通过联合原子选取策略改进离子液体分子力场

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离子液体由于蒸汽压极低,有望替代传统化工过程中大量使用的有机挥发性溶剂,降低对环境的污染;离子液体由阴阳离子组成,通过不同离子搭配和引入/调节相应官能团,就能设计适用于特定工艺的离子液体;因此近年来越来越受到化学家和化学工程师的广泛重视。这一可设计性是离子液体的突出优势,但同时又是一把双刃剑,目前离子液体种类繁多,运用传统实验方法去一一研究设计并合成离子液体,成本高,周期长,花费大,无疑极其困难。分子模拟方法从分子结构出发,借当前计算机能力的不断提升,如果分子间相互作用(分子力场)描述得当,目前已可预测与实验准确度相当的诸多性质,因此在学术界己被广泛接受和认可。对于离子液体体系,我们之前已经基于咪唑阳离子和8种阴离子建立起一系列可移植性好,计算成本低的联合原子力场,并成功模拟出了和实验值吻合非常好的密度,蒸发焓等性质;对粘度、自扩散系数等动力学性质,在温度较高时与实验值相吻合,但低温下与实验值相差很大。本文就这一问题对联合原子力场进行了改进,具体工作如下:1.将原力场中与吸电能力较强的N原子相连的甲基和亚甲基基团CN3/CN2中的H原子拆分开,当作全原子模型处理;为了降低由于H原子增加而带来的密度上升问题,本工作将原力场中阴阳离子总电荷数从0.8e将至0.7e,使密度可以与实验值更好的吻合;通过从头计算优化[C1mim][Cl][C1mim][BF4]和[C1mim][PF6]的单离子对构型,调整了H原子的范德华半径,使H原子与阴离子中Cl,F原子之间的距离与从头计算得到的距离相吻合;拟合了与新增H原子相关的二面角参数。2.用改良后的联合原子力场对[Cnmim][NTf2](n=1,2,4,6,8,10)系列离子液体进行分子动力学模拟,取得了令人满意的结果,除密度和蒸发焓取得了与实验值吻合很好的结果以外,扩散性质和剪切粘度也与实验结果吻合的非常好,大大改进了原力场对动力学性质模拟的不足。在分子结构方面,相比于之前的计算结果,咪唑环上H5,H4原子与阴离子Cl的点-点径向分布函数与从头计算的结果更加接近。3.用本工作改良联合原子力场的思路,进一步拓展到季铵盐阳离子和吡啶盐阳离子。
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