咪唑类离子液体力场开发及分子动力学模拟

1、咪唑类离子液体力场开发及分子动力学模拟离子液体作为一种新型绿色溶剂 , 具有低的蒸汽压、高的化学稳定性和可设 计性等优点 , 在诸多领域展现出巨大的应用潜力。离子液体的优良特性与其自身 复杂的分子间作用是分不开的 , 如阴阳离子间的长程静电作用、独特的氢键作用 以及色散作用等 , 其中氢键作用在反应、与有机小分子分离或水分子混合中都起 到重要的作用。分子模拟作为原子尺度的研究手段 , 有助于分析离子液体体系的相互作用、 建立结构 -性质关系。鉴于离子液体氢键的重要性 , 对常用的咪唑类离子液体 , 本 论文建立了其氢键力场 , 通过分子动力学模拟获得准确物性并分析了局部结构与 离子液体性质之间

2、的关系 ;另外针对应用中常见的离子液体与水的混合体系 , 研 究了离子液体在水溶液中形成团簇结构并着重分析了囊泡结构的形成机理与渗 透行为;最后,为离子液体大规模计算 , 构建了粗粒化力场并优化参数。主要研究内容如下 :(1) 离子液体氢键力场的开发。 针对 1- 烷基-3- 甲基咪唑 氯盐(RmimC1)这类存在强氢键作用的体系,提出了平均极化(电荷)与局部极 化(氢键)共存的分子力场开发方案。通过从头计算分子动力学模拟计算多离子对的液相结构 , 拟合其静电势获得 原子电荷；氢键势函数采用角度修正的三体 Morse势函数的形式,其参数通过分 析离子对的氢键能量 , 并结合力场中的相关作用参数

3、共同优化获得。在后续的分 子动力学模拟中 ,分析了氢键位置的径向分布函数 ,与从头计算分子动力学的模 拟结果对比 , 验证了结构的合理性。对EmimCI离子液体的分子动力学模拟，研究径向分布函数和空间分布函 数，发现阳离子之间存在n - n堆积的结构；另外计算了阴离子在阳离子周围的分 布情况,发现氢键结构具有一定局域性 , 与静电结构不同。通过对结构的分析 ,发现阴阳离子的动力学性质 (粘度和自扩散系数 ) 与离子对的作用时间具有良好的 线性关联。(2) 离子液体结构对粘度的影响。采用分子动力学模拟和量子化学计算的方法,系统地研究了 BimNTf2、BmimNTf2和BmmimNTf2三种含有

4、不同氢 键强度和氢键数目的体系的粘度与离子对结构、 氢键数目、 能量以及作用时间之 间的关系 , 并通过量子化学研究阳离子结构与粘度之间的关系。在粘度性质的计算中 , 采用周期性微扰的方法 , 系统地分析了模拟体系大小、 微扰加速度振幅对粘度计算值的影响。 发现在模拟体系中粒子的速度场呈现完美 的余弦函数形式时粘度的计算值最可信 , 并且微扰加速度振幅合理的选择值与模 拟体系 Z 轴方向大小呈现对应关系。离子液体的粘度与离子的空间分布有明显的关系 , 即阴离子在阳离子周围分 布越广则体系粘度越低 ;粘度与离子对的作用时间存在线性关联 ,粘度的大小与 氢键的作用时间相关。 另外 , 分析阳离子的

5、结构发现 , 结构对称、 各作用点的强度 相当且分布均匀的离子液体 , 其粘度较低。(3) 离子液体在水溶液体系中团簇结构研究。 发现 C12mimSal 离子液体在 水溶液体系中可以形成胶束结构 , 调整初始结构及模拟条件 , 可形成平面、带状、 管状和囊泡的团簇结构。通过分子动力学模拟 , 直观地看到离子液体囊泡形成的全过程 , 研究发现囊 泡的结构是双分子层结构 , 其中亲水的基团分布在离子液体与水界面处 ; 能量分 析表明阴阳离子间的相互作用是囊泡体系稳定的关键。 针对模拟中观察到的水分 子透过囊泡现象 , 研究了不同温度下囊泡内水分子的扩散行为 , 发现在不破坏囊 泡结构的前提下 , 升高温度会使得囊泡内外水分子交换加快。最后模拟计算了两个囊泡的融合过程。 (4) 离子液体粗粒化模型与团簇结构 策略。针对C12mimBr-水体系,划分粗粒模型片段,通过全原子分子动力学模拟 获得的结构信息 , 采用 IBI 的方法拟合粗粒化模型的势函数。拟合中不断地调整 参数最终使得径向分布函数的误差最小 , 各部分间的有效势函数收敛。粗粒化力场势函数应用到分子动力学模拟中 , 并通过密度、自扩散系数和结 构等结