富氮高能分子结构和性能的理论预测(2)
图1.2 CL-20分子的稳定构象及其相对能量值
注：1）引用自文献[15]，其中Ⅰ表示β构象，Ⅱ表示α和γ构象，Ⅲ表示ε构象，Ⅳ则表示CL-20分子在高压下的ζ构象；2）各构象相对能量的单位为KJ/mol。
尽管CL-20有着良好的的应用前景，但由于其感度较高，并不能满足现今对含能物质更高安全性的要求，因而限制了其更广泛的应用。而就合成方面而言，CL-20分子中含有太多的硝基官能团，这使得其合成相对困难且费用昂贵。为了克服以上缺点，研究人员也在尝试对CL-20进行改性研究。例如，采用了重结晶高聚物包覆和复合等传统改性方法[16,17]。但是由于这些方法未能改变炸药的内部组成及其晶体结构，故改性效果并不十分理想。也有研究人员尝试引入在药物合成中应用十分广泛的共晶技术，即通过采用溶液共结晶技术，成功制备出CL-20/TNT的共晶炸药及其单晶，后续进行了表征工作，结果显示合成所得的CL-20/TNT共晶炸药相较于原CL-20感度可降低87%左右[18]。
除了以上宏观及微观手段外，也可以尝试直接对分子进行理论设计。分子理论设计的实质即对分子结构进行优化，并通过计算获得相应参数的理论值，来用以探索符合特定需求的新型含能材料。同时，因为含能化合物的合成及其后续的实验研究往往带有一定的复杂性和危险性，为了缩小实验筛选范围，降低实验综合成本，可借助于相应的理论计算来预测其性质，并依此来进行相应的辅助筛选工作。从以上叙述可以看出，分子设计工作在设计和筛选高能低感化合物的研究中大有可为。
为了采用现有的理想爆炸物的优点和克服其相应的缺点，在开始理论设计工作之前，十分必要去分析这些理想爆炸物分子所共有的结构特性。其中，以下几点十分重要[19]：
一是接近于零的氧平衡值。与众周知，氧平衡值（Oxygen Balance）越高，爆轰速率和爆压也会在一定程度上相应增大。但同时，过高的氧含量对提高含能化合物的爆轰性能也是不利的。主要的原因在于反应中过剩的氧元素继而会生成O2，随之带走大量的能量。因此在设计高能量密度化合物中需要尽可能地使得氧平衡值在零值附近；
二是氢键的作用。在同一分子内组合氨基和硝基，可以在分子内和分子间形成大量的氢键，继而能够显著降低其敏感性。同时因为分子内所含有的硝基数量相对减少，使得其合成变得更为容易；
三是引入氮氧化物结构。引入的氧原子可以降低爆炸物分子的敏感性和提升爆轰性能，这是因为密度变大和氧平衡值升高的缘故。这种方法能够用以在不显著降低能量的前提下能有效减少硝基的数目。
本研究采用第三种策略对CL-20分子进行结构优化，即通过引入氮氧化物结构，来获得CL-20分子的二取代、四取代和吹冰取代氮氧化物衍生物。一方面，尽管由于本研究中官能团取代的特殊性，即用氧原子取代硝基官能团后，实质上分子内氧原子数减少，并不能提升氧平衡值，反而会使得氧平衡值降低；但是在另一方面，由于减少了硝基官能团的个数，同时氧原子也有提升综合爆轰性能的作用，所以本研究期望在不显著降低能量的前提下降低CL-20分子的敏感性，筛选出新型的优良爆炸物分子，以作为CL-20分子的替代使用物。研究中采用密度泛函理论（DFT）方法分别计算了各同分异构取代物的生成热（HOF），爆速、爆压，电子结构和感度表征量ΔV和h50，具体计算方法可参见下章。本文剩余部分按以下三个方面组织,分别是 “计算方法”部分，“结果与讨论”部分以及“结论”部分。