1、分子模拟在化工中的应用,主讲：蔡小富组员：梁桃、谭栋、杜鑫、魏菁娴、冶钧,主要内容,一、分子模拟的理论基础及软件介绍 催化剂研发 油田化学二、分子模拟的实际应用 高分子特质 化学工程 重质油特质,一 分子模拟的理论基础及软件介绍,一、前沿20世纪80年代以来， 随着计算机性能的提高以及各种计算化学方法的改进，分子模拟技术日渐成熟，并逐步发展成为人们进行科学研究的一项新的有效的工具。它借助计算机强大的计算能力和图像显示能力，从原子和分子水平上模拟分子的结构与行为， 能够更好地帮助人们从微观角度认识物质的基本特征。分子模拟技术包括量子力学、分子力学、蒙特卡洛和分子动力学等方法。,量子力学简称 QM
2、， 认为微观粒子运动服从Schrd inger 方程 ，分子或原子处于 稳 定态的Schrd inger方程为本征值的方程: H = E 。式中: H表示 Hamilton 算符； 表示本征函数 ，即描述体系状态的波函数；E表示相应的本征值 。原则上量子力学的计算结果可以从本质上阐明分子的构象以及分子间的相互作用。但是用它进行结构优化时，往往只是局部优化，得到的优化结构与起始构象有关，如果对起始构象考虑不够，往往不能达到能量的最低点。,.o,.o,分子力学 简称 MM，分子力学的基本思想是用经典牛顿力学寻找分子平衡构型和能量。分子力学的关键是如何准确表达分子力场这一核心概念。分子力场是原子尺度
3、上的一种势能场，它的基本理论就是分子力场由分子内相互作用和分子间相互作用两大部分构成，分别对应于键伸缩、键角弯曲、扭转运动、耦合相互作用以及van der Waals相互作用和静电相互作用等。分子力学计算的优点是概念简单、计算速度快，可以处理较大的体系，对处理分子构象、分子热力学性质等的计算已取得了成功，但分子力学不能提供和电子分布相关的性质。,蒙特卡洛法 简称MC 的基本模拟过程是在一定系综条件下，将系统内粒子进行随机的位移、转动，或粒子在两相间转移位置。根据给定的分子位能函数，进行粒子间内能的加和，采用 Metropolis 取样方法，生成一系列体系的微观粒子随机构型，从而逐渐趋近于平衡时
4、的Boltzmann 分布。它的优点是取样的构型比较恰当，对于低能量的构象取样概率大，能比较简单地解决多维或因素复杂的问题。但由于MC模拟的粒子位移是虚拟的，不代表粒子的真正运动历程，所以该法不能用于传递性质的模拟。,分子动力学方法简称 MD，分子动力学方法的基本模拟过程是在一定系综及已知分子位能函数条件下，从计算分子间作用力着手，求解牛顿运动方程，得到体系中各分子微观状态随时间真正的变化，再将粒子的位置和动量组成的微观状态对时间平均，即可求出体系的压力、能量、粘度等宏观性质以及组成粒子的空间分布等微观结构。分子动力学方法的优点在于它能跨过较大的能垒，在温度 T时，每一个自由度可以跨越 kT
5、的能垒（温度越高 ,跨越的能垒越高）。因此可以通过升温搜索更大的构象空间，尽可能真正找到最低能量构象。分子动分子动力学方法的缺点是不适用于分子过大的体系，即使是很小的能垒，跨越的时间也要超过模拟时间，得不到真实的结果。,分子模拟技术在医药和材料方面有着广泛的应用。它不仅可以模拟分子的静态结构，还可以模拟分子的动态行为(如氢键的缔合与解缔、吸附、扩散等) 。借助分子模拟技术，研究人员可以模拟实验方法还无法考察的现象与过程，从而发展新的理论；研究化学反应的路径、过渡态、反应机理等十分关键的问题；代替以往的化学合成、结构分析、物性检测等实验而进行新材料的设计，可以缩短新材料研制的周期，降低开发成本。
6、还可以模拟分子体系的各种光谱(如晶体及非晶体的X 射线衍射图、低能电子衍射谱等) ，使我们能够更合理地解释实验结果，进行产品的结构解析。,分子模拟技术也渗透到油田化学、催化剂研制、高分子设计、化学工程及重油特征化等领域。分子模拟技术有着越来越广泛的应用，许多化工公司和科研院所都已经开始大量运用分子模拟技术来开展研发工作。,Materials Studio界面,三维模型文档,有机物3D结构,聚合物3D结构,文本文档,文本文档，用Text Viewer显示的靛蓝粉末衍射指标结果。,图形文档,图形文档，Chart Viewer显示的靛蓝粉末衍射数据。,表格文档,表格文档，Grid Viewer显示的
7、靛蓝的粉末索引数据。,Modules菜单 Modules菜单提供使用你安装了的Materials Studio模块的方法。 注意：此菜单随着已经安装了的模块的不同而不同。,模块菜单 Amorphous Cell：提供Amorphous Cell模块中的工具，可以建立复杂无定型系统中的代表性模型并预测它们的性质。 CASTEP：提供 CASTEP 模块中的工具，可以进行第一原理量子力学计算，研究如半导体、陶瓷、金属、矿物和浮石等晶体或表面的性质。 Dmol3:提供 Dmol3 模块中的工具，可以进行基于泛函密度理论的量子力学计算，分析分子和周期系统。 PDP：提供PDP 模块中的工具，可以进行大
8、尺度长时间的介观动力学模拟。 Discover：提供Discover经典模拟模块中的工具，可以优化分子结构，计算电子经典轨道，分析很大范围内的结构和轨道的性质。,Equilibria：提供Equilibria模块中的工具，可以确定烷烃和其它小分子结构的相图。 Forcite：提供 Forcite 模块中的分子动力学工具，可以研究很大范围内的系统。它最主要的近似是原子核运动所处的势场用经典力场代替。 MesoDyn：提供 MesoDyn 模块中的工具，可以研究复杂流体动力学和在大尺度长时间中的平衡状态。 Reflex：提供 Reflex 和Relex Plus模块中的工具，可以查看、模拟、索引和
9、精修粉末衍射的数据，求解晶体结构。 VAMP：提供 VAMP 模块中的工具，可以使用半经验量子力学算法模拟气体和溶液中的反应和性质。,二、分子模拟技术的应用 2.1 分子模拟技术在催化剂制作的应用,1. 研究催化剂吸附和扩散催化剂的吸附和扩散性质对确定催化剂所能达到的选择性十分重要。分子模拟技术的发展及应用，为研究催化剂的吸附和扩散性质、温度对扩散系数的影响、选择合适的催化剂提供了优良的工具。,Horst等考察了具有两维孔结构的全硅沸石催化剂DD3R 对低碳烃类的分离效果。通过专门的分子模拟方法计算出气体分子在DD3R 笼中的吸附能以得到溶解系数，计算出扩散能垒以得到扩散系数，将溶解系数和扩散
10、系数结合可以最终得到不同烃类在DD3R 中的渗透系数。计算结果可以用于指导具有特殊分离功能的分子筛的设计。,苯与聚丙烯的烷基化反应是一个重要的石油化工过程，其产物异丙基苯用于酚与酮类产品的合成中。目前，主要采用分子筛催化剂。Millini 采用MSI 软件的Solids Docking 模块计算了异丙基苯和该反应的副产物在分子筛中的能量最低的扩散路径。,2. 催化剂结构的解析利用分子模拟对催化剂进行设计应该是建立在对催化剂表面微观结构的深入了解基础之上的，目前仍然需要使用经验方法来确定催化剂的表面参数，基于量子化学的从头计算法可以作为有效的辅助方法。,Santos 等利用量子化学中PM3 方法
11、，结合NMR 实验数据对钌复合催化剂进行模拟计算，得到多种配体交换后的复合体的结构参数，很好地预测了催化剂的结构特性，大大节约了实验时间。Kachurovskaya 等对VOx/TiO2 催化体系进行一系列的计算，通过模拟不同价态的V 离子以及取代不同位置的Ti 、V 离子，得到相应的簇结构以及八面晶体催化剂中各层的变化信息，发现第二层在装填过程中起决定作用，这一结果对于催化剂的设计具有直接的指导意义。,3. 新型催化剂的设计由于分子模拟技术对催化剂尤其是分子筛催化剂研究开发工作卓有成效的帮助，它已经成为催化剂设计的重要工具。(1) 以现有的分子筛数据库所提供的已知的分子筛结构及其有关参数，考
12、察现有分子筛是否符合所要解决的具体问题的要求，提高搜索可能的分子筛结构的速度，减少该过程的费用。,Waghmode 等在择形亲电取代生成二甲苯的过程中辅以分子模拟技术，以能量最小原理为依据，分别考察了二甲苯的各种异构体在ZSM25、丝光沸石以及MCM222 沸石中的反应，发现分子的尺寸和大小同催化剂的孔结构一样对择形亲电取代过程有着决定性作用，这从分子水平上为实验现象提供了理论解释。,(2) 利用分子模拟技术可以直观和方便地“观察”到分子筛的吸附和扩散现象以及温度等因素对吸附的影响，可以考察分子筛催化剂的催化机理，有目标地设计新型高效的分子筛催化剂。Duan利用半经验法Zindo/1 和UHF
13、 方法考察加拿大Athabasca HGO 在加氢催化剂表面活性位上的吸附及吸附活化后反应物的加氢反应过程，对原料分子和催化剂的作用有了比较清晰和直观的了解，进一步指导研制了针对Athabasca HGO 的具有良好脱硫脱氮性能的CYP 和BP2 加氢催化剂。,2.2分子模拟技术在油田化学方面的应用,当前，由于勘探难度的增大以及单井开采深度的增加，利用常规的研究方法已很难洞察地下的复杂情况。借助分子模拟这一工具，在分子水平上研究油气生产中一些化学现象的微观本质和设计油田化学剂，可以很好地加深石油工作者对地下情况的进一步认识。1. 对粘土矿物的膨胀情况的研究粘土矿物是油气勘探开采活动的直接作用对
14、象，如何防止粘土膨胀、分散和运移是油气钻采作业应首先考虑的问题。Delville 用巨正则系统蒙特卡洛方法研究了水分子在粘土表面的吸附特性和粘土层间水的性质。,2. 模拟碳酸盐矿物的结晶生长和表面形态碳酸盐矿物对于判断油气的沉积环境十分重要，其结晶和表面生长一直是粘土矿物学研究的重要课题。Parker 等人利用BIOSYM 公司的分子图形学软件，基于能量最小化原理进行了能预测碳酸盐矿物的表面结构、形态和生长速度的计算机模拟，并考察了温度对自由能、热容等热力学性质的影响，根据固体的Born 模型计算了原子间相互作用势，在原子级水平上探测了表面结构。,3. 胶束模型的分子动力学模拟表面活性剂对于油
15、气开采起着举足轻重的作用，但对表面活性剂形成的胶束内部结构还缺乏清楚的认识。Karaborni 等人用分子动力学模拟方法研究了链长和端基性质对胶束内部结构、胶束形状以及胶束内部链构象的影响。模拟结果表明，胶束聚集体的结构类似烃，胶束内部结构取决于端基大小、链的长度和胶束溶剂相互作用。,4. 微乳液平衡态性质的模拟在油水表面活性剂形成的三元体系中，油、水、微乳液共存的三相平衡问题是一个涉及统计力学的问题。Larson和Gunn分别根据网格模型用蒙特卡洛方法对油、水、表面活性剂形成的微乳液相的平衡态性质进行了模拟，并据此计算了表面张力和扩散系数等，所得结果与实验数据能很好地定性甚至定量吻合。,5.
16、 模拟分子在多孔介质中的扩散小分子和大分子在多孔介质中的扩散和传输对于色谱、过滤和三次采油等问题的研究十分重要。Meyer 等人用分子模拟方法研究小分子在液-液界面的扩散性质时发现，小分子在界面区的扩散是各向异性的。,6. 辅助油田化学剂分子设计根据现场工艺要求和地质条件设计油气开发、开采、集输用化学剂一直是油田化学领域中的热门研究课题，也是油田化学家面临的主要任务之一。但由于实验手段的限制，油田化学家不可能看到油田化学剂如何在其所作用的环境中起作用，因而在设计上大多凭借经验和推测。分子模拟技术以其对分子的结构、分子间相互作用与运动行为的精确描述以及清晰的图像和动画的显示而成为解决这类问题的有
17、力工具。利用分子模拟技术中的三维QSAR分析技术，可以辅助新产品的开发并预测其物理与化学性质。,2.3分子模拟技术在高分子设计方面的应用,高分子材料是化工行业的一项重要产品，因此如何有效地指导高分子材料的开发、设计和生产是化工行业的主要任务之一。虽然分子模拟技术对药物高分子的设计已经证明有很好的效果，但由于化工行业高分子的设计是一个结构十分复杂的合成问题，往往还要涉及到催化剂的选择，这些都是难度极大的课题，但利用分子模拟进行高分子设计的确是一个极吸引人的研究方向。,1、材料的结构表征和性质解析分子模拟目前在弹性材料的结构表征和性质的解析及预测方面起着越来越重要的作用，其在该领域中的应用主要包括
18、以下几个方面:(1) 对表现出可逆转弹性性质的材料的开发而进行的对凝胶过程的模拟，其目的在于充分表征溶胶相的量、构成以及凝胶相的结构，以预测它们的模量。,Rosa 等在考虑分子间及分子内氢键作用的基础上，模拟表征溶胶相聚烯丙醇和聚乙烯醇的特征尺寸及溶解度参数，并通过与固相的NMR 数据相比较，可以得到聚烯丙醇和聚乙烯醇的流动性能，与实验结果有良好的吻合性。,(2) 高聚物的结晶目前也是一个引人注目的研究方向。Windle等发展了一些模型来模拟含两种可结晶组分的共聚物链的序列。Madkour用 Monte Carlo 法研究了二甲基硅氧烷和二苯基硅氧烷的共聚结晶。,(3) 某些高分子材料因其具有
19、很好的透气性能而被考虑应用在气体分离工作中。Tocci采用分子动力学方法计算气体分子在聚丁酮膜中的传递系数和溶解系数，进而判断气体在其中的扩散性能。,(4) 研究共聚物的结构和性能的关系。Subramanian等用分子模拟技术研究理想的支化的乙烯-丙烯(EP) 共聚物的结构，发现和线性共聚物相比，支化共聚物具有较小的回转半径，和溶剂的相互作用较小，粘度较低。EP 共聚物经常被用于调整各种润滑剂(如内燃机油) 的粘温性能，该项研究具有很强的实用价值。,2. 高分子共混体系的预报通过共混的物理方法得到具有工程上要求的特定物理性质的高分子材料而无须再去进行具有类似性质的共聚物的设计。目前，尚没有简单
20、可循的方法来判断哪些高分子能够共混，从经验上可以提出很多共混的高分子组分的方案，要从实验上(包括化学合成、结构鉴定和物性检验等环节) 寻找有效的方案，费用很大。用分子模拟的方法来判断哪些高分子能够共混，会极大地缩短所用的时间。,2.4、分子模拟技术在化学工程方面的应用,炼油化工行业中大量的生产装置(如常减压蒸馏、催化裂化、乙烯裂解等) 中广泛存在着分离和反应过程。这两个过程以及化工新技术的开发和设计都需要提供在各种条件下系统的热力学性质、传递性质及反应动力学性质，而这些从根本上来说都是分子的性质，决定于分子的结构和相应的分子间相互作用，分子模拟技术无疑可以在这方面提供很好的辅助作用。,1. 分
21、子模拟用于建立状态方程20 世纪90 年代以来，研究人员借助分子模拟技术发展了几类状态方程。一类以统计缔合流体理论和硬球链理论为基础的状态方程(如SAFT和EOSCT) ，可用于链状流体和氢键缔合流体的PVT 计算,现已为国内外普遍关注和应用。另一类是用统计力学平均球近似方法求解OrnsteinZernike 积分方程而得到的状态方程，可用于Yukawa流体的PVT 计算。这些状态方程的建立过程，都需要模型流体的分子模拟数据(如内能、压缩因子等) 来验证。还有一类状态方程是在硬球一阶微扰理论基础上，直接从Lennard Jones (简称LJ ) 流体的分子模拟数据回归得到的维里展开多参数状态
22、方程。,2. 用分子模拟研究相界面分子模拟不仅能测定主体流体内分子的近程有序(即所谓局部组成) ，还能测定相界面的分子分布。对纯流体垂直于气液界面的分子密度剖面分布及界面层厚度，均可从分子模拟得出的双曲正切函数表示，还可用分子模拟获得界面张力数据；也可以采用密度泛函理论与SAFT 状态方程 ，采用状态方程中的微观参数预测纯流体的表面张力和液液不互溶体系的界面张力。,3. 用分子模拟研究分子扩散性质分子扩散系数是化工传质过程中最重要的物性参数之一。MD 分子模拟已成为取得传递性质数据的重要手段及建立理论模型的主要依据。模型流体(硬球、方阱以及LJ 流体) 的自扩散系数方程首先是从搜集大量分子动力
23、学数据拟合得到的，后来又在Enskog 硬球流体方程基础上，用MD模拟数据分别拟合硬球及硬球链流体的校正函数，从而得到可用于实际的球形和链状LJ 分子(C 原子可达154 个) 的自扩散系数的理论方程。,2.5分子模拟技术在重质油特征研究方面的应用,分子模拟技术应用于重质油特征研究方面，研究了许多决定渣油物性、催化裂化及催化加氢反应特性的分子结构特性，并从微观角度探索了反应物分子在反应过程中所发生的变化。(1) 利用分子模拟技术对加拿大Athabasca 油砂沥青超临界萃取分馏残渣组分的化学分子结构进行了研究采用MM和MD方法得到能量最低即最稳定的构象。,(2) 在得到了各渣油窄馏分大量三维结构基础上，提出了表征分子结构特征的拓扑类指数分子连接性指数，并加入H/C 比对其进行修正，得到了修正后的分子连接性指数KM ， KM 可以很好地反应分子结构的特性。,采用Takanohashi 等在2001 年所提出的平均分子模型(如图1) ，由A、B、C 3 个不同结构的分子(包含4 个芳香单元) 来代表一系列的化学结构，其总摩尔质量为2028 。,谢谢,
