-15 07:20

【摘要】：当前含能材料研究的主要目的是寻找具有更高爆炸性能、更低感度的新型高能密度化合物。近年来,由于环状和笼状化合物具有张力高、密度大、燃烧时能够释放出更多的能量而受到越来越多的关注。本文采用密度泛函理论方法(DFT),计算了以环烷烃和五棱柱为母体的两类化合物的爆炸性能和稳定性,并与传统的含能化合物作对比,从中筛选出爆炸性能和稳定性都较好的高能密度化合物。本文的主要内容如下:1.环烷烃衍生物以环丙烷(C3H6)、环丁烷(C4H8)、环戊烷(C5H10)、环己烷(C6H12)、环庚烷(C7H14)和环辛烷(C8H16)为母体,用硝铵基团完全取代这些环烷烃上的氢原子,设计了六个环烷烃衍生物。计算了这些化合物的生成热、晶体结构、爆炸性能及稳定性。采用等键反应计算了环烷烃衍生物的生成热,发现这些化合物具有较大的生成热,并且生成热与取代基数目之间存在很好的线性关系,符合基团增加规则。用Dreiding力场预测所设计化合物的晶体结构。基于预测的晶体密度,用Kamlet-Jacobs方程估算它们的爆速和爆压。与传统的含能材料相比,所设计的化合物具有更高的爆炸性能。通过分析最弱键的键解离能和撞击感度判断化合物的稳定性。这些化合物的键解离能都大于80 kJ mol-1,达到了高能密度化合物稳定性的标准。综合爆炸性能和稳定性,硝铵基取代的环丙烷、环丁烷、环戊烷、环庚烷和环辛烷这五种化合物可能成为潜在的高能密度化合物。2.五棱柱烷衍生物优化了硝基、亚硝基、氰基、叠氮基、氨基、硝铵基和氧酯基取代的五棱柱烷衍生物的几何结构,并计算了它们的生成热、晶体结构、爆炸性能及稳定性。结果表明引入不同取代基对生成热的影响是不同的,其中引入叠氮基和氰基能够极大提高五棱柱烷的生成热。根据Kamlet-Jacobs方程计算的爆炸性能可知:硝基和硝铵基取代的化合物具有更高的爆炸性能,达到高能密度材料的要求。键解离能的计算结果表明这些化合物都具有很好的稳定性。基于爆炸性能和稳定性的综合分析,筛选出硝基和硝铵基取代的棱柱烷作为潜在的高能密度化合物,并预测了它们的晶体结构。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ560.1

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