离子液体联合原子力场开发与分子动力学模拟

摘要

离子液体是在绿色化学框架下发展起来的一种新型绿色溶剂，具有挥发性小、热稳定和化学稳定性好、可多次循环使用等优点，有望显著降低在传统化工过程中大量使用的有机挥发性溶剂，从而构建环境友好的新型绿色化学工艺。因此近年来离子液体受到广泛关注，在环境、化工、生物等领域的应用不断被拓展。离子液体由阴、阳离子构成，通过离子配对和引入官能团修饰，可以有效调控其物理化学性质，满足工业上特定需求。这种“可设计性”是离子液体的最大优势，目前见诸报道的阴、阳离子种类都己超过数百种，所以理论上离子液体的种类远远超过有机溶剂。若从实验上逐一合成并研究其性质，研究成本高，研究周期长;若能建立起可靠定量的离子液体结构-性质的关系，对于从数量巨大的候选物筛选满足特定需求的功能化离子液体具有重要的科学意义。分子模拟是从分子间相互作用出发研究离子液体的各种性质-微观结构之间的联系，真正贯彻“自下而上”(bottom-up)的分子设计思路。本文用分子模拟方法针对几种离子液体及其与水的混合体系开展系统研究，并分析了宏观性质-微观分布-分子结构之间的关系，对满足特定需求的离子液体的分子设计具有重要的参考意义。主要工作如下:
　　 1、在AMBER力场的基础上，开发了一套由1-烷基-3-甲基咪唑阳离子[Cnmim]+(n=1,2,4,6,8,10)和[Tf2N]ˉ、[CF3SO3]ˉ、[CF3CO2]ˉ、[CH3CO2]ˉ、[CH3SO4]ˉ、[BF4]ˉ、[PF6]ˉ7种阴离子的联合原子力场(UnitedAtom，UA)。针对目前大多数离子液体力场预测动力学性质与实验数据相差一个数量级的问题，提出在该分子力场中考虑平均极化效应的电荷拟合方案，即用双离子对的从头计算结果拟合离子液体分子力场中的原子电荷，从而间接考虑了阴、阳离子间较强极化作用的平均效应，大大改善了分子模拟的预测结果。此外，在该联合原子的分子力场中，提出了将UA的质心作为UA基团的位置，在此基础上拟合了力场中其它参数，从而使联合原子力场更接近真实的分子结构。
　　 2、用分子动力学模拟的方法对纯离子液体联合原子力场(UA)进行验证。7种阴离子的纯离子液体在298～373 K温度范围内的模拟密度与实验值吻合得非常好，其平均相对偏差约为1％。蒸发焓（△Hvap）的模拟结果与最近实验上不同方法测定的△Hvap都比较吻合，且重现了实验上蒸发焓随咪唑烷基侧链增长的变化趋势。对于动力学性质（如扩散系数和粘度），目前非极化力场预测的结果与实验数据相比大多有数量级的差别，采用本文提出UA力场模拟的结果与实验数据符合很好，并且正确描述了温度和烷基链长对扩散系数和粘度的影响趋势。结果表明，本工作在预测性质的准确度和计算复杂度以及力场可移植性之间寻找平衡，构建了一个模拟结果可靠、计算量适中的离子液体力场。
　　 3、在不引入任何额外参数调整的情况下，通过常规的Lorentz-Berthelot(LB)混合规则获得不同原子间的交叉作用参数。用于[C4mim][BF4]-H2O混合体系的模拟，本文提出的联合原子力场能准确预测该体系正的过量体积和过量焓以及溶液粘度随浓度的变化，反映出该力场的良好扩展性。通过研究该体系的微观结构，发现随着水浓度增加，水在混合物中的形态发生很大变化，可明显定位出两个转折点:在x2＜0.2的低水浓度溶液中，大多数水分子孤立存在于由阴、阳离子作用形成的极化网络结构中;在0.2＜x2＜0.8的溶液中，水分子通过自聚形成水分子簇;x2≥0.8的溶液中，几乎所有水分子聚集成一个大的水分子簇，并且发现有离子液体的自聚，在0.9＜x2＜0.95时，自聚程度最大。
　　 4、采用前述建构力场的方法，模拟很好重现了C2甲基取代后密度减小、蒸发焓和粘度增大以及扩散速度减小等实验现象。针对文献提出的粘度增加来源于烷基链转动能垒增加的观点，本工作通过假想物质的模拟研究，表明仅增加转动能垒不会导致粘度的大幅变化，仅占粘度总增加量的13％。粘度增加主要来源于电荷的重新分布（占粘度总增加量的41％）和范德华参数的改变（占粘度总增加量的46％）。

目录

声明

学位论文数据集

摘要

第一章 绪论

1．1 离子液体简介

1．1．1 离子液体发展简史及现状

1．1．2 离子液体分类

1．1．3 离子液体的特性及应用

1．2 分子模拟方法

1．2．1 蒙特卡罗和分子动力学模拟

1．2．2 分子力场

1．3 本文研究目的、方法和内容

参考文献

第二章 开发离子液体联合原子力场

2．1 离子液体力场的现状与问题

2．2 本文改进力场的策略

2．3 力场形式及原子类型的确定

2．3．1 分子力场

2．2．3 联合原子力场中原子类型的确定

2．2．4 优化孤立阴离子构型

2．4 联合原子力场参数的确定

2．4．1 联合原子力场原子电荷的确定

2．4．2 联合原子LJ参数的确定

2．4．3 键拉伸和键角弯曲参数的确定

2．4．4 二面角参数的确定

2．5 本章结论

参考文献

第三章 纯离子液体的分子动力学模拟

3．1 引言

3．2 模拟细节

3．3 结果与讨论

3．3．1 离子液体的密度

3．3．2 离子液体的蒸发焓

3．3．3 离子液体的扩散性质

3．3．4 离子液体的剪切粘度

3．4 本章结论

参考文献

第四章 分子动力学模拟方法研究[C4mim][BF4]／水混合物热力学和动力学性质及微观结构的演变

4．1 引言

4．2 离子液体与水混合物的研究进展

4．3 力场模型及模拟细节

4．3．1 力场模型

4．3．2 模拟细节

4．4 结果与讨论

4．4．1 [C4mim][BF4]与H2O混合物的体积性质

4．4．2 [C4mim][lBF4]与H2O混合物的过量摩尔焓。

4．4．3 [C4mim][BF4]与H2O混合物的粘度

4．4．4 [C4mim][BF4]与H2O混合物的扩散系数

4．4．5 [C4mim][BF4]与H2O混合物的微观结构和水的聚集

4．5 本章结论

参考文献

第五章 CR位置甲基化对离子液体动力学性质的影响机理

5．1 引言

5．2 分子力场开发及验证

5．2．1 分子力场

5．2．2 验证分子力场

5．3 结果与讨论

5．3．1 离子液体动力学性质

5．3．2 烷基旋转受阻对动力学性质的影响

5．3．3 静电作用对动力学性质的影响

5．3．4 范德华作用对动力学性质的影响

5．4 本章小结

参考文献

第六章 总结与展望

6．1 结论

6．2 展望

附录 联合原子力场参数

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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博士研究生学位论文答辩委员会决议书