научная статья по теме МОДЕЛИ СТРУКТУР ЖИДКОГО МОНОЭТАНОЛАМИНА ПО ДАННЫМ МЕТОДА МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ Химия

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИ СТРУКТУР ЖИДКОГО МОНОЭТАНОЛАМИНА ПО ДАННЫМ МЕТОДА МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ»

ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЕ ХИМИИ, 2015, том 89, № 3, с. 401-408

ФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ РАСТВОРОВ

УДК 539.21

МОДЕЛИ СТРУКТУР ЖИДКОГО МОНОЭТАНОЛАМИНА ПО ДАННЫМ МЕТОДА МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ

© 2015 г. Н. К. Балабаев*, Д. К. Белащенко**, М. Н. Родникова***, С. В. Краевский***, И. А. Солонина***

* Российская академия наук, Институт математических проблем биологии, Москва **Национальный исследовательский технологический университет "Московский институт стали и сплавов" *** Российская академия наук, Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова, Москва

E-mail: rodnikova@igic.ras.ru Поступила в редакцию 12.05.2014 г.

Методом молекулярной динамики построены модели жидкого моноэтаноламина при температурах от 293 до 363 К размером 1000 молекул в основной ячейке в виде прямоугольного параллелепипеда. Проанализированы водородные связи О-Н—О, О-Н—N, N-Н—О, N—H-N в структуре моноэтаноламина в зависимости от времени моделирования и температуры. Установлено, что водородные связи образуют пространственную сетку, которая непрерывно перестраивается под действием тепловых флуктуаций. Концентрация димеров в моделях относительно невелика, с ростом температуры число водородных связей в моделях убывает. Определены времена жизни водородных связей и энергия активации процесса разрыва водородной связи при температурах 293—363 К.

Ключевые слова: моноэтаноламин, модель структуры, метод молекулярной динамики, сетка водородных связей.

DOI: 10.7868/S004445371503005X

Моноэтаноламин (МЭА) — представитель аминоспиртов, растворитель, широко применяющийся в химической технологии как поглотитель кислых газов, сырье для получения поверхностно-активных веществ, реагент нефтехимического и тонкого неорганического синтеза. Он относится к классу растворителей с пространственной сеткой водородных связей и является модельной системой биологических объектов. Молекула МЭА имеет две активные группы — гидроксильную и аминную — и способна образовывать внутримолекулярную водородную связь. Квантово-химические расчеты газовой фазы [1, 2], а также микроволновая [3, 4] и колебательная [5,6] спектроскопия разбавленных растворов МЭА в инертных растворителях показали преимущество гош-конформации молекулы МЭА и легкость ее перехода в конформацию транс. Структуры наиболее стабильных конформеров МЭА в газовой фазе представлены на рис. 1 [7]. Конформер (а) более стабилен.

Некоторые физико-химические свойства МЭА приведены в табл. 1. Из табл. 1 виден большой диапазон температур существования жидкой фазы, значительная вязкость ц, малый коэффициент самодиффузии Б, малая сжимаемость в и малый термический коэффициент объемного расширения х — значения, характерные для жидкостей с пространственной сеткой водородных связей [17].

Цель настоящей работы — исследование структуры и водородных связей жидкого МЭА в широком интервале температур, а также механизма подвижности молекул на сетке водородных связей.

МОДЕЛИ МОНОЭТАНОЛАМИНА

Была построена серия модельных ансамблей молекул жидкого МЭА (далее, для краткости, просто "моделей") размером 11000 атомов (1000 молекул) в основном прямоугольном параллелепипеде с периодическими граничными условиями. Моделирование МЭА проводилось методом молекулярной динамики (МД) с помощью программного

Рис. 1. Структуры наиболее стабильных конформеров МЭА в газовой фазе g'Gg' (а) и tGg' (б); 1 — O; 2, 4, 5, 7, 8, 10 - H; 3, 6 - C; 9 - N.

Таблица 1. Физико-химические свойства МЭА

Свойство Значение

M 61

Тпл, °C [8] 10.3

Ткиш °C [8] 170

p(25°C) х 103, кг/м3 [8] 1.012

n(25°C) X 10-3, Па с [9] 18.95

ц(25°с), D [10] 2.27

S(25°C) [11] 31.4

ß(r25°C) x 10-11, Па-1 [12, 13] 38.7

X X 10-5, K-1 [12, 13] 80.7

AmH, кДж/моль [14] 20.5

AmS, Дж/(моль К) [14] 56

AyapH, кДж/моль [15] 49.83

D X 10-5, см2/с [16] 0.042 (288 К)

0.055 (298 К)

0.093 (308К)

ED, кДж/моль 35.25

Еп, кДж/моль [9] 34.33

Таблица 2. Параметры потенциала валентных связей

Связь к, кДж моль 1 А 2 ¿0, А

C-C 1269 1.535

C-H 1406 1.093

C-O 1315 1.426

O-H 1547 0.974

C-N 1342 1.470

N-H 1650 1.018

Таблица 3. Параметры потенциала валентных углов

Связь к1, кДж моль-1 рад- 2 0о, град

C-C-H 194.2 110.07

C-C-O 283.4 109.43

C-O-H 197.2 108.16

H-C-O 283.4 109.43

H-C-H 283.4 109.43

H-N-H 146.5 109.50

H-N-C 192.6 116.78

N-C-C 277.3 110.38

N-C-H 277.3 110.38

Таблица 4. Два набора параметров ^ей и 8е12) потенциала торсионного взаимодействия [7], кДж моль-1

Связь ¿1 b2 ¿3

H- N- -C-C (Set1) -5.40 -2.47 3.43

O- C- -C-N (Set1) -4.27 -0.33 4.837

C- C- O-H (Set1) -1.80 0 -0.29

H- N- C-C (Set2) -5.73 -2.51 3.43

O- C- -C-N (Set2) -4.27 -0.46 4.837

C- C- O-H (Set2) 0.88 0.71 -0.29

комплекса ПУМА, разработанного в ИМПБ РАН, с использованием силового поля AMBER99 [18]. Этот комплекс был дополнен специальной процедурой задания начальной конфигурации системы и программами анализа структурно-динамических характеристик жидкого МЭА.

Выражения для внутри- и межмолекулярных сил включают вклады от всех валентных связей, всех валентных углов, всех торсионных углов, а также от ван-дер-ваальсовых и кулоновских взаимодействий между всеми атомами разных молекул и между парами атомов, не являющихся первыми или вторыми соседями внутри одной молекулы. Параметры взаимодействий и парциальные заряды на атомах МЭА были взяты такими же, как в работе [7].

Потенциал для валентных связей имеет вид: U = k(b — b0)2, где b и b0 — длина связи и ее равновесное значение, к — жесткость связи (табл. 2).

Потенциал для валентных углов: U = ki(8 — 9о)2, где 8 и 80 — валентный угол и его равновесное значение (в радианах), к1 — коэффициент жесткости угла (см. табл. 3).

Потенциал торсионного взаимодействия имеет вид:

U = ^b„ [1 + cos(np)],

п=1

где ф — торсионный угол, а Ь — коэффициенты. В табл. 4 приведены два набора параметров для потенциала (8еИ и 8е12), предложенные в работе [7]. Ван-дер-ваальсовые взаимодействия задавались потенциалом:

U (r) =

ULj(r) - ULj(rcut), r < rcl 0 r > rcut,

где ULJ — потенциал Леннард—Джонса:

ULj(r) = s[(R/r)12 - 2 (R/r)6]. Параметры R и s для различных пар одинаковых атомов приведены в табл. 5. При этом H(C), H(N) и Н(О) — это обозначения атомов Н, химически связанных с атомами С, N и O соответственно; C(N) и C(O) — обозначения для атомов С, химически связанных с атомами N и O соответственно. Для атомов различных типов использовались комбинационные правила:

Raß = 1 (Rаа +Rßß), 8aß = (еаа8ßß) '

Радиус обрыва потенциала задавался равным rcut = 10.5 Ä.

Для кулоновского взаимодействия приняли экранированный потенциал в виде

U = ■ W(r),

r

3

Таблица 6. Плотность (г/см3) моделей МЭА

Таблица 5. Параметры ван-дер-ваальсовых и кулонов ских взаимодействий

Атом е, кДж моль 1 к, А q, e0 ^1) q, e0 (Set2)

С(М) 0.458 3.816 0.2 0.06

С(О) 0.458 3.816 0.25 0.145

N 0.712 3.648 -0.88 -0.9

О 0.881 3.442 -0.6 -0.683

Н(С) 0.0657 2.774 0 0.06

Н^) 0.0657 1.200 0.335 0.36

Н(О) 0 0 0.36 0.418

Г, °С Опыт [22] Set1 Set2

20 1.012 1.0482 1.1038

25 1.0117 - -

30 1.0077 1.0374 1.0949

40 0.9998 1.0255 1.0867

50 0.9918 1.0141 1.0776

60 0.9837 1.0027 1.0677

70 0.9755 0.9900 1.0590

80 0.9674 0.9780 1.0493

где qí — парциальные заряды на атомах, Сс1 — размерная константа, переводящая энергию в кДж/моль, Щ(г) — безразмерная экранирующая функция:

[(1 - г/Д,в)2, г < Д^,

Ж (г)

10, г > Д

Здесь — радиус экранирования (в наших вычислениях он был равен 15 А). Если г выражено в А, а парциальные заряды на атомах — в единицах элементарного заряда электрона е0, то С = 1390.284. Заряды на атомах для двух наборов параметров ^еИ и Set2 [7]) приведены в табл. 5.

Постоянная температура поддерживалась с помощью столкновительного термостата [19], постоянное давление — с помощью баростата Бе-рендсена [20]. В случае АРТ-ансамбля размеры расчетной ячейки изменялись таким образом, чтобы обеспечить близкое к нулю давление по каждому из трех направлений. В случае АКТ-ансамбля размеры основной кубической ячейки определялись с учетом реальной плотности МЭА при заданной температуре.

Для получения представительных начальных данных была применена специальная многошаговая интерактивная процедура, использующая программу ПУМА в различных режимах и примененная нами ранее при моделировании этилен-гликоля [21, 22]. Первоначально молекулы МЭА были расположены регулярно в узлах простой кубической решетки с большим периодом, отвечающим очень малой плотности (~0.1 г/см3), и были заданы скорости, соответствующие достаточно высокой температуре (600 К). Далее было проведено моделирование на протяжении нескольких десятков пикосекунд при фиксированном объеме и этой высокой температуре. Частота столкновений с виртуальными частицами термостата на этой стадии задавалась высокой, чтобы разрушить корреляции, связанные с исходным регулярным расположением молекул. Следующий этап включал достаточно медленную релак-

сацию размеров системы для достижения более высокой плотности. Менялись также и параметры столкновительного термостата, но он присутствовал на всех этапах, что должно было препятствовать "застреванию" системы в непредставительной конфигурации.

В итоге была построена равновесная модель МЭА при температуре 333 К и давлении 1 атм. Эта модель использовалась в качестве начальной при построении моделей с иными температурами и давлениями. Таким образом были построены модели МЭА при температурах от 298 до 363 К, для которых имеются экспериментальные данные о плотности. Предварительная релаксация системы при каждой температуре велась не менее 2 нс, после чего рассчитывались характеристики системы на протяжении еще 500—600 пс. Расчеты были проведены для двух вариантов силового поля ^еП и Set2), предложенных в работе [7], и различающихся значениями параметров, представленных в табл. 4 и 5.

В табл. 6 приведены значения плотности моделей МЭА, построенных в АрТ-ансамбле при давлении 1 атм в сравнении с опытными данными. Из табл. 6 видно, что оба варианта силового поля завышают экспериментальную плотность МЭА, причем вариант Set2 завышает плотность на ~0.08 г/см3. В этом отношении вариант Set1 выглядит более пр

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком