CN107629072A - 一种高性能富氮富氧金属配合物及其设计方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型高性能富氮金属配合物Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)及其设计方法和应用，属于金属材料、含能材料和量子化学交叉领域。该物质是选择Cu为金属中心，以富氮富氧的硝基四唑氮氧化合物(NTZNO)、NH3和NH2NO2为高能配体，通过骨架结构结合而成的。该设计方法有效地保证了该物质在具有高能的同时还尽量降低了金属元素来的高感度，使其与传统的起爆药相比具有更高的能量和更低的感度，并可作为传统高能***和起爆药的替代物。
Description
技术领域
本实用型属于金属材料、含能材料和量子化学交叉领域，具体涉及一种高性能富氮富氧金属配合物Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)及其设计方法和应用。
背景技术
随着国际竞争的日趋激烈，增强国防实力、提升国民经济水平已成为当前全世界各国发展的重中之重，各国对诸如起爆药等不同类型含能材料的性能也提出了更高的要求。传统的起爆药，例如叠氮金属化合物，一般都是含金属化合物。这类化合物一般都是离子型化合物，正因如此，几乎所有的传统起爆药都有着极高的感度以及较低的安全性，因而很容易造成安全事故。并且，由于传统起爆药含氧率较低，其能量水平并不高，这样在实际使用过程中无疑增加了其使用量，进一步增加了安全风险。因此，为了提高起爆药的能量水平和安全性，降低使用时的风险，有必要发展新结构的含金属含能材料，逐步替代传统起爆药。
作为含能材料领域的新起之秀，金属有机骨架化合物因其独特的结构所具有的高密度、高能量和低感度的特点而备受广大研究人员的关注。而金属有机骨架化合物是由各种配位单元组合而成的，因而从相对简单的金属配合物开始研究，掌握其结构和性能的关系，非常有助于我们进一步深入成金属有机骨架化合物。在设计新型高性能金属配合物时，由于能量主要是由含能配体提供，而含能配体不仅对能量水平有很大影响，对化合物的感度和安全性能也有重要影响。因此在选择含能配体时，在考虑其具有较高的含氮量与含氧量的同时，还得考虑其自身的稳定性，并且要合理地搭配不同的配体来调节最终的元素比例和物质的结构，从而实现相对的高能低感，在保证了高能的同时也保证了较好的安全性。
发明内容
本实用型的第一个目的是提供一种与传统起爆药相比，能量水平高而感度低的高性能金属含能化合物，作为实验合成的目标物。
本实用型的第二个目的是提供一种全新的先进含能材料的设计策略：以Cu为金属中心，以富氮富氧的硝基四唑氮氧化合物(NTZNO)、NH3和NH2NO2为高能配体，通过骨架结构结合形成最终的目标物。
本实用型的新型高性能富氮金属配合物，其特征在于：其配位单元为Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)，其分子结构式为：
本实用型的Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)是一类具有较高氮含量和氧含量的高性能金属配合物体系。其密度为2.09g/cm3，爆速D为8.7km/s，爆压P为37.1GPa，撞击感度为19.5cm，是高能***，可作为单质***的候选物。
本实用型的Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)，其撞击感度为19.5cm，明显低于传统起爆药，可作为起爆药的替代物。
含能材料的实验合成不仅耗资巨大，而且会对人身安全造成伤害，并有可能污染环境。因此，在实验操作前最好能寻找到合适的目标物。通过理论计算设计并筛选出综合性能优异的目标物，有助于减少合成不必要的资金浪费，提高合成过程中的安全性。
本实用型所述Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)的设计方法，具体步骤如下：
(1)分子设计：首先，以Cu为金属中心；然后，以富氮富氧的硝基四唑氮氧化合物(NTZNO)、NH3和NH2NO2为高能配体；最后，通过骨架结构结合形成最终的目标物Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)；
(2)结构优化：先后借助Chemdraw、Chem3D和GaussView软件构建配合物模型，再运用高斯软件，采用TPSS泛函和6-311G(d，p)基组优化Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)的结构，最终优化形成一个大的配合物体系；
(3)含能性质计算：首先运用原子化法计算Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)的生成热，运用Politzer法计算其密度；再运用改进过的Kamlet-Jacobs公式计算其爆轰性能；
(4)感度计算：运用Politzer法计算其撞击感度。
附图说明
图1是本实用型的目标物的几何结构图；
具体实施方式
下面结合附图和实施案例对本实用型进一步说明。
以Cu为金属中心，以富氮富氧的硝基四唑氮氧化合物(NTZNO)、NH3和NH2NO2为高能配体，通过骨架结构结合形成最终的目标物Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)。运用密度泛函理论优化其结构，并通过Politzer法等方法计算其生成热、密度、爆热、爆速、爆压和撞击感度。具体实施方式如下：
(1)分子设计
首先，以Cu为金属中心；然后，以富氮富氧的硝基四唑氮氧化合物(NTZNO)为高能配体，而两个NTZNO配体分别通过Cu-O配位键与Cu相连；为了提高目标物的含氮量与含氧量，从而进一步提升其能量水平，引入NH2NO2配体；最后为了降低目标物的感度，并且不明显影响能量，引入NH3配体；最后，通过骨架结构结合形成最终的目标物Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)。
(2)结构优化
先后借助Chemdraw、Chem3D和GaussView软件构建模型，再运用高斯软件，采用TPSS泛函结合6-311G(d，p)基组优化Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)的结构，发现其是一个立体配位体系，参见附图1。
(3)含能性质计算
首先运用原子化法准确计算Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)的生成热，运用Politzer法计算其密度，最后运用改进后的Kamlet-Jacobs公式计算其爆轰性能，并将其与传统起爆药进行比较。
经计算，目标物Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)的密度为2.09g/cm3，爆速D为8.7km/s，爆压P为37.1GPa，属于高能***范畴，可作为单质***的候选物。
(4)感度计算
运用Politzer法计算其撞击感度。
经计算，所述Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)的撞击感度为19.5cm，明显低于传统起爆药，可作为传统起爆药的替代物。
(5)性能评价
将目标物Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)的密度、感度、爆速、爆压等性质与传统起爆药进行综合比较来评价其综合性能，从而评定其是否适合用作实验合成的目标物质。
上述步骤(3)中，密度的计算公式为：
式中：M是分子质量；V(0.001)是分子0.001e·bohr-3等电子密度面的体积；v为等电子密度面上正、负电位之间的平衡度；表示分子表面上静电势的可变度；α、β和γ是三个系数。
上述步骤(4)中撞击感度的计算公式为：
表示分子表面上静电势(+)的可变度；α、b和c是三个系数。
Claims (7)
1.一种新型高性能富氮金属配合物，其特征在于：其配位单元为Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)，其分子结构式为：
2.根据权利要求1所述的Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)，其特征在于：该金属配合物是一个具有较高氮含量和氧含量的高性能金属配合物体系。
3.根据权利要求1所述的Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)，其特征在于：其密度为2.09g/cm3，爆速D为8.7km/s，爆压P为37.1GPa，撞击感度为19.5cm。
4.一种权利要求1-3任一项所述的Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)的设计方法，其特征在于：包括：
(1)分子设计：首先，以Cu为金属中心；然后，以富氮富氧的硝基四唑氮氧化合物(NTZNO)、NH3和NH2NO2为高能配体；最后，通过骨架结构结合形成目标物Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)；
(2)结构优化：先后借助Chemdraw、Chem3D和GaussView软件构建配合物模型，再运用高斯软件，采用TPSS泛函和6-311G(d，p)基组优化Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)的结构，最终优化形成一个大的配合物体系；
(3)含能性质计算：首先运用原子化法计算Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)的生成热，运用Politzer法计算其密度；再运用改进过的Kamlet-Jacobs公式计算其爆轰性能；
(4)感度计算：运用Politzer法计算其撞击感度。
5.根据权利要求4所述的Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)的设计方法，其特征在于：步骤3中，密度的计算公式为：
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6.根据权利要求4所述的Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)的设计方法，其特征在于：步骤4中，撞击感度的计算公式为：
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7.一种权利要求1-3任一项所述的Cu(NTZNO)(NH3)(NH2NO2)用作高能***或起爆药的应用。
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