Applied Chemistry for Engineering (공업화학)

The Korean Society of Industrial and Engineering Chemistry (한국공업화학회)
권호 표지

A Study Based on Molecular Orbital Theory of Polymerization of Oxolane High Explosives

Oxolane 고폭 화약류의 중합반응에 관한 분자 궤도론적 연구

  • Received : 2010.01.08
  • Accepted : 2010.03.15
  • Published : 2010.06.10
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Abstract

The cationic polymerization of oxolane high explosives which have pendant explosive groups such as azido, nitrato and hydrazino is investigated theoretically using the semiempirical MINDO/3, MNDO and AM1 methods. The nucleophilicity and basicity of oxolane high explosives can be explained by the negative charge on oxygen atom of oxolane. The reactivity of propagation in the polymerization of oxolane can be represented by the positive charge on carbon atom and the low LUMO energy of active species of oxolane. The reaction of the oxolane high explosives in oxonium ion form to the open chain carbenium ion form is expected by computational stability energy (17.950~30.197 kcal/mol) of the oxonium ion and carbenium ion favoring the carbenium ion. The relative equilibrium concentration of cyclic oxonium ion and carbenium ion is found to be a major determinant of mechanism, owing to the rapid equilibrium of these catoinic forms. Based on calculation, in the prepolymer propagation step, $S_N1$ mechanism will be at least as fast as that for $S_N2$ mechanism.

폭발성기를 가진 azido기($-CH_2N_3$), nitrato기($-CH_2ONO_2$) 그리고 hydrazino기(-$CH_2N_2H_3$)로 치환된 옥소란 고폭 화약류의 산 촉매 하에서 중합반응을 반경험적인 MINDO/3, MNDO, AM1 방법 등을 사용하여 이론적으로 고찰하였다. 옥소란 고폭 화약류의 친핵성 및 염기성은 옥소란 산소원자의 음전하크기로 설명할 수 있고, 중합하의 성장단계에서 옥소란의 반응성은 옥소란의 반응중심 탄소원자의 양전하크기와 친전자체의 낮은 LUMO 에너지에 좌우됨을 알 수 있다. 옥소란 고폭 화약류의 고리형 oxonium 이온형이 열린 carbenium 이온형으로 전환되는 과정은 oxonium 이온과 carbenium 이온 사이의 계산된 안정화 에너지(17.950~30.197 kcal/mol)에 의하면 carbenium 이온이 더 유리함을 예측 할 수 있다. 평형상태의 고리형 oxonium 이온과 열린 carbenium 이온의 농도 크기가 반응 메카니즘의 결정단계이며, 산 촉매 하의 형태와 계산을 기초로 하여 빠른 평형을 예상하여 볼 때 선폴리머(prepolymer) 성장단계에서 $S_N1$ 메카니즘이 $S_N2$ 메카니즘보다 빠르게 반응 할 것으로 예측된다.

Keywords

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