炸药中氢键与氢转移及其对感度影响的理论模拟研究

氢键与氢转移现象在含氢炸药中普遍存在,是决定炸药结构与性能的重要因素之一,因此,它们是研究炸药结构与性能及二者关系的重要切入点。研究炸药中的氢键与氢转移有助于认识含氢炸药合成、制备和爆炸分解等复杂过程中的相关机理。本文以炸药中氢键与氢转移为切入点,采用晶体结构分析方法、量子化学方法及反应性力场分子动力学(ReaxFF-MD)模拟方法研究了氢键对炸药撞击感度的影响机制和氢转移对炸药热感度的影响机制。首先研究了氢键对晶体中分子相互作用的影响,进而获得氢键对炸药撞击感度的影响机制。

通过分析11种能量和撞击感度接近或优于TNT的低感高能炸药(LSHEs)晶体和10种能量和感度接近或超过RDX的高感高能炸药(SHEs)晶体的堆积特性,我们发现这些炸药的分子和晶体具有如下特征：(1)LSHEs每个分子中所有非氢原子参与形成大π共轭结构。绝大多数LSHEs分子含有分子内氢键并增强了分子稳定性。而SHEs分子基本不含有分子内氢键,分子稳定性不高；(2)LSHEs晶体堆积主要是分子间氢键协助构成单原子层状结构下的π-π堆积型式,而SHEs晶体堆积中没有氢键协助的π-π堆积结构。我们认为平面共轭分子结构和由氢键辅助的π-π堆积结构对LSHEs晶体是必要的。

(3)氢键作用在LSHEs晶体中相互作用中所占比例最大,而氧-氧作用次之；SHEs中氧-氧作用在分子间相互作用占据主导,且它们的能量较低使得SHEs感度较高。接着,以炸药模拟物分子和实际炸药分子为对象,研究了氢原子与硝基间的相对位置(分别为α、β和γ)和分子环境对分子内氢转移反应的影响规律：(1)α-型分子,转移氢的质子化程度越高(氢原子的正电荷越高),反应的势垒越低；(2)β-型分子,仍遵循同取代基分子内氢转移能垒随转移氢上正电荷增大而减小的变化趋势；(3)γ-型分子,氢转移反应通常需在激发条件下才能发生。同时,相比另外一种炸药分解的起始反应C/N/O-NO2断裂,α-型分子内氢转移不易发生,β-型和γ-型分子内氢转移较容易发生。此外,我们还研究了NM的热分解机理对温度与密度的依赖性,以此分析分子间氢转移对炸药热感度的影响机制：(1)当温度为2000 K时,NM的分解速率很慢,基本不反应；(2)当温度为2500 K时,部分高密度下NM的起始分解步骤中双分子间氢转移反应开始萌芽：(3)当温度高于2500 K,甚至高达3500 K时,NM的起始分解机理与密度有很大关系：密度小于1.71g/cm3时,NM的起始分解步骤主要为C-N02键断裂；当密度高于1.71 g/cm3, NM的起始分解步骤为分子间氢转移。

总之,本文研究了LSHEs与SHEs晶体中的氢键作用特点、炸药分子内氢转移机制以及NM热分解对温度密度条件的依赖性,这有助于揭示氢键对炸药撞击感度的影响规律、炸药分子结构对其分子稳定性的影响规律和氢转移对炸药热稳定性的影响规律。这些规律可为新型炸药分子结构的设计与晶体工程提供理论支撑。

炸药中氢键与氢转移及其对感度影响的理论模拟研究