含能材料反应机理及过程分析和控制相关化学信息学方法研究

本项目拟从含能材料合成反应过程机理及过程分析和控制的化学信息学研究的实际需要出发，以某些典型高氮化合物的合成反应过程为研究对象和模板反应，利用原位红外光谱、原位波谱及联用技术监测含能化合物合成过程所获得的高维光谱数据为解析对象，使用自适应独立成分分析和基于计算化学的化学反应机理计算机模拟等化学计量学和化学信息学方法解析模板反应的进程和网络，得到反应物、中间体、产物纯物质光谱及浓度等方面的信息，推测和阐明含能材料反应的反应机理。同时，构建基于化学信息学的含能材料反应过程分析和控制的智能化信息解析和数据采掘系统，为进一步认识含能材料反应规律、优化反应过程提供理论基础。

新型含能材料（High Energy Density Materials, HEDM）的合成技术及应用研究，是21世纪含能材料研究的热点。反应机理的研究则是HEDM合成和过程优化中的关键技术，通过反应机理的研究不仅可以阐明反应网络和进程，也可以深入了解过渡态及中间体的信息和演化，而机理研究的成果是合成工艺优化所必须的理论基础, 因此对典型的含能化合物的合成反应机理进行深入研究具有很重要的意义。本项目从含能材料合成反应过程机理及过程分析和控制的化学信息学研究的实际需要出发，以奥克托今（HMX）、3-氨基-4-氨基肟基呋咱（AAOF）、4-氨基-3, 5 二甲基吡唑和3,4-双(4’-氨基肤咱基-3')氧化肤咱（DATF）等典型高氮化合物的合成反应过程为研究对象和模板反应，以原位红外光谱、原位波谱及联用技术监测含能化合物合成过程所获得的高维光谱数据为解析对象，采用渐进因子分析、多元曲线分辨-交替最小二乘法、直观推导式演进特征投影法、独立成分分析（KICA、FastICA和JADE）以及非负矩阵分解等化学计量学方法解析合成反应的进程，使用主成分分析、独立成分分析和子空间比较法来确定反应体系的主成分数，得到反应物、中间体、产物纯物质光谱及浓度等方面的信息，推测和阐明含能材料反应的反应机理。同时，结合基于密度泛函理论B3LYP法的量子化学计算优化解析出的各组分几何构型，进而获取实验体系反应物、中间体和产物的振动频率和红外光谱，从而推测其可能的合成反应机理。量化计算得到的反应体系各组分光谱与化学计量学解析得到的基本一致，进一步验证了反应机理的正确性，同时解析效率也大大提高。该项目为优化含能材料合成过程和工艺提供理论基础，为具有超常毁伤效应的含能材料研发提供有力的技术支撑。