室温离子液体的分子动力学模拟

室温离子液体作为一种新型的反应介质正在受到人们的关注,近十年来成为了化学领域的研究热点。随着人们对离子液体结构与性质研究的不断深入和计算方法的快速发展,分子模拟已是研究离子液体的结构和性质的有力工具。本文介绍了分子动力学(molecular dynamics,MD)的基本原理,分子力场的种类,以及离子液体分子动力学模拟一般采用的AMBER、OPLS和CHARMM三种力场的构建形式。综述了近年来纯组分离子液体、混合组分离子液体分子动力学模拟方法研究取得的成果和最新进展,并分析了主要存在的问题。展望了离子液体分子动力学模拟的研究方向和前景,同时还提出了包含极化作用和静电远程作用的离子液体分子动力学模拟研究的基本思路。     

离子液体的量化计算及分子动力学模拟研究进展

离子液体是由有机阳离子和无机/有机阴离子构成的盐类,一般在室温或接近于室温下呈液态,因此常被称为室温离子液体(RTIL).依据不同的划分标准,离子液体有多种分类方式:根据年代的不同可将离子液体分为第一代、第二代及第三代离子液体,例如:烷基咪唑和烷基吡啶的金属卤化物盐等[1];根据阳离子的不同可将离子液体分为季鏻     

离子液体[EMIM][PF6]负载纳米SiOx表面的熔点及结构

制备了离子液体(1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸 [EMIM][PF₆])负载量不同的多孔纳米氧化硅(SiO_x), 并采用差式扫描量热分析(DSC)、X射线衍射(XRD)、激光Raman光谱、傅里叶变换红外(FTIR)光谱分析等手段研究离子液体负载纳米氧化硅后的熔点变化及相行为. 研究表明负载于纳米氧化硅表面的离子液体熔点明显下降, 且负载于不同表面羟基含量的氧化硅表面熔点下降幅度不同. 纯离子液体[EMIM][PF₆]熔点为62 ℃, 在纳米氧化硅表面负载量为35%时熔点为52 ℃, 比负载前下降10 ℃; 负载于另两种不同羟基含量的纳米氧化硅表面后熔点分别下降20和17 ℃. 而同一种纳米氧化硅(比表面积为640 m²·g^-1)在负载量小于50%时, 熔点下降明显; 进一步增大负载量, 熔点逐渐趋于本体. XRD和Raman光谱分析显示, 离子液体负载于氧化硅表面后其衍射峰或吸收峰相对强度发生明显改变. 分析负载前后纳米氧化硅的结构变化, 推断离子液体熔点下降的主要原因是离子液体分子与纳米氧化硅表面之间存在强烈的界面相互作用, 而表面羟基的密度及比表面积是影响负载后[EMIM][PF₆]离子液体相行为的主要因素.     

外电场作用下离子液体振动光谱变化的分子动力学模拟研究

Vibrational spectroscopy is a powerful tool for studying the microstructure of liquids, and anatomizing the nature of the vibrational spectrum (VS) is promising for investigating changes in the properties of liquid structures under external conditions. In this study, molecular dynamics (MD) simulations have been performed to explore changes in the VS of 1-ethyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate ([Emim][PF₆]) ionic liquid (IL) under an external electric field (EEF) ranging from 0 to 10 V·nm^-1 at 350 K. First, the vibrational spectra for [Emim][PF₆] IL as well as its cation and anion are separately obtained, and the peaks are strictly assigned. The results demonstrate that the VS calculated by MD simulation can well reproduce the main characteristic peaks in the experimentally measured spectrum. Then, the vibrational spectra of the IL under various EEFs from 0 to 10 V·nm^-1 are investigated, and the intrinsic origin of the changes in the vibrational bands (VBs) at 50, 183, 3196, and 3396 cm^-1 is analyzed. Our simulation results indicate that the intensities of the VBs at 50 and 183 cm^-1 are enhanced. In addition, the VB at 50 cm^-1 is redshifted by about 16 cm^-1 as the EEF is varied from 0 to 2 V·nm^-1, and the redshift wavenumber increases to 33 cm^-1 as the EEF is increased to 3 V·nm^-1 and beyond. However, the intensities of the VBs at 3196 and 3396 cm^-1 show an obvious decrease. Meanwhile, the VB at 3396 cm^-1 is redshifted by about 16 cm^-1 when the EEF increases to 3 V·nm^-1, and the redshift increases to 33 cm^-1 with an increase in the EEF beyond 4 V·nm^-1. The intensity of the VB at 50 cm^-1 increases because of the increase in the total dipole moment of each anion and cation (from 4.34 to 5.46 D), and the redshift is attributed to the decrease in the average interaction energy per ion pair (from -378.7 to -298.0 kJ·mol^-1) with increasing EEF. The intensity of the VB at 183 cm^-1 increases on account of the more consistent orientations for cations in the system with increasing EEF. The VB at 3196 cm^-1 weakens visibly because a greater number of hydrogen atoms appear around the carbon atoms on the methyl/ethyl side chains and the vibrations of the corresponding carbon-hydrogen bonds are suppressed under the action of the EEF. Furthermore, the intensity of the VB at 3396 cm^-1 decreases due to the decrease in the intermolecular ⁺C-H···F^- hydrogen bonds (HBs), while the relaxation effect that is beneficial for the formation of HBs simultaneously exists in the system under the varying EEF, thus causing a redshift of the VB at 3396 cm^-1.     

分子动力学模拟研究外电场对咪唑类离子液体振动谱的影响

本文利用分子动力学模拟研究了外电场对咪唑类离子液体1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(EMIMPF₆)从0到4000 cm⁻¹范围内振动谱的影响。研究结果表明,在没有外电场时利用分子动力学模拟计算得到的从400到4000 cm⁻¹的振动带可以重现实验测得的谱。当外电场从0到9 V·nm⁻¹变化时,在50.0和199.8 cm⁻¹处的振动带强度持续增强然后趋于饱和,而从400到4000 cm⁻¹的振动带强度明显减弱并最终消失。此外,在外电场从0变到2 V·nm⁻¹时,50.0 cm⁻¹的振动带红移了16.7 cm⁻¹,然后当外电场变化到3 V·nm⁻¹及更大时,该振动带红移增大到33.3 cm⁻¹。在外电场从0变到3 V·nm⁻¹时,3396.6 cm⁻¹的振动带红移大约16.7 cm⁻¹,然后当外电场增大到4 V·nm⁻¹甚至更大时,该振动带红移33.3 cm⁻¹,但是从0到4000 cm⁻¹的其他振动带的位置几乎没有变化。基于对模拟结果和先前报道文献的进一步分析,对于50.0 cm⁻¹的振动带,增加的外电场增强了阳离子和阴离子之间的极性使阳离子和阴离子间的偶极矩增大,因此该振动带的强度不断增大然后达到饱和。对于199.8 cm⁻¹的振动带增加的外电场增强了乙基链的扭转,使该振动带的强度增大并达到饱和。对于从400到4000 cm⁻¹的其他振动带,增加的外电场使EMIMPF₆中的阳离子和阴离子的取向更一致,并且可以推测这种更一致的取向可能会削弱振动带的强度甚至使它们消失。50.0 cm⁻¹处振动带的红移可能是由于外电场破坏了EMIMPF₆内部的静电场分布进而减弱了阳离子和阴离子间的相互作用。3396.6 cm⁻¹处振动带的红移可归功于外电场减弱了氮原子与阳离子咪唑环上酸性氢原子间形成的氢键的拉伸振动。对于其他的振动带,由于官能团固有的拉伸、弯曲、转动振动不受外电场的影响,外电场没有改变振动带的位置。     

室温离子液体[bmim][BF_4]和水混合物的计算机模拟研究

针对室温离子液体[bmim][BF4]和水的混合物,用分子动力学模拟研究了溶液的微观组成与浓度的关系.模拟结果表明:该混合物中各组分间的径向分布函数随[bmim][BF4]摩尔分数的增加呈有规律的变化;在此基础上计算了溶液的局部组成以及组分间的缔合因子,进一步考察了各组分间的相互作用情况;另外基于Kirkwood-Buff理论估算了混合物的偏摩尔体积、等温压缩因子以及活度系数对浓度的偏导数,对于理解离子液体与水之间的交互作用具有一定的参考意义.     

室温离子液体[bmim][BF4]和水混合物的计算机模拟研究

针对室温离子液体[bmim][BF₄]和水的混合物, 用分子动力学模拟研究了溶液的微观组成与浓度的关系. 模拟结果表明：该混合物中各组分间的径向分布函数随[bmim][BF₄]摩尔分数的增加呈有规律的变化；在此基础上计算了溶液的局部组成以及组分间的缔合因子, 进一步考察了各组分间的相互作用情况；另外基于Kirkwood-Buff理论估算了混合物的偏摩尔体积、等温压缩因子以及活度系数对浓度的偏导数, 对于理解离子液体与水之间的交互作用具有一定的参考意义.     

咪唑类离子液体结构与熔点的构效关系及其基本规律

熔点是界定、研究离子液体及其使用过程的一个重要参考指标,因此研究离子液体分子结构与熔点之间的构效关系及其基本规律有特别重要的意义。本文以从近两百遍文献及Beilstein Gmelin网络数据库中收集的约900种咪唑类离子液体中的384种咪唑类离子液体的熔点数据为依据,考察了离子液体分子结构与熔点之间的构效关系及其基本规律,这对离子液体的设计合成及应用有指导作用。     

1,3-二取代咪唑类离子液体熔点预测

以16种咪唑类四氟硼酸盐和22种咪唑类六氟磷酸盐为研究对象, 采用QSAR(quantitative structure-activity relationship)方法和遗传算法对其熔点与结构的定量构效关系进行了研究, 以实现对两类咪唑类离子液体熔点的预测. 建立的咪唑类四氟硼酸盐三参数模型相关系数R2为0.89, 咪唑类六氟磷酸盐四参数模型相关系数R2为0.85; 使用留一法对两模型进行内部验证的相关系数R2分别为0.82和0.77, 两预测模型具有真实有效性; 使用测试集对两模型进行外部验证, 所得两模型的平均预测绝对误差分别为11.43和7.78 K, 优于文献报道水平, 可得出结论, 两模型均具有较好的熔点预测能力.     

分子动力学模拟离子液体（BMIM＋／PF6-）／金红石（110）界面的结构

本文用分子动力学方法研究了室温离子液体1-甲基-3-丁基咪唑六氟化磷（BMIM＋／PF6-）在金红石（110）晶面的结构性质,旨在模拟染料敏化太阳能电池中的电解液／半导体界面性质．模拟结果表明离子液体的密度函数在界面处出现最大值,并成有序的“双层”结构排列,在金红石表面区域,阳离子（BMIM＋）的侧链有明显伸长的趋势,且咪唑环倾向平行于金红石（110）晶面．     

Molecular Dynamics Study of Ionic Liquid Film Based on [emim][Tf2N] and [emim][TfO] Adsorbed on Highly Oriented Pyrolytic Graphite

Molecular dynamics simulation was used to study the ionic liquid(IL) crystalline film based on 1-ethyl-3-methylimidazolium bis[trifluoromethylsulfonyl]imide([emim][Tf₂N]) and 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate([emim][TfO]) on the graphite surface. Our results show that the cations are parallelly distributed to the surface in the 1/2 monolayer(ML) crystalline film. The [Tf₂N]^- anions are parallel to the surface with the oxygen atoms at the bottom, whereas the [TfO]^- anions are perpendicularly distributed to the surface also with the oxygen atoms at the bottom in the 1/2 ML crystalline film. It has been found that the IL-vapor interface strongly influences the arrangement of ions at the interface. The anions in the top layer with the oxygen atoms outmost turn over to make themselves with the F atoms outmost so as to form C-H···O hydrogen bonds with the cations. The calculated orientational ordering shows that in the outmost layer at the IL-vapor interface, the cation rings present either parallel or perpendicular to the surface at 350 K.     

小尺寸金属团簇熔化过程的分子动力学模拟

运用分子动力学方法模拟了小尺寸金属团簇的熔化过程, 原子之间的作用采用嵌入原子法(EAM)模型, 计算了均方根键长涨落δ随温度的变化, 以及升温过程中团簇热容的变化. 包含55、56个原子的面心立方(FCC)结构Au团簇的熔化过程是基本相同的. 而同样结构和数目Cu团簇的熔化过程却呈现出不同的趋势. Cu55、Cu56在模拟过程中都出现了FCC结构到二十面体结构的转变. 但由于表面多出了一个原子, Cu56的热容曲线比Cu55多了一个峰, 体系出现了预熔化现象. 这表明小尺寸团簇的固液转变的过程与团簇的原子类型、几何结构和原子数目密切相关.     

中介尺度Au纳米团簇熔化的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟技术，研究了原子个数为16～8628的 Au纳米团簇的熔化过程.采用 Johnson的EAM (embedded atom method) 模型,模拟结果表明，金属纳米团簇存在一中介尺度区域.对Au纳米团簇而言，当原子个数N >456时，团簇的热力学性质与团簇尺寸呈线性关系，熔化首先从表面开始，逐步向中心区域推进，且满足Tmb－Tmc(N)＝aN(－1/3)的关系.另外，计算了中介区域的团簇的尺寸、熔化温度、表面能、熵、焓等热力学量以及均方根位移（RMSD）等动力学量，为研究纳米团簇提供定量数据.     

高压下MgO熔化特性的分子动力学模拟

Molecular dynamics simulation was used to study the melting of MgO at high pressures. The melting temperature of MgO was accurately obtained at elevated temperature and high pressure after corrections based on the modern theory of melting. The calculated melting curve was compared with the available experimental data and other theoretical results at the pressure range of 0-135 GPa. The corrected melting temperature of MgO is in good agreement with the results from Lindemann melting equation and the twophase simulated results below 15 GPa.     

金属Ni熔化前后结构变化的分子动力学模拟

使用Tight-binding势函数, 对FCC-Ni升温熔化过程的结构变化进行了分子动力学模拟. 在定压条件下模拟得到的Ni的熔点在1850 K与1900 K之间. 计算得到了体系在各温度下的径向分布函数和配位数分布等静态结构信息以及动力学性质. 计算得出的液体Ni的扩散系数在1900 K时约为5.02×10−9 m2•s−1, 与实验数据相符. 对液态体系中FCC短程有序结构可能发生的畸变以及由此导致的H-A键型变化进行了分析, 结合配位体构型搜索和键对分析方法计算了各温度下不同短程有序结构的分布. 计算表明, Ni在熔化之后仍保留有部分晶态短程结构, 但发生了较大的畸变, 同时液态中有少量的缺陷二十面体结构存在. 而液体Ni中大多数的配位体的几何构型介于FCC与缺陷二十面体之间.     

Study of Imidazolium Ionic Liquids:Temperature-dependent Fluorescence and Molecular Dynamics Simulation

The steady-state fluorescence spectra and molecular dynamics simulations were explored to investigate the temperature dependent organization in some imidazolium ionic liquids:1-butyl-3-methylimidazolium hexafluo-rophosphate([bmim][PF6]),1-ethyl-3-methylimidazolium ethylsulfate([emim][EtSO4]) and 1-butyl-3-methylimida-zolium tetrafluoroborate([bmim][BF4]).The pure room temperature ionic liquids(ILs) exhibit a large red shift at more than an excitation wavelength of around 340 nm,which demonstrates the hetero...     

CO2/离子液体体系热力学性质的分子动力学模拟

超临界CO2和离子液体(ILs)是两种绿色溶剂. 离子液体可以溶解超临界CO2, 而超临界CO2不能溶解离子液体. 由此设计构成的CO2/IL二元系统, 同时具备了超临界CO2和离子液体的许多优点: 既可以降低离子液体的粘度, 还便于相分离, 是新型的耦合绿色溶剂. 其物理化学性质对于设计反应、分离等过程非常重要. 因此, 本文以CO2/IL二元系统为研究对象, 通过选择合适的分子力场和系综, 运用分子动力学(MD)模拟方法研究了CO2/[bmim][PF6]、CO2/[bmim][NO3]等体系的热力学性质. 结果表明, CO2对ILs膨胀度的影响非常小, 当CO2摩尔分数为0.5时, ILs膨胀仅为15%. CO2/ILs的扩散系数远小于CO2膨胀甲醇、乙醇溶液的扩散系数. 随着CO2含量的增加, ILs的扩散系数提高, 粘度显著下降, 表明CO2能有效地改善ILs扩散性, 减小其粘度. 因此CO2可用以改善离子液体溶剂体系的传递特性, 增强反应分离过程在其中的进行.     

离子液体[Bmim][BF_4]中卟啉的三线态动力学

室温离子液体由于其几乎不挥发、稳定性突出、良好的电化学性能以及结构与性能的可设计性等优点,在诸多领域得到了深入的研究和广泛的应用。与传统的普通溶剂不同,离子液体的本质特点之一是其内部的微观结构具有微不均匀性。本文通过对四苯基卟啉(TPP)分子在离子液体[Bmim][BF_4]中的三线态动力学研究,发现在激光作用下,TPP的三线态寿命由2.95μs显著增加到184μs。进一步分析表明,这一现象很可能是由于离子液体的微结构在激光诱导下发生变化,被激光场或者离子诱导极化的氧气分子在离子液体微不均匀性环境中发生重新分布而引起的。