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专利号: 202310511245X
申请人: 青岛科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于分子动力学和多变量分析的低共熔溶剂筛选方法,其特征在于,包括以下步骤:(1)选择乳酸作为低共熔溶剂的氢键供体,季铵盐类作为低共熔溶剂的氢键受体,构建乳酸分子、每一种氢键受体阳离子、氢键受体阴离子的结构模型;并构建半纤维素分子的结构模型;

(2)将步骤(1)构建的所有结构模型进行结构优化和能量优化,得到分子静电势信息,计算相应的RESP电荷;

(3)将步骤(2)优化后的结构模型通过CGenFF得到CHARMM36力场分子拓扑文件,并将计算得到的RESP电荷导入拓扑文件中;

(4)构建分子动力学初始结构盒子,将200 1000个氢键受体分子,500 2000个乳酸分子~ ~和20 100条半纤维素分子放入盒子中,其中,将半纤维素分子放在盒子中间位置,氢键受体~分子和乳酸分子放在盒子四周位置,建立多个稳定的不同低共熔溶剂‑半纤维素体系;

(5)运行不同低共熔溶剂‑半纤维素体系,在298.15 K和1 bar压力下对低共熔溶剂‑半纤维素体系采用最陡下降法模拟10000 15000步使系统能量达到最小,做限制性动力学,利~用PME方法计算截止半径为1.0 1.8 nm的静电相互作用,在363.15 413.15K处进行步长为~ ~

25000000 50000000步、持续时间为50 100 ns的长时间动力学模拟,得到每一帧下的模拟~ ~轨迹和结果;

(6)将步骤(5)模拟产生的每一帧轨迹结果导入可视化软件中,将得到的轨迹文件中的半纤维素的羟基进行分组,在分子动力学仿真计算程序Gromacs中运行氢键命令和相互作用能命令,计算每类羟基分别与每类低共熔溶剂的乳酸分子、氢键受体阳离子、氯离子之间的氢键数量和相互作用能,以及半纤维素分子之间的氢键数量,通过分析半纤维素与每类低共熔溶剂相互作用后的半纤维素分子之间的氢键数量H2和半纤维素没有与低共熔溶剂相互作用的半纤维素分子之间的氢键数量H1的差值ΔH,对低共熔溶剂进行筛选;

(7)将步骤(6)中计算得到的氢键数量差值ΔH和相互作用能导入到多变量分析软件SIMCA‑P中,在多变量分析软件SIMCA‑P中,对由不同官能团或不同碳链长度的氢键受体组成的低共熔溶剂与半纤维素之间的相互作用的变量,采用主成分分析和偏最小二乘法进行多变量分析;其中,对变量的主成分分析得到主成分的解释方差为0.911 0.998,预测方差~为0.932 0.968;偏最小二乘分析得到的模型能够解释95.8% 99.8%的因变量变化,预测能~ ~力为80.1% 99.5%;根据主成分分析和偏最小二乘分析的模型得到氢键受体的官能团、碳链~长度与氢键数量差值ΔH之间存在强烈正相关,氢键数量差值ΔH与相互作用能之间存在强烈负相关,说明碳链长度越长其氢键数量差值ΔH越大,从而快速地筛选出对半纤维素的溶解效果最好的低共熔溶剂;最后结合偏最小二乘法得到的变量重要性分析,得出低共熔溶剂与半纤维素之间形成的氢键数量越多,说明低共熔溶剂溶解半纤维能力越强。

2.根据权利要求1所述的基于分子动力学和多变量分析的低共熔溶剂筛选方法,其特征在于,所述步骤(1)中,低共熔溶剂的氢键供体与氢键受体的摩尔比为HBA:HBD =1:(5~

9);

所述低共熔溶剂的氢键受体包括盐酸胍、氯化胆碱、甜菜碱、乙胺氯、烯丙基三甲基氯化铵、四甲基氯化铵、四乙基氯化铵、四甲基溴化铵、苄基三甲基氯化铵、苄基三乙基氯化铵、苄基二甲基氯化铵中的任一种或几种。

3.根据权利要求1所述的基于分子动力学和多变量分析的低共熔溶剂筛选方法,其特征在于,所述步骤(1)中半纤维素的结构模型包含6 8个五碳糖组成的聚合物结构、或者包~含2 7个六碳糖组成的聚合物结构、或者包含6 8个五碳糖和2 7个六碳糖组成的聚合物结~ ~ ~构。

4.根据权利要求1所述的基于分子动力学和多变量分析的低共熔溶剂筛选方法,其特征在于,所述步骤(2)中,将步骤(1)构建的所有结构模型保存为gjf文件,在量子化学仿真软件Gaussian中基于密度泛函理论进行结构优化和能量优化,得到各自的分子静电势信息,结合量子化学波函数分析程序Multiwfn计算相应的RESP电荷。

5.根据权利要求1所述的基于分子动力学和多变量分析的低共熔溶剂筛选方法,其特征在于,所述步骤(4)中,采用分子动力学初始结构构建程序Packmol构建10 nm×10 nm×

16 nm的分子动力学初始结构盒子。

6.根据权利要求1所述的基于分子动力学和多变量分析的低共熔溶剂筛选方法,其特征在于,所述步骤(5)中,在分子动力学仿真计算程序Gromacs中运行步骤(4)建立的低共熔溶剂‑半纤维素体系;当能量达到最小后逐渐加热到363.15 413.15 K,在达到所需温度后,~能量最小的低共熔溶剂‑半纤维素体系在NVT体系合成中对半纤维素产生限制性动力学。

7.根据权利要求1所述的基于分子动力学和多变量分析的低共熔溶剂筛选方法,其特征在于,所述步骤(6)中采用的分子可视化软件为VMD软件。

8.根据权利要求1所述的基于分子动力学和多变量分析的低共熔溶剂筛选方法,其特征在于,所述步骤(7)中的变量包括不同氢键受体的物理化学性质和分子模拟结果;

其中,不同氢键受体的物理化学性质包括:熔点、分子量、分子极性指数、氨基数量、羟基数量、碳碳双键数量、碳链长度、氢键供体数量、氢键受体数量、氢键供体与氢键受体数量之和、可旋转化学键数量、重原子数量、分子极性表面积和复杂度;分子模拟结果包括:氢键数量差值、氢键寿命、相互作用能、径向分布函数和空间分布函数。