TKX-50共晶配體的篩選研究

錢燕燕，張樹(shù)海，茍瑞君，朱雙飛，姚如意，王 博

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TKX-50共晶配體的篩選研究

錢燕燕，張樹(shù)海，茍瑞君，朱雙飛，姚如意，王 博

（中北大學(xué)環(huán)境與安全學(xué)院，山西 太原，030051）

為了篩選TKX-50共晶的配體，提出采用分子間位點(diǎn)配對(duì)的方法。首先驗(yàn)證了分子間位點(diǎn)配對(duì)的方法適用于鹽類共晶配體的篩選，然后分別計(jì)算了TKX-50分子晶體和13種含能分子晶體的最大分子間位點(diǎn)配對(duì)能，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)配體進(jìn)行篩選，得出TNX、RDX、D炸藥3種晶體不能與TKX-50形成共晶，剩余10種晶體則可能與TKX-50形成共晶的結(jié)論。

TKX-50；分子間點(diǎn)配位能；篩選；共晶；配體

TKX-50是2012年德國(guó)Fischer等通過(guò)在聯(lián)四唑環(huán)上引入氧原子合成的新型高能量密度化合物，理論和實(shí)驗(yàn)研究表明TKX-50的能量水平與CL-20相當(dāng)，且綜合性能優(yōu)良，在含能材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。最新研究發(fā)現(xiàn)，TKX-50熱穩(wěn)定性低于RDX，與CL-20接近[2]。為改善TKX-50熱穩(wěn)定性較低等方面的不足，共結(jié)晶技術(shù)是目前解決方法之一[3]，但共晶的制備需要大量人力財(cái)力和時(shí)間。因此，本文引入篩選共晶配體的方法，為實(shí)驗(yàn)室TKX-50共晶的設(shè)計(jì)及制備提供理論支持。Hunter等[4]通過(guò)分析分子表面靜電勢(shì)，提出可對(duì)官能團(tuán)不同的氫鍵供體和受體按照強(qiáng)度大小進(jìn)行分級(jí)；Musumeci等[5]研究表明可用靜電勢(shì)確定氫鍵供、受體，以及分子表面存在相互作用的可能位點(diǎn)，進(jìn)而用分子間位點(diǎn)配對(duì)能篩選共晶的配體；Zhou等[6]證明分子間位點(diǎn)配對(duì)的方法篩選共晶配體的可靠性，并篩選出CL-20共晶的配體。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，將分子間位點(diǎn)配對(duì)的方法用于TKX-50共晶配體的篩選，并對(duì)篩選結(jié)果進(jìn)行分析討論。

1 計(jì)算方法介紹

分子間位點(diǎn)配對(duì)能（ISPE）的概念是Musumeci在前人研究的基礎(chǔ)上提出來(lái)的，即兩個(gè)分子通過(guò)相互作用（氫鍵作用）形成一個(gè)整體時(shí)，兩個(gè)分子官能團(tuán)上的氫鍵（分別為氫鍵供體和氫鍵受體）結(jié)合時(shí)所形成的能量。氫鍵供體和受體由局部分子表面靜電勢(shì)（MEPS）的極值轉(zhuǎn)化表示，分別用和表示氫鍵供體和氫鍵受體的參數(shù)，兩種晶體通過(guò)氫鍵結(jié)合在一起的自由能，即分子間位點(diǎn)配對(duì)能表示為-。本文在所有篩選共晶配體計(jì)算中均采用最大位點(diǎn)配對(duì)能篩選的方法，具體如下：

若，-（max,A）＞-（max,B），

則△max=（max,A）-（max,A），

否則，△max=（max,A）-（max,B）。

式（1）~（2）中：max和min分別為分子表面靜電勢(shì)的最大值和最小值，單位是kJ·mol-1，方程（1）和（2）將靜電勢(shì)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的氫鍵參數(shù)；(max,A)、(max,B)分別是晶體A、B的最大分子間位點(diǎn)配對(duì)能，(max, AmBn)是共晶AB的最大分子間位點(diǎn)配對(duì)能；-△max值越大，表明共晶越容易形成[7-8]。所有的計(jì)算均在 Materials Studio 7.0、Gaussian 09以及Multiwfn 3.4軟件上完成，所有需要計(jì)算的晶體結(jié)構(gòu)均從劍橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（CSD）中獲得，計(jì)算過(guò)程中選用的基組為B3LYP/6-31G*。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 共晶配體篩選的可行性與可靠性研究

由于TKX-50是離子型高能量密度化合物。為了研究分子間位點(diǎn)配對(duì)的方法是否適用于TKX-50共晶配體的篩選，本文選擇已經(jīng)形成共晶的離子鹽進(jìn)行分子間位點(diǎn)配對(duì)能的計(jì)算，驗(yàn)證該方法的可行性與可靠性。本文所選擇的離子鹽共晶為嘧啶-2-胺/戊二酸共晶，其晶體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[7]。共晶由嘧啶-2-胺︰戊二酸=2︰3的比例通過(guò)溶劑揮發(fā)法得到。其中，1mol戊二酸與2mol嘧啶-2-胺形成鹽，鹽再與2mol戊二酸形成共晶。采用分子間位點(diǎn)配對(duì)的方法分別計(jì)算該共晶和組成共晶組分的分子間位點(diǎn)配對(duì)能。

圖1 嘧啶-2-胺/戊二酸共晶結(jié)構(gòu)

計(jì)算結(jié)果表明，嘧啶-2-胺/戊二酸共晶的分子間位點(diǎn)配對(duì)能為-26.76kJ/mol，氫鍵供體和氫鍵受體參數(shù)分別為3.5和7.6；而該共晶的組分嘧啶-2-胺和戊二酸的分子間位點(diǎn)配對(duì)能分別為-10.47 kJ/mol和-15.72 kJ/mol，根據(jù)分子間位點(diǎn)配對(duì)的原理，組成共晶的兩種組分配對(duì)能與共晶的配對(duì)能差值-△max為11.04kJ/mol，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情形一致。本文又繼續(xù)驗(yàn)證了幾種鹽類共晶的分子間位點(diǎn)配對(duì)能，如黃連素與白楊素形成的新型鹽類共晶的分子間位點(diǎn)配對(duì)能差值-△max為15.32 kJ/mol[8]，茶堿/吡哆醇鹽共晶的分子間位點(diǎn)配對(duì)能差值-△max為6.97 kJ/mol[9]。通過(guò)對(duì)幾種鹽類共晶的分子間位點(diǎn)配對(duì)能的計(jì)算，驗(yàn)證了分子間位點(diǎn)配對(duì)的方法可用于TKX-50共晶配體的篩選。

2.2 TKX-50共晶配體的篩選研究

含能離子鹽TKX-50是新型高能量密度化合物，其晶體中含有大量的氫鍵，氫鍵類型包括N-H…O、N-H…N、O-H…O，由于分子間位點(diǎn)配對(duì)主要是分子間氫鍵的配對(duì)，因此，從理論上來(lái)說(shuō)，分子間位點(diǎn)配對(duì)的方法篩選共晶配體也適用于含能離子鹽TKX-50共晶配體的篩選。

圖2 TKX-50的晶體結(jié)構(gòu)

本文選擇13種含能晶體作為TKX-50共晶的配體進(jìn)行篩選，選擇依據(jù)包含：一是熱穩(wěn)定性，最新研究表明TKX-50晶體的熱穩(wěn)定性比較低[2]，與TKX-50形成共晶可能彌補(bǔ)TKX-50的缺陷，從而提高整體性能。熱穩(wěn)定性好的含能晶體有硝基苯類，如TNT、TNX等，以及硝酸酯類，如PETN，從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，這些含能晶體分子中均含有-NO2官能團(tuán)；另一個(gè)是TKX-50的感度低，但是能量密度較高，和感度低、能量密度高的晶體形成共晶則能進(jìn)一步提高整體的能量密度，這些晶體包括CL-20、RDX等6種含能晶體。根據(jù)分子間位點(diǎn)配對(duì)的方法篩選共晶配體的步驟為：首先從晶體數(shù)據(jù)庫(kù)中找出TKX-50及所選擇的配體的晶體結(jié)構(gòu)并進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的TKX-50晶體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，其他配體晶體按照同樣的步驟處理。然后通過(guò)計(jì)算所得的晶體分子表面靜電勢(shì)進(jìn)行分子間氫鍵供體和氫鍵受體參數(shù)轉(zhuǎn)化，最后計(jì)算出該分子的最大分子間位點(diǎn)配對(duì)能，同理可得其他晶體配體的相關(guān)計(jì)算數(shù)值，具體見(jiàn)表1。

表1 TKX-50及其共晶配體的最大分子間位點(diǎn)配對(duì)能之差 （kJ·mol-1）

Tab.1 The differences of the strongest ISPE of TKX-50 and its cocrystal formers

從表1中篩選結(jié)果可以看出，TKX-50共晶配體最大分子間位點(diǎn)能之差-△max值為正的配體共有10種，表明這10種晶體可能與TKX-50形成共晶，其中TNT、TATB以及TETRYL的分子表面靜電勢(shì)分布圖見(jiàn)圖3；-△max值為負(fù)的配體共有3種，說(shuō)明這3種晶體與TKX- 50可能不能形成共晶，3種配體的分子表面靜電勢(shì)分布圖見(jiàn)圖4。

圖3 TNT,TATB與TERYL的分子表面靜電勢(shì)分布圖

從圖3可以看出， -△max值為正的配體的晶體分子表面靜電勢(shì)圖中最強(qiáng)氫鍵供體和最強(qiáng)氫鍵受體的位置均比較明顯，與TKX-50相互作用時(shí)相對(duì)而言沒(méi)有阻礙，能夠通過(guò)氫鍵直接作用。而圖4-△max值為負(fù)的配體晶體的分子表面靜電勢(shì)分布圖中，最強(qiáng)氫鍵供體和最強(qiáng)氫鍵受體相對(duì)而言比較不明顯，尤其是氫鍵供體。具體配體和TKX-50結(jié)合情況則需要依靠實(shí)驗(yàn)手段來(lái)進(jìn)一步證明。

圖4 TNX,RDX 和 D炸藥的分子表面靜電勢(shì)分布圖

根據(jù)篩選結(jié)果，對(duì)這些配體的篩選情況進(jìn)行詳細(xì)分析，-△max計(jì)算結(jié)果為負(fù)時(shí)，理論上這些配體不能與TKX-50形成共晶，其可能原因可從以下兩個(gè)方面綜合考慮：

（1）從晶體的最大分子間位點(diǎn)配對(duì)能的計(jì)算結(jié)果可以看出，TNX的最大分子間位點(diǎn)配對(duì)能為-3.55 kJ/mol，與TKX-50形成共晶的最大分子間位點(diǎn)配對(duì)能為-62.31kJ/mol，而TKX-50的最大分子間位點(diǎn)配對(duì)能為-65.06kJ/mol，和TNX形成的混合晶體的最大分子間位點(diǎn)配對(duì)能很接近，從圖5TKX-50表面靜電勢(shì)分布圖可以看出，TKX-50的表面靜電勢(shì)最大值為477.35kJ/mol，在表面靜電勢(shì)分布圖中被圈出的紅色最深的區(qū)域；最小值為-202.26kJ/mol，在表面靜電勢(shì)分布圖被圈出的藍(lán)色最深區(qū)域，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的氫鍵供體和受體參數(shù)值、分別為8.28和7.35，最大分子間位點(diǎn)配對(duì)能為-65.06kJ/mol，說(shuō)明TKX-50晶體的氫鍵強(qiáng)度與二者的混合晶體的氫鍵強(qiáng)度相當(dāng)；RDX晶體的篩選結(jié)果也與此類似，說(shuō)明RDX與TKX50混合晶體的氫鍵強(qiáng)度與TKX50氫鍵強(qiáng)度相當(dāng)，此外，D炸藥自身是離子結(jié)構(gòu)，如圖6所示，與TKX-50相互作用時(shí)離子鍵作用比較強(qiáng)。

圖5 TKX-50的表面靜電勢(shì)分布圖

圖6 D炸藥的分子結(jié)構(gòu)

（2）在本文TKX-50共晶配體的篩選時(shí)，配體與TKX-50晶體以及混合晶體的最大分子間位點(diǎn)配對(duì)能的計(jì)算都是按照分子數(shù)目比為1︰1的比例，因此不同化學(xué)計(jì)量比對(duì)篩選結(jié)果可能有影響，為了驗(yàn)證這一猜測(cè)，本文對(duì)TNX、RDX、D炸藥3種晶體與TKX-50晶體分別進(jìn)行2︰1、1︰2的比例計(jì)算，結(jié)果表明，D炸藥與TKX-50混合晶體的最大分子間位點(diǎn)配對(duì)能的計(jì)算結(jié)果分別為-37.63kJ/mol和-32.50 kJ/mol，與1︰1的計(jì)算結(jié)果非常相近。同樣，TNX、RDX與TKX-50不同化學(xué)計(jì)量比的混合晶體最大分子間位點(diǎn)配對(duì)能的計(jì)算結(jié)果與1︰1的結(jié)果也相近，因此，可以說(shuō)明運(yùn)用分子間位點(diǎn)配對(duì)的方法進(jìn)行不同化學(xué)計(jì)量比的晶體計(jì)算時(shí)，對(duì)最后的篩選結(jié)果沒(méi)有影響。

對(duì)于-△max值為正的配體篩選情況，從理論上來(lái)說(shuō)這些配體均有可能與TKX-50形成共晶。幾種共晶配體的-△max正值分布見(jiàn)圖7。從圖7中可以看出，-△max值為正的配體與目標(biāo)晶體能形成共晶，這在一定程度上說(shuō)明表1中-△max值為正的配體與TKX-50可能形成共晶，而實(shí)際TKX-50共晶的形成情況則需要實(shí)驗(yàn)等手段進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖7 正值分布直方圖

3 結(jié)論

本文介紹了分子間位點(diǎn)配對(duì)的方法篩選共晶配體的原理及篩選步驟，運(yùn)用該方法計(jì)算了一系列晶體的最大分子間位點(diǎn)配對(duì)能來(lái)篩選并預(yù)測(cè)TKX-50共晶的形成情況，研究結(jié)果表明：（1）通過(guò)計(jì)算嘧啶-2-胺/戊二酸鹽類共晶晶體的最大分子間位點(diǎn)配對(duì)能，以及黃連素與白楊素鹽類共晶和茶堿/吡哆醇鹽類共晶及其配體晶體的最大分子間位點(diǎn)配對(duì)能，驗(yàn)證了分子間位點(diǎn)配對(duì)的方法篩選共晶配體的可靠程度。（2）通過(guò)計(jì)算TKX-50和一系列晶體的最大分子間位點(diǎn)配對(duì)能，對(duì)TKX-50共晶的配體進(jìn)行篩選，預(yù)測(cè)了TNT等10種晶體與TKX-50可能形成共晶，同時(shí)有D炸藥等3種晶體可能不能形成共晶。

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Research on Screening of TKX-50 Cocrystal Formers

QIAN Yan-yan, ZHANG Shu-hai, GOU Rui-jun, ZHU Shuang-fei, YAO Ru-yi, WANG Bo

（School of Environment and Safety Engineering of the North University of China, Taiyuan, 030051）

In order to screen TKX-50 cocrystal formers, the method of intermolecular site pairing energy was proposed. On the basis of previous studies, the method of intermolecular site pairing was verified, therefore, the maximum intermolecular site pairing energy of TKX-50 molecular crystals and 13 energetic molecular crystals, were calculated by intermolecular site pairing method. The formers were screened according to the calculation results, and then it is concluded that the three crystals of TNX, RDX and D explosives can not form cocrystal with TKX-50, and the remaining 10 crystals may form cocrystal with TKX-50.

TKX-50；Intermolecular site pairing energy；Screening；Cocrystal；Formers

1003-1480（2018）06-0046-04

TQ564

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.06.012

2018-09-20

錢燕燕（1993-），女，碩士研究生，主要研究高能材料的理論設(shè)計(jì)和性能研究。