TKX-50太赫兹光谱的理论研究
宋雪燕1, 李燕1, 夏其英2,*, 居学海1,*
1.南京理工大学化工学院, 江苏 南京 210094
2.临沂大学化学化工学院, 山东 临沂 276005
*通讯联系人 e-mail: xiaqiying@163.com; xhju@njust.edu.cn

作者简介: 宋雪燕, 女, 1991年生, 南京理工大学化工学院硕士研究生 e-mail: 2529531265@qq.com

摘要

1,1’-二羟基-5,5’-联四唑二羟胺盐(TKX-50)为新合成的高能炸药。 利用密度泛函理论计算研究TKX-50及其氘代物的太赫兹光谱, 探讨压强和氘代对THz光谱的影响。 结果表明, TKX-50有四个低频峰, 分别是1.17, 1.19, 2.50和2.95 THz; 有六个高频峰, 分别位于3.87, 4.79, 5.33, 5.75, 6.65和7.85 THz。 上述特征峰中, 1.17, 3.87, 5.33和6.65 THz吸收强度较大。 正则振动模式分析表明1.17 THz吸收峰归属于N—H…O伸缩振动, 3.87, 5.33和6.65 THz峰则主要属于NH3摇摆振动。 在0~4.0 THz波段内, 与TKX-50的1.17, 1.91, 2.50, 2.95和3.87 THz吸收峰相对应的氘代物吸收峰分别是1.13, 1.85, 2.44, 2.91和3.63 THz。 氘代导致TKX-50的THz峰发生红移, 并且吸收峰强度降低。 氘代导致NH3摇摆振动所产生的4.79和5.33 THz两个峰发生重叠和红移, 变为4.66 THz。 随着压强的变化, 分子间距离的变化大于键长的变化。 分子间O…H距离通常随压力的增加而减小, 特别是NO…HN距离。 然而, O—H和N—H键长度随压力的变化呈现不规则地变化。 在1 atm~30 GPa压力下, 其4.79, 5.33和5.75 THz峰因压力的诱导作用, 谱带发生红移和重叠, 并伴随吸收强度产生较大变化; 在30 GPa时, 重叠为4.54 THz一个弱吸收峰。 随压强的增加, 6.65 THz的吸收峰略微蓝移, 而7.85 THz的吸收峰先红移后逐渐蓝移。 这是因为当压力增加时, 原子间平衡距离减小, 将导致化学键增强; 另外, 当晶体被严重压缩时, NH3的摇摆振动空间位阻变大, 需要克服较大的势能, 导致吸收峰向短波方向移动。 低频峰则随压强的变化呈现不规则变化, 主要是因为N—H键长度随压力的变化表现为不规则地变化。 由于高压下的分子振动受到空间位阻限制, 振幅减小, 其THz谱吸收强度随着压力的增加而降低。 上述研究不仅揭示TKX-50的THz光谱特征及其压力和同位素效应, 而且为进一步研究同类含能材料分子在THz波段的光学性质及其快速穿透性检测提供理论依据。

关键词: 1,1’-二羟基-5,5’-联四唑二羟胺盐; 太赫兹光谱; 密度泛函理论; 压强; 氘代
中图分类号:O657.3 文献标志码:A
Theoretical Study on Terahertz Spectra of TKX-50
SONG Xue-yan1, LI Yan1, XIA Qi-ying2,*, JU Xue-hai1,*
1. School of Chemical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China
2. School of Chemistry and Chemical Engineering, Linyi University, Linyi 276005, China
*Corresponding authors
Abstract

Dihydroxylammonium 5,5’-bistetrazole-1,1’-diolate (TKX-50) is a newly synthesized high energetic explosives. Density functional theory calculations were carried out to study the terahertz (THz) spectra of TKX-50 and its pressure and isotope effects. The results show that TKX-50 has four peaks in low frequencies of 1.17, 1.19, 2.50 and 2.95 THz, and six absorption peaks at high frequencies of 3.87, 4.79, 5.33, 5.75, 6.65 and 7.85 THz. Among them, four peaks at 1.17, 3.87, 5.33 and 6.65 THz have large absorption intensities. Vibrational analyses of normal modes show that the absorption peak at 1.17 THz belongs to the N—H…O stretching; and those at 3.87, 5.33 and 6.65 THz are attributed to the NH3 rocking. In the 0~4.0 THz, the absorption peaks of 1.17, 1.91, 2.50, 2.95 and 3.87 THz for TKX-50 correspond to the peaks of 1.13, 1.85, 2.44, 2.91 and 3.63 THz for the deuterated TKX-50, respectively. The deuteration of TKX-50 brings about the red shifts of THz spectra along with the absorption intensities decreasing at the same time. In addition, the peaks at 4.79 THz and 5.33 THz for TKX-50, which are assigned to the rocking of NH3, become overlapped and redshifted to 4.66 THz due to deuteration. As the pressure changes, the variations of molecular distances are larger than those of bond lengths. The intermolecular O…H distance generally decreases with increasing pressure, especially the NO…HN distance. However, the lengths of the O—H and N—H bonds irregularly vary with pressures. When the pressure increases from 1 atm to 30 GPa, the peaks at 4.79, 5.33 and 5.75 THz will red shift and overlap, accompanied by a larger change of absorption intensity. Then at 30 GPa, the absorption peaks overlap to a weak peak at 4.54 THz. With increasing pressure, the absorption at 6.65 THz is slightly blue shifted, while the peak at 7.85 THz is red shifted firstly but then gradually blue shifted. This is because the atomic equilibrium distance decreases with increasing pressure, leading to an increase in bond strength; in addition, when the crystal is severely compressed, the steric hindrance for the NH3 rocking becomes large, and large potential energy needs to overcome for the rocking, resulting in a blue shift of THz absorption. The low frequency peaks irregularly vary with pressures, mainly because the length of the N—H bond varies irregularly with pressures. Since the vibrational movements of the molecule are constrained by the steric hindrance at high pressures, the THz absorption intensities of TKX-50 decrease with increasing pressure. The above studies not only reveal the THz spectral characteristics of TKX-50 and the effects of pressure and isotope but also provide the theoretical basis for further study of the optical properties in THz region and their application in rapid penetrable detections for similar energetic materials.

Keyword: TKX-50; Terahertz spectroscopy; Density functional theory; Pressure; Deuteration
引言

太赫兹波(Terahertz, THz)是一种波长在 0.03~3 mm范围内的电磁波[1, 2], 其对应的频率为0.1~10 THz。 在太赫兹发展的初期, 受太赫兹源和探测器的限制, 太赫兹波一度被称为“ THz Gap” 。 超快激光技术的发展, 极大地促进太赫兹技术的研究和应用。 除了具有波粒二象性, THz光谱还具有低能性、 穿透性、 瞬态性及指纹谱特征性等独特的优点[3]。 THz谱在大气污染、 无损伤检测、 天文探测、 工业探伤、 雷达探测等领域有着重要的实用前景。

1, 1’ -二羟基-5, 5’ -联四唑二羟胺盐(TKX-50)是2012年慕尼黑大学Fischer等首次合成的一种新型高能炸药[4]。 其标准生成焓(Δ fH° =447 kJ· mol-1)高于环四亚甲基四硝胺(HMX)、 六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)和环三亚甲基三硝胺(RDX)。 TKX-50的密度(1.877 g· cm-3)[5]高于RDX(1.806 g· cm-3)[6], 但略低于HMX(1.904 g· cm-3)[7]和CL-20(2.035 g· cm-3)[8]。 在298 K, TKX-50的理论爆轰速度(9 698 m· s-1)高于CL-20(9 380 m· s-1), 其理论爆轰压力(42.4 GPa)[4, 9]介于HMX和CL-20之间。 TKX-50的冲击灵敏度远低于RDX, HMX和CL-20。 此外, TKX-50的合成比较简单, 毒性较低, 有望成为传统炸药的替代品, 在混合炸药和推进剂领域具有潜在应用前景。

由于大多数炸药分子的振动和转动能级都有太赫兹波吸收, 可利用THz辐射对爆炸物进行研究和识别。 例如, 2018年, Azuri等研究了TNT单斜和正交多晶型的太赫兹光谱[11]。 结果表明, 晶体构型变化不仅导致振动频率发现改变, 并直接影响到振动模式。 在0~3.0 THz波段内, THz光谱同时受到分子间和分子内振动的影响, 分子间的振动主要在1.5 THz以下。 对1, 3, 5-TNB的THz光谱进行预测, 表明适度的化学修饰导致THz光谱发生变化。 迄今为止, TKX-50的THz光谱还未在理论上或实验上进行研究。 为此, 我们用量子化学计算研究TKX-50及其氘取代物在0~8.0 THz波段内的THz光谱, 以及压强对TKX-50的THz光谱的影响。 通过计算TKX-50在THz范围内的振动模式, 揭示TKX-50太赫兹光谱产生的机理和谱线归属, 为TKX-50太赫兹光谱应用奠定理论基础。

1 计算方法

以X-射线衍射(CCDC 872232)测定的TKX-50晶体结构作为初始结构。 TKX-50的晶胞参数为a=5.441 Å , b=11.751 Å , c=6.561 Å , β =95.1° , 空间群为P21/c。 采用广义梯度近似(GGA)中的Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)和Perdew-Wang (PW91)泛函, 对分子结构和晶胞参数进行优化, 并进行色散力校正。 优化时能量收敛阈值为2× 10-6 eV· atom[12]。 使用CASTEP模块进行优化。 表1是两种方法模拟得到的晶胞参数。 与文献中的实验值进行比较, GGA-PW91模拟的结果与实验值吻合较好, 更适合TKX-50晶体。 进一步采用GGA-PW91方法对高压下的晶体几何构型和晶胞参数进行优化。 由于氘化不改变离子的电子结构, 所以氘化前后的几何结构是相同的。 频率的非周期计算采用Becke3-Lee-Yang-Parr (B3LYP)密度泛函理论方法, 基组为6-311+G* * , 频率校正因子0.967 9。 频率的计算是在Gaussian 09软件中完成。

表1 常压下两种方法计算得到的TKX-50晶胞参数 Table 1 Crystal parameters of TKX-50 calculated by two methods at 1 atm
2 结果与讨论
2.1 β -HMX和ε -CL-20的THz光谱

为了筛选合适的计算方法并验证方法的可靠性, 在模拟计算TKX-50的THz光谱之前, 用B3LYP/6-311+G* * 方法模拟计算了类似的含能材料分子β -HMX和ε -CL-20在0.0~3.0 THz波段内的THz光谱, 如图1(a, b)所示。 β -HMX在1.68和2.39 THz处有吸收峰, 1.68 THz峰由— NO2的摆动引起的, 2.39 THz峰则是— NO2的摆动和环呼吸振动引起。 这与β -HMX在1.80和2.50 THz有吸收峰的实测结果一致[12]。 ε -CL-20在0~3.0 THz范围内的吸收峰有: 1.14, 1.68和2.31 THz。 通过Gaussian view分析可以得出1.14 THz吸收峰是由— NO2振动引起的, 1.68和2.31 THz峰分别是由— NO2振动和— NO2、 — CH摇摆引起, 与实验结果有较好的一致性[13]。 表明用B3LYP/6-311+G* * 方法模拟计算炸药的THz光谱具有可靠性。

图1 β -HMX(a)和ε -CL-20(b)的理论模拟THz光谱Fig.1 Theoretically simulated THz spectra of β -HMX (a) and ε -CL-20 (b)

2.2 TKX-50的THz光谱

图2是TKX-50在0~8.0 THz范围内的THz光谱。 通过Gaussian view分析可以得出, 四个低频峰分别是1.17, 1.91, 2.50和2.95 THz。 其中, 1.17 THz可归属于N14— H17…O7氢键的伸缩振动, 1.91 THz为H15, H16, H17和N14形成的NH3摇摆振动, 2.50 THz可归属于O1— H6…O19剪切振动, 2.95 THz归属于N14— H17…O7面外摇摆振动吸收。 位于高频(3.0~8.0 THz)有六个吸收峰。 其中, 有三个相对较强的峰, 分别是3.87, 5.33和6.65 THz。 对其进行指认, 3.87 THz为H3, H4, H5和N2形成的NH3面外摇摆振动吸收, 5.33和6.65 THz归属于H15, H16, H17和N14形成的NH3摇摆振动吸收。 4.79, 5.75和7.85 THz是三个弱峰, 其中, 4.79和5.75 THz分别是由环的变形和C— C面外摇摆振动引起的, 7.85 THz 由C— C的扭转, N14— H17…O7剪切和O1— H6…O19剪切振动共同引起。 图3是TKX-50四个主要THz光谱的振动模式。

图2 TKX-50的理论模拟THz光谱Fig.2 Theoretically simulated THz spectra of TKX-50

图3 TKX-50 THz振动模式
红色表示氧原子, 蓝色氮原子, 灰色碳原子和浅灰色氢原子
Fig.3 THz vibrational modes of TKX-50
Oxygen in red, nitrogen in blue, carbon in grey and hydrogen in light grey

2.3 氘取代对TKX-50 THz光谱的影响

图4是氘代TKX-50的THz光谱。 为便于比较, 图4还同时列出TKX-50的THz谱。 在0~4.0 THz波段内, 与TKX-50的1.17, 1.91, 2.50, 2.95和3.87 THz吸收峰相对应的氘取代吸收峰分别是1.13, 1.85, 2.44, 2.91和3.63 THz。 氘取代后, 吸收峰发生了红移。 这些吸收峰红移主要是因为氘原子核中有一个质子和一个中子, 其相对原子量为氢的二倍。 两个原子的振动频率与质量的平方根成反比。 另外, 频率改变导致振动耦合变化。 对于NH3的摇摆振动, 其4.79和5.33 THz处吸收峰, 氘化导致这两个峰发生重叠和红移, 振动频率变为4.66 THz。 同样的, 在5.0~8.0 THz波段内, 也有三个吸收峰发生了红移, 分别从5.75, 6.65和7.85 THz移至5.70, 5.92和7.80 THz。 其中5.75/5.70 THz吸收峰是由环变形振动所引起; 6.65/5.92 THz为NH3的摇摆频率, 7.85/7.80 THz则归属于C— C的扭转, H— O剪式振动频率。 整体来看, 氘取代后, THX-50的THz光谱发生红移, 并且吸收强度降低。

图4 TKX-50和氘代TKX-50的理论模拟THz光谱Fig.4 Theoretically simulated THz spectra of TKX-50 and deuterated TKX-50

2.4 不同压强下TKX-50的THz光谱

表2是不同压强下TKX-50的化学键和氢键的长度。 可以看出, 随着压强的变化, 分子间距离的改变大于键长的改变。 分子间O…H距离通常随着压强的增加而减小, 特别是NO…HN距离。 随着压力的增加, C— C键长度略微减小。 然而, O— H和N— H键长度随压强的改变呈现不规则地变化, 如表2所述, 分子间距离和键长的变化引起振动频率的变化。

表2 不同压强下TKX-50的键长(Å ) Table 2 Bond lengths (Å ) of TKX-50 at different pressures

图5是不同压强下TKX-50的THz光谱。 在1 atm~30 GPa压强下, 其4.79, 5.33和5.75 THz峰因压力的变化, 谱带发生红移和重叠, 并伴随吸收强度较大变化; 在30 GPa时, 重叠为4.54 THz一个弱吸收峰。 在6.0~8.0 THz波段内, 随压强的增加, 6.65 THz的吸收峰略微蓝移, 而7.85 THz吸收峰先红移后逐渐蓝移。 分析认为当施加高压时, 原子间平衡距离随之减小, 与标准压强下的化学键相比, 化学键会增强; 压强的增加也会使NH3振动时的空间位阻变大, 导致振动的势能梯度增加, 从而使吸收峰向短波方向移动。 低频峰则随压强的变化呈现不规则变化, 分析认为N— H键长度随压强的变化呈现不规则地变化。 由于高压下的分子振动受到空间位阻限制, 振幅减小, 其THz谱吸收强度随着压力的增加而降低。

图5 不同压强下TKX-50的理论模拟THz光谱Fig.5 Theoretically simulated THz spectrum of TKX-50 at different pressures

3 结论

利用密度泛函理论研究了TKX-50和氘代TKX-50的THz光谱, 以及压强对TKX-50的THz光谱的影响。 结果表明, TKX-50有四个低频峰, 分别是1.17, 1.19, 2.50和2.95 THz。 位于高频区, 有三个较强的峰和三个弱峰。 其中, 强峰频率依次为3.87, 5.33和6.65 THz。 将TKX-50的氢原子替换为氘原子后, 对于NH3的摇摆, 在4.79和5.33 THz处的峰, 通过氘化转变为4.66 THz。 整体上TKX-50的光谱带红移, 并且吸收强度降低。 随着压强的增加, TKX-50的低频峰呈现不规则变化; 6.65和7.85 THz的吸收峰总体上发生蓝移; 而4.79, 5.33和5.75 THz峰发生红移和重叠。 TKX-50的THz吸收强度随压强的增加而降低。 上述研究不仅揭示了TKX-50的THz光谱特征及其压力和同位素效应, 而且为进一步研究基于THz谱检测TKX-50及其同类分子提供理论依据。

参考文献
[1] Collet E, AzzolinaG, Ichii T, et al. Physics of Condensed Matter, 2019, 92(1): 12. [本文引用:1]
[2] An Q, Duan X, Shi L, et al. Chinese Jouranal of Energetic Materials, 2017, 25(7): 533. [本文引用:1]
[3] XIAO Tian-tian, ZHANG Zhuo-yong, GUO Chang-bin, et al(肖田田, 张卓勇, 郭长彬, ). Spectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析), 2019, 39(1): 56. [本文引用:1]
[4] Fischer N, Fischer D, Klapötke T M, et al. Journal of Materials Chemistry, 2012, 22(38): 20418. [本文引用:2]
[5] Lu Z, Xiong Y, Xue X, et al. Journal of Physical Chemistry C, 2017, 121(50): 27874. [本文引用:1]
[6] Klapötke T M, Witkowski T G, Wilk Z, et al. Propellants Explosives Pyrotechnics, 2016, 41(1): 92. [本文引用:1]
[7] Zhang Y Y, Li Y A, Hu J J, et al. Dalton Transactions, 2019, 48(4): 1524. [本文引用:1]
[8] Hang G Y, Yu W L, Wang T, et al. Theoretical Chemistry Accounts, 2018, 137(8): 114. [本文引用:1]
[9] Li D, Cao D L, Chen L Z, et al. Journal of Chemical Thermodynamics, 2019, 128: 10. [本文引用:1]
[10] Azuri I, Hirsch A, Reilly A M, et al. Beilstein Journal of Organic Chemistry, 2018, 14: 381. [本文引用:1]
[11] Fischer N, Klapötke T M, Reymann M, et al. European Journal of Inorganic Chemistry, 2013, 12: 2167. [本文引用:1]
[12] Choi K, Hong T, Sim K I, et al. Journal of Applied Physics, 2014, 115(2): 18. [本文引用:2]
[13] Xie Q, Yang H R, Li H G, et al. Optics and Precision Engineering, 2016, 24(10): 2392. [本文引用:1]