[發明專利]一種基于分子動力學的半纖維素溶解機理的分析方法

有效

• 申請號: 202110740156.3
• 申請日: 2021-06-30
• 公開（公告）號: CN113327649B
• 公開（公告）日: 2023-06-16
• 發明（設計）人: 徐環斐;孔毅;彭建軍;王唯先
• 申請（專利權）人: 青島科技大學
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00;G16C20/80
• 代理公司: 青島中天匯智知識產權代理有限公司 37241
• 代理人: 孟琦

木質纖維素生物質是一種取之不盡用之不竭的可再生資源，具有替代傳統石化產品的潛力。半纖維素是木質纖維素類生物質三大基本成分之一。利用好半纖維素，并將其制備成平臺化合物是目前的研究熱點。本發明涉及一種分子動力學的半纖維素溶解機理的分析方法，特別是離子液體和低共熔溶劑對纖維素溶劑的機理分析。通過分子動力學方法模擬低共熔溶劑與半纖維素體系并研究溶解機理，為綠色溶劑選擇提供理論指導，模擬半纖維素在低共熔溶劑和離子液體中的分布情況，研究溶劑對半纖維素的溶解效果以及溶解機理，具有重要的意義。

技術領域

本發明涉及一種分子動力學的半纖維素溶解機理的分析方法，特別是綠色溶劑，如離子液體和低共熔溶劑對纖維素溶劑的機理分析，屬于生物質高附加值利用領域。

背景技術

隨著化石能源的消耗和環境問題的日益加劇，目前迫切需要研究可持續可再生的資源。木質纖維素生物質是一種取之不盡用之不竭的可再生資源，具有替代傳統石化產品的潛力。半纖維素是木質纖維素類生物質三大基本成分之一。利用好半纖維素，并將其制備成平臺化合物是目前的研究熱點。因此半纖維素與綠色溶劑的相互作用的機理研究尤為重要。低共熔溶劑(DES)和離子液體(IL)是常用的綠色溶劑。研究半纖維素在DES和IL中的分布和溶解情況，對于木質纖維素類生物質的三大組分的分級分離及后續的高附加值利用有重要指導作用。DES用于溶解半纖維素的僅僅處于起步階段，對于半纖維素的溶解機理缺乏相關理論知識。為了更好的指導實驗和設計溶劑，將希望寄托于分子動力學模擬。分子動力學模擬可以通過計算機建模深入了解溶解轉化機理，甚至可以用來預測實驗現象。通過分子動力學方法模擬DES與半纖維素體系并研究溶解機理，為綠色溶劑選擇提供理論指導，模擬半纖維素在DES和IL的分布情況，研究溶劑的溶解效果以及背后的溶解機理具有重要的意義。

發明內容

為了避免實驗方法帶來的耗時費力成本昂貴等許多缺點，本發明提供一種基于分子動力學的半纖維素溶劑機理的分析方法，探究在綠色溶劑下的半纖維素的溶解反應機理。該方法能夠實現快速高效地分析半纖維素溶解機理，同時不受復雜體系的影響，可為開發溶解半纖維素的新溶劑提供理論指導。

為達到上述目的，一種基于分子動力學的半纖維素溶劑機理的分析方法，包括以下步驟：

步驟1、挑選適合的溶解半纖維素的溶劑；

步驟2、在仿真軟件中單獨建立所有分子模型，包括半纖維素和步驟1中的溶劑；

步驟3、將步驟2建立的分子模型進行能量和結構優化；

步驟4、在仿真軟件中建立大小適中的盒子，將半纖維素和溶劑按照一定比例放入盒子中，建立具有邊界周期性條件的半纖維素-溶劑體系模型，并對盒子進行退火和弛豫，得到穩定狀態下的半纖維素-溶劑體系模型；

步驟5、在分子動力學仿真軟件中對步驟4建立的盒子設置合適的反應力場和參數，得到模擬結果；

步驟6、通過對步驟5得到的模擬結果進行分析，通過觀察分子運動軌跡確定反應路徑，根據反應后的碎片數量和結構判斷溶劑的處理效果，進而達到半纖維素的溶解機理研究。

進一步的，步驟1中的溶劑是指綠色溶劑，如離子液體或低共熔溶劑。

進一步的，步驟2具體過程為：在仿真軟件Material?Studio或Gaussian?View中分別構建所有單體的結構模型，如離子液體中的陰陽離子單體與低共熔溶劑中的氫鍵供受體單體等。

進一步的，步驟3具體過程為：在仿真軟件Material?Studio中將步驟2建立的單體結構模型在Forcite模塊下進行能量和結構優化。

進一步的，步驟4具體過程為：在仿真軟件Material?Studio中的Amorphous?CellTools模塊中，將步驟3優化完的單體結構按照預期的數量和比例放入與實際密度相符的盒子中，先進行退火，之后分別進行NVT和NPT弛豫，得到穩定狀態下的半纖維素-綠色溶劑體系模型。