Сольватация целлюлозы в полярных растворителях компьютерное моделирование

• Автор: Захаров, Всеволод Сергеевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 117 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

Глава 1. Обзор литературы.

1. Работы, посвященные исследованию кристаллической структуры целлюлозы.

2. Работы, посвященные исследованию набухания и растворения целлюлозы

2.1 Набухание целлюлозы в щелочных средах

2.2 Набухание в силыющелочных растворах солей

2.3 Набухание в неорганических кислотах

2.4 Растворение целлюлозы в неорганических солях.

2.5 Взаимодействие с комплексными соединениями металлов.

3. Работы, выполненные с помощью численного эксперимента.

3.1 Исследование структуры кристаллической целлюлозы с помощью численного эксперимента
3.2 Исследование сольватации кристаллической целлюлозы
3.3 Исследование олигомерных фрагментов целлюлозы
4. Используемые для углеводов силовые поля
Глава 2. Используемые методы.
1. Теоретические основы метода молекулярной динамики
2. Алгоритмы, применяемые при моделировании.
2.1 Расчет текущей температуры и давления в системе
2.2 Контроль постоянства температуры.
2.3 Контроль постоянства давления
2.4 Минимизация потенциальной энергии системы
3. Силовое поле, используемое при моделировании.
3.1 Вандерваальсовы и электростатические взаимодействия.
3.2 Взаимодействия между химически связанными силовыми центрами.
3.3 Электростатическое взаимодействие на больших расстояниях
3.4 Жесткие связи
4. Расчет изменения свободной энергии
5. Расчет радиальных функций распределения.
6. Диффузия и средний квадрат отклонения частицы.
7. Водородные связи
8. Анализ конформаций макромолекул целлюлозы.
Глава 3. Выбор объектов исследования. Описание моделируемых
Глава 4. Моделирование молекулы целлобиозы в воде,
метилморфолинМоксиде и гексафтороизоиронаноле.
1. Система целлобиоза вода.
2. Целлобиоза 1Чтметилморфолин1Чоксид.
3. Целлобоиза гексафтороизопроианол
4. Реконструкция конформации макромолекулы целлюлозы
5. Сравнительный анализ результатов моделирования целлобиозы в воде, 0 и ГФИП.
Глава 5. Моделирование молекулы целлобиозы в растворителях на основе сверхкритического углекислого газа.
1. Целлобиоза свсрхкритнческий углекислый газ
2. Смесь сверхкритического углекислого газа и воды.
3. Молекула целлобиозы в смеси сверхкритического углекислого газа, воды и этнленгликоля
4. Свойства объемной фазы растворителя.
5. Реконструкция конформации макромолекулы целлюлозы в
системах на основе сверхкритического углекислого газа
6. Сравнительный анализ результатов моделирования целлобиозы
в системах на основе сверхкритического углекислого газа.
Глава 6. Моделирование систем с фрагментами кристаллической целлюлозы.
1. Стеки олигомеров
2. Свободная энергия сольватации кристаллической
целлюлозы
Итоги и выводы
Список литерату


Если иметь в виду, что именно целлюлозные волокна в тканях растений обеспечивают механическую прочность как отдельных тканей, так и растения в целом, можно утверждать, что именно природа явилась первым создателем материалов, позднее получивших название композиты. Широкие возможности использования целлюлозы определяются особенностями химического строения, структуры и свойств этого полимера рис. Остаток рОглюкопиранозы
Рис. Целлюлоза является неразветвленным р14 соединенным полимером Оглюкопиранозы. Дисахаридиым повторяющимся фрагментом является целлобиоза. Экваториальноэкваториальное соединение элементарных звеньев приводит к относительно плоской лентообразной конформации цепи. Особенностью химического строения этого полимера является большое количество гидроксильных групп в макромолекуле. Целлюлоза никогда не присутствует в виде одиночных макромолекул, но состоит из их совокупности, как массив многих параллельных, ориентированных в одном направлении цепочек, образующих микроволокна, которые являются основными структурными единицами природной целлюлозы рис 2. Рис. Микрофибрилла целлюлозы с дефектом. Длина молекул целлюлозы в зависимости от ее источника и способа переработки варьируется от 0 до 0 мономерных звеньев. Диаметр супрамолекулярных структур, образуемых целлюлозой, может изменяться от так называемых элементарных фибрилл в высших растениях, которые содержат примерно полимерных цепочек, до больших микро и макроволокон водорослей, которые содержат более цепочек. Форма целлюлозных микроволокон определятеся геометрией целлюлозного комплекса, в котором происходит биосинтез макромолекул, и его окружением. Целлюлоза, как и другие полисахариды, содержит значительную энергию, запасенную в СН и СС связях. С продолжающимся увеличением потребления ископаемого топлива, потребность в альтернативных топливных ресурсах становится все большей, и целлюлоза, как уже было сказано выше, может служить таким альтернативным источником энергии, если будет найден эффективный метод превращения растительных материалов в простые сахара, которые будут использоваться для ферментации. Продукты ферментации можно использовать либо в качестве топлива, либо в качестве сырья для химического синтеза. Задача деполимеризации целлюлозы с получением простых сахаров может быть решена с помощью ферментативного гидролиза гликозидных связей в полисахариде или прямым кислотным гидролизом. Главный промышленный недостаток этих процессов это слишком низкая скорость обоих методов гидролиза, обусловленная трудностью растворения полимера. Изучение механизма растворения полимера является, таким образом, ключевой задачей, которая должна быть решена для эффективного использования целлюлозного сырья. Следовательно, изучение особенностей, которые вызывают сопротивление целлюлозы к растворению, особенностей взаимодействия ее с различного рода растворителями, имеет большое практическое значение. Целью данной работы было исследование сольватации целлюлозы в полярных растворяющих системах с использованием метода молекулярной динамики и определение взаимосвязи растворимости полимера и полученных характеристик сольватации. Для этого проводился анализ структуры сольватной оболочки фрагментов макромолекулы целлюлозы в выбранных растворителях, анализ конформации макромолекул в растворе, а также исследование сольватации фрагмента кристаллической целлюлозы в выбранных растворителях и расчет свободной энергии сольватации. Глава 1. Несмотря на то, что целлюлоза известна очень давно, вопрос о ее строении долгое время оставался без ответа. Это связано как со сложностью строения объекта исследований, так и с несовершенством используемых методов, не дающих достаточного разрешения при анализе пространственной структуры вещества. Наличие различных модификаций природной целлюлозы так же затруднило работы по изучению ее структуры. В году фон Нэджел, как отмечается в работе 1 предположил, что целлюлоза является кристаллическим веществом. Но только лет спустя это было подтверждено методом порошковой рентгенографии в работах Меера и Минча 2. В предложенной ими модели структуры целлюлозы рами в основу пространственной решетки был положен элементарный параллелепипед в виде моноклинной ячейки с параметрами а 8. Ь . А, 3 . Рис.