天然产物类水合物动力学抑制剂分子模拟研究

发布时间：2017-10-30 01:20

  本文关键词：天然产物类水合物动力学抑制剂分子模拟研究

  更多相关文章： 甲烷水合物 天然产物 动力学抑制剂 分子动力学模拟

【摘要】：目前开发的动力学抑制剂多为酰胺基聚合物,其耐用过冷度较低,降解性差,环境污染大,探寻能在高过冷度下应用、环境友好的动力学抑制剂成为一种必然的趋势。天然产物因具有高降解性、环境友好等特点而受到广泛的关注,氨基酸、壳聚糖、淀粉、果胶等天然产物都具有较好的水合物抑制效果,但相关抑制机理的研究甚少,因此本文采用分子动力学模拟方法研究壳聚糖、淀粉、果胶等三种多糖类天然产物对甲烷水合物生长过程的影响,微观分析多糖类物质的不同官能团的抑制作用,探究了六元环的葡萄糖、五元环的果糖以及线性的核糖等单糖单元对甲烷水合物的作用机理,为多糖类天然产物动力学抑制剂的广泛应用提供理论依据。论文选用Gromacs分子模拟软件,在NPT系综、260K、15MPa条件下模拟20 ns,通过分析体系的构象图、碳原子的径向分布函数、甲烷的密度分布以及体系的能量图等参数考察不同糖类物质对甲烷水合物生长过程的影响。首先考察了纯甲烷水合物生长体系,研究发现,纯甲烷-水体系没有出现甲烷气泡现象,甲烷水合物从晶体界面处开始生长,生长速度快,体系能量在3 ns时刻达到平衡。添加不同浓度的壳聚糖时,在一定的浓度范围内,高浓度的壳聚糖的抑制性能优于低浓度的壳聚糖体系。2.26 wt%壳聚糖体系能量在5.0 ns时达到平衡;3.53 wt%壳聚糖体系能量在6.5 ns时刻达到平衡状态。壳聚糖分子的氨基、羟基等活性官能团与水分子作用形成氢键,扰乱了水分子的有序状态。体系中出现明显的气泡现象,增大了甲烷分子的传质阻力,降低了水合物的生长速度。2.09 wt%、3.09 wt%淀粉在260 K、15 MPa下对甲烷水合物的生长有一定的抑制作用。2.09 wt%淀粉体系能量在5.0 ns时达到平衡;3.09 wt%淀粉体系能量在6.0 ns时达到平衡。体系中淀粉分子的活性官能团与周围的水分子作用,扰乱水分子的有序结构,葡萄糖单元的环状结构在空间上阻碍了甲烷、水分子的运动。添加果胶的甲烷水合物体系中,2.46 wt%果胶体系在6 ns时刻体系能量快速下降达到平衡值;在3.62 wt%果胶体系在12 ns体系能量达到平衡状态。体系中出现甲烷气泡,果胶分子在气液界面处形成一层聚合物层增加了气液传质的阻力,加大了水合物生成的难度。果胶分子中的双键氧与水分子形成众多氢键,极大程度上扰乱了水分子的有序结构。比较壳聚糖、淀粉、果胶的模拟结果可得到,果胶的抑制性能优于壳聚糖、淀粉。果胶分子中双键氧原子、壳聚糖的氮原子、淀粉的氧原子与水分子形成氢键的相互作用能分别为-40.30 KJ/mol、-31.60 KJ/mol、-33.80 KJ/mol,果胶双键氧原子的相互作用能最大,形成氢键能力最强,对水分子的扰乱作用较大,使得果胶的抑制性能较好。考察了六元环的葡萄糖、五元环的果糖和线性的核糖等单糖体系中糖类环状结构对甲烷水合物的抑制影响,结果显示,葡萄糖、果糖和核糖能量平衡的时间分别为5.5 ns、5.5 ns、5.0 ns;单糖的六元环、五元环等环状结构在水合物生长过程中起到空间阻碍作用。通过分析糖类物质与甲烷水合物中水分子形成氢键的数量以及活性官能团与水分子形成氢键的能力,提出了层阻扰乱机理,糖类物质倾向处于气液界面处,增大客体、水分子的层传质阻力;同时,糖类物质的活性官能团与周围的水分子形成氢键作用,扰乱了水分子的有序结构。
【关键词】：甲烷水合物 天然产物 动力学抑制剂 分子动力学模拟
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O636.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 引言11-12
• 1.2 水合物动力学抑制剂的研究进展12-19
• 1.2.1 聚酰胺类动力学抑制剂12-15
• 1.2.2 离子液体类动力学抑制剂15-17
• 1.2.3 天然产物类动力学抑制剂17-19
• 1.3 水合物动力学抑制剂的抑制机理19-23
• 1.3.1 吸附机理19-21
• 1.3.2 扰乱机理21-22
• 1.3.3 层传质阻碍机理22-23
• 1.3.4 其他机理23
• 1.4 本文研究意义及内容23-25
• 第二章 模型建立与方法参数25-32
• 2.1 模型结构25-26
• 2.1.1 甲烷水合物生长模型25-26
• 2.1.2 抑制体系模型26
• 2.2 模型方法参数26
• 2.3 结果分析26-31
• 2.3.1 构象分析27-28
• 2.3.2 碳原子径向分布函数28-29
• 2.3.3 密度分析29-30
• 2.3.4 能量分析30-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第三章 多糖类物质的抑制性能研究32-53
• 3.1 壳聚糖的抑制性能32-39
• 3.1.1 构象分析32-34
• 3.1.2 碳原子径向分布函数34-36
• 3.1.3 密度分析36-37
• 3.1.4 能量分析37-39
• 3.2 淀粉的抑制性能39-45
• 3.2.1 构象分析39-41
• 3.2.2 碳原子径向分布函数41-43
• 3.2.3 密度分析43-44
• 3.2.4 能量分析44-45
• 3.3 果胶的抑制性能45-52
• 3.3.1 构象分析46-48
• 3.3.2 碳原子径向分布函数48-50
• 3.3.3 密度分析50-51
• 3.3.4 能量分析51-52
• 3.4 本章小结52-53
• 第四章 单糖类物质的抑制性能研究53-66
• 4.1 葡萄糖的抑制性能53-57
• 4.1.1 构象分析53-55
• 4.1.2 碳原子径向分布函数55-56
• 4.1.3 密度分析56-57
• 4.1.4 能量分析57
• 4.2 果糖的抑制性能57-61
• 4.2.1 构象分析57-58
• 4.2.2 碳原子径向分布函数58-59
• 4.2.3 密度分析59-60
• 4.2.4 能量分析60-61
• 4.3 核糖的抑制性能61-65
• 4.3.1 构象分析61-62
• 4.3.2 碳原子径向分布函数62-63
• 4.3.3 密度分析63-64
• 4.3.4 能量分析64-65
• 4.4 本章小结65-66
• 第五章 糖类抑制剂的作用机理研究66-76
• 5.1 能量平衡时间66-67
• 5.2 机理分析67-75
• 5.2.1 氢键数量69-73
• 5.2.2 相互作用能73-75
• 5.3 本章小结75-76
• 结论76-78
• 参考文献78-83
• 攻读硕士学位期间取得的成就83-84
• 致谢84-85
• 附件85

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