纤维二糖在1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐及水混合溶液中的热力学及输运性质研究

摘要

做为一种自然界广泛存在的可持续性资源，木质纤维素日益受到关注，但由于植物细胞壁的耐受性(recalcitration)，高成本的预处理过程一直是限制木质纤维素应用的最大障碍。离子液体(ionicliquids，ILs)是一种仅由阴阳离子构成的新兴溶剂，由于其蒸汽压极低和多样化的可设计性而备受关注。目前文献已报道数种能在较温和条件下溶解木质纤维素的离子液体，但其溶解机理尚不明确。本文选取离子液体[emim][Ac]和纤维二糖（cellobiose，纤维素的最小重复单元）为对象，开展了分子动力学（moleculardynamics，MD）模拟研究。
　　 目前IL-纤维素体系MD研究中力场都缺乏与实验数据直接比较的验证，本文模拟了303.15K～393.15K时的纯[emim][Ac]体系以及303.15K～353.15K条件下的[emim][Ac]+cellobiose体系的密度、恒压热膨胀系数、自扩散系数、剪切粘度以及旋转相关系数等，MD模拟结果与实验值都符合良好。在此基础上通过分析径向分布函数(radialdistributionfunction，RDF)发现阴离子与纤维二糖上的羟基形成较强的氢键。虽然阳离子咪唑环上的活泼氢与羟基也能形成氢键，但其强度很弱。在[emim][Ac]+cellobiose混合体系中氢键的相对强弱为:阴离子-cellobiose＞阳-阴离子＞阳离子-cellobiose，这与NMR方法测定的质子化学位移结果相一致。
　　 由于水在离子液体实际应用中不可避免，在纤维素的预处理中也可用于再生(regeneration)无定形的纤维素，本文也模拟了三元体系[emim][Ac]+cellobiose+water。在保持[emim][Ac]和cellobiose的分子数目不变的同时，本文通过往体系中加入不同数目的水分子研究其对纤维二糖溶解的影响，并着重分析了其氢键网络。结果表明，当把水分子如入到[emim][Ac]+cellobiose的混合溶液中时，明显削弱了阴阳离子间的相互作用，而且其同时与cellobiose分子间形成强烈的氢键。

目录

声明

学位论文数据集

摘要

符号说明

第一章 绪论

第二章 分子模拟及计算分析方法

2．1 模拟方法

2．2 计算分析方法

2．2．1 自写程序中周期性边界条件的使用

2．2．2 纤维二糖上二面角定义方法

2．2．3 两种计算旋转相关时间的方法间的比较

2．2．4 氢键定义

2．2．5 水分子簇大小的计算

第三章 纯离子液体性质的模拟

3．1 密度和摩尔体积

3．2 径向分布函数(RDFs)

3．3 自扩散

3．4 粘度

3．5 旋转相关时间

第四章 离子液体与纤维二糖混合溶液的模拟

4．1 结构及氢键相互作用

4．2 输运性质以及动力学性质

第五章 离子液体+纤维二糖(cellobiose)+水混合溶液的模拟

5．1 密度和摩尔体积

5．2 径向分布函数

5．3 平均力势能(PMF)

5．4 自扩散

5．5 粘度

5．6 氢键

第六章 本文结论

参考文献

研究成果及发表的学术论文

附录 1

致谢

作者及导师简介

硕士研究生学位论文答辩委员会决议书