炸药分子内氢键与氢转移的基质隔离红外光谱与量子化学研究

氢键与氢转移是含氢炸药中普遍存在的科学问题，是决定含氢炸药结构与性能的本质因素之一，因此也是研究其结构-性能关系的重要切入点。探测炸药分子氢转移反应过程中产生的活性中间体及产物是炸药分子分解机理实验研究中的难点。本项目拟采用低温基质隔离红外光谱和量子化学理论计算相结合的方法研究炸药分子内氢键与氢转移，通过"捕获"氢转移反应过程中产生的活性中间体及产物，研究氢转移机理；同时探讨分子结构对氢键形成与氢转移的影响规律。本研究将有助于建立炸药分解机理研究的新方法- - 低温基质隔离红外光谱与量子化学计算相结合的方法，探索炸药分解机理；也有助于揭示炸药的分子结构对其分子稳定性的影响规律。

氢键与氢转移是含氢炸药中普遍存在的科学问题，是决定炸药结构与性能的本质因素，也是研究炸药结构、性能及二者关系的重要切入点。本项目结合低温基质隔离红外实验技术与量子化学、分子动力学计算方法，探索了炸药分子内氢转移机制及分子结构对其氢键与氢转移影响规律，获得了如下主要结果：（1）捕获了炸药模型化合物邻硝基甲苯、邻硝基苯胺和邻硝基苯酚分子内氢转移产物，获得了这些产物的红外振动光谱。其中邻硝基苯胺分子内氢转移产物及所有氢转移产物的退火特性，为首次报道。（2）研究了广泛使用的炸药TNT中的氢转移（HT）反应，归属了固态Ar中TNT的吸收峰，对比了TNT与其类似物邻硝基甲苯中的HT机理，发现了TNT的HT反应要经历一个激发态的过渡态，使得正负反应的位垒较高，使得TNT的HT产物不能回复到TNT，这与邻硝基甲苯的情形相反。（3）研究发现不同硝基分子内不同相对位置的氢转移反应表现出不同的激发条件和相对于NO2离解不同的热力学特征。此外，我们还对含能晶体中的分子间氢键与分子间氢转移的相关问题（分子间氢键的表征、温压条件下的氢转移反应以及基于氢键作用的晶体工程）进行了初步研究，发现这些结构与反应特点能够对炸药的安全性产生重要的影响，这将是我们今后要深入开展的工作。总之，本研究具有以下意义：建立了研究炸药分解机理的新方法——低温基质隔离红外与量子化学相结合的方法，实现了从实验上“捕捉”并“冷存”炸药分解的中间产物，同时实现了炸药分解的实验和理论研究的有效结合；揭示了炸药分子结构对其分子稳定性的影响规律，为炸药设计奠定了基础。