1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文献综述

1.选题背景

胶原蛋白是哺乳动物体内含量最丰富的一类蛋白质，作为一种具有优良性能的可再生天然分子化合物，可应用于医疗保健、生物医学、组织工程等领域。然而，由于胶原蛋白内部存在量众多的氢键，离子键，范德华力和疏水键，难溶于水或一般的有机溶剂中，使得加工变得困难，极大地限制了胶原蛋白的应用。离子液体由于具有蒸汽压低、极性强、溶解性强、不易燃、热稳定性和化学稳定性良好等特性而被广泛的应用于分析化学、有机合成、材料制备学等领域，且离子液体易回收，是良好的绿色溶剂。

2.离子液体

2.1离子液体概念及优点

离子液体又称为室温熔融盐，是指完全由阳离子和阴离子组成的，在室温或临近温度条件下呈液体状态的有机化合物。离子液体具有蒸汽压低、极性强、溶解性强、不易燃、热稳定性和化学稳定性等优良特性，目前已被广泛的应用于分析化学、有机合成、材料制备和电化学等领域^[1]。进入21世纪以后，离子液体的研究进入了一个新阶段。新型离子液体，特别是功能化离子液体的开发和应用受到普遍关注，成为离子液体研究的新方向和新增长点。通过向离子液体的有机阳离子上引入新的官能团，可以赋予离子液体一些特殊的性质、用途和功能，这些离子液体将会满足当今各个行业的生产和需求。与传统的有机溶剂相比，离子液体具有一系列突出的优点^[2]：

1) 几乎无蒸汽压、不挥发、不可燃、不爆炸，因此可彻底消除因挥发而产生的环境污染问题。

2) 熔点低，呈液态的温度范围广，具有较好的化学和热稳定性，通常在高达300T时不分解。

3) 溶解性很好，能溶解许多有机、无机、金属有机化合物和高分子材料。

4) 可设计性,通过选择适当的阴离子或微调阳离子的侧链，可有目的地进行设计和合成具有特殊性质的离子液体或离子盐。

5) 循环利用性优良，可回收、无污染。

2.2离子液体的分类

离子液体种类繁多，通过改变阳离子和阴离子的不同组合，可以设计合成出不同的离子液体; 通过改变组成进行改性，可以调节离子液体的物理化学性质。目前所研究的离子液体均是由阴阳离子的不同进行划分。常见的阳离子类型有烷基铵阳离子、烷基鎓阳离子、N－烷基吡啶阳离子、N, N－二烷基咪唑阳离子等。阴离子分类常见的有卤素离子、AlCl₄^－ 和含F、P、S的多种离子^[3]。

2.3离子液体应用于分离提纯

由于离子液体具有其独特的理化性能，非常适合于用作分离提纯的溶剂。在此方面已有大量的报道，如利用离子液体从发酵液中提取回收丁醇；利用超临界CO₂从离子液体中提取非挥发性有机物等等。我国化学工作者邓友全等在此方面也有一定的研究。他们首次将离子液体应用到固-固分离领域中，以[BMIM]PF₆作为分离牛黄酸和硫酸钠固体混合物的浸取剂，有效地分离了牛黄酸，回收率高于97%，此方法具有很大的应用价值。

本次试验就是用具有表面活性的离子液体溶解胶原蛋白，并研究离子液体与胶原蛋白溶解性能之间的构效关系。

2.4离子液体的制备

本次试验中，需要的表面活性离子液体分两个步骤合成：

第一步：先用N-甲基咪唑与氯乙酸乙酯反应生成[EtMIM]Cl

第二步：[EtMIM]Cl与十二烷基硫酸钠反应生成目标产物

每一阶段的成品都要严格操作，否则极易引入杂质，影响实验结果

乙酸酯氯盐离子液体的合成50ml乙腈中加入8.210g N-甲基咪唑和13.223g氯乙酸乙酯在100℃下反应6h，旋蒸去除乙腈，得到乙酸酯氯盐离子液体[EtMIM]Cl。旋蒸，烘干放入干燥器中备用。

表面活性离子液体的合成，100mL 二氯甲烷中加入15.200g 乙酸酯氯盐离子液体[EtMIM]Cl， 25.100g SDS, 80℃下反应6h， 得到表面活性离子液体SAIL(surface active ionic liquid)。 抽滤，旋蒸，烘干，放入干燥器备用。

2.5离子液体的回收

溶解胶原蛋白的离子液体再生后，离子液体和再生剂通过减压蒸馏分离能回收，计算离子液体的回收率。按GB 11896#8212;1989 水质-氯化物的测定-硝酸银滴定法，测定回收离子液体的纯度^[4]。

3.胶原蛋白

3.1胶原蛋白概述

胶原蛋白是种生物高分子，主要存在于动物的结缔组织中，是一种在哺乳动物中含量最多，分布最广的功能性蛋白；占蛋白质总量的25%到30%，某些生物体可达80%以上^[5]。作为一种具有优良性能的可再生天然高分子化合物，可应用于食品，化妆品和生物医用材料等领域。然而，由于胶原蛋白内部存在数量众多的氢键，离子键，范德华力和疏水键，难溶于水或一般的有机溶剂中，使得加工变得困难，极大地限制了胶原蛋白的应用^[6]。

近年来，已经出现一类新型的绿色溶剂即离子液体（ILS），其可以与一系列传统上难以溶解的天然生物质混合。离子液体被认为是由大分子离子组成的有机盐，并且在室温下通常为液体。作为传统有机溶剂的可能的替代品，离子液体具有许多无可比拟的优良性能，例如良好的溶解性，可忽略的蒸汽压，优良的热稳定性，广泛的液相范围，低可燃性，以及易回收性^[7]。离子液体的出现，有利于该项工程的全面开展。

3.2胶原蛋白的分类

胶原蛋白属于蛋白质家族，根据其结构，可以分为纤维胶原、基膜胶原、微纤维胶原、锚定胶原、六边网状胶原、非纤维胶原、跨膜胶原等。

根据它们在体内的分布和功能特点，可以将胶原分成间质胶原、基底膜胶原和细胞外周胶原。间质型胶原蛋白分子占整个机体胶原的绝大部分，包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型胶原蛋白分子，Ⅰ型胶原蛋白主要分布于皮肤、肌腱等组织，也是水产品加工废弃物（皮、骨和鳞）含量最多的蛋白质，占全部胶原蛋白含量的80-90%左右，在医学上的应用最为广泛。Ⅰ型胶原在鱼类胶原中一个最显著的的特点是热稳定性比较低，并呈现有鱼种的特异性。Ⅱ型胶原蛋白由软骨细胞产生；基底膜胶原蛋白通常是指Ⅳ型胶原蛋白，其主要分布于基底膜；细胞外周胶原蛋白通常中指Ⅴ型胶原蛋白，在结缔组织中大量存在。

3.3胶原蛋白在离子液体中的溶解

张玲等人对[Amim]Cl、[Bmim]Cl、[Hmim]Cl、 [Bmim]Br、 [Bmim]BF₄和[Bmim]PF₆这六种离子液体对胶原多肤的溶解性能以及溶解温度和离子液体结构之间的关系进行了研究。研究结果表明，在含有相同阳离子时，胶原多肤在阴离子为Cl^-的离子液体中的溶解度最大;当离子液体的阴离子为Cl^-，阳离子为[Amim]^十的离子液体对胶原多肤的溶解性最好;温度对胶原多肤在离子液体中的溶解速率影响显著，随着温度升高溶解速率增快^[8]。

2012年，孟卓君等人研究了离子液体N，N-1-丁基-3-甲基咪哩氯盐[Bmim]C1对皮胶原纤维的溶解，结果表明:胶原在离子液体的溶解过程中其结晶结构随温度的升高逐渐减少，当温度升至120℃时胶原的结晶结构被离子液体破坏，胶原完全溶解在离子液体中。再生胶原的结构规整度下降说明在胶原在溶解过程中部分三股螺旋结构被破坏^[9]。

3.4胶原蛋白再生性能^[10-13]

向反应瓶中加入10g 离子液体和一定量的胶原蛋白，在磁力搅拌下，置于140℃ 条件下反应一定时间，趁热高速离心分离得到透明的胶原蛋白/离子液体溶液和未溶胶原蛋白，用去离子水洗去未溶胶原蛋白上的离子液体，真空干燥，称重。由所加胶原蛋白和离子液体的量，计算该温度下胶原蛋白在离子液体中的溶解度。再次将溶液离心分离，得到固体产物，并分别用其再生试剂洗3次，以除去残留离子液体，真空干燥得再生胶原蛋白，称重，并进行表征。含离子液体和再生试剂的滤液经简单分离后，离子液体和再生试剂均可重复使用。

其他条件不变，改变温度分别在60、80、100、120、150 和160℃ 进行相同试验，对比分析不同温度下胶原蛋白的溶解度，找出胶原蛋白的适宜溶解温度。结果如下所示：

4.实验方法

4.1分子模拟方法概述

近年来，随着实验仪器与劳动力成本的增加，人们做实验的花费也随之增长，据估计每过10 年实验成本就要翻一番，而工业设计又离不开大量可靠的物性和热力学数据。分子模拟是利用分子理论与计算方法，对物理和化学过程中分子的微观行为进行仿真的一种技术。随着计算机硬件的不断发展，普通微机的性能不断提高，价格不断下降，采用计算机来模拟实际体系的成本也随之下降。研究者认为每一项新理论诞生都已经离不开分子模拟的工作^[14]。

4.2分子模拟的技术关键

计算机是计算化学的硬件基础，并行计算机的发展更加推动了计算化学的应用，使得计算的体系不断加大，计算的时间大幅加快。在上世纪70 年代末，并行计算作为一个概念被广泛传播。在1980 年，Seeger 发表了开创性的论文《小型计算机用于并行计算：量子化学的有力工具》。现在全世界的化学家使用万亿次和千万亿次的并行体系，小到十来个，大到几十万个处理器来模拟。计算化学软件也随着并行计算机的发展，不断地改进算法和代码，来充分利用硬件。和相对简单的从标量到向量的转变相比，并行体系要复杂得多，矢量处理器只要求有更长的循环，而并行计算平台要重写软件来处理数据和任务在处理器间的通信。

在过去几年里，硬件的发展如多核处理器已经改变了细粒度并行的概念，再一次促使计算化学家重新思考怎样利用一些硬件的潜力。最近出现的图形处理单元（GPU）在计算化学程序中的使用再一次改变了这种情形。这两个新的进展显示了计算化学家对计算能力的永不满足，不会止步于现在的标准的并行方案。

4.3分子模拟在化工中的应用

以共聚高分子材料、功能膜、纳米碳管和层柱状多孔材料等为研究对象，经典分子动力学模拟与蒙特卡罗模拟在对其介观层次的微相结构及其演变过程、界面结构以及小分子和胶体颗粒的吸附和传递进行研究中起到了重要的作用。通过分子模拟手段建立分子结构、材料的介观微相结构与材料的宏观性能之间的定性和定量关系，可以为复杂材料的合成、加工和应用提供理论指导和基础数据。

介观多孔材料中流体相行为和传递性质的研究，致力于多孔氧化硅、活性炭纤维、介孔活性炭微球、碳纳米管、层柱材料、多金属复合钛酸盐功能陶瓷材料及大孔分子筛MCM-41 等多孔材料的应用，研究氢、甲烷和二氧化碳等气体在孔道中的相行为、储存密度和输运过程，为筛选和制备实用的储能材料提供理论指导。

模拟和实验技术的结合是受限流体行为研究的重要技术发展方向，然而两者实际”结合”存在一定的困难，模拟研究被认为是”观察”受限下分子集群行为的有效工具，由于微观实验观测手段的缺乏或不够精密，实验研究者总希望模拟技术能把实验现象全部真实地重复出来，在揭示所有的机制后，对材料进行重新设计改良。与此同时，模拟研究者总期望实验能给出详尽的微观信息，再加以抽象进行模拟分析，这造成了模拟和实验的对话困难。因此，有必要在两者”定量”关联之前，进行模拟和实验的”定性互动”研究，即将分子模拟得到的”定性”认识，直接在实验中实践，优化实验方向。

4.4密度泛函理论（DFT）与量子化学

密度泛函理论是电子结构理论的经典方法，特别是Hartree-Fock方法和后Hartree-Fock方法，是基于复杂的多电子波函数的。密度泛函理论的主要目标就是用电子密度取代波函数作为研究的基本量。因为多电子波函数有3N个变量（N为电子数，每个电子包含三个空间变量），而电子密度仅是三个变量的函数，无论在概念上还是实际上都更方便处理。本文提到的仅是基本理论，与第一性原理关系密切。

密度泛函理论(density functional theory, DFT)是近年来快速发展的第三类电子结构理论。它采用泛函(以函数为变量)求解薛定愕方程^[15]。

1964年，P. Hohenberg和W. Kohn证明了对DFT非常重要的两个定理。第一定理表明对于基态的分子，其所有物理性质(包括能量(Eo)、波函数及其他的电子性质，下标0表示基态)都由电子几率密度Po任)唯一地确定。第二定理对应电子密度的变分原理:基态对应的真正密度所决定的能量值最低，其他任意近似电子密度所对应的能量都高于这个值。

关于量子化学的计算，其方法是基于Gaussian 03软件包，采用密度泛函理论(DFT)方法B3LYP和6-311 G(d,p)基组(I使用6-311G(d,p)基组)，对不同离子簇进行了构型优化并对部分离子簇优化构型进行了振动频率分析，将得到的理论振动光谱与实验结果进行对比，帮助指认实验红外光谱谱线的同时对不同理论模型的结果进行了对比。此外，利用超分子方法计算了离子簇中离子间相互作用能：

即ΔE = E^AnBm-nE^A-mE^B

其中E^A，E^B及分别代表经过结构优化的阳离子、阴离子及离子簇能量，并且采用Counterpoise方法进行了基组重叠效应(BSSE)修正，进而讨论离子间相互作用能与实验熔点之间的关系。

量子化学主要应用在材料科学、能源开发、化学计算等领域，因其较好的准确性，在未来会有更大的发展。

5.本文思路

文章先从离子液体着手，了解其种类、性能；并掌握部分离子液体的制备方法及如何向具有表面活性离子液体转化。再到胶原蛋白的存在方式，了解利用胶原蛋白的缺陷和不足。采用分子模拟、荧光光谱法确定SAILs在水溶液中的活性及聚集行为，还提到了密度泛函理论和量子化学在分子模拟、化学计算中的应用。本项目为新型SAILs结构设计，为胶原基生物材料的制备奠定理论和实践基础。

6.参考文献

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[2] 韩雪梅，汤曼曼.蛋白质在离子液体中的溶解研究进展[J].中国皮革，2014，43(19):43-46

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[4] 郭佳荣,王岩,柏韵宁等.胶原蛋白在乙酸脂类离子液体中的溶解及再生性能[J].南京工业大学学报，2015,37(1):20-26

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1. 研究合成一系列含不同阴、阳离子及不同碳链长度的表面活性的离子液体（surface active ionic liquids,sails）

2. 采用分子模拟、荧光光谱等方法确定sails在水溶液中的表面活性及聚集行为

3. 研究胶原蛋白-sails溶液的性质；分析胶原蛋白在sails中的溶解机理；阐明sails与胶原蛋白的分子作用机理