含能材料通常指火药、炸药、某些氧化剂和可燃物的混合物,是弹药完成发射、运载、爆炸毁伤的动力能源,是各种兵种武器系统打击毁伤的基础。由于具有体积小、含能高等优点使其在国防应用中和其它高科技领域中发挥着重要的作用。明确的反应机理一方面可以优化反应合成路线,另一方面也为类似化合物的反应提供一定的参考价值,因此研究典型的高氮含能化合物的合成反应意义重大。含能化合物的合成大部分须经过多步或复杂的过程才能完成,很少为基元反应,只有对整个反应过程的全面深入了解才有可能对反应机理进行合理和准确的推断。而在线红外分析技术为研究反应全过程提供了非常好的手段,它可以对反应过程进行实时跟踪,使得获得反应组分数,物质浓度变化等重要信息成为可能。反应监测获得的复杂数据经适当的化学计量学方法的解析可给出有关定量及定性方面的信息。这两种技术的结合为研究复杂反应的合成机理提供了一种便捷而高效的技术。本论文共分为五个部分。概述了高氮含能化合物、红外光谱技术和多元曲线分辨过程分析方法近年来的发展和应用。并应用在线红外光谱技术结合多元曲线分辨方法研究了4-氨基-3,5-二甲基吡唑、3-氨基-4-氨基肟基呋咱以及3,4-双(4‘-氨基呋咱基-3’)氧化呋咱三种含能化合物合成的反应过程。第一章概述了过程分析化学史、化学计量学的产生和发展,红外光谱结合多元曲线分辨在过程控制优化中的应用、含能化合物的发展应用及密度泛函理论的简介第二章多元曲线分辨方法结合红外光谱研究4-氨基-3,5-二甲基吡唑的合成反应机理首次利用红外光谱结合多元曲线分辨方法研究4-氨基-3,5-二甲基吡唑的合成反应机理,获得体系中各物种的浓度变化曲线和对应的红外光谱。推出了该反应的机理：首先是2,3,4-戊三酮-3-肟和水合肼反应生成一个中间体,该中间体再发生消去反应生成4-亚硝基-3,5-二甲基吡唑,再与水合肼相互作用,最终得到产物4-氨基-3,5-二甲基吡。并将两种多元曲线分辨方法的分析结果进行比较,得出可相互验证的一致结论。相比较与其他传统方法,上述手段无需分离中间体,节省了大量时间和溶剂,且结果与其他方法的结果一致,表明所用的方法在其反应机理的研中显示了独特的优势。第三章在线红外结合化学计量学在3-氨基-4-氨基肟基呋咱的合成反应机理中的应用通过红外光谱在线监测丙二腈,亚硝酸钠和盐酸羟胺合成3-氨基-4-氨基肟基呋咱的反应过程,采用直观推导式演进特征投影法(HELP)、多元曲线分辨-交替最小二乘法(MCR-ALS)等化学计量学方法解析获得的红外数据矩阵,得到了各物种的浓度变化曲线和对应的红外光谱,根据反应过程中特征官能团强度的变化,以及最终确定的产物来推测出该反应合理的反应机理。第四章用在线红外结合(MCR-ALS)研究3,4-双(4‘-氨基呋咱基-3’)氧化呋咱的合成反应机理通过红外光谱在线监测稀碱条件下3-氨基-4-酰氯肟基呋咱合成3,4-双(4‘-氨基呋咱基-3’)氧化呋咱成(DATF)的反应过程,应用(MCR-ALS)解析获得的红外实验数据矩阵,得出混合体系中主要物质的浓度变化曲线和光谱曲线,推导出合理的反应机理。确证关键中间体3-氨基-4-氧代氰基呋咱的存在。并用密度泛函理论优化了该反应过程,得出与化学计量学一致的结论。