二氟尼柳_水滑石插层组装结构_氢键及水合特性的分子动力学模拟

1、二氟尼柳/水滑石插层组装结构、氢键及水合特性的分子动力学模拟潘国祥倪哲明*王芳王建国李小年(浙江工业大学化学工程与材料学院,杭州310032摘要:采用分子动力学方法模拟二氟尼柳插层水滑石(DIF/LDHs的超分子结构,研究复合材料主客体间形成的氢键以及水合膨胀特性.结果表明,当水分子总数与DIF 分子总数之比N w 3时,层间距d c 保持基本恒定,约1.80nm;当N w 4时,层间距逐渐增大,且符合d c =1.2611N w +13.63线性方程.随着水分子个数增加,水合能U H 逐渐增大.当N w 16时,由于U H <-41.84kJ ·mol -1,LDHs -DI

2、F 可以持续吸收水,从而使材料层间距不断膨胀.但当N w 24时,U H >-41.84kJ·mol -1,此时LDHs -DIF 层间不能再进一步水合,因此LDHs -DIF 在水环境中膨胀具有一定的限度.水滑石层间存在复杂的氢键网络.DIF/LDHs 水合过程中,水分子首先同步与层板和阴离子构成氢键;当阴离子趋于饱和后,水分子继续与层板形成氢键,并逐步发生L -W 型氢键取代L -A 型氢键,驱使阴离子向层间中央移动,与层板发生隔离;最后水分子在水滑石羟基表面形成有序结构化水层.关键词:分子动力学模拟;二氟尼柳/水滑石;氢键;水合中图分类号:O641Molecular Dy

3、namics Simulation on Structure,Hydrogen -Bond andHydration Properties of Diflunisal Intercalated Layered DoubleHydroxidesPAN Guo -XiangNI Zhe -Ming *WANG FangWANG Jian -GuoLI Xiao -Nian(College of Chemical Engineering and Materials Science,Zhejiang University of Technology,Hangzhou310032,P.R.China A

4、bstract :The supramolecular structure of diflunisal intercalated layered double hydroxides (DIF/LDHswas modeled by molecular dynamics (MDmethods.Hydrogen bonding,hydration and swelling properties of DIF/LDHs were investigated.The interlayer spacing d c was found to be constant (ca 1.80nmwhen N w (th

5、e ratio of the numbers of water molecule to DIF3.The interlayer spacing d c gradually increases as N w 4and this increase follows the linear equation d c =1.2611N w +13.63.The hydration energy gradually increases as the water content increases.LDHs/DIF hydrates when N w 16because hydration energy U

6、H <-41.84kJ ·mol -1.At N w 24the hydration of LDHs/DIF does not occur because U H >-41.84kJ ·mol -1.Swelling of LDHs/DIF is thus limited in an aqueous environment.The interlayer of DIF/LDHs contains a complex hydrogen bonding network.The hydration of DIF/LDHs occurs as follows:water

7、molecules initially form hydrogen bond with layers and anions.While the anions gradually reach a saturation state and water molecules continue to form hydrogen bonds with the hydroxyls of the layers.The L -W type hydrogen bond gradually substitutes the L -A type hydrogen bond and the anions move to

8、the center of an interlayer and then separate with the layers.Last,a well -ordered structural water layer is formed on the surface hydroxyls of DIF/LDHs.Key Words :Molecular dynamics simulation;Diflunisal/layered double hydroxide;Hydrogen -bond;HydrationArticle物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao Acta Phys.-Ch

9、im.Sin .,2009,25(2:223-228Received:August 1,2008;Revised:October 8,2008;Published on Web:November 26,2008.*Corresponding author.Email:jchx;Tel:+86571-88320373.浙江省自然科学基金(Y406069资助项目鬁Editorial office of Acta Physico -Chimica SinicaFebruary 223Acta Phys.-Chim.Sin.,2009Vol.25水滑石(简写为LDHs为典型的阴离子型层状材料,其化学式

10、为M2+1-x M3+x(OH2x+A n-x/n·m H2O(其中, M2+和M3+分别代表二价和三价金属阳离子,下标x 为M3+/(M2+M3+金属离子摩尔比,A n-代表层间阴离子1.由于LDHs具有特殊的层状结构和层间离子的可交换性,可向层间引入新的客体阴离子,从而组装得到系列新型有机/无机复合材料,在催化、吸附、离子交换、药物缓释和功能助剂等领域得到广泛应用2-5.水滑石作为新型的药物传输载体,可增强药物分子的扩散性能、热稳定性以及控制药物分子的释放速率6,7.此外,水滑石呈碱性(pH值(10%悬浮液: 7-9,具有较强的抗酸作用.其作为抗酸剂与非甾体抗消炎镇痛药(NSAI

11、Ds联用,可以减少该类药物对十二指肠的损害,提高NSAIDs的溶解度,甚至还可以缓解其对胃的刺激.二氟尼柳(DIF作为一种新型的非甾体抗消炎镇痛药,具有抗炎、镇痛作用强,不良反应少等优点8,与同类的消炎镇痛药(如布洛芬、阿斯匹林相比疗效要好.因此,将二氟尼柳与水滑石复合后,既能提高抗炎、镇痛效果,又能减少药物带来的副反应,可以说是一举两得,对治疗风湿等病症具有重要的意义.前期工作中,我们采用共沉淀法和离子交换法成功将二氟尼柳嵌入Mg-Al水滑石,得到一种新型的二氟尼柳插层水滑石(DIF/LDHs9.并采用X射线粉末衍射(XRD、红外光谱(IR、热重-差热分析(TG-DTA等表征手段得到了DIF

12、/LDHs复合材料的部分结构信息.然而,目前采用实验仪器表征方法仍无法准确得到水滑石层间客体药物分子以及水分子的排布形态.因此需要结合计算机模拟技术,对药物/LDHs复合材料层间复杂结构进行确认10-16.我们曾采用密度泛函理论(DFT研究了简单客体阴离子(如Cl-和CO2-3等在LDHs的排布形态、主客体作用以及水合情况17-19.但是药物/LDHs复合材料体系庞大、原子类型多样,因此本文采用分子动力学模拟方法研究DIF/LDHs的超分子结构、氢键及水合膨胀特性,为药物/LDHs的微观结构确认与特性研究提供理论依据.1计算模型与方法1.1模型建立LDHs具有类似水镁石(Mg(OH2的层状构型

13、,由于层板中部分Mg被Al取代而带有正电荷,所以本文层板计算模型取4个Mg3Al(OH+8结构单元,层板结构见图1(a.模型中,Al3+离子是均匀分布且没有相邻的情况存在,与Sideris等20采用NMR表征研究结果相一致.二氟尼柳分子属于水杨酸类药物,p Ka值相对较低.其插入水滑石中,羧基官能团被认为是去质子化的,因此其模拟结构设为单价阴离子,结构见图1 (b.研究DIF/LDHs超分子结构时,以Mg12Al4(OH4+32作为主体层板,以2H堆积模式(晶胞参数a为层板相邻金属离子平均间距,晶胞参数c=2dc构建LDHs 周期性模型(图1(c.初始构型中,药物DIF以羧基垂直指向水滑石(1

14、11晶面,并且羧基以交错的方式与层板羟基相结合(计算表明,相比层间药物的羧基一致朝向,交错方式能量更低;而水分子采用随机的方式添加入水滑石层间.模拟的超胞模型(supercell由4×4个单元晶胞组成,每个超胞模型包含两个金属氢氧化物层,每个夹层含4个二氟尼柳阴离子和不定数量的水分子4Nw,其中0N w32(N w为水分子总数与二氟尼柳药物分子总数之比.模拟体系应用三维周期性边界条件,初始结构参数:=90°,=120°.c值随层间阴离子种类与水含量变化而变化.1.2模拟方法UFF(universal force field21是具有普适性的力场,它可以模拟的元素几

15、乎覆盖了整个元素周期表,所有的力场参数按照一套元素杂化连接性的规则产生,其合理性已被许多结构类型所证实.目前,UFF 已被应用于金属-有机骨架材料中吸附与扩散22以及层状粘土材料23,24的分子模拟研究与预测.力场选择是一个体系模拟成败的关键点之一.因此我们首先尝试UFF21、COMPASS25和DREIDING26三种方法,对Mg3Al-Cl体系(Mg24Al8(OH64Cl8,与LDHs-DIF结构类似进行前期分子动力学模拟实验,然后将模拟得到的材料结构形态以及晶胞参数与实验测定值进行对比.计算结果表明,使用DREIDING 力场,优化失败(其不包含Mg的力场参数;用COMPASS力场得到

16、的优化结构中,层板结构对称性差,且上下层板存在交错现象,层间距为0.72 nm;而使用UFF,优化得到材料结构原子排列规则、有序,层间距为0.80nm.三种力场相比,使用UFF 得到材料的层间距0.80nm与实验值27,280.78nm比较接近,因此UFF对于药物/水滑石体系结构模拟是适用的.224No.2潘国祥等:二氟尼柳/水滑石插层组装结构、氢键及水合特性的分子动力学模拟药物/水滑石体系主客体间存在复杂分子间作用力(静电、氢键和范德华力,但是UFF 的力场选项没有包含氢键描述.王三跃等22将UFF 用于柔性金属-有机骨架材料体系的模拟,并对所形成的氢键情况进行探讨.而UFF 对于LDHs

17、主客体间存在的氢键数量模拟统计是否适用?我们采用密度泛函理论对LDHs -Cl 的计算结果19与分子动力学模拟结果进行对比,结果列为表1.在LDHs -Cl 体系中存在的O H Cl 型氢键,由DFT -LDA 得到的l (H Cl约为0.2297-0.2311nm,(O H Cl约为152.06°-152.81°而由MD -UFF 计算得到的l (H Cl约为0.2390-0.2617nm,(O H Cl约为150.70°-160.79°,两者计算得到的氢键键长和键角相当接近,因此本文使用UFF 力场优化计算结果用于统计药物/LDHs 体系中的氢键数量

18、是可信的.药物/LDHs 模拟计算采用Materials Studio 4.1(Accelrys,San Diego,CA材料模拟软件.体系进行能量最小化和动力学模拟采用forcite 模块,选用UFF,电荷计算运用电荷平衡法(Qeq.选用smart 算法,用不同的迭代步数进行能量最小化计算.长程静电作用采用Ewald 加和方法计算,范德华力选用atom based 方法25,截断半径为0.85nm.采用forcite 模块分别对层间水分子数目(4N w 在0-128之间的二氟尼柳插层水滑石体系进行能量优化,由能量优化后得到的最低能量结构作为MD 模拟的初始结构.首先选择等温等压系综(NPT模

19、拟得到体系的平衡结构,温度T =300K,压力p =105Pa,时间步长0.5fs,模拟时间为50ps 29,温度控制方法选择Nose -hoover 30,压力控制方法选择Berendsen 法31.模拟图1(a层板、(b二氟尼柳和(c二氟尼柳/水滑石复合材料的计算模型Fig.1The calculation models of (alayer,(bDIFand (cDIF/LDHsThe color scheme used is white for hydrogen,red for oxygen,green for magnesium,peachblow for aluminum,grey

20、 for carbon,and sky bluefor fluorin.N w =4N w =8N w =12N w =24图2Mg 3Al -DIF -n H 2O -LDHs 模型动力学模拟结果Fig.2The dynamics simulation results of Mg 3Al -DIF -n H 2O -LDHsbond length in nm,bond angel in degree表1不同计算方法得到的Mg 24Al 8(OH64Cl 8材料中氢键Table 1The hydrogen bond existed in Mg 24Al 8(OH64Cl 8with diffe

21、rent calculation methodsDFT -LDA 19MD -UFF d c 0.760.80l (H Cl0.2306;0.2307;0.2472;0.2482;0.2311;0.2297;0.2617;0.2491;0.2308;0.23110.2390;0.2572(O H Cl152.06;152.39;158.47;151.55;152.10;152.81;156.98;153.24;152.37;152.15150.70;160.79225Acta Phys.-Chim.Sin.,2009Vol.25周期中最初的30ps用于平衡结构29,32,在剩余的20 ps内计

22、算晶胞参数和水合能.然后选择正则系综(NVT模拟统计体系的结构和动力学信息,以NPT系综模拟得到的最后平衡结构作为NVT系综模拟的初始结构,温度T=300K,时间步长0.5fs,模拟时间200ps,其中最初的50ps 用于平衡结构,模拟结果用于详细氢键分析.2结果与讨论2.1结构参数分子动力学模拟可得二氟尼柳插层水滑石的晶胞参数a(层板相邻金属离子平均间距为0.2781 nm,略小于文献报道值0.3046nm33.结构中二氟尼柳阴离子主要以垂直于层板的方式存在于LDHs层间,层间距dc为1.7785nm.图2中绘出了水含量变化所得的复合材料优化结果.从图2中可得,当层间引入水分子后,因水合膨胀

23、作用使层间距变大,且水分子越多,层间距越大;水分子较少时,阴离子主要以接近于垂直状态与层板结合,水分子填充于阴离子之间的空隙;当引入的水分子个数较多时,阴离子逐渐发生倾斜,水分子倾向于结合层板,形成有序排列的结构化水层,且水分子的氧原子朝向层板,与层板羟基形成氢键.将层间水分子含量变化与水滑石晶胞参数的关系绘入图3中.从图3可以看出,水分子对层板晶胞参数a影响不大,基本维持在0.2766-0.2890 nm,而对层间距d c影响比较大.当N w3时,层间距的变化缓慢,基本保持在1.7859-1.7975nm;当N w4时,随着引入的水分子个数增多,层间距逐渐增大,基本呈线性变化.我们采用线性方

24、程进行拟合,得到方程:dc=1.2611N w+13.63(4N w32,相关系数R2=0.9893.在水合程度较小时,水分子有部分填充于层间阴离子间的空隙中,所以对层间距影响相对较小.随着水合程度增加,由于水分子与层板具有更强的亲合性,致使药物阴离子逐渐与层板隔离,削弱了两者间的静电作用,导致材料层间距逐渐呈线性增加.我们采曾用共沉淀法9制备得到DIF/LDHs样品的两种构型层间距分别为2.14和1.85nm,和本文模拟结果中N w=7(d c=2.18nm和N w= 4(d c=1.85nm相接近.离子交换法对应的层间距为1.96nm,这与分子动力学模拟结果中当N w=5(d c=1.98

25、 nm相接近.理论计算的N w值与实验测定的H2O/DIF 相比,两者有一定的差别,可能与层板中Mg/Al比及层间DIF伴随OH-的差异有关.2.2水合能层间水分子对于水滑石结构以及膨胀性能具有重要影响,所以本文采用水合能来分析引入水分子对水滑石结构与性能产生的影响.水合能定义32如下:U H(N w=(U(N w-U(0/n(1其中,n是水分子的总数,U(Nw是系统的总势能,U(0是系统无水分子时的总势能.该公式能够简便并有效地计算出层间水的亲和能.Mg3Al-DIF-n H2O-LDHs的水合能U H与其水合程度(Nw的关系见图4.从图4中可看出,在低水含量时,水合能是最负的;随着引入水分

26、子个数增多,水合能以较快速率增加;当Nw12时,增大的趋势变缓.在整个水合过程中,水合能并没有发现局域最大值,这一现象与先前有关简单无机阴离子插层水滑石(如LDHs-Cl-图4Mg3Al-DIF-n H2O-LDHs的水合能U H和N w的关系Fig.4Relationship of hydration energy U H and N w ofMg3Al-DIF-n H2O-LDHs图3Mg3Al-DIF-n H2O-LDHs的d c、a和N w的关系Fig.3Relationship of d c and a versus N w for Mg3Al-DIF-n H2O-LDHs226No

27、.2潘国祥等:二氟尼柳/水滑石插层组装结构、氢键及水合特性的分子动力学模拟的模拟结果截然相反34.从图中还可以发现,当N w 16时,U H <-41.84kJ ·mol -1(体相水(bulk SPC water的势能29,32约-41.84kJ ·mol -1(-10kcal ·mol -1,这说明在此区间LDHs -DIF 可以持续吸收水,从而使材料层间距不断膨胀.但当N w 24时,U H >-41.84kJ ·mol -1,此时LDHs -DIF 层间不能再进一步水合,因此LDHs -DIF 在水环境中膨胀具有一定的限度.2.3氢键

28、分析为了从本质上理解DIF/LDHs 复合材料水合膨胀特性,对水滑石主客体间存在的氢键进行统计分析,结果如图5所示.将与氢原子成键的原子称为给体(donor,以D 表示;与氢原子形成氢键的原子称为受体(acceptor,以A 表示.本文所统计的氢键定义35为:r (AH<0.25nm,(AHD>90°.其中,r (AH表示氢原子与受体间的距离;(AHD表示受体-氢-给体间的夹角.将模拟体系中存在的氢键分为以下四类:层板-阴离子(L -A、层板-水分子(L -W、阴离子-水分子(A -W以及水分子-水分子(W -W.文中表示的氢键数量都为单个给体(受体所对应氢键数.对于二氟尼柳阴离子而言,其羧基和氟原子作为纯的氢键受体,可接受水分子中的氢以及层板羟基中的氢而形成氢键.另外,其本身含有的羟基与羧基形成分子内氢键,对体系主客体作用影响不大.图5(a中,DIF 与层板M OH 形成的L -A 型氢键随着层间水分子含量增加,呈线性减少趋势;且当N w =7-8时,L -A 型氢键基本保持恒定.图2中,水滑石在水合程度增加时,二氟尼柳阴离子逐渐向层间中央迁移,直到药物分子与层板间几乎被水分子所隔离,这与L -A 型氢键数量在水合过程中呈减少趋势相一致.A -W 型氢键在N w =1-3时,两者间形成的氢键数量逐步增加;当N w >3时,A -W 型氢键数量基本保持