氨基酸离子液体的结构和阴阳离子间相互作用的理论研究

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本论文主要运用量子化学计算方法中的密度泛函理论,在B3LYP/6-311++G**理论水平上对两种具代表性的氨基酸离子液体[C3mim]+[Glu]-(1-甲基-3-丙基咪唑阳离子谷氨酸阴离子)和[Pro]+[NO3]-(脯氨酸阳离子硝酸根阴离子)的阴阳离子间相互耦合作用及相关性质进行了系统的研究。首先,对阴离子型氨基酸离子液体[C3mim]+[Glu]-进行了密度泛函理论B3LYP/6-311++G**水平的研究。对其阳离子、阴离子、以及阴阳离子对的几何结构进行了优化,获得了它们相应的稳定几何构型并计算了阴阳离子间的相互作用能。在此基础上进一步对阴阳离子间的相互作用进行了AIM(atoms in molecules theory)分析,和NBO(natural bond orbital analysis)分析。结果显示离子液体的阴阳离子间相互作用主要以静电相互作用为主,氢键和静电相互作用共同维系阴阳离子体系的稳定。结合离子对的稳定几何构型和阴阳离子间的相互作用能讨论了阴阳离子间相互作用的主要作用位点,分析了阴阳离子相互耦合作用时阴阳离子相对于各自自由单体的一些微观几何结构扭曲变化。通过NBO电荷的布局分析阐述了阴阳离子形成离子对过程中的电荷重新布局及其可能在稳定离子对体系中的贡献。最后,鉴于氨基酸阴离子可以形成众多离子内氢键,离子内氢键对离子对体系离子间氢键及结合能的影响也进行了研究。其次,介绍了以氨基酸为阳离子的离子液体[Pro]+[NO3]-的密度泛函理论研究,同样在B3LYP/6-311++G**理论水平上对氨基酸离子液体[Pro]+[NO3]-的阳离子、阴离子、阴阳离子对、以及阴阳离子对的二聚体[Pro]2+[NO3]2-的几何结构进行了优化和表征。结果显示在单离子对[Pro]+[NO3]-的构型中,部分阳离子[Pro]+的活泼氢可以向阴离子部分迁移,迁移的结果使阴阳离子对转变成了中性分子对,体系之间的作用由原来的离子之间静电相互作用与氢键相互作用共同作用,转变为氢键弱相互作用。而在离子对二聚体[Pro]2+[NO3]2-的几何结构优化过程中,上述氢迁移现象却未发生,所有的离子之间均以氢键和静电相互作用结合在一起。为加深对阴阳离子间氢迁移反应的认识,进一步对单个离子对[Pro]+[NO3]-中的氢迁移机理进行了过渡态理论分析,并对其在离子液体的物理化学性质变化过程中可能起到的作用进行了讨论与分析。
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