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近年来室温离子液体引起了国内外的广泛关注,离子液体作为传统有机溶剂的替代品在化学反应、分离,催化等方面得到了广泛的应用。作为一种可设计的溶剂,数目繁多的新型离子液体不断涌现,然而结构性质关系暂不明确。计算机模拟作为分子设计不可或缺的手段之一,成为研究体系微观结构及宏观物性的有效途径。本文第2、3章主要针对两类胍类离子液体进行分子动力学模拟,第4章对比了全原子力场及联合原子力场模拟结果的异同,第5章对长链磷类离子液体中可能存在的团簇现象做了探索性研究。具体内容如下:
(1)在AMBER力场的基础上,通过从头计算优化体系构型,利用力场构建的系统方法得到了离子液体的分子力学力场。在不同温度下对5种脂肪族胍类离子液体进行了分子动力学模拟,模拟结果表明,相对于普通溶剂,离子液体具有非常高的内聚能和蒸发焓;通过研究离子液体的径向分布函数及空间分布函数,发现阳离子上的氨基H原子与阴离子上的O原子形成氢键,阴阳离子间形成溶剂化层结构,在第一溶剂化层中,两个阴离子分布在氨基周围,其余分布在阳离子胍平面的上下两侧或甲基周围。
(2)在AMBER力场的基础上建立了11种环状胍类离子液体的分子力学力场,进行了分子动力学模拟。系统地研究并比较了离子液体的扩散性质,包括体系阴阳离子的自扩散系数、粘度及电导率。结果表明,胍类离子液体相对于普通溶剂扩散很慢,同体系离子液体的活动性随着烷基侧链的缩短而减弱。为了研究体系的构效关系,文中对10余种离子液体的微观结构进行了深入的探索,研究了体系的径向分布函数及空间分布函数。模拟结果表明,体系中存在氢键相互作用,而这种阴阳离子对之间的氢键相互作用对体系的动力学性质影响显著,在很大程度上限制了离子液体的自由运动,阴阳离子之间氢键作用越强,自扩散越慢,粘度越高。通过对离子液体微观结构的研究,发现阴阳离子呈现了溶剂化层结构,每个阳离子周围存在5~7个阴离子。
(3)在模拟计算过程中,发现对于较为复杂的离子液体体系,全原子(All-atom,AA)力场基础上得到的结果虽然准确性高,但是计算资源消耗非常大。本章在AMBER力场的基础上,建立了4种胍类离子液体的全原子及联合原子(United-atom,UA)力场并进行了分子动力学模拟,其中UA力场的计算量仅仅是全原子力场的1/6。在两种力场的基础上分别进行动力学模拟,结果表明两种力场下的模拟密度,分子间相互作用能量值及得到的微观结构非常接近;两种力场基础上得到的扩散性质有较大的差异。因此,如果一个研究体系含有较多的甲基及亚甲基基团,这些基团对体系的相互作用影响不大,而且体系的扩散性质不是研究的重点,则可以选取UA力场代替AA力场,在保证结果精确度的同时大幅度地节省计算资源。
(4)开发了一种长链磷类离子液体的联合原子力场,并进行了分子动力学模拟,研究体系中的团簇现象。模拟在多个温度下进行,探索温度对体系结构及团簇的影响。研究发现,随着温度的升高,离子液体阴阳离子之间以及阳离子之间的作用强度降低,团簇的趋势逐渐减弱。由于目前对于离子液体的团簇结构没有明确的定义,因此本文提出了一种基于原子数密度的团簇评价标准。