CL-20共晶炸药形成的理论预测方法及性质预测模型的研究

Cocrystal technique is a green technique, and it is very important for the improvement of energy, density, sensitivity, and formulation performance. The study about Energetic cocrystal is in the exploration, and the efficiency and the success rate of their production is low. Firstly, the theoretical models between intermolecular interaction and molecular electrostatic potentials for CH•••O hydrogen bond and NO2 π role interaction will be built. At the same time, the electrostatic potentials model and the hydrogen bond propensity method will be combined to screen the guests of CL-20 cocrystals based on the CSD. The prediction model of density and lattice energy for the CL-20 cocrystal will be built by the artificial neural network method. At last, the database including the structures and propterties of the CL-20 cocrystal and its guests will be built. The project should be beneficial to research the new CL-20 energetic cocrystal materials.

利用共晶技术可实现对现有单质高能炸药的改性，制备出高能低感的新型炸药。但含能共晶的研究仍处于探索阶段，其合成的效率和成功率不高。本项目首先建立适合CL-20共晶客体分子筛选的分子静电势预测模型，以包含C-H•••O氢键相互作用以及NO2π洞参与的分子间相互作用的晶体作为训练集，建立C-H•••O氢键相互作用以及NO2π洞参与的分子间相互作用与分子静电势表面极值之间的关系模型；接着采取基于理论计算的分子静电势模型与基于统计分析的氢键形成倾向方法联合筛选策略，以剑桥晶体库作为筛选库，对CL-20共晶潜在的客体分子进行筛选与设计；然后以CL-20共晶作为训练集，利用人工神经网络方法建立CL-20共晶密度和晶格能的QSAR预测模型；最后建立CL-20共晶数据库及其潜在客体分子数据库。本项目的执行将会为CL-20共晶客体分子的设计提供理论指导，加速新型CL-20共晶研发。

共晶技术是通过非共价分子间相互作用将两种或多种物种联合在一起从而获得具有更好性质的晶体的一种技术。该技术已被应用于改善CL-20等炸药的性能。为了提高CL-20共晶炸药的合成效率，本项目进行了CL-20共晶炸药形成的理论预测方法及性质预测模型的研究。主要研究内容包括①统计分析了最强氢键相互作用比较、共晶组分间结构与极性互补、氢键倾向性比较三种共晶形成判断方法对CL-20共晶形成判断的命中率；②尝试了基于表面静电势方法建立CH•••O（N）氢键以及R-NO2•••π 洞分子间相互作用的预测模型；③基于表面静电势校正以及人工神经网络算法两种方法建立了共晶密度的预测模型；④构建了CL-20共晶数据库以及潜在客体分子数据库；⑤理论预测了溶剂与反溶剂对ɛ-CL-20晶型影响。.研究结果表明，最强氢键相互作用方法对CL-20共晶生成的命中率达到88%。共晶组分间结构与极性互补方法对CL-20共晶生成的命中率仅达到13%，根据计算结果，推荐选择M/L结构参数和极性参数作为CL-20共晶筛选的参数，其命中率可达到87%。氢键倾向性方法对CL-20共晶生成的命中率为44%。尝试采用静电势方法建立CH•••O（N）氢键以及R-NO2•••π 洞分子间相互作用的预测模型，计算结果表明根据氢键键鞍点获得的氢键强度与CL-20以及客体分子的静电势表面极值之间不能建立很好的相关性，导致模型构建失败。项目研究中采用ρ1，ρ2，ΔEhb，RTm，E1u作为描述符，基于人工神经网络算法，建立了共晶密度预测模型，其均方根误差RMSE为0.033，平均绝对误差MAE为0.023，决定系数R2为0.920。采用表面静电势校正方法，建立的共晶密度预测模型相应的RMSE、MAE 和 R2 分别为 0.055、0.045 和0.716。理论预测溶剂和反溶剂对ɛ-CL-20晶貌的影响表明不同的溶剂和反溶剂类型产生不同的主要表面以及相应的面积，从而产生不同的晶貌。当反溶剂与溶剂体积比为4: 1时，ɛ-CL-20的晶貌为椭球体。