1.一种基于反应分子动力学的生物质脱木质素方法,其特征在于,包括以下步骤:
一、构建合适的木质素生物质结构,选择合适的脱木质素溶剂;
二、构建所有单体结构;
三、通过Material Studio软件进行能量和结构优化,构建盒子并放入确定比例的分子,进行退火弛豫;
四、设置合适的操作条件,进行反应分子动力学模拟;
五、在分子动力学仿真软件中对步骤四建立的盒子设置合适的反应力场和参数,得到模拟结果;
六、模拟结束后,观察体系碎片的分布及形态,结合运动轨迹文件和相关模拟文件分析脱木质素溶剂机理及效果;根据反应后的碎片数量和结构判断溶剂的处理效果,进而达到脱木质素溶剂的筛选;
具体步骤如下:
(1)构建木质素生物质结构;
(2)选择氯化胆碱/乳酸(摩尔比1:5、1:10)、氯化胆碱/甘油(摩尔比 1:2)低共熔溶剂(DES)、对甲苯磺酸和[Amim][Cl]离子液体(IL)作为脱木质素溶剂;其中氯化胆碱为氢键供体(HBD),乳酸和甘油为氢键受体(HBA);
(3)将体系每个单体在Material Studio仿真软件中的Forcite模块下进行能量和结构优化,单体结构分别是氯离子、胆碱阳离子、乳酸分子、[Amim]和木质素分子;
(4)通过仿真软件Material Studio中的Amorphous Cell Tools模块将优化好的分子3
加入至体积为3 .6×3 .6×3 .6nm的盒子中,并规定氯化胆碱:乳酸:木质素=10:100:1(摩尔比); [Amim][Cl]:木质素=70:1(摩尔比);对甲苯磺酸:木质素=70:1(摩尔比);由于不同组成的原子数不同,将盒子密度设置为1.0来调整剩余盒子体积;
(5)使用仿真软件Material Studio中的Forcite模块对盒子进行先退火模拟,之后进行100ps下的NVT和NPT弛豫,得到稳定状态下的木质素‑溶剂体系模型并保存为 .mdf文件;
(6)使用反应分子动力学仿真程序Lammps中的msi2lmp工具将 .mdf文件转换成.data文件,根据体系编写合适的 .in文件并找到适合该体系的力场文件;
(7)在反应分子动力学仿真程序Lammps中,采用ReaxFF力场在NVT系综下进行模拟,并采用Berendsen热浴法控制温度为393 .15K,步长为0 .25fs,平衡系统持续100ps,并通过相关命令输出碎片数量文件和轨迹文件;
(8)对甲苯磺酸处理后的木质素β‑O‑4醚键重度断裂;而[Amim][Cl]离子液体处理后的木质素β‑O‑4醚键几乎不断裂;经对甲苯磺酸处理后的木质素产物中有大量的酚类、几乎不存在苯基醛,对甲苯磺酸酸性过强,发生副反应生成苯萘衍生物;[Amim][Cl]离子液体处理后的木质素在反应中期出现了氯化中间体产物,但β‑O‑4醚键未发生断裂;轨迹文件显示,氯化胆碱/乳酸(摩尔比1:10)DES处理后的木质素β‑O‑4醚键中度断裂;氯化胆碱/乳酸(摩尔比1:5)DES处理后的木质素β‑O‑4 醚键轻度断裂;而氯化胆碱/甘油(摩尔比1:2)DES处理后的木质素β‑O‑4醚键几乎不断裂;DES的酸性对脱除木质素起主导作用,酸性越强,效果越好;对反应碎片分析,氯化胆碱/乳酸DES产物中有大量的酚类、苯基醛以及苯基醛和乳酸的一系列产物,在反应中期出现了氯化中间体产物,主要反应路径应为氯离子作为亲核试剂取代羟基同时脱水形成烯醚中间体,在酸性条件下分解成酚类和苯基醛;氯化中间体产物的出现,显著提高了β‑O‑4醚键裂解的速率;DES反应物脱木质素溶剂的处理效果由高到低为:氯化胆碱/乳酸(摩尔比1:10)、氯化胆碱/乳酸(摩尔比1:5)、氯化胆碱/甘油(摩尔比1:2)。
2.根据权利要求1所述的一种基于反应分子动力学的生物质脱木质素方法,其特征在于,所述步骤一中,溶剂是指一种或两种及以上混合的有机溶剂、离子液体和低共熔溶剂。
3.根据权利要求1所述的一种基于反应分子动力学的生物质脱木质素方法,其特征在于,所述步骤二的具体过程为:在仿真软件Material Studio或Gaussian View中分别构建所 有单体的结构模型。
4.根据权利要求1所述的一种基于反应分子动力学的生物质脱木质素方法,其特征在于,所述步骤四具体过程为:在仿真软件Material Studio中的Amorphous Cell Tools模块 中,将步骤三优化完的单体结构按照预期的数量和比例放入与实际密度相符的盒子中,先进 行退火,之后分别进行100ps下的NVT和NPT弛豫,得到稳定状态下的木质素‑溶剂体系模型。
5.根据权利要求1所述的一种基于反应分子动力学的生物质脱木质素方法,其特征在于,所述步骤五的具体过程为:将步骤四中的稳定体系导入至反应分子动力学仿真程序Lammps中,采用ReaxFF力场在NVT系综下进行模拟,并设置温度为393 .15K,步长为0.25fs,平衡系统持续100ps。
6.根据权利要求1所述的一种基于反应分子动力学的生物质脱木质素方法,其特征在于,所述步骤六具体分析过程为:在分子可视化软件Visual molecular dynamics(VMD)中,观察模拟产生的轨迹文件,能直观地展示出反应路径,研究其反应机理;根据反应后的碎片数量和结构判断脱木质素溶剂的处理效果,进而达到脱木质素溶剂的筛选。