预测表面活性剂最佳同分异构体结构的分子动力学方法技术

本发明专利技术公开了一种预测表面活性剂最佳同分异构体结构的分子动力学方法，采用分子动力学模拟直接计算出不同结构的表面活性剂同分异构体的界面张力、界面生成能以及界面厚度，根据此数值结果可以预测出不同结构的表面活性剂的界面性能优劣，从而对目标结构进行评估，以达到快速筛选性能最佳的表面活性剂异构体的目的；通过分析径向分布函数、配位数、氢键数量可以从分子水平阐明表面活性剂的同分异构体对界面性能的影响及其微观作用机理；解决现有实验方法对于表面活性剂很难定向合成其中某个结构的同分异构体，且分离不同结构的同分异构体较为困难、实验周期长的问题。

【技术实现步骤摘要】
预测表面活性剂最佳同分异构体结构的分子动力学方法
本专利技术涉及分子动力学模拟研究微观领域，具体的是一种通过分子动力学模拟对表面活性剂的同分异构体的界面性质进行模拟计算，预测出界面性能最好的异构体结构，进一步对表面活性剂的结构设计和筛选提供有效的预测。
技术介绍
表面活性剂分子结构中包含亲水和疏水基团，有效吸附于界面，形成自组装的单分子膜结构以增强界面作用，其在食品加工、制药和纳米材料合成等领域有着广泛的应用，尤其在三次采油技术中用来提高原油采收率、降低残余油饱和度。表面活性剂降低表面或界面张力的能力是评估表面活性剂性能的重要依据，表面活性剂的分子结构与其溶液行为及界面性能的关系十分密切。由于同分异构体结构和性质较为相似，实验合成方法很难定向合成其中某个结构的同分异构体，且采用实验方法分离不同结构的同分异构体较为困难，实验周期长，无法从分子水平阐明表面活性剂的同分异构体对界面性能的影响及其微观作用机理。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种基于分子动力学模拟预测表面活性剂最佳同分异构体结构的方法，解决现有实验方法对于表面活性剂很难定向合成其中某个结构的同分异构体，且分离不同结构的同分异构体较为困难、实验周期长的问题。该方法能够单纯采用分子动力学模拟直接计算出不同结构的表面活性剂同分异构体的界面张力、界面生成能以及界面厚度，根据此数值结果可以预测出不同结构的表面活性剂的界面性能优劣，从而对目标结构进行评估，以达到快速筛选性能最佳的表面活性剂异构体的目的。通过分析径向分布函数、配位数、氢键数量可以从分子水平阐明表面活性剂的同分异构体对界面性能的影响极其微观作用机理。为实现上述专利技术目的，所述的一种预测表面活性剂最佳同分异构体结构的分子动力学方法，其特征在于，包括：构建表面活性剂和油的单分子结构模型，以获得真空条件下所述单分子的最佳构象，作为构建多分子聚集模型的基本分子单元；建立用于模拟计算的单分子力场信息，以获得用于有机分子计算的GAFF力场；构建用于模拟表面活性剂在油水界面性质的所述多分子聚集模型；对所述多分子聚集模型依次进行能量最小化计算和NVT系综、NPT系综的分子动力学模拟，以获得模拟体系平衡状态下的动态聚集结构；应用所述GAFF力场对所述动态聚集结构进行平衡相的分子动力学模拟计算，获得平衡状态的动力学轨迹；依据所述动力学轨迹，计算所述表面活性剂不同同分异构体结构的界面张力、界面生成能和界面厚度数值，及获得所述表面活性剂分子与水分子之间的径向分布函数图、统计出氢键数量、计算所述表面活性剂分子与所述水分子之间的配位数。优选地，构建所述单分子结构模型的方法是：使用GaussView软件，构建油分子和所述表面活性剂的不同同分异构体分子的几何结构，并保存为.mol2格式的坐标文件；使用Gaussian软件，在B3LYP/6-31g*水平上对所述几何结构进行几何优化计算。优选地，建立所述单分子力场信息的方法是：使用Antechamber程序和.acpype脚本获得所述表面活性剂不同同分异构体分子的力场信息建立拓扑文件；使用Gaussian程序计算出所述表面活性剂不同同分异构体分子中原子的resp电荷，将所述力场信息中所述电荷部分信息进行替换，并修改力场中的残基名称；将所述油的分子和所述表面活性剂不同同分异构体分子的原子类型添加至ffnonbonded力场文件中。优选地，构建所述多分子聚集模型的方法是：使用Packmol软件，根据所述油和水的实验密度按照相邻原子距离不低于的原则，采用随机填充方法将所述单分子结构模型堆积到长方体盒子中；构建油/表面活性剂/水/表面活性剂/油的双层界面模型，保存为.gro文件格式。优选地，对所述多分子聚集模型进行能量最小化计算的分子动力学模拟方法是：使用Gromacs程序构建能量极小化计算的第一控制参数文件，即.mdp文件；所述第一控制参数文件中，能量极小化采用最速下降法；截断计划采用Verlet方案；计算原子静电相互作用采用ParticleMeshEwald(简称PME)方法；计算静电和范德华作用的阈值均为1.0nm；计算范德华作用使用截断法。优选地，对所述多分子聚集模型进行NVT系综、NPT系综的分子动力学模拟方法是：使用Gromacs程序构建NVT系综的第二控制参数文件，所述第二控制文件中，截断计划采用Verlet方案；计算原子静电相互作用采用ParticleMeshEwald(简称PME)方法；计算静电和范德华作用的阈值均为1.0nm；计算范德华作用使用截断法；能量和压力采用长程色散进行校正；控温技术采用Velocity-rescale恒温控制方法，弛豫时间为0.2ps，温度恒定在300K，模拟时间不低于2ns；使用Gromacs程序构建NPT系综的第三控制参数文件，所述第三控制参数文件中，截断计划采用Verlet方案；计算原子静电相互作用采用ParticleMeshEwald(简称PME)方法；计算静电和范德华作用的阈值均为1.0nm；计算范德华作用使用截断法；能量和压力采用长程色散进行校正；控压技术采用Berendsen恒压控制方法，弛豫时间为0.5ps；压力恒定在1bar；模拟总时长不低于2ns。优选地，获得所述动力学轨迹的方法是：使用Gromacs程序应用所述GAFF力场对所述多分子聚集模型进行平衡相的分子动力学模拟计算，以获得平衡状态的动力学轨迹，其中控温及控压采用Velocity-rescale热浴和Parrinello-rahman压浴，弛豫时间分别为0.2ps和2ps，模拟总时长不低于40ns。优选地，所述界面张力的计算公式为：式中：γ界面张力；n代表体系的界面数；Lz是体系Z方向的尺寸；pzz、pxx和pyy分别是垂直与界面方向的分压，以及平行于界面方向的分压；表面张力的单位为mN/m；以及/或，所述界面生成能的计算公式为：式中：IFE界面生成能；Etotal,Edecane-water和Esurfactant分别指体系的总能量，油/水体系的能量以及单个表面活性剂分子和两个Na+离子在真空状态下运行200ps时的能量；n指表面活性剂分子数量。优选地，通过表面活性剂同分异构体在油水界面的密度分布图计算得到所述界面厚度。优选地，所述径向分布函数的计算公式为：式中：r表示水中氧原子(OW)到表面活性剂磺酸基中的氧(OS)和酚羟基中的氧(OO-)的距离；N为距离表面活性剂磺酸基中的氧(OS)和酚羟基中的氧(OO-)r范围内水中氧原子(OW)的总数；ρ为水相中氧原子的数密度；g(r)为氧原子与表面活性剂头基的径向分布函已改数；以及/或，所述配位数的计算公式为：式中：r表示水中氧原子(OW)到表面活性剂磺酸基中的氧(OS)和酚羟基中的氧(OO-)的距离；ρ为水相中氧原子的数密本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种预测表面活性剂最佳同分异构体结构的分子动力学方法，其特征在于，包括：/n构建表面活性剂和油的单分子结构模型，以获得真空条件下所述单分子的最佳构象，作为构建多分子聚集模型的基本分子单元；/n建立用于模拟计算的单分子力场信息，以获得用于有机分子计算的GAFF力场；/n构建用于模拟表面活性剂在油水界面性质的所述多分子聚集模型；/n对所述多分子聚集模型依次进行能量最小化计算和NVT系综、NPT系综的分子动力学模拟，以获得模拟体系平衡状态下的动态聚集结构；/n应用所述GAFF力场对所述动态聚集结构进行平衡相的分子动力学模拟计算，获得平衡状态的动力学轨迹；/n依据所述动力学轨迹，计算所述表面活性剂不同同分异构体结构的界面张力、界面生成能和界面厚度数值，及获得所述表面活性剂分子与水分子之间的径向分布函数图、统计出氢键数量、计算所述表面活性剂分子与所述水分子之间的配位数。/n

【技术特征摘要】
1.一种预测表面活性剂最佳同分异构体结构的分子动力学方法，其特征在于，包括：
构建表面活性剂和油的单分子结构模型，以获得真空条件下所述单分子的最佳构象，作为构建多分子聚集模型的基本分子单元；
建立用于模拟计算的单分子力场信息，以获得用于有机分子计算的GAFF力场；
构建用于模拟表面活性剂在油水界面性质的所述多分子聚集模型；
对所述多分子聚集模型依次进行能量最小化计算和NVT系综、NPT系综的分子动力学模拟，以获得模拟体系平衡状态下的动态聚集结构；
应用所述GAFF力场对所述动态聚集结构进行平衡相的分子动力学模拟计算，获得平衡状态的动力学轨迹；
依据所述动力学轨迹，计算所述表面活性剂不同同分异构体结构的界面张力、界面生成能和界面厚度数值，及获得所述表面活性剂分子与水分子之间的径向分布函数图、统计出氢键数量、计算所述表面活性剂分子与所述水分子之间的配位数。


2.根据权利要求1所述的分子动力学方法，其特征在于，构建所述单分子结构模型的方法是：
使用GaussView软件，构建油分子和所述表面活性剂的不同同分异构体分子的几何结构，并保存为.mol2格式的坐标文件；
使用Gaussian软件，在B3LYP/6-31g*水平上对所述几何结构进行几何优化计算。


3.根据权利要求1所述的分子动力学方法，其特征在于，建立所述单分子力场信息的方法是：
使用Antechamber程序和.acpype脚本获得所述表面活性剂不同同分异构体分子的力场信息建立拓扑文件；
使用Gaussian程序计算出所述表面活性剂不同同分异构体分子中原子的resp电荷，将所述力场信息中所述电荷部分信息进行替换，并修改力场中的残基名称；
将所述油的分子和所述表面活性剂不同同分异构体分子的原子类型添加至ffnonbonded力场文件中。


4.根据权利要求1所述的分子动力学方法，其特征在于，构建所述多分子聚集模型的方法是：
使用Packmol软件，根据所述油和水的实验密度按照相邻原子距离不低于的原则，采用随机填充方法将所述单分子结构模型堆积到长方体盒子中；
构建油/表面活性剂/水/表面活性剂/油的双层界面模型，保存为.gro文件格式。


5.根据权利要求1所述的分子动力学方法，其特征在于，对所述多分子聚集模型进行能量最小化计算的分子动力学模拟方法是：
使用Gromacs程序构建能量极小化计算的第一控制参数文件，即.mdp文件；所述第一控制参数文件中，能量极小化采用最速下降法；截断计划采用Verlet方案；计算原子静电相互作用采用ParticleMeshEwald(简称PME)方法；计算静电和范德华作用的阈值均为1.0nm；计算范德华作用使用截断法。


6.根据权利要求1所述的分子动力学方法，其特征在于，对所述多分子聚集模型进行NVT系综、NPT系综的分子动力学模拟方法是：
使用Gromacs程序构建NVT系综的第二控制参数文件，所述第二控制文件中，截断计划采用Verlet方...

【专利技术属性】
技术研发人员：高斯萌，谷笛，夏坤，袁瑞霞，姜婷婷，江泓，
申请(专利权)人：东北石油大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23