《高能化合物的分子設計》是作者近十年基于量子化學計算對高能化合物進行設計科研工作的總結�！陡吣芑衔锏姆肿釉O計》分三篇共18章。第一篇簡介一般理論計算方法和高能化合物性能預測方法。第二篇和第三篇分別對多氮分子和離子化合物以及其他類型化合物進行分子設計。在多系列數(shù)千種化合物的分子、電子結構與物理、化學和爆炸性能關系系統(tǒng)研究的基礎上，按能量與穩(wěn)定性相結合的定量標準進行比較和篩選，從中共預示和推薦出數(shù)百種高能量密度化合物（HEDC）候選物供合成工作者參考。首次細致研究多氮離子鹽的結構和性能，展示多種取代基、橋連基和氮雜環(huán)等多種組合形成多類衍生物的作用和功能；增添燃燒性能從炸藥向火藥拓展應用；揭示和綜述安全性（感度）判據(jù)，使《高能化合物的分子設計》呈現(xiàn)豐富多彩的特色和創(chuàng)新性。
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目錄
前言
第一篇 理論計算方法
第1章 —般理論方法簡介 3
1.1 Hartree-Fock方法 3
1.2 密度泛函艦 4
1.3 Moller-Plesset微擾法 5
1.4 基于體積的熱力學方法 6
1.5 基組及其選擇 7
1.5.1 極小基組 7
1.5.2 劈裂價鍵基組 7
1.5.3 極化基組 8
1.5.4 彌散基組 8
1.5.5 高角動量基組 8
1.6 原子化方法 9
1.7 等鍵反應方法 9
參考文獻 10
第2章 高能化合物性能預測方法 13
2.1 分子晶體和離子晶體密度預測 13
2.2 氣相和固相生成熱計算 15
2.3 爆轟性能和比沖預估 16
2.4 穩(wěn)定性和感度預測 17
2.5 離子鹽形成熱力學性質計算 18
參考文獻 19
第二篇 多氮分子和離子鹽的分子設計
第3章 唑類衍生物 25
3.1 1,1'-和 5,5'-橋連雙四唑衍生物 25
3.1.1 生成熱 25
3.1.2 電子結構 32
3.1.3 爆轟性能 34
3.1.4 熱穩(wěn)定性 38
3.1.5 潛在HEDC候選物 42
3.1.6 小結 43
3.2 碳橋連雙亞氨四衍生物 43
3.2.1 生成熱 44
3.2.2 電子結構 48
3.2.3 熱穩(wěn)定性 49
3.2.4 爆轟性能 52
3.2.5 小結 54
3.3 氮橋連雙亞氨四衍生物 54
3.3.1 生成熱 55
3.3.2 電子結構 58
3.3.3 熱穩(wěn)定性 60
3.3.4 爆轟性能 62
3.3.5 小結 64
3.4 1,4-雙(1-氮-2,4-二硝基苯)-亞氨基四唑衍生物 65
3.4.1 生成熱 66
3.4.2 電子結構 70
3.4.3 爆轟性能 72
3.4.4 熱穩(wěn)定性 74
3.4.5 小結 76
3.5 含1H-四唑的雙雜環(huán)衍生物 76
3.5.1 生成熱 77
3.5.2 爆轟性能 81
3.5.3 熱穩(wěn)定性 84
3.5.4 小結 86
參考文獻 87
第4章 呋咱類衍生物 92
4.1 單環(huán)呋咱衍生物 92
4.1.1 生成熱 93
4.1.2 爆轟性能 95
4.1.3 鍵解離能 98
4.1.4 小結 100
4.2 單環(huán)氧化呋咱衍生物 100
4.2.1 生成熱 101
4.2.2 爆轟性能 105
4.2.3 熱穩(wěn)定性 108
4.2.4 小結 111
4.3 碳橋和氮橋連雙呋咱衍生物 111
4-3.1 生成熱 112
4.3.2 電子結構 116
4.3.3 爆轟性能 118
4.3.4 熱穩(wěn)定性 121
4.3.5 小結 124
4.4 含呋咱的多雜環(huán)衍生物 124
4-4.1 生成熱 126
4.4.2 電子結構 130
4.4.3 熱穩(wěn)定性 132
4.4.4 爆轟性質 135
4.4.5 小結 137
參考文獻 137
第5章 嗪類衍生物 143
5.1 1,2,4,5-四嗪衍生物 143
5.1.1 生成熱 144
5.1.2 前線軌道能級和熱穩(wěn)定性 149
5.1.3 爆轟性能 153
5.1.4 預測潛在HEDC候選物 155
5.1.5 小結 156
5.2 3,6-2H-1,2,4,5-四嗪取代衍生物 156
5.2.1 生成熱 156
5.2.2 電子結構 160
5.2.3 爆轟性能 161
5.2.4 熱穩(wěn)定性 162
5.2.5 小結 164
5.3 1,2,3,4-四嗪-1,3-二氧衍生物 164
5.3.1 生成熱 166
5.3.2 電子結構 169
5.3.3 爆轟性能 172
5.3.4 熱穩(wěn)定性 174
5.3.5 小結 176
5.4 橋連雙1,3,5-三嗪衍生物 176
5.4.1 生成熱 178
5.4.2 電子結構 181
5.4.3 爆轟性能 183
5.4.4 熱穩(wěn)定性 185
5.4.5 小結 189
參考文獻 189
第6章 多氮稠環(huán)衍生物 193
6.1 4,8-二氫二呋咱并[3,4-b,e]哌嗪衍生物 193
6.1.1 生成熱 194
6.1.2 電子結構 195
6.1.3 爆轟性能 197
6.1.4 熱穩(wěn)定性 199
6.1.5 小結 200
6.2 呋咱并[3,4-b]吡嗪衍生物 201
6.2.1 生成熱 202
6.2.2 爆轟性能 206
6.2.3 熱穩(wěn)定性 208
6.2.4 小結 211
6.3 四唑并[1,5-b]-1,2,4,5-四嗪和 1,2,4-三唑并[4,3-b]-1,2,4,5-四嗪衍生物 212
6.3.1 生成熱 213
6.3.2 前線軌道能級 217
6.3.3 熱穩(wěn)定性 217
6.3.4 爆轟性能 220
6.3.5 預測潛在HEDC候選物 223
6.3.6 小結 224
6.4 二呋咱并[3,4-b:3',4'-e]哌嗪衍生物及其類似物 224
6.4.1 優(yōu)化結構 226
6.4.2 生成熱 232
6.4.3 爆轟性能 234
6.4.4 應變能和自然鍵軌道布居分析 236
6.4.5 熱穩(wěn)定性 241
6.4.6 小結 243
參考文獻 244
第7章 多元氮雜環(huán)衍生物 249
7.1 含氮小分子生成熱的高級艦方法預測 249
7.1.1 計算方法 250
7.1.2 不同方法的計算結果比較 252
7.1.3 不同方法的適用性 252
7.1.4 小結 252
7.2 1,3-二硝基氮雜丁烷衍生物 262
7.2.1 生成熱 253
7.2.2 電子結構 255
7.2.3 爆轟性能 257
7.2.4 熱穩(wěn)定性 259
7.2.5 小結 270
7.3 含二氟氨基四元、六元和八元氮雜環(huán)衍生物 270
7.3.1 生成熱 272
7.3.2 電子結構 275
7.3.3 爆轟性能 275
7.3.4 熱穩(wěn)定性 278
7.3.5 小結 280
7.4 RDX和HMX的二硝甲基和三硝甲基取傾生物 280
7.4.1 生成熱 282
7.4.2 爆轟性能 284
7.4.3 應變能和熱穩(wěn)定性 287
7.4.4 撞擊感度 289
7.4.5 小結 290
7.5 CL-20的二硝甲基和三硝甲基取代衍生物 290
7.5.1 生成熱 292
7.5.2 爆轟性能 295
7.5.3 應變能和熱穩(wěn)定性 297
7.5.4 撞擊感度 300
7.5.5 小結 301
參考文獻 301
第8章 幾種特殊類型的高能化合物 307
8.1 四氮雜金剛烷衍生物 307
8.1.1 生成熱 308
8.1.2 電子結構 312
8.1.3 熱穩(wěn)定性 314
8.1.4 爆轟性能 316
8.1.5 小結 319
8.2 多硝基和多硝酸醋基金剛烷衍生物 320
8.2.1 生成熱 320
8.2.2 電子結構 322
8.2.3 爆轟性能 323
8.2.4 小結 324
8.3 1,7-二氨基-1,7-二硝基亞氨基-2,4,6-三硝基-2,4,6-三氮庚烷衍生物 324
8.3.1 生成熱 325
8.3.2 爆轟性能 329
8.3.3 熱穩(wěn)定性 331
8.3.4 小結 332
8.4 零氧平衡的四唑和四嗪衍生物 333
8.4.1 生成熱 335
8.4.2 爆轟性能 340
8.4.3 熱穩(wěn)定性 344
8.4.4 小結 347
8.5 具有良好氧平衡的三硝甲基取代氮雜環(huán)衍生物 347
8.5.1 生成熱 349
8.5.2 電子結構 353
8.5.3 爆轟性能 355
8.5.4 熱穩(wěn)定性 358
8.5.5 小結 360
8.6 十二硝基六柱烷和六硝基氮雜六柱烷 360
8.6.1 DNH性能評估 361
8.6.2 六柱柱的六氮對稱雜化 365
8.6.3 小結 366
參考文獻 367
第9章 唑類和四嗪類衍生物離子鹽 373
9.1 三唑衍生物分子及其離子鹽 373
9.1.1 晶體密度 373
9.1.2 生成熱 377
9.1.3 爆轟性能 381
9.1.4 離子鹽形成熱力學 385
9.1.5 結論 388
9.2 四唑衍生物和氮連雙四唑衍生物離子鹽 389
9.2.1 晶體密度 390
9.2.2 生成熱 394
9.2.3 爆轟性能 400
9.2.4 離子鹽形成熱力學 404
9.2.5 小結 410
9.3 四嗪衍生物和橋連雙四嗪衍生物離子鹽 411
9.3.1 晶體密度 412
9.3.2 生成熱 413
9.3.3 爆轟性能 416
9.3.4 離子鹽形成熱力學 418
9.3.5 小結 420
9.4 5-硝基亞氨翻唑衍生物離子鹽 420
9.4.1 晶體密度 422
9.4.2 生成熱 426
9.4.3 爆轟性能和感度 432
9.4.4 離子鹽的形成熱力學 436
9.4.5 小結 441
9.5 5-二硝甲基四唑類衍生物離子鹽 441
9.5.1 晶體密度 442
9.5.2 生成熱 445
9.5.3 爆轟性能 450
9.5.4 離子鹽的形成熱力學 454
9.5.5 小結 456
9.6 質子化和甲基化四唑衍生物離子鹽 456
9.6.1 晶體密度 458
9.6.2 生成熱 468
9.6.3 爆轟性能 479
9.6.4 離子鹽的形成熱力學 489
9.6.5 小結 492
參考文獻 492
第10章 雙氮雜環(huán)類衍生物離子鹽 500
10.1 二價雙四唑取代雜環(huán)類衍生物離子鹽 500
10.1.1 晶體密度 501
10.1.2 生成熱 504
10.1.3 爆轟性能 508
10.1.4 離子鹽的形成熱力學 512
10.1.5 小結 515
10.2 雜環(huán)功能化硝胺基呋咱類衍生物離子鹽 515
10.2.1 晶體密度 516
10.2.2 生成熱 519
10.2.3 爆轟性能 523
10.2.4 離子鹽的形成熱力學 526
10.2.5 小結 529
10.3 橋連雙5-硝基亞氨基四唑衍生物離子鹽 529
10.3.1 晶體密度 531
10.3.2 生成熱 534
10.3.3 爆轟性能 537
10.3.4 離子鹽形成熱力學 540
10.3.5 小結 543
參考文獻 543
第三篇 各類型多系列高能化合物的分子設計
第11章 密度預測的方法和基組選擇 551
11.1 芳烴硝基化合物 552
11.1.1 計算方法 552
11.1.2 合適方法和基組的選擇 553
11.1.3 分子結構或取代基對密度的影響 560
11.1.4 小結 562
11.2 脂肪族肖酸酯 562
11.2.1 合適方法和基組的選擇 562
11.2.2 分子結構或取代基對密度的影響 570
11.2.3 小結 571
參考文獻 571
第12章 苯和苯胺類硝基衍生物 575
12.1 計算方法 576
12.2 紅外光譜 577
12.3 熱力學性質 582
12.4 密度和能量 586
12.5 熱解機理、穩(wěn)定性和感度判別 589
12.5.1 靜態(tài)理論指標 589
12.5.2 動態(tài)理論指標 592
12.5.3 感度判別指標之間的關聯(lián) 595
12.6 小結 596
參考文獻 597
第13章 苯鼢和甲苯類硝基衍生物 601
13.1 苯酸硝基衍生物 602
13.1.1 紅外光譜 602
13.1.2 熱力學性質 605
13.1.3 密度和能量 608
13.1.4 熱解機理、穩(wěn)定性和感度判別 611
13.1.5 小結 618
13.2 甲苯類硝基衍生物 619
13.2.1 紅外光譜 619
13.2.2 熱力學性質 622
13.2.3 密度和能量 624
13.2.4 熱解機理、穩(wěn)定性和感度判別 628
13.2.5 小結 635
參考文獻 637
第14章 HNS的多取代基衍生物 640
14.1 HNS及其一N02、一NH2和一OH衍生物 640
14.1.1 紅外光譜 640
14.1.2 熱力學性質 645
14.1.3 密度和能量 649
14.1.4 熱解機理、穩(wěn)定性和感度判別 652
14.1.5 小結 655
14.2 HNS的一CN、一NC、一NNO2和一0NO2衍生物 656
14.2.1 紅外光譜 656
14.2.2 熱力學性質 661
14.2.3 密度和爆轟性能 667
14.2.4 小結 669
參考文獻 670
第15章 DPO及其衍生物 671
15.1 DPO的分子結構和性能 672
15.1.1 分子幾何 672
15.1.2 紅外光譜 674
15.1.3 熱力學性質 676
15.1.4 熱解機理 677
15.1.5 密度和能量 679
15.1.6 小結 679
15.2 DPO的一N3、一ONO2和一NNO2衍生物 680
15.2.1 紅外光譜 681
15.2.2 熱力學性質 684
15.2.3 幾何結構和相對穩(wěn)定性 691
15.2.4 HEDC的潛在目標物 699
15.2.5 小結 704
15.3 DPO晶體的結構和性能 705
15.3.1 計算原理和方法 705
15.3.2 力場的選擇 706
15.3.3 晶型預測 711
15.3.4 能帶結構 715
15.3.5 小結 716
參考文獻 718
第16章 雙高五棱柱烷多取代衍生物 721
16.1 雙高五棱柱烷一NO2衍生物 721
16.1.1 生成熱 721
16.1.2 爆轟性能 725
16.1.3 熱穩(wěn)定性和熱解機理 727
16.1.4 紅外光譜 731
16.1.5 熱力學性質 735
16.1.6 小結 740
16.2 雙高五棱柱烷一CN、一NC和一ONO2衍生物 741
16.2.1 生成熱 741
16.2.2 爆轟性能 746
16.2.3 熱穩(wěn)定性和熱解機理 748
16.2.4 紅外光譜 749
16.2.5 熱力學性質 752
16.2.6 小結 762
參考文獻 762
第17章 脂肪族硝酸酯 764
17.1 紅外光譜 765
17.2 熱力學性質 768
17.3 密度和爆轟性能 770
17.4 熱解機理和穩(wěn)定性 773
17.4.1 重疊集居數(shù) 773
17.4.2 動力學參數(shù) 774
17.5 相對比沖 775
17.6 小結 777
參考文獻 777
第18章 高能物質的安全性能 779
18.1 靜電感度與能量和結構的關系 779
18.1.1 密度和能量,分子結構與靜電感度 779
18.1.2 爆速、爆壓與靜電感度的關系 787
18.1.3 電子結構與靜電感度的關系 789
18.1.4 小結 792
18.2 撞擊感度的量子化學判據(jù) 793
18.2.1 原子電荷 793
18.2.2 靜電勢 795
18.2.3 鍵級 796
18.2.4 帶隙 797
18.2.5 活化能 798
18.2.6 其他指標 799
18.2.7 小結和展望 799
參考文獻 800
后記 807
第一篇 理論計算方法
高能化合物的分子設計，主要依據(jù)分子體系結構和性質的計算研究，但同時要從高能化合物的分子結構出發(fā)，去預測其分子晶體和離子晶體的性質，以便貼近實際應用。這就必須使用和發(fā)展很多理論方法。
本篇包括兩章，概述全書所用到的主要理論和計算方法。第1章簡介本書所用一般理論和計算化學方法，主要包括Hartree-Fock(HF)方法、密度泛函理論（DFT）、Moller_plesset(MP)微擾法、基于體積的熱力學方法、基組及其選擇、原子
化反應和等鍵反應方法。第2章闡述高能化合物一些重要性質的計算和預測方法。這些性質主要包括分子晶體和離子晶體的密度、氣相和固相生成熱、爆轟和燃燒性能、離子鹽形成熱力學性質，以及熱解引發(fā)機理、穩(wěn)定性和感度等。較為系統(tǒng)詳盡的有關原理和應用，可參見相關專著和教材[1-26]。
第1章 一般理論方法簡介
1.1 Hartree-Fock方法
量子化學是理論化學的分支和核心，它運用量子力學基本原理和方法，在電子微觀層次上研究物質(原子、分子、晶體)的結構和性質。在量子化學方法中，分子軌道理論和密度泛函理論是應用最為普遍的理論方法�；诜肿榆壍览碚摰乃辛孔踊瘜W計算方法都是以HF方程為基礎的，鑒于分子軌道理論在現(xiàn)代量子化學中的廣泛應用，HF方程可以被稱作現(xiàn)代量子化學的基石。下面簡要介紹HF方法。
含n個電子體系的總能量Hamilton算符可寫成
式中，第一、第二和第三項依次對應于電子動能、核和電子相互作用能以及電子間相互作用能。由于第三項的緣故，使得無法分解成單電子算符。
為了解決多電子體系Schrodinger方程近似求解的問題，Hartree在1928年提出假設)將每個電子看作是在其他所有電子構成的平均勢場- 中運動的粒子。即電子，的勢能為
于是總Hamilton算符可分解成單電子貢獻.和電子間相互作用能-，從而可得到單電子的方程
，體系多電子波函數(shù)可近似為單電子波函數(shù)的乘積，即
體系的總能量等于每個單電子能量的總和減去多計算的庫侖積分，即這就是Hartree方程。但由于Hartree沒有考慮電子波函數(shù)的反對稱要求，所以該方程實際上是并不完全成功的。
1930年Fock和Slater對此進行改進，提出考慮泡利原理的自洽場迭代方程和單行列式型多電子體系波函數(shù)，進而導出Hartree-Fock-Roonthaan(HFR)方程式中，稱為()*+算符，不僅包括庫侖積分算符，還包括交換積分算符方法是求解多粒子問題的一種近似方法。它用單個SLATER行列式構造近似的波函數(shù)，通過對該行列式波函數(shù)變分極小來確定具體的波函數(shù)形式，成為其他高級分子軌道理論方法的基礎。
1951年ROONTHAAN將原子自洽場方法推廣到分子，基于分子軌道(單電子波函)由原子軌道(基函數(shù))線性組合(LCAO)而成，導出HARTREE-FOCK-ROONTHAAN(HFR)方程，，若將(1.8)式表示矩陣形式，則為這是一個廣義本征方程，是FOCK矩陣;S是重疊積分矩陣，是本征值C分子軌道能量矩陣是分子軌道系數(shù)矩陣。HFR方程需要采用自洽場方法迭代求解。該方程是分子體系量子化學計算的最基本方程。
1.2 密度泛函理論
DFT是目前使用最廣泛也是本書運用最多的量子化學計算方法，它以電子密度作為基本量來描述和確定體系的性質。最初由THOMAS和FERMI提出電子氣模型，之后HOHENBERG-KOHN定理[27]為其提供了堅實的理論依據(jù)，而KOHN-SHAM[28]方法的提出則使，(-方法實現(xiàn)了普遍的應用。
HOHENBERG-KOHN理論可以概括為兩個基本定理①不計自旋的全同費米子系統(tǒng)的外勢是基態(tài)電子密度唯一的泛函②對粒子數(shù)確定的體系，基態(tài)能量為基態(tài)密度泛函下取得的極小值。HOHENBERG-KOHN理論雖然證明了THOMAS-FERMI方法的正確性，但沒有找到滿足密度函數(shù)的方程。KOHN-SHAM6方法的中心思想不是直接導出動能的表達式，而是引入非相互作用參考系來得到一組軌道，從而精確計算體系中動能的主要部分。其總能量為:體系中無相互作用時的動能"第二項為核與電子之間的勢能"第三項是靜電作用能"第四項是交換關聯(lián)能。將上式中能量密度對電子密度進行變分即得到KOHN-SHAM方程式中，是K-S有效勢。因此只要有了的關系式，就可以通過KOHN-SHAM方程精確地求解出體系的能量和密度，并推導出其他所需參數(shù)。KOHN和SHAM[28]提出了局域密度近似(KDA)，其基本思想是在局域密度近似下，對變化平緩的密度函數(shù)，通過利用均勻電子氣密度函數(shù)替代非均勻電子氣的相關交換泛函，從而精確地求解體系的能量和密度。人們?yōu)榱烁倪M局域密度近似而采用了多種方法進行修正，廣義梯度近似(GGA)是目前常用的一種方法。
DFT泛函的種類有很多，B3lyp雜化方法是最常使用的方法之一，它將beck三參數(shù)雜化方法[29]和非定域相關泛函Lee-yang-parr相結合[30]，加快了計算速度。
DFT理論奠定了將多電子問題轉化為單電子方程的理論基礎，給出了單電子有效勢計算的可行方法。DFT在計算化學、計算物理、計算材料學等許多領域均取得巨大成功。1988年DFT的奠基人Kohn與分子軌道方法的奠基人Pople分享了諾貝爾化學獎。
1.3 MOLLER-PLESSET微擾法
MP微擾法是一種基于分子軌道理論的高級量子化學計算方法。這種方法以HF方程的自洽場解為基礎，應用微擾理論，獲得考慮了電子相關能的多電子體系近似解，其計算精度與組態(tài)相互作用(CI)方法的CID接近，但計算量遠小于CID，是應用比較廣泛的高級量子化學計算方法。
MP由量子化學家Moller和Plesset在1934年提出的，所以定方法二人的名字縮寫MP表表
微擾，級近似。
MP法要求將復雜體系的Hamilton算子分解為可精確求解項和微擾項兩部分"在多體微擾理論中，引入Hartree-Fock的Hamilton算符概念:
顯然，由Hartree-Fock方程解得的單電子波函數(shù)(分子軌道)所構成的行列式波函數(shù)是D的本征函數(shù);構成Slater行列式的各分子軌道能的代數(shù)和是D的本征值。
將多電子體系Hamilton算符可分解為Hartree-Fock的Hamilton8算符和微擾項的代數(shù)和則由式可得到微擾算符為，根據(jù)微擾理論，能量的一級校正 為將微擾算符的表達式%代入式得到因此，經過能量的一級校正后體系能量為經過二級校正后，體系的基態(tài)能量為由于式(1.18)是體系未占據(jù)分子軌道的軌道能。在基態(tài)，其能量高于和，所以，體系能量的二級微擾是一個負值。因而考慮二級微擾后，體系能量低于Hartree-Fock方程得到的體系能量，這一差異來自電子相互作用。考慮二級校正的多體微擾計算簡稱MP2。
更高級的校正以較低級校正為計算基礎。隨著校正級別的提高，計算量也急劇增加。從理論上講，隨著校正級別的提高，最終體系能量會逐漸逼近真實值。目前的計算方法最高可以進行MP5計算，即體系能量的五級校正。
多體微擾理論方法是一種量子化學高級計算方法。在考慮相關能的計算方法中，多體微擾理論方法的計算量最小。MP1可達到"(方程的計算精度;MP2一般可以求60%的相關能，與CID方法相當，但計算過程僅需要計算少量雙電子積分，遠遠小于CID;MP4一般可以求得85%的相關能。
MPn方法是一個大小一致的方法，即對電子數(shù)不同的體系，使用MPn計算的精度是相同的。這一特性使得MPn方法特別適合進行化學反應的計算研究。但由于MPn方法以HF方程為基礎，因而受到"(方程的局限，對于那些應用HF方程不能很好處理的體系，如非限制性開殼層體系，MPn方法也不能很好處理。
1.4 基于體積的熱力學方法
基于體積的熱力學(VBT)方法[31，32]是利用物質的單位體積來估算其熱力學性質的一種方法。離子晶體的總體積Vm由化合物體系中陰離子和陽離子體積的簡單相加而得到。
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