组氨酸、色氨酸插层水滑石-蒙脱石复合物的结构模拟与相互作用研究

摘要

无机功能材料因为其特殊的结构和性质受到各界广泛的关注。无机复合物插层材料是由不同的无机层板及层间客体层层堆积结合形成的独特的层状材料，层间客体具有多样性，因此插层复合物成为很多分子的有效载体。本文围绕水滑石(LDHs)和蒙脱石(MMT)两种层状材料交互插层，层间客体选用两性离子组氨酸和色氨酸，分别构建了组氨酸和色氨酸插层水滑石-蒙脱石复合物结构模型(His-LDHs-MMT，Trp-LDHs-MMT)，利用量子化学方法研究了复合物的结构稳定性以及客体氨基酸与主体层板之间的相互作用。
　　首先根据水滑石和蒙脱石结构组成的实验数据，用计算化学软件Material Studio8.0构建了His-LDHs-MMT和Trp-LDHs-MMT两种复合物的结构模型。基于量子化学的密度泛函理论，用DMol3模块的GGA/PW91的DND基组全优化了复合物空间结构，比较了不同复合物的系统能量，分别得到了三种His-LDHs-MMT和两种Trp-LDHs-MMT的稳定构型。分析计算结果确定了组氨酸或色氨酸是主要以平躺的形式结合在水滑石和蒙脱石层板之间，与层板存在一定的氢键和静电相互作用。同时，对两种复合物结构的XRD谱进行了理论模拟，发现两种氨基酸插层复合物的XRD谱非常接近，这是由于两种氨基酸的插层复合物有相似的结构。计算还表明，不同的插层方式会导致复合物的层间距有所不同，随着层间距的扩大XRD特征峰向小角度方向偏移。组氨酸（色氨酸）插层水滑石-蒙脱石复合物中蒙脱石层板的(001)特征衍射峰出现在2θ=6.5-7.8°之间，在2θ=11.7，60°左右处分别出现了LDHs层板的(003)和(110)特征衍射峰。基于优化得到的复合物几何构型计算了复合物的态密度、电荷密度以及静电势，结果表明在费米能级附近主要由氧的2p轨道和氢的1s轨道贡献为主，表现为氢键;在电荷密度和静电势分布的分析中，组氨酸和色氨酸的羧基与LDHs的密度场发生重叠，形成较强的氢键相互作用;蒙脱石层板与组氨酸之间存在较强的静电势分布，使得蒙脱石与组氨酸之间形成非常强的静电相互作用。为了了解水滑石-蒙脱石复合物的微观结构组成，分别用MS8.0和Gaussian09两种计算软件计算了组氨酸与LDHs层板以及MMT层板的结合能，利用结构对比的方法对复合物中的主客体相互作用进行了研究。计算结果表明主体层板与层间客体之间以及客体之间均存在特定的相互作用，主要为氢键和静电相互作用的组合。
　　本文探索了组氨酸（色氨酸）插层水滑石-蒙脱石复合物的微观结构，用量子化学方法确定了复合物晶体结构和成键参数，模拟了复合物晶体的XRD谱，为复合物的实验制备提供了理论参考，用电子密度分析了组氨酸与水滑石-蒙脱石层板之间的相互作用，为进一步发展新型氨基酸复合物插层材料提供了理论依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．2 水滑石类材料简述

1．2．1 水滑石插层材料的制备

1．2．2 水滑石插层材料的应用

1．3 蒙脱石材料简介

1．3．1 蒙脱石插层材料制备

1．3．2 蒙脱石的应用

1．4 杂环氨基酸简介

1．5 课题研究内容及意义

第二章 计算化学理论基础

2．1 第一原理方法

2．1．1 BO近似

2．1．2 非相对论近似

2．1．3 轨道近似

2．2 密度泛函理论(Density Functional Theory，DFT)

2．2．1 DFT-D校正

2．3 Materials Studi08．0 与Dmol3

2．4 小结

第三章 组氨酸插层水滑石-蒙脱石复合物理论研究

3．2 组氨酸插层水滑石-蒙脱石(His-LDHs-MMT)复合物结构分析

3．3 组氨酸插层水滑石-蒙脱石复合物(His-LDHs-MMT)性质分析

3．3．1 不同复合物的微观模型及理论计算方法

3．3．2 复合物的XRD理论模拟

3．3．3 复合物的态密度分析

3．3．4 复合物的电荷密度分析

3．3．5 复合物的静电势分析

3．4 组氨酸插层水滑石-蒙脱石复合物(His-LDHs-MMT)相互作用分析

3．4．1 复合物层间客体相互作用研究

3．4．2 组氨酸插层水滑石主客体相互作用研究

3．4．3 组氨酸插层蒙脱石主客体相互作用研究

3．4．4 组氨酸插层水滑石-蒙脱石复合物主客体相互作用

3．5 本章小结

第四章 色氨酸插层水滑石-蒙脱石复合物理论研究

4．2 色氨酸插层水滑石-蒙脱石复合物(Trp-LDHs-MMT)结构分析

4．3 色氨酸插层水滑石-蒙脱石复合物(Trp-LDHs-MMT)性质分析

4．3．1 不同复合物的微观模型及理论计算方法

4．3．2 复合物的XRD理论模拟

4．3．3 复合物的态密度分析

4．3．4 复合物的电荷密度分析

4．3．5 复合物的静电势分析

4．4 色氨酸插层水滑石-蒙脱石复合物相互作用分析

4．4．2 色氨酸插层水滑石-蒙脱石复合物主客体相互作用

4．5 本章小结

第五章 结论

5．1 本文结论

5．2 创新点

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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