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扩展新型高能量密度化合物在炮弹、火箭弹、导弹战斗部和核武器起爆系统的应用范围是增强我国国防实力的重要保障。进行新型高能量密度化合物的分子设计、合成设计以及在外电场中爆炸特性和安全性的理论研究可为其在外电场中的应用提供可靠的爆炸和安全性参数标准，对于我国国防事业的发展具有重要的理论意义。
探明外电场作用下3-N-氧化咪唑炸药稳定性特征，对于其在外电场作用下的合成和应用具有重要理论意义。鉴于此，本论文进行了以下工作：
借助M06-2X/def2-TZVP//BHandHLYP/6-3G*量子化学计算方法，研究了在外电场作用下N-甲基咪唑在H2O2存在下水解生成3-N-氧化咪唑的反应动力学，探索了H2O2的氧化作用合成3-N-氧化咪唑炸药的合成路线设计。计算了以7种最稳定的H2O2???H2O???3-N-甲基咪唑复合物作为初始反应物、2种初始反应、8种反应路径的多达100多种基元反应的化学键断裂与形成过程、反应的活化势垒、反应焓变和吉布斯自由能。结果发现仅仅只有3个基元反应能形成含有?O(H)H???N基团的结构，随后生成N?O(H)H中间体，尽管已有部分N→O配位键的键级性质，然而活化能较高，超过200.0kJ/mol，正的吉布斯自由能较大，表明即使在外电场中，H2O2???H2O???N-甲基咪唑复合物也不易直接反应形成含有N→O配位键的3-N-氧化咪唑炸药，N?CH3的氧化比较困难。在外电场辅助下，以上路径均难以制备3-N-氧化咪唑炸药，H2O2氧化路径可能行不通。
借助M06-2X/6-311++G**和CCSD(T)/6-311++G(2d,p)量子化学计算方法，研究了在外电场作用下3-N-氧化咪唑与1-羟基咪唑互变异构的质子转移反应动力学，探索了咪唑环上N–OH和N→O配位键的转化合成3-N-氧化咪唑炸药的合成路线设计。研究发现，对于“3-N-氧化咪唑→N-羟基咪唑自由基→1-羟基咪唑”的正逆反应，平行于N→O或者N?OH键轴方向的电场对反应势垒和速率常数的影响均比平行于其他方向的电场对反应势垒和速率常数的影响大。在?0.010~+0.010a.u.外电场中，沿N→O或者N?OH键轴方向，正向反应“3-N-氧化咪唑→N-羟基咪唑自由基→1-羟基咪唑”过程中速率控制步骤的活化能均低于逆向反应过程中速率控制步骤的活化能，说明正向反应优先于逆向反应，以生成1-羟基咪唑为主。随着电场强度从O向N方向增加，化学平衡向1-羟基咪唑形成方向移动，产物1-羟基咪唑的量增加。相反，当电场强度从N向O方向增加时，“1-羟基咪唑→N-羟基咪唑自由基→3-N-氧化咪唑”的活化能降低，速率常数增加。导致化学平衡运动朝着生成3-N-氧化咪唑的方向发展。
为了将外电场引入炸药体系而避免偶然爆炸事故的发生，借助B3LYP/6-311++G(2d,p)和M06-2X/6-311++G(2d,p)理论方法，研究了外电场方向和强度的变化对1,4-二硝基咪唑-N-氧化物炸药潜在引发键的键长、AIM、硝基电荷、键离解能及分子的前线轨道、偶极矩、表面静电势、撞击感度、静电火花感度和冲击起爆压力等的影响。结果表明，在无电场和外电场作用下，N–NO2是最可能的引发键，其次是N→O，最后是C─NO2键。外电场对C─H键性质的影响甚微。外电场增大了分子偶极矩。沿N→O、C─NO2键轴正方向和N─NO2负方向的外电场使N→O和C─NO2键离解能减小、N─NO2键离解能增大、h50值增大、撞击感度降低；与上述反方向的外电场对引发键和撞击感度的影响正好相反。引发键键长、AIM电子密度、硝基电荷、键离解能和h50值的变化量与外电场强度之间存在良好的线性关系。外电场对电火花感度和冲击起爆压力的影响不大。
借助M06-2X/TZVP理论方法，研究外电场作用下硝基和氨基取代的叠氮化3-N-氧化咪唑分解反应动力学，预测了高感度3-N-氧化咪唑炸药在外电场中的稳定性。借助M06-2X/TZVP量子化学方法研究了六种硝基和氨基取代的叠氮化3-N-氧化咪唑在外电场中的抽氮反应动力学，并与相应的含有叠氮苯的抽氮反应动力学进行了比较，计算了外电场对各个起爆反应路径的反应物、中间体、过渡态和产物结构和稳定性以及过渡态活化能的影响。结果表明，外电场对叠氮化3-N-氧化咪唑基元反应的势垒有较大影响，从而影响其撞击感度和静电火花感度的变化。
选择了2-、4-和5-被硝基和叠氮基取代的3-N-氧化咪唑炸药为研究对象，借助M06-2X、MP2和ωB97X-D理论方法在6-311++G(3df,3pd)基组水平上，探讨外电场方向和强度对3-N-NIO/AIO???HF???HF以及3-N-NIO/AIO???Na+???H2O体系N→O引发键强度影响，研究外电场中分子间氢键、分子-离子协同效应的变化规律，预测了含有氢键、分子-离子的3-N-氧化咪唑炸药在外电场中感度的变化规律。结果表明，在无电场和外电场作用下，3-N-氧化咪唑炸药取代基的种类和位置极大影响了体系总能量、偶极矩、N→O引发键强度和分子间氢键相互作用能的大小；而且，外电场作用下，三聚体与二聚体相比，N→O引发键强度和分子间氢键相互作用能发生了较大变化，对于分子间氢键相互作用其协同或反协同效应不明显。
选择了2-、4-和5-被硝基和叠氮基取代的3-N-氧化咪唑炸药为研究对象，借助M06-2X、MP2和ωB97X-D理论方法在6-311++G(3df,3pd)基组水平上，探讨外电场方向和强度对3-N-NIO/AIO???Na+???H2O体系N→O引发键强度影响，研究了外电场中分子-离子协同效应的变化规律，预测了含有分子-阳离子相互作用的3-N-氧化咪唑炸药在外电场中感度的变化规律。结果表明，在无电场和外电场作用下，3-N-氧化咪唑炸药取代基的种类和位置极大影响了体系总能量、偶极矩、N→O引发键强度和分子-离子相互作用能的大小；外电场作用下，三聚体与二聚体相比，N→O引发键强度和分子-离子相互作用能发生了较大变化，协同显著，这与氢键体系不同。
探明外电场作用下3-N-氧化咪唑炸药稳定性特征，对于其在外电场作用下的合成和应用具有重要理论意义。鉴于此，本论文进行了以下工作：
借助M06-2X/def2-TZVP//BHandHLYP/6-3G*量子化学计算方法，研究了在外电场作用下N-甲基咪唑在H2O2存在下水解生成3-N-氧化咪唑的反应动力学，探索了H2O2的氧化作用合成3-N-氧化咪唑炸药的合成路线设计。计算了以7种最稳定的H2O2???H2O???3-N-甲基咪唑复合物作为初始反应物、2种初始反应、8种反应路径的多达100多种基元反应的化学键断裂与形成过程、反应的活化势垒、反应焓变和吉布斯自由能。结果发现仅仅只有3个基元反应能形成含有?O(H)H???N基团的结构，随后生成N?O(H)H中间体，尽管已有部分N→O配位键的键级性质，然而活化能较高，超过200.0kJ/mol，正的吉布斯自由能较大，表明即使在外电场中，H2O2???H2O???N-甲基咪唑复合物也不易直接反应形成含有N→O配位键的3-N-氧化咪唑炸药，N?CH3的氧化比较困难。在外电场辅助下，以上路径均难以制备3-N-氧化咪唑炸药，H2O2氧化路径可能行不通。
借助M06-2X/6-311++G**和CCSD(T)/6-311++G(2d,p)量子化学计算方法，研究了在外电场作用下3-N-氧化咪唑与1-羟基咪唑互变异构的质子转移反应动力学，探索了咪唑环上N–OH和N→O配位键的转化合成3-N-氧化咪唑炸药的合成路线设计。研究发现，对于“3-N-氧化咪唑→N-羟基咪唑自由基→1-羟基咪唑”的正逆反应，平行于N→O或者N?OH键轴方向的电场对反应势垒和速率常数的影响均比平行于其他方向的电场对反应势垒和速率常数的影响大。在?0.010~+0.010a.u.外电场中，沿N→O或者N?OH键轴方向，正向反应“3-N-氧化咪唑→N-羟基咪唑自由基→1-羟基咪唑”过程中速率控制步骤的活化能均低于逆向反应过程中速率控制步骤的活化能，说明正向反应优先于逆向反应，以生成1-羟基咪唑为主。随着电场强度从O向N方向增加，化学平衡向1-羟基咪唑形成方向移动，产物1-羟基咪唑的量增加。相反，当电场强度从N向O方向增加时，“1-羟基咪唑→N-羟基咪唑自由基→3-N-氧化咪唑”的活化能降低，速率常数增加。导致化学平衡运动朝着生成3-N-氧化咪唑的方向发展。
为了将外电场引入炸药体系而避免偶然爆炸事故的发生，借助B3LYP/6-311++G(2d,p)和M06-2X/6-311++G(2d,p)理论方法，研究了外电场方向和强度的变化对1,4-二硝基咪唑-N-氧化物炸药潜在引发键的键长、AIM、硝基电荷、键离解能及分子的前线轨道、偶极矩、表面静电势、撞击感度、静电火花感度和冲击起爆压力等的影响。结果表明，在无电场和外电场作用下，N–NO2是最可能的引发键，其次是N→O，最后是C─NO2键。外电场对C─H键性质的影响甚微。外电场增大了分子偶极矩。沿N→O、C─NO2键轴正方向和N─NO2负方向的外电场使N→O和C─NO2键离解能减小、N─NO2键离解能增大、h50值增大、撞击感度降低；与上述反方向的外电场对引发键和撞击感度的影响正好相反。引发键键长、AIM电子密度、硝基电荷、键离解能和h50值的变化量与外电场强度之间存在良好的线性关系。外电场对电火花感度和冲击起爆压力的影响不大。
借助M06-2X/TZVP理论方法，研究外电场作用下硝基和氨基取代的叠氮化3-N-氧化咪唑分解反应动力学，预测了高感度3-N-氧化咪唑炸药在外电场中的稳定性。借助M06-2X/TZVP量子化学方法研究了六种硝基和氨基取代的叠氮化3-N-氧化咪唑在外电场中的抽氮反应动力学，并与相应的含有叠氮苯的抽氮反应动力学进行了比较，计算了外电场对各个起爆反应路径的反应物、中间体、过渡态和产物结构和稳定性以及过渡态活化能的影响。结果表明，外电场对叠氮化3-N-氧化咪唑基元反应的势垒有较大影响，从而影响其撞击感度和静电火花感度的变化。
选择了2-、4-和5-被硝基和叠氮基取代的3-N-氧化咪唑炸药为研究对象，借助M06-2X、MP2和ωB97X-D理论方法在6-311++G(3df,3pd)基组水平上，探讨外电场方向和强度对3-N-NIO/AIO???HF???HF以及3-N-NIO/AIO???Na+???H2O体系N→O引发键强度影响，研究外电场中分子间氢键、分子-离子协同效应的变化规律，预测了含有氢键、分子-离子的3-N-氧化咪唑炸药在外电场中感度的变化规律。结果表明，在无电场和外电场作用下，3-N-氧化咪唑炸药取代基的种类和位置极大影响了体系总能量、偶极矩、N→O引发键强度和分子间氢键相互作用能的大小；而且，外电场作用下，三聚体与二聚体相比，N→O引发键强度和分子间氢键相互作用能发生了较大变化，对于分子间氢键相互作用其协同或反协同效应不明显。
选择了2-、4-和5-被硝基和叠氮基取代的3-N-氧化咪唑炸药为研究对象，借助M06-2X、MP2和ωB97X-D理论方法在6-311++G(3df,3pd)基组水平上，探讨外电场方向和强度对3-N-NIO/AIO???Na+???H2O体系N→O引发键强度影响，研究了外电场中分子-离子协同效应的变化规律，预测了含有分子-阳离子相互作用的3-N-氧化咪唑炸药在外电场中感度的变化规律。结果表明，在无电场和外电场作用下，3-N-氧化咪唑炸药取代基的种类和位置极大影响了体系总能量、偶极矩、N→O引发键强度和分子-离子相互作用能的大小；外电场作用下，三聚体与二聚体相比，N→O引发键强度和分子-离子相互作用能发生了较大变化，协同显著，这与氢键体系不同。