CN111863150B - 一种基于反应分子动力学的生物质脱木质素方法 - Google Patents

一种基于反应分子动力学的生物质脱木质素方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于反应分子动力学的生物质脱木质素方法，该方法主要特点在于：借助ReaxFF反应力场和仿真计算软件构建木质素‑脱木质素溶剂模型。通过观察模拟轨迹资料，能直观地展示出反应路径，研究其反应机理。根据反应后的碎片数量和结构判断脱木质素溶剂的处理效果，进而达到脱木质素溶剂的筛选。该方法克服了传统脱木质素溶剂只能通过实验进行评价，部分技术污染程度高，技术要求高、耗时长，实验条件难以掌控等缺点。可为脱木质素溶剂的选择提供依据和基础，同时可为开发新型脱木质素溶剂提供科学依据，因此具有较好的应用前景。

Description

一种基于反应分子动力学的生物质脱木质素方法
技术领域
本发明涉及一种基于反应分子动力学的生物质脱木质素方法，特别是一种采用反应分子动力学方法定量评价脱除效果的技术，属于生物质脱木质素领域。
背景技术
随着化石燃料的不断开采和消耗，以及随之而来环境问题，目前迫切需要一种绿色、可再生的能源。木质纤维素生物质是一种来源甚广、产量巨大且可再生的生物能源，是一种具有应用潜力的传统能源替代品。木质纤维素生物质中的木质素是植物界中储量仅次于纤维素的第二大生物质资源，其基本单元为苯丙基，通过一系列的醚键和碳碳键形成复杂、无序的大分子聚合物。由于其特殊的功能特性，具有广泛的潜在应用，例如合成酚醛树脂、生产医药产品和粘合剂等。但木质素生物质具有结构复杂，稳定性高等特点，使得木质素的脱除较为困难。在高产和结构变化最小的情况下有效脱除木质素被认为是实现其高价值利用的重大条件。
目前，从木质纤维素脱除木质素都是以实验方法为基础，碱法或有机溶剂等传统的脱除方法会产生大量的废水，并且传统处理方法对木质素结构破坏程度高，不利于后续的处理。离子液体和低共熔溶剂等处理法作为新型的处理方法，环境友好、无污染，但存在操作难度大、费时费力且昂贵等缺点。
针对以上问题，本发明采用反应分子动力学方法脱除木质纤维素中的木质素，该提纯方法重点在于提取溶剂的筛选。反应分子动力学方法能够从微观建立木质素与溶剂之间的模型，探究其反应机理，研究微观结构和宏观现象之间的关系。该方法采用基于第一性原理的ReaxFF反应力场，能够在较短的计算时间内模拟含有上万个原子的体系,从原子和分子尺度提供详细和准确的信息。
发明内容
为了克服脱除木质素的实验方法带来的费时费力且昂贵等诸多不足，本发明提供一种基于反应分子动力学进行脱木质素溶剂的筛选，探究在该溶剂下的反应机理。该方法不仅能简便、省时的筛选脱木质素溶剂，还能研究不同溶剂脱木质素的反应机理，同时不受体系复杂的限制，可为开发新型脱木质素溶剂提供科学依据。
为达到上述目的，一种基于反应分子动力学的生物质脱木质素方法，包括以下步骤：
步骤1、挑选适合从木质纤维素中脱除木质素的溶剂；
步骤2、在仿真软件中单独建立所有分子模型，包括木质素和步骤1中的溶剂；
步骤3、将步骤2建立的分子模型进行能量和结构优化；
步骤4、在仿真软件中建立大小适中的盒子，将木质素分子和溶剂分子按照一定比例放入盒子中，建立具有边界周期性条件的木质素-溶剂体系模型，并对盒子进行退火和弛豫，得到稳定状态下的木质素-溶剂体系模型；
步骤5、在分子动力学仿真软件中对步骤4建立的盒子设置合适的反应力场和参数，得到模拟结果；
步骤6、通过对步骤5得到的模拟结果进行分析，通过观察分子运动轨迹确定反应路径，根据反应后的碎片数量和结构判断溶剂的处理效果，进而达到脱木质素溶剂的筛选。
进一步的，步骤1中的溶剂是指一种或两种及以上混合的有机溶剂、离子液体和低共熔溶剂。
进一步的，步骤2具体过程为：在仿真软件Material Studio或Gaussian View中分别构建所有单体的结构模型，如离子液体中的阴阳离子单体与低共熔溶剂中的氢键供受体单体等。
进一步的，步骤3具体过程为：在仿真软件Material Studio中将步骤2建立的单体结构模型在Forcite模块下进行能量和结构优化。
进一步的，步骤4具体过程为：在仿真软件Material Studio中的Amorphous CellTools模块中，将步骤3优化完的单体结构按照预期的数量和比例放入与实际密度相符的盒子中，先进行退火，之后分别进行50～100ps下的NVT和NPT弛豫，得到稳定状态下的木质素-溶剂体系模型。
进一步的，步骤5具体过程为：将步骤4中的稳定体系导入至反应分子动力学仿真程序Lammps中，采用ReaxFF力场在NVT系综下进行模拟，并设置温度为353.15K～393.15K，步长为0.25fs，平衡系统持续50～100ps。
进一步的，步骤6具体分析过程为：在分子可视化软件Visual moleculardynamics (VMD)中，观察模拟产生的轨迹文件，能直观地展示出反应路径，研究其反应机理；根据反应后的碎片数量和结构判断脱木质素溶剂的处理效果，进而达到脱木质素溶剂的筛选。
本发明的优点是：
1.克服了传统脱木质素溶剂只能通过实验进行评价。
2.可为脱木质素溶剂的选择提供依据和基础，同时可为开发新型脱木质素溶剂提供科学依据。
3.可快速、高效地提供木质纤维素类生物质木质素脱除机理。
附图说明
图1为木质素结构模型。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的说明，但本发明并不限于此。
实施例1
一、构建合适的木质素生物质结构，选择合适的脱木质素溶剂；
二、构建该体系中所有单体结构；
三、通过Material Studio软件进行能量和结构优化，构建盒子并放入确定比例的分子，进行退火弛豫；
四、设置合适的操作条件，进行反应分子动力学模拟；
五、模拟结束后，观察体系碎片的分布及形态，结合运动轨迹文件和相关模拟文件分析脱木质素溶剂机理及效果。
具体步骤如下：
(1)构建木质素生物质结构，如图1所示；
(2)选择氯化胆碱/乳酸(摩尔比1：5、1：10)和氯化胆碱/甘油(摩尔比 1：2)低共熔溶剂(DES)作为脱木质素溶剂，其中氯化胆碱为氢键供体(HBD)，乳酸和甘油为氢键受体(HBA)；
(3)将体系每个单体在Material Studio仿真软件中的Forcite模块下进行能量和结构优化，例如氯化胆碱/乳酸DES-木质素体系，单体结构分别是氯离子、胆碱阳离子、乳酸分子和木质素分子；
(4)通过仿真软件Material Studio中的Amorphous Cell Tools模块将优化好的分子加入至体积为3.6×3.6×3.6nm3的盒子中，并规定氯化胆碱：乳酸：木质素＝10：100：1(摩尔比)，由于不同组成的DES原子数不同，将盒子密度设置为1.0来调整剩余的两个DES的盒子体积；
(5)使用仿真软件Material Studio中的Forcite模块对盒子进行先退火模拟，之后进行100ps下的NVT和NPT弛豫，得到稳定状态下的木质素-溶剂体系模型并保存为.mdf文件；
(6)使用反应分子动力学仿真程序Lammps中的msi2lmp工具将.mdf文件转换成.data文件，根据体系编写合适的.in文件并找到适合该体系的力场文件；
(7)在反应分子动力学仿真程序Lammps中，采用ReaxFF力场在NVT系综下进行模拟，并Berendsen热浴法控制温度为393.15K，步长为0.25fs，平衡系统持续100ps，并通过相关命令输出碎片数量文件和轨迹文件；
(8)目前脱木质素评判效果的主要标准为木质素中的β-O-4醚键的断裂程度。通过观察轨迹文件，发现氯化胆碱/乳酸(摩尔比1:10)DES处理后的木质素β-O-4醚键中度断裂；氯化胆碱/乳酸(摩尔比1:5)DES处理后的木质素β-O-4 醚键轻度断裂；而氯化胆碱/甘油(摩尔比1:2)DES处理后的木质素β-O-4醚键几乎不断裂。说明DES的酸性对脱除木质素起主导作用，酸性越强，效果越好。通过对反应碎片的分析得知，氯化胆碱/乳酸DES产物中有大量的酚类、苯基醛以及苯基醛和乳酸的一系列产物，在反应中期出现了氯化中间体产物，主要反应路径应为氯离子作为亲核试剂取代羟基同时脱水形成烯醚中间体，在酸性条件下分解成酚类和苯基醛。氯化中间体产物的出现，显著提高了β-O-4醚键裂解的速率。反应物脱木质素溶剂的处理效果由高到低为：氯化胆碱/乳酸(摩尔比1:10)、氯化胆碱/乳酸(摩尔比1:5)、氯化胆碱/甘油(摩尔比1：2)。
实施例2
具体步骤如下：
(1)构建木质素生物质结构，如图1所示；
(2)选择对甲苯磺酸和[Amim][Cl]离子液体(IL)作为脱木质素溶剂；
(3)将体系每个单体在Material Studio仿真软件中的Forcite模块下进行能量和结构优化，例如[Amim][Cl]-木质素体系，单体结构分别是氯离子、[Amim]、和木质素分子；
(4)通过仿真软件Material Studio中的Amorphous Cell Tools模块将优化好的分子加入至体积为3.6×3.6×3.6nm3的盒子中，并规定[Amim][Cl]：木质素＝70：1(摩尔比)，规定对甲苯磺酸：木质素＝70：1(摩尔比)；
(5)使用仿真软件Material Studio中的Forcite模块对盒子进行先退火模拟，之后进行100ps下的NVT和NPT弛豫，得到稳定状态下的木质素-溶剂体系模型并保存为.mdf文件；
(6)使用反应分子动力学仿真程序Lammps中的msi2lmp工具将.mdf文件转换成.data文件，根据体系编写合适的.in文件并找到适合该体系的力场文件；
(7)在反应分子动力学仿真程序Lammps中，采用ReaxFF力场在NVT系综下进行模拟，并Berendsen热浴法控制温度为393.15K，步长为0.25fs，平衡系统持续100ps，并通过相关命令输出碎片数量文件和轨迹文件；
(8)通过观察轨迹文件，发现对甲苯磺酸处理后的木质素β-O-4醚键重度断裂；而[Amim][Cl]离子液体处理后的木质素β-O-4醚键几乎不断裂。通过对反应碎片的分析得知，经对甲苯磺酸处理后的木质素产物中有大量的酚类、但几乎不存在苯基醛，原因可能是对甲苯磺酸酸性过强，发生副反应生成苯萘衍生物。尽管[Amim][Cl]离子液体处理后的木质素在反应中期出现了氯化中间体产物，但β-O-4醚键未发生断裂，原因可能为该离子液体酸性过低。

Claims (6)

1.一种基于反应分子动力学的生物质脱木质素方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、构建合适的木质素生物质结构，选择合适的脱木质素溶剂；
二、构建所有单体结构；
三、通过Material Studio软件进行能量和结构优化，构建盒子并放入确定比例的分子，进行退火弛豫；
四、设置合适的操作条件，进行反应分子动力学模拟；
五、在分子动力学仿真软件中对步骤四建立的盒子设置合适的反应力场和参数，得到模拟结果；
六、模拟结束后，观察体系碎片的分布及形态，结合运动轨迹文件和相关模拟文件分析脱木质素溶剂机理及效果；根据反应后的碎片数量和结构判断溶剂的处理效果，进而达到脱木质素溶剂的筛选；
具体步骤如下：
(1)构建木质素生物质结构；
(2)选择氯化胆碱/乳酸(摩尔比1：5、1：10)、氯化胆碱/甘油(摩尔比 1：2)低共熔溶剂(DES)、对甲苯磺酸和[Amim][Cl]离子液体(IL)作为脱木质素溶剂；其中氯化胆碱为氢键供体(HBD)，乳酸和甘油为氢键受体(HBA)；
(3)将体系每个单体在Material Studio仿真软件中的Forcite模块下进行能量和结构优化，单体结构分别是氯离子、胆碱阳离子、乳酸分子、[Amim]和木质素分子；
(4)通过仿真软件Material Studio中的Amorphous Cell Tools模块将优化好的分子加入至体积为3 .6×3 .6×3 .6nm3的盒子中，并规定氯化胆碱：乳酸：木质素＝10：100：1(摩尔比)； [Amim][Cl]：木质素＝70：1(摩尔比)；对甲苯磺酸：木质素＝70：1(摩尔比)；由于不同组成的原子数不同，将盒子密度设置为1.0来调整剩余盒子体积；
(5)使用仿真软件Material Studio中的Forcite模块对盒子进行先退火模拟，之后进行100ps下的NVT和NPT弛豫，得到稳定状态下的木质素-溶剂体系模型并保存为 .mdf文件；
(6)使用反应分子动力学仿真程序Lammps中的msi2lmp工具将 .mdf文件转换成.data文件，根据体系编写合适的 .in文件并找到适合该体系的力场文件；
(7)在反应分子动力学仿真程序Lammps中，采用ReaxFF力场在NVT系综下进行模拟，并采用Berendsen热浴法控制温度为393 .15K，步长为0 .25fs，平衡系统持续100ps，并通过相关命令输出碎片数量文件和轨迹文件；
(8)对甲苯磺酸处理后的木质素β-O-4醚键重度断裂；而[Amim][Cl]离子液体处理后的木质素β-O-4醚键几乎不断裂；经对甲苯磺酸处理后的木质素产物中有大量的酚类、几乎不存在苯基醛，对甲苯磺酸酸性过强，发生副反应生成苯萘衍生物；[Amim][Cl]离子液体处理后的木质素在反应中期出现了氯化中间体产物，但β-O-4醚键未发生断裂；轨迹文件显示，氯化胆碱/乳酸(摩尔比1:10)DES处理后的木质素β-O-4醚键中度断裂；氯化胆碱/乳酸(摩尔比1:5)DES处理后的木质素β-O-4 醚键轻度断裂；而氯化胆碱/甘油(摩尔比1:2)DES处理后的木质素β-O-4醚键几乎不断裂；DES的酸性对脱除木质素起主导作用，酸性越强，效果越好；对反应碎片分析，氯化胆碱/乳酸DES产物中有大量的酚类、苯基醛以及苯基醛和乳酸的一系列产物，在反应中期出现了氯化中间体产物，主要反应路径应为氯离子作为亲核试剂取代羟基同时脱水形成烯醚中间体，在酸性条件下分解成酚类和苯基醛；氯化中间体产物的出现，显著提高了β-O-4醚键裂解的速率；DES反应物脱木质素溶剂的处理效果由高到低为：氯化胆碱/乳酸(摩尔比1:10)、氯化胆碱/乳酸(摩尔比1:5)、氯化胆碱/甘油(摩尔比1：2)。
2.根据权利要求1所述的一种基于反应分子动力学的生物质脱木质素方法，其特征在于，所述步骤一中，溶剂是指一种或两种及以上混合的有机溶剂、离子液体和低共熔溶剂。
3.根据权利要求1所述的一种基于反应分子动力学的生物质脱木质素方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：在仿真软件Material Studio或Gaussian View中分别构建所 有单体的结构模型。
4.根据权利要求1所述的一种基于反应分子动力学的生物质脱木质素方法，其特征在于，所述步骤四具体过程为：在仿真软件Material Studio中的Amorphous Cell Tools模块中，将步骤三优化完的单体结构按照预期的数量和比例放入与实际密度相符的盒子中，先进 行退火，之后分别进行100ps下的NVT和NPT弛豫，得到稳定状态下的木质素-溶剂体系模型。
5.根据权利要求1所述的一种基于反应分子动力学的生物质脱木质素方法，其特征在于，所述步骤五的具体过程为：将步骤四中的稳定体系导入至反应分子动力学仿真程序Lammps中，采用ReaxFF力场在NVT系综下进行模拟，并设置温度为393 .15K，步长为0.25fs，平衡系统持续100ps。
6.根据权利要求1所述的一种基于反应分子动力学的生物质脱木质素方法，其特征在于，所述步骤六具体分析过程为：在分子可视化软件Visual molecular dynamics(VMD)中，观察模拟产生的轨迹文件，能直观地展示出反应路径，研究其反应机理；根据反应后的碎片数量和结构判断脱木质素溶剂的处理效果，进而达到脱木质素溶剂的筛选。
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