硝酸羥胺離子間相互作用的密度泛函理論研究

劉建國, 張　倩,2, 安振濤,2, 祁立雷,2, 滿海濤, 王朝陽

(1. 軍械工程學院彈藥工程系，河北石家莊050003； 2. 軍械工程學院彈藥保障與安全性評估軍隊

重點實驗室，河北石家莊050003； 3. 華南師范大學化學與環境學院，廣東廣州510006)

?

硝酸羥胺離子間相互作用的密度泛函理論研究

劉建國1, 張倩1,2, 安振濤1,2, 祁立雷1,2, 滿海濤1, 王朝陽3

(1. 軍械工程學院彈藥工程系，河北石家莊050003； 2. 軍械工程學院彈藥保障與安全性評估軍隊

重點實驗室，河北石家莊050003； 3. 華南師范大學化學與環境學院，廣東廣州510006)

摘要：為研究硝酸羥胺離子間的相互作用，采用DFT-B3LYP/6-311++G(d, p)方法，對硝酸羥胺離子對的幾何構型進行優化；通過自然集居分析計算了各原子的凈電荷，并針對離子對體系形成過程中H原子的轉移進行了理論研究；通過基組疊加誤差(BSSE)和零點能校正(ZPEC)計算了離子對的相互作用能；用統計熱力學方法對硝酸羥胺離子對在200~800K的熱力學性質進行了計算。結果表明，離子對形成過程中H原子轉移的反應勢壘為46.605kJ/mol，離子對表現為HNO3和NH2OH之間相互作用的性質；構型II的相互作用能最大，為-48.145kJ/mol，穩定性排列順序為構型II>構型III>構型IV；另外，構型II和構型III在常溫下即可自發形成，構型IV只能在200K以下的低溫才能自發形成。

關鍵詞：量子化學；硝酸羥胺；離子對；相互作用；密度泛函理論；氫原子的轉移；熱力學性質

引言

硝酸羥胺是羥胺的硝酸鹽，由還原組分羥胺和氧化組分硝酸組成[1-2]。硝酸羥胺基推進劑具有密度大、比沖高、安全、無毒等優點，廣泛應用于炮彈發射、火箭推進、導彈姿態調控以及微型衛星的軌道調整[3-7]。目前，美國軍方已研制出硝酸羥胺基發射藥LP1846和LP1898，美國宇航局(NASA)路易斯研究中心在軍方液體發射藥的基礎上開發出用于航天推進的HAN基單元推進劑[8]。

廣義的分子間相互作用包括非極性分子、極性分子和離子間相互作用，分子間相互作用在高能體系的物理、化學和爆炸性質等研究中占有重要地位[9-10]，對揭示其聚集狀態、黏度、密度和物質間相互作用的本質等具有重要意義。居學海等[9]對硝仿肼離子對之間的相互作用進行了密度泛函理論研究，揭示了離子對之間相互作用的主要貢獻為庫倫作用；CAO Duan-lin等[11]采用密度泛函的方法對2,4-二硝基咪唑與甲醛的分子間相互作用進行了研究，并采用自然鍵軌道分析方法對其相互作用的本質進行了分析；WANG Zhao-xu等[12]對HCN和HNC之間的相互作用進行了研究，并對其熱力學性質進行了計算。

本文采用DFT-B3LYP/6-311++G(d, p)方法，對硝酸羥胺離子對的幾何構型、離子間的相互作用以及離子對的熱力學性質進行研究，以期為硝酸羥胺基推進劑的制備及其性能的深入研究提供理論依據。

1計算方法

2結果與討論

2.1硝酸羥胺離子對的幾何構型優化

圖以及硝酸羥胺離子對全優化幾何構型和離子間距離Fig.1　Fully optimizad geometries and distance betweenNH3OH+,and ions of hydroxylamine nitrate ion pair

化學鍵鍵長/nm構型I構型II構型III構型IVN1-p0.10310.16540.16990.2865N1-p0.10290.10190.10190.1018N1-O40.14060.14300.14340.1443O4-H50.09750.09720.09640.0965N1-H60.10310.10190.10190.1019N7-O80.12600.12000.12000.1200N7-O90.12600.12290.12210.1219N7-O100.12600.13670.13800.1387

及硝酸羥胺離子對的鍵角

及硝酸羥胺離子對的二面角

隨著鍵長的變化，硝酸羥胺的鍵角和二面角也發生了相應的改變。由圖1和表2可以看出，與構型I相比，構型II的N1-O4-H5的鍵角減小了4.57°，O4-N1-H6的鍵角減小了6.86°；構型III的N1-O4-H5的鍵角減小了3.23°，O4-N1-H6的鍵角減小了7.18°；構型IV的N1-O4-H5的鍵角減小了2.6°，O4-N1-H6的鍵角減小了7.49°，其他鍵角在硝酸羥胺離子對的形成過程中變化較小。負離子上原子的二面角全部接近0或者180°，表明離子對形成過程中并沒有對負離子的平面構型產生影響。但是，正離子的共面性在離子對形成過程中所受影響較大。如表3所示，構型II的p-N1-O4-H5的二面角增加了123.64°，H6-N1-O4-H5的二面角增加了61.047°；構型III的p-N1-O4-H5的二面角增加了123.96°，H6-N1-O4-H5的二面角增加了62.027°；構型IV的p-N1-O4-H5的二面角增加了127.39°，H6-N1-O4-H5的二面角增加了57.917°

2.2原子電荷和電荷轉移

經自然集居分析所得各原子上的凈電荷(Q)如表4所示。從表4可以看出，N原子和O原子帶負電荷，呈負電性，H原子帶正電荷，呈正電性。原子電荷變化較大的多是離子間距離較近的原子。與構型I相比，構型II的p凈電荷增加了0.0830e，H5凈電荷減少了0.0173e，與其形成離子間相互作用的N1凈電荷增加0.3496e，O9凈電荷減少了0.1329e；構型III的p凈電荷增加了0.0899e，p凈電荷減少了0.0941e，與其形成離子間相互作用的N1凈電荷增加了0.3789e，O9凈電荷減小了0.1752e；構型IV的p凈電荷增加了0.0521e，H5凈電荷減少了0.0096e，與其形成離子間相互作用的O4凈電荷增加了0.3113e，O9原子凈電荷減少了0.1716e。離子間相距較近的原子總電荷量呈增加的趨勢，這是由于離子間相互吸引導致電荷向構型中心轉移引起的。構型II、III、IV的偶極距分別為3.7890、0、4.1079、3.5928、4.2996 D。

及硝酸羥胺離子對體系的

2.3離子間自然鍵軌道(NBO)相互作用

采用密度泛函B3LYP/6-311++G(d,p)方法對硝酸羥胺離子對體系進行自然鍵軌道(NBO)計算，得到了電子供體(Donor)軌道i、電子受體(Acceptor)軌道j及其穩定化能E，結果如表5所示。穩定化能E與相互作用強度之間成正比，穩定化能越大，i與j的相互作用強度越大[17]。從表5可以看出，構型II中N1的孤對電子第1對p-O10的σ反鍵軌道的穩定化能為194.43kJ/mol，構型III中的N1孤對電子第1對p-O10的σ反鍵軌道的穩定化能為160.21kJ/mol，構型IV中的O4孤對電子第2對p-O10的σ反鍵軌道的穩定化能為87.613kJ/mol。由此可以得出，構型II和III的離子間相互作用主要產生于陽離子的N的孤對電子與陰離子的H-O的反鍵軌道之間，構型IV的離子間相互作用主要產生于陽離子的O的孤對電子與陰離子的H-O反鍵軌道之間。另外，3個構型的穩定化能之和均在90kJ/mol以上，屬于強相互作用，穩定化能排列順序為構型II>構型III>構型IV。

表5　B3LYP/6-311++G(d, p)水平上硝酸羥胺離子對

注：E為穩定化能；BD為成鍵軌道；BD*為反鍵軌道；LP為孤對電子；對于BD和BD*，(1)和(2)分別為σ軌道和π軌道；對于LP，(1)和(2)分別為第1和第2孤對電子。

2.4離子對形成過程中的氫轉移

2.5相互作用能

在B3LYP/6-311++G(d, p)全優化構型下，將NH2OH、HNO3和各離子對體系的總能量以及經BSSE和ZPE校正前后的相互作用能的計算結果列于表6。從表6可以看出，構型II經校正后的結合能最大，為-48.145kJ/mol；構型IV經校正后的結合能最小，為-30.200kJ/mol。按照總能量、校正前以及校正后的相互作用能絕對值的排列順序均為構型II>構型III>構型IV。由此可見，離子對體系穩定性的排列順序為構型II>構型III>構型IV。另外，構型II、III和IV的ZPE校正值與BSSE校正值之和分別占經ZPE和BSSE校正后相互作用能的20.35%、20.00%和23.69%，說明進行ZPE和BSSE校正是必要的。

表6　B3LYP/6-311++G(d, p)水平上NH2OH、HNO3和硝酸羥胺離子對體系和的總能量、零點能和相互作用能

注：EHF為總能量；EZPE為零點能；ΔE為未校正的相互作用能；ΔE+BSSE為經基組疊加誤差校正的相互作用能；ΔE+BSSE+ΔZPE為經基組疊加誤差和零點能校正的相互作用能。

2.6熱力學性質

同一溫度下，焓變絕對值的順序為：(ΔHT)II>(ΔHT)III>(ΔHT)IV。這進一步說明，構型II的相互作用強于構型III，構型III的相互作用強于構型IV。在不同溫度下，隨著溫度的升高，ΔHT略有增加，說明溫度升高離子間相互作用減弱。由ΔGT=ΔHT-TΔST可計算出各構型在不同溫度下的ΔGT，從表7可以看出，298.15K時，構型II和III形成的過程中，ΔGT均為負值，表明在常溫下該過程可以自發進行；然而，構型IV只能在200K以下的低溫才能自發形成，這進一步說明了構型III的相互作用較弱。

表7　不同溫度下NH2OH、HNO3以及硝酸羥胺離子對體系的熱力學性質

3結論

(1)用Gaussian09軟件在B3LYP/6-311++G(d,p)基組水平上對硝酸羥胺離子對相互作用進行了研究，硝酸羥胺離子對存在3種穩定的硝酸羥胺構型，構型II屬于Cs點群，構型III和IV屬于C1點群；經自然集居分析，離子間距離較近的原子電荷變化較大。這是由于離子間相互吸引導致電荷向構型中心轉移，引起離子間相距較近的原子總電荷量增加。

(2)硝酸羥胺離子對形成過程中，首先發生H原子的轉移，其轉移勢壘為46.605kJ/mol，3種構型不再表現為離子對之間的相互作用，而是表現為HNO3和NH2OH之間的相互作用。

(3)硝酸羥胺離子對體系相互作用能絕對值的排列順序均為構型II>構型III>構型IV，由此得出，離子對體系穩定性的排列順序為構型II>構型III>構型IV，其排列順序與穩定化能的排列順序相一致。

(4)對不同溫度下的熱力學性質研究表明，構型II和構型III在常溫下即可自發形成，構型IV只能在200K以下的低溫才能自發形成。

參考文獻：

[1]Amrousse R, Katsumi T, Niboshi Y, et al. Performance and deactivation of Ir-based catalyst during hydroxylammonium nitrate catalytic decomposition[J]. Applied Catalysis A: General, 2013, 452: 64-68.

[2]LIU Li-jun, WEI Chun-yang, GUO Yu-yan, et al. Hydroxylamine nitrate self-catalytic kinetics study with adiabatic calorimetry[J]. Journal of Hazardous Materials, 2009, 162: 1217-1222.

[3]Barney G S, Duval P B. Model for predicting hydroxylamine nitrate stability in plutonium process solutions[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2011, 24: 76-84.

[4]Ulas A, Boysan E. Numerical analysis of regenerative cooling in liquid propellant rocket engines[J]. Aerospace Science and Technology, 2013, 24(1): 187-197.

[5]Fu Juan, Chen Xiao-qian, Huang Yi-yong. Validation of a compression mass gauge using groud tests for liquid propellant mass measurements[J]. Advances in Space Research, 2014, 53(9): 1359-1369.

[6]Dheeraj A, Basu P, Tharakan T J. Prediction of gas-core vortices during draining of liquid propellants from tanks[J]. Aerospace Science and Technology, 2014, 32(1): 60-65.

[7]Koh K S, Tengku F J C, Chik W K. Role of electrodes in ambient electrolytic decomposition of hydroxylammonium natrate (HAN) solutions[J]. Propulsion and Power Research, 2013, 2(3): 194-200.

[8]Amrousse R, Katsumi T, Itouyama N, et al. New HAN-based mixtures for reaction control system and low toxic spacecraft propulsion subsystem: thermal decomposition and possible thruster applications[J]. Combustion and Flame, 2015, 162(6): 2686-2692.

[9]居學海, 肖繼軍, 肖鶴鳴. 硝仿肼離子對相互作用的密度泛函理論研究[J]. 高等學校化學學報, 2003, 24(6): 1067-1071.

JU Xue-hai, XIAO Ji-jun, XIAO He-ming. DFT study of the intermolecular interaction of hydrazinium nitroformate ion pair[J]. Chemical Journal of Chinese Universities, 2003, 24(6): 1067-1071.

[10]候素青, 曹瑞林, 張文艷, 等. 氮雜杯[4]芳烴主體與RDX客體分子間相互作用的密度泛函理論[J]. 火炸藥學報, 2008, 31(5): 19-23.

HOU Su-qing, CAO Duan-lin, ZHANG Wen-yan, et al. Density functional theory of intermolecular interactions of aza-calix[4] arene with RDX[J]. Chinese Journal of Explosives and Propellants, 2008, 31(5): 19-23.

[11]CAO Duan-lin, REN Fu-de, WANG Jian-long, et al. Theoretical study on intermolecular interactions of 2,4-dinitroimidazole with methanol[J]. Journal of Molecular Structure: Theochem, 2007, 805: 53-60.

[12]WANG Zhao-xu, ZHANG Jing-chang, WU Jun-yong, et al. Theoretical investigation on intermolecular interactions between HCN and HNC: the nature and thermodynamic properties[J]. Journal of Molecular Structure: Theochem, 2007, 806: 239-246.

[13]Alavi S, Thompson D L. Effects of alkyl-group substitution on the proton-transfer barriers in ammonium and hydroxylammonium nitrate salts[J]. J Phys Chem A, 2004, 108: 8801-8809.

[14]Arjunan V, Kalaivani M, Marchewka M K, et al. Crystal structure, vibrational and DFT simulation studies of melaminium dihydrogen phosphite monohydrate[J]. Journal of Molecular Struture, 2013, 1045: 160-170.

[15]LI Lai-cai, HU Feng, CAI Wan-fei, et al. Density functional theory study on hydrogen bonding interaction of luteolin-(H2O)n[J]. Journal of Molecular Structure: Theochem, 2009, 911: 98-104.

[16]何春芳, 葉近婷, 高陽, 等. 三聚磷酸鈉與檸檬酸鈉鈣螯合機理和螯合能力的對比分析[J]. 分子科學學報, 2015, 31(3): 198-202.

HE Chun-fang, YE Jin-ting, GAO Yang, et al. Comparative analysis of calcium chelation mechanism and chelating ability about sodium tripolyphosphate and citric acid sodium[J]. Journal of Molecular Science, 2015, 31(3): 198-202.

[17]YUAN Mei-rong, LI Zhou-min. Crystal structure and DFT studies of N1, N6-Di (9H-fluoren-9-ylidene) hexane-1,6-diamine[J]. Journal of Molecular Structure, 2013, 1031: 263-268.

Density Functional Theory Study on Intermolecular Interactions of

Hydroxylamine Nitrate Ion Pair

LIU Jian-guo1, ZHANG Qian1,2, AN Zhen-tao1,2, QI Li-lei1,2, MAN Hai-tao1, WANG Chao-yang3

(1. Department of Ammunition Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang 050003, China;

2. Military Key Laboratory for Ammunition Support and Safety Evaluation, Ordnance Engineering College,

Shijiazhuang 050003, China; 3. School of Chemistry and Environment, South China Normal

University, Guangzhou 510006, China)

Abstract:To study the interactions of hydroxylamine nitrate ion, the geometry of hydroxylamine nitrate ion pair was optimized using the B3LYP/6-311++G (d, p) method. The atomic net charge was calculated by natural population analysis and the theoretical research of H atom transfer in the process of ion pair system formation was carried out. The interaction energy of ion pair was calculated by basis set superposition error (BSSE) and zero point energy correction (ZPEC). The thermodynamic properties of hydroxylamine nitrate ion pair in the temperature range of 200 to 800K were calculated using the statistical thermodynamic method. The results show that the reaction barrier of H atom transfer in the process of ion pair formation is 46.605kJ/mol. The ion pair manifests as the nature of interactions between HNO3and NH2OH. The interaction energy of the configuration II is greatest, as -48.145kJ/mol, and the stability decreases in the order of configuration II>configuration III>configuration IV. Configurations II and III can be spontaneously formed at the room temperature, while configuration IV can only be formed spontaneously at lower temperature below 200K.

Keywords:quantum chemistry; hydroxylamine nitrate; ion pair; interaction; density functional theory; H atom transfer; thermodynamic property

通訊作者:張倩(1974-)，女，副教授，從事含能材料的合成與分子模擬等研究。

作者簡介:劉建國(1988-)，男，博士研究生，從事含能材料的合成與分子模擬等研究。

基金項目:“十二五”裝備預研項目(40404010303)

收稿日期:2015-09-09；修回日期:2015-10-14

中圖分類號：TJ55; O641.121

文獻標志碼：A

文章編號：1007-7812(2015)06-0039-06

DOI：10.14077/j.issn.1007-7812.2015.06.008