无机微孔晶体材料的合成与结构数据库:建立、维护及初步应用

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无机微孔晶体材料的结构设计与定向合成目前是国际微孔分子筛与分子工程学研究的重要前沿方向。然而,由于无机微孔晶体化合物的合成化学十分复杂,至今人们对其生成机理还没有明确的认识,这就使这些材料的定向合成极具挑战性。深入研究无机微孔晶体材料结构规律以及合成反应条件与产物结构之间的关系对于无机微孔晶体材料的定向合成至关重要。本论文以开放骨架磷酸铝和假想分子筛结构为研究对象,建立开放骨架磷酸铝合成反应数据库;在前期工作基础上,对假想分子筛数据库完善和补充;对假想结构数据库中的假想结构进行了分析,对分子筛骨架类型与组成元素的关联规律进行了探索。主要结果包括:1.基于Linux平台,利用服务器端的脚本语言PHP开发了在线的磷酸铝合成反应数据库。以Apache作为网站的Web服务器,以关系型数据库管理系统MySQL数据库作为整个网站的后台数据库。开发过程中,采用模型(Model)、视图(View)和控制(Controller)即MVC模式进行整体网站构架的设计。磷酸铝合成反应数据库包含1600余条磷酸铝合成反应数据,该数据库可以对多种合成反应属性进行查询,包括文献信息(文献ID,文献标题,文献作者,文献期刊的年、卷、期、起止页码,反应原料ID,反应配比ID,晶化ID,产物ID)、反应原料信息(反应原料ID,反应原料名称,反应溶剂,模板剂)、反应配比信息(反应配比ID,反应配比)、反应产物信息(产物ID,产物名称,产物结构代码,产物分子式,产物骨架元素,产物Al/P比,产物维数,产物最大环数,产物结构ID,产物模板剂ID,产物溶剂ID)等。该数据库同时具有分析、统计功能。对磷酸铝开放骨架化合物的孔道环数、骨架元素组成、反应产物的结构维数和模板剂进行了统计分析。该数据库的建立为利用计算机数据挖掘技术研究微孔材料的合成规律提供了数据基础。2.基于Windows NT平台,利用JSP动态网页技术语言,实现了假想分子筛结构数据库的升级,扩展其功能;以Tomcat作为发布Web应用程序的服务器;以J2SDK作为网站开发的编译和运行环境,网页编写过程中引入JavaBean可重复使用的软件组件,充分实现了部分代码的重复利用。以关系型数据库管理系统MySQL作为整个网站的后台数据库;网站通过JDBC驱动程序使得应用程序与MySQL数据库能够充分连接,进而实现对数据的查询、编辑等操作;编写工具使用NotePad++调试代码,对页面以及整个构架进行整体设计和美化。升级的假想分子筛结构数据库在原数据库查询模块的基础上增加了数据库的添加数据模块、修改数据模块和删除数据模块。该数据库具有多种可以查询的结构数据,包括晶体学数据(空间群,晶胞参数,原子坐标等)、拓扑数据(配位态,连接态,配位序,顶点符号等)、组成信息(组成元素,模板剂等)、实验信息(模拟的X射线粉末衍射数据,骨架稳定性等)、孔道信息(孔道尺寸,有效体积,骨架密度,孔道维数,孔道走向等)。该数据库目前包含400余条假想分子筛结构数据,可以为复杂分子筛化合物的定向合成提供有力的帮助。3.以已知分子筛结构为研究对象,分析骨架元素组成。对158种已知结构分子筛以杂原子取代量是否超过10%为标准进行分类,采用GULP程序计算158种已知结构分子筛和假想数据库中的292种假想分子筛结构的骨架能量和骨架密度,使用BFGS方法对158种已知结构分子筛和假想数据库中的292种假想分子筛结构进行几何构型优化,对于分子筛骨架类型与组成元素的关联规律进行了探索。仅考虑骨架能量和骨架密度两个参数,通过一种简单的方法快速选择目标分子筛材料的组成元素,进一步指导定向合成。
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