液态水的分子动力学模拟

用分子动力学(MD)模拟方法在150~376K的温度范围内对液态水的微正则系统进行了研究。考察了液态水的结构及其性质。模拟采用了由从头算得出的柔性水-水相互作用势MCYL。对时间和空间的平均得出了液态中水分子几何构型及温度改变所引起的液态水结构变化。对径向分布函数gOH, gOO, gHH及配位数的分析表明, 在所考察的温度范围内, 每个水分子与相邻分子形成的氢键数为2~3, 水分子在参与的2个氢键中同时作为授受体。结合对振动谱的研究表明在低温时液态水形成的网络结构可能随温度的升高而形成小的簇结构。     

温度对液态水结构的影响：中子及X射线散射研究

采用中子散射和X射线散射研究了液态水在298～373 K温度范围内的结构,通过偏径向分布函数(PDF)、配位数分布(CN)、角分布(ADF)及空间密度分布(SDF)等讨论了温度对液态水结构的影响。整体来看,液态水具有"不规则四面体"氢键网络的短程有序结构,该有序度可延续到第三水合层。液态水分子的第一水合层中,围绕中心水分子约有4.8个水分子,然而其中仅有约3.3个水分子与中心水分子通过氢键相键合,约1/3进入到第一水合层的水分子并未与中心水分子直接键合,也正是这些间隙水分子的存在加剧了液态水结构的复杂性。温度对液态水的有序度存在一定的影响,在298～373 K的有限温度变化范围内,温度对液态水中氢键的键长、键角分布及第一水合层SDF的影响不大。从298K升温到373K,O(W)-O(W)距离仅增加0.03?,氢键数目也仅有微小减少,温度对第二和第三水合层的影响则要显著很多。     

聚N,N-二乙基丙烯酰胺低聚物水溶液的分子动力学研究

对50个单元构成的聚N,N-二乙基丙烯酰胺(PDEA)低聚物的水溶液体系进行了分子动力学的研究,分别模拟了300 K时的伸展链、310 K时的伸展链以及紧缩链与水构成的体系,对溶液中PDEA周围溶剂水分子的分布情况以及水分子形成氢键的情况进行了统计,结果表明在PDEA周围的水产生了比本体水更有序的结构,形成了更多的氢键,这种有序结构维持到第二水合层甚至更远.发生相分离后,PDEA与水分子形成的氢键大部分未被破坏,水合层中每个水分子形成的氢键数也没有明显变化,但水合层(形成有序结构的水分子)内水分子数目的减少使得总的氢键数目减少,从而造成体系能量增加及熵增加.同时还研究了聚合物及水分子的自扩散系数,表明PDEA影响周围水分子结构的同时,对水的动力学性质也产生了很大影响.     

水化镁基蒙脱石的分子动力学模拟

利用分子动力学(MD)模拟了300 K时镁基蒙脱石(粘土)层间水和镁离子的结构和动力学性质.模拟结果显示水在粘土层间分为二层,只有一小部分水被粘土表面吸附,与粘土结构中的羟基形成氢键,不同分布位置的水处于动态平衡.层间水分子氢键配位数比普通水少24%左右,水在粘土中自扩散系数D＝5.355×10^-10 m²·s^-1,约为主体相水的1/4.镁离子在粘土层间形成一层,其与水分子配位数约为6.进一步讨论了温度对粘土层中水的结构和动力学性质的影响.随着温度升高,水层的局部密度ρ(z)降低,水在XY方向的扩散系数不断增大.当温度达到600 K后,层间水分子间的氢键断裂,与超临界状态下水的结构相似,层间水的扩散系数达最大值,温度进一步升至700 K时,其值基本无变化.     

特殊缔合体系TFE水溶液分子动力学模拟

三氟乙醇(TFE)水溶液是一类特殊的缔合体系. 采用分子动力学模拟方法结合核磁共振化学位移研究了TFE水溶液体系全浓度范围的氢键网络, 并对动力学模拟结果和核磁共振化学位移进行了比较. 从径向分布函数(RDF)发现, TFE水溶液中存在着强氢键, 而体系中的C—H…O弱相互作用较为明显, 也不能忽略. 氢键网络分析发现TFE 水溶液体系的氢键大致分为以下三个区域: 在水富集区域, 水分子倾向于自身缔合形成稳定的簇结构, 随着TFE 浓度的增加, 水的有序结构受到破坏, 水分子和TFE分子发生交叉缔合作用形成氢键; 在TFE富集区域, 水分子较少, TFE分子自身通过氢键形成多缔体结构. 此外, 分子动力学统计的平均氢键数的变化和文献报导的核磁共振化学位移变化趋势相同, 实验和理论的结果吻合较好.     

不同浓度聚乙烯醇对甲烷水合物分解作用的分子动力学模拟

采用分子动力学方法,模拟了273.15K下聚乙烯醇(PVA)对甲烷水合物的分解作用.研究发现,PVA浓度为2.7wt%时,水分子始终在其平衡位置附近波动,扩散系数仅为1.04×10-11m2/s;PVA浓度为5.2wt%时,水合物笼型结构坍塌,水分子以液态水的形式存在,甲烷分子从孔穴中逸出,聚乙烯醇的羟基在分子内部形成氢键,形成团簇,产生空间位阻,阻止了水分子再生成水合物,水分子的扩散系数1.61×10-9m2/s;PVA浓度为7.6wt%时,甲烷水合物周围有部分笼型结构被破坏,部分甲烷分子从孔穴中逸出,水分子扩散系数为3.55×10-10m2/s.得出聚乙烯醇对甲烷水合物的分解作用大小为:5.2wt%7.6wt%2.7wt%,为PVA溶液促进甲烷水合物分解实验研究提供参考.     

甘油水溶液氢键特性的分子动力学模拟

为了研究低温保护剂溶液的结构和物理化学特性, 以甘油为保护剂, 采用分子动力学方法, 对不同浓度的甘油和水的二元体系进行了模拟. 得到了不同浓度的甘油水溶液在2 ns内的分子动力学运动轨迹, 通过对后1 ns内运动轨迹的分析, 得到了各个原子对的径向分布函数和甘油分子的构型分布. 根据氢键的图形定义, 分析了氢键的结构和动力学特性. 计算了不同浓度下体系中平均每个原子(O和H)和分子(甘油和水)参与氢键个数的百分比分布及其平均值. 同时还计算了所有氢键、水分子之间的氢键以及甘油与水分子之间的氢键的生存周期.     

醇及脱氧核糖与水分子间三体作用强度的快速准确计算

快速准确预测醇及脱氧核糖分子与水形成的氢键复合物的三体作用强度, 对准确模拟水环境下蛋白质和DNA的结构和功能至关重要. 基于对多体极化作用的理解, 在可极化偶极-偶极作用模型(PBFF)基础上, 将体系中的极性化学键视为化学键偶极, 通过模拟键偶极的极化计算了醇及脱氧核糖与水分子形成的氢键复合物的三体作用能. 通过拟合甲醇与水氢键复合物的三体作用能随分子间距离变化的能量曲线确定了所需的参数. 将模型和所确定的参数应用于计算更多的甲醇、 乙醇及脱氧核糖与水氢键复合物的三体作用能, 检验了模型的准确性和参数的可转移性. 计算结果表明, 可极化偶极-偶极作用模型及所确定的参数能够较好地预测具有不同结构的氢键复合物的三体作用强度, 其精度可与MP2方法的计算精度相当.     

表面增强拉曼光谱研究银电极/乙腈界面微量水的吸附行为

利用表面增强拉曼散射技术研究了含微量水的乙腈溶液中银电极 /乙腈界面水分子的吸附行为 ,详细考察了随电极电位的改变及微量水浓度对其的影响 .研究表明 ,银电极双电层中存在多种吸附模式下的水分子结构 .在较正电位下 ,水分子主要与乙腈形成弱的氢键共吸附于电极表面上 ,ν(O— H)伸缩振动出现在3 487cm- 1左右 ,一定范围内增加体相水的浓度对其影响较小 ;在较负电位下 ,随着乙腈解离反应的进行 ,水分子转为与表面配合物 [Ag(CN) n]( n- 1 ) - 作用而共吸附于电极表面 ,其有序性地增加导致 ν(O— H)频率出现在更高的波数 3 5 83 cm- 1 .增加水的浓度加强了界面水分子间的氢键作用 ,致使 ν(O— H)红移 ;在极负电位下 ,水分子发生解离 ,ν(O— H)的振动主要来自 Li OH微晶 ,其波数为 3 665 cm- 1 .随着体相水含量的增加 ,电极表面进一步形成水合 Li OH· H2 O,特征 ν(O— H)的波数为 3 5 63 cm- 1 .     

油纸复合介质中水分子扩散行为的分子动力学模拟

对不同温度下水分子在油纸复合介质中的扩散行为进行了分子动力学模拟研究. 通过分析水分子与纤维素形成的氢键发现, 油中的水分子在模拟过程中会逐渐扩散到纤维素内并与之形成氢键, 而纤维素内的水分子则与纤维素形成氢键后被束缚于纤维素中. 通过分析水分子的扩散系数发现, 由于油和纤维素的极性不同, 使得水分子在油和纤维素两种单介质中的扩散行为有较大差别, 而在复合介质中的扩散系数受水分子在油和纤维素中的比例影响较大, 两者表现出很强的相关性. 水分子和两介质的相互作用与两介质的极性也存在很大的关系, 且不同温度下水分子与两介质的相互作用能和水分子在油和纤维素中的比例也表现出了较强的相关性. 不同温度下水分子的不同分布弱化了温度对扩散系数的影响.     

高岭石-水体系中水分子结构的分子动力学模拟

以Hendricks模型为初始结构, 利用CLAYFF力场对高岭石-水体系进行无晶体学限制的分子动力学模拟. 结果表明, 层间水有三种类型: I型类似于Costanzo提出的“洞水”分子, 其HH矢量(水分子中从一个氢原子位置指向另一个氢原子位置的方向矢量)平行于(001)平面, 而C2轴稍微倾斜于(001)面法线; II型类似于“连接水”, 一个氢氧键指向临近的层间四面体氧形成氢键, 另一个氢氧键与(001)面近似平行; III型水分子在层间近似保持为竖直状, 一个氢与层间四面体氧形成氢键, 而另一个氢与对面层的羟基氧形成氢键. 高岭石羟基氢沿(001)晶面法线的浓度曲线显示一部分羟基指向变为近似平行于(001)面, 羟基氧因此能够暴露出来与层间水分子氢形成氢键. 此外, 模拟中还观察到部分II型水分子氧偏离于层间的平均位置而更靠近四面体层, 这和Costanzo的实验结果一致, 可能是X射线谱图中(002)弱衍射峰出现的原因.     

液态水几何构型的分子动力学模拟

利用ＭＣＹＬ势对液态水进行分子动力学模拟，以探求近程和远程相互作用及液体的有序结构对水分子几何构型的影响，并确定对液态中水分子几何构型起作用的主要范围。模拟给出的液态水中原子对径向分布函数和水分子键长键角的变化与实验值能较好地符合。研究结果表明，液态水分子几何构型除与氢键的形成有关外，还与液体的近程有序结构有很大关系。键长的变化对这种近程有序结构虽不敏感，但键角的变化则对此非常灵敏。液态中第二水合     

人体端粒中(3+1)混合结构G-四链体稳定性的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟方法, 考察了人体端粒中(3+1)混合结构G-四链体的结构及稳定性问题. 讨论了配位K+离子、药物分子(端粒抑素)和溶剂水分子对G-四链体的Hoogsteen氢键结构、π-π堆积作用的影响. 研究表明, K+离子与鸟嘌呤碱基上O6原子的配位作用减弱了对角鸟嘌呤间O6-O6的静电排斥作用, 使得相邻的四个鸟嘌呤能够以Hoogsteen氢键结合的方式形成具有近平面结构的稳定G-四平面. 另一方面, G-四平面间、G-四平面与药物分子间的π-π堆积作用降低了G-四链体复合物的总能, 有利于其稳定存在. 此外, 溶剂水分子主要分布在G-四链体的TTA环、骨架和糖环的周围, 使其位移涨落增大; 然而, 在3 ns动力学模拟中, 由于水分子没有进入到G-四链体的空腔中, 溶剂水对G-四平面的结构影响不明显.     

离子对水结构的影响

液态水中广泛存在的氢键网络使其作为一种结构性很强的液体在自然界中发挥着独一无二的作用。电解质溶于水中后,以水合离子形式存在,离子附近强大的电场使水合层中的偶极水分子发生重排,这些水分子的结构与本体水的结构存在差异。一个多世纪以来,科学家做了大量关于离子对水结构影响的研究。本文从静态谱学和溶剂动力学两方面综述了离子对水结构影响的研究进展,概括了水中氢键的研究情况,并就离子对水结构影响在生物化学方向的重大意义-Hofmeister效应作了解释。     

纯水溶液中的氢键交换反应路径

利用分子动力学模拟方法对纯水溶液的氢键转化动力学性质进行了深入的微观探讨,溶液中非氢键构型为寿命较短(0.1～0.2 ps)的过渡态构型,我们发现氢键交换通过两种过渡构型完成,氢键角度扭曲激发后与氢键第一壳层水分子沿路径1交换,氢键径向拉伸激发后与氢键第二壳层水分子沿路径2交换,过渡态路径的选择具有温度依赖性.氢键转化需在旧氢键受体氢键过量和新氢键受体氢键不足,同时满足交换反应空间结构要求下才能完成.氢键交换反应对水分子平动和转动行为起着决定作用.     

类水滑石主体层板与客体CO2-3、H2O间的超分子作用

通过构建类水滑石双层计算模型, 采用混合密度泛函B3LYP/6-31G(d)//B3LYP/3-21G方法计算类水滑石(LDHs-CO3-yH2O)的结构与能量, 探讨LDHs限域空间中客体阴离子及水分子的分布形态以及主客体超分子作用. 计算结果表明, 客体阴离子与水分子以平行层板的方式存在于水滑石层间. 主客体发生作用时, CO2-3的HOMO轨道向层板的LUMO轨道转移电子. 所形成的LDHs-CO3主客体作用要强于LDHs-F以及LDHs-Cl, 与其离子交换性能相一致. 水滑石去水结构(LDHs-CO3)水合过程, 氢键作用较静电作用更占优势, 并且layer-water型氢键要强于anion-water 型氢键. 此外, 水合能计算表明LDHs水合具有一定的饱和量.     

乙腈-水-高氯酸钠体系弱作用力二维相关红外光谱研究

运用衰减全反射二维相关傅立叶变换红外光谱(ATR-2D-FTIR), 以浓度为外扰因素, 对乙腈(CH₃CN)-水(H₂O)-高氯酸钠(NaClO₄)体系存在的一些弱作用力进行了研究. 结果表明体系中乙腈的CH₃与水分子OH存在相互作用. 无机盐高氯酸钠的加入破坏了水分子的氢键结构, 阴阳离子分别与水发生相互作用. Na^＋与氢键缔合水分子发生作用, 而非自由水分子. 无机盐的加入对体系中微观结构变化产生较大影响.     

类水滑石主体层板与客体CO2-3、H2O间的超分子作用

通过构建类水滑石双层计算模型,采用混合密度泛函B3LYP/6-31G(d)//B3LYP/3-21G方法计算类水滑石(LDHs-CO3-yH2O)的结构与能量,探讨LDHs限域空间中客体阴离子及水分子的分布形态以及主客体超分子作用.计算结果表明,客体阴离子与水分子以平行层板的方式存在于水滑石层间.主客体发生作用时,CO2-3的HOMO轨道向层板的LUMO轨道转移电子.所形成的LDHs-CO3主客体作用要强于LDHs-F以及LDHs-Cl.与其离子交换性能相一致.水滑石去水结构(LDHs-CO3)水合过程,氢键作用较静电作用更占优势,并且layer-water型氢键要强于anion-water型氢键.此外,水合能计算表明LDHs水合具有一定的饱和量.     

聚乙烯唑啉作用下甲烷水合物分解的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟系统研究了不同质量浓度下(1.25%、2.50%、6.06%)聚乙烯唑啉(PEtO)对甲烷水合物的分解作用. 模拟体系为甲烷水合物2′2′2的超胞和聚合物对接体系. 模拟发现水分子间氢键构架的水合物笼型结构在PEtO的作用下出现扭曲, 最终导致水合物笼型结构完全坍塌. 通过氧原子径向分布函数、均方位移以及扩散系数比较不同浓度PEtO的作用, 证实在一定浓度范围内, PEtO的浓度越高, 其水合物分解作用越强. 此外, PEtO 具有一定的可生物降解性. PEtO 对水合物的作用为: PEtO 吸附在水合物表面, 其中的酰胺基(N―C＝O)与成笼的水分子形成氢键, 破坏邻近的笼形结构, 令水合物分解; PEtO不断分解表面的水合物, 直到水合物笼完全分解.     

稀醋酸/水溶液中单个醋酸与水分子的氢键结构

在醋酸/水体系的工业分离中,溶液中的氢键对分离效率有很大影响.本文采用两种第一性原理方法,即从头算分子动力学模拟(AIMD)和量子化学计算(QCC),对由单个醋酸和不同水分子所组成聚合体的氢键相互作用进行了研究,采用极化统一模型和自洽反应场模型计算得到了聚合体在水溶液中的热力学数据.从QCC计算的气相和水溶液中的聚合自由能表明六元环在两种状态下都为最优结构,热力学数据反映出的各种结构的相对稳定性与AIMD模拟的环分布符合得相当一致.研究表明,由于存在醋酸和水分子间的氢键作用,稀醋酸/水溶液中的醋酸分离要比在浓醋酸溶液中困难得多.