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摘 要

离子液体是一类极具应用前景的“绿色溶剂”，离子液体拥有较好的热稳定性、较低的蒸汽压、合适的粘度、高电导率和较强催化性等优点，在有机合成、电化学、萃取分离以及材料制备等方面有很广泛的应用。

壳聚糖具有无毒、生物兼容性、生物可降解性、吸附性等独特的物理化学性质，这决定了壳聚糖在许多领域具有重要的应用价值。在分析时，为简化计算，用壳二糖代表壳聚糖。

本文采用分子模拟的研究方式，应用量子化学密度泛函理论DFT中的B3LYP/6-31g(d,p)基组，对十一种离子液体[Mmim]Cl、[Amim]Cl、[Bmim]Cl、[Mtmim]Cl、[Etmim]Cl、[Emim]Cl、[Eeim]Cl、[Aeim]Cl、[Beim]Cl、[Mteim]Cl、[Eteim]Cl和壳二糖-[Mmim]Cl、壳二糖-[Amim]Cl、壳二糖-[Bmim]Cl、壳二糖-[Mtmim]Cl、壳二糖-[Etmim]Cl、壳二糖-[Emim]Cl、壳二糖-[Eeim]Cl、壳二糖-[Aeim]Cl、壳二糖-[Beim]Cl、壳二糖-[Mteim]Cl、壳二糖-[Eteim]Cl进行构型优化。通过比较分析不同离子液体分子与壳二糖分子间的相互作用力的不同特点来分析离子液体中阳离子的不同结构对壳聚糖溶解性能的影响。

关键词：离子液体；阳离子；壳聚糖；分子模拟

Study on the Dissolution of Chitosan by Cationic Structure in Ionic Liquids

Abstract

Ionic liquid is a kind of promised green solvent which has good thermal stability, low vapor pressure, appropriate viscosity, high conductivity and strong catalytic. It is widely applied in organic synthesis, electrochemistry, extraction and separation of materials and so on.

Chitosan has unique physical and chemical properties such as non-toxic, biocompatibility, biodegradability and adsorption, which determines that chitosan has important application value in many fields.In order to simplify the calculation, with Chitobiose on behalf of chitosan..

In this paper, the optimized configuration of Mmim] Cl, [Amim] Cl, [Bmim] Cl, [Mtmim Clam [Elim] Cl, [Eeim] Cl, [Aeim] Cl, [Beim] Cl, [Mteim] Cl, [Eteim] Cl and Chitobiose- [Mmim] Cl, - [Amim] Cl, Chitobiose - [Bmim] Cl, Chitobiose - [Mtmim] Cl, Chitobiose - [Etmim] Cl, Chitobiose - [Emim] Cl, Chitobiose - [Eeim] Cl Chitobiose - [Aeim] Cl, Chitobiose - [Beim] Cl, Chitobiose - [Mteim] Cl and Chitobiose - [Eteim] Cl were investigated by density functional theory B3LYP/6-31g(d,p) base set. The effects of cation on the solubility of Chitobiose in ionic liquids were analyzed by the interaction force between different ionic liquid molecules and Chitobiose molecules.

Keywords: ionic liquid;dissolution; chitosan; molecular simulation

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 前言 1

1.1选题背景 1

1.2离子液体 1

2.1离子液体的化学性质 1

2.2离子液体的合成方法 2

1.3壳聚糖 2

1.3.1壳聚糖简介 2

3.2壳聚糖的性质及应用 3

1.3.3壳聚糖的传统溶解方法 3

1.3.4壳聚糖在咪唑类离子液体中的溶解 4

1.4分子模拟 7

1.4.1分子模拟简介 7

1.4.2分子模拟方法在化学研究中的应用 7

1.5本文思路 8

1.5.1计算各离子液体及壳二糖的最佳分子结构 8

1.5.2计算各离子液体与壳二糖的混合分子结构 9

第二章 实验部分 10

2.1确定离子液体结构 10

2.1.1阳离子部分 10

2.1.2阴离子部分 10

2.1.3选择适当取代基 10

2.2优化离子液体构型 10

2.2.1构造离子液体初始模型 10

2.2.2计算离子液体最优构型 11

2.3优化壳二糖构型 11

2.4优化壳二糖-离子液体组合构型 11

第三章 结果与讨论 13

3.1 实验结果 13

3.1.1 壳二糖-[Mmim]Cl体系 13

3.1.2 壳二糖-[Amim]Cl体系 14

3.1.3 壳二糖-[Bmim]Cl体系 15

3.1.4壳二糖-[Mtmim]Cl体系 16

3.1.5 壳二糖-[Etmim]Cl体系 17

3.1.6 壳二糖-[Emim]Cl体系 18

3.1.7壳二糖-[Eeim]Cl体系 19

3.1.8壳二糖-[Aeim]Cl体系 20

3.1.9壳二糖-[Beim]Cl体系 21

3.1.10 壳二糖-[Mteim]Cl体系 23

3.1.11 壳二糖-[Eteim]Cl体系 24

3.2 比较分析 26

3.1.1 取代基的不同碳链长度结果比较 26

3.1.2 取代基的吸电子性强弱不同结果比较 26

第四章 结论与展望 28

4.1 结论 28

4.2 展望 28

参考文献 29

致谢 31

第一章 前言

1.1选题背景

离子液体(Ionic Liquids, 简称ILs)是一类极具应用前景的“绿色溶剂”，有着许多特别的性质。良好的热稳定性使其能参与高温反应。合适的黏度使其在化工生产中具有优势。较低的蒸气压保证了其状态的稳定。较高的电导率使其在电化学领域发挥作用。此外，ILs还具有强大的催化能力。这些优势让ILs的应用有着极其广阔的范围。在结构上，ILs不同于分子液体，是由阴离子和阳离子构成的。溶解一些生物大分子的关键点在于破坏生物大分子内部的相互作用力，这种作用力主要是分子内的氢键。ILs的特殊结构使其具有较强的静电作用力，因而能有效溶解生物大分子。而且，相比较于传统型的溶剂，ILs效率更高、污染更小。自从2002年，Swatloski首次报道了ILs对纤维素的优异溶解性后，对于ILs在天然高分子（壳聚糖，纤维素，淀粉）的溶解再生应用研究非常热烈。

本次研究选择壳聚糖作为目标。以壳二糖为模拟母体，应用分子模拟高斯Gaussian 09W 软件，在确定阴离子的情况下，探究ILs的阳离子部分对壳二糖-ILs体系形成分子间氢键的影响，并且为研究壳聚糖在ILs中的后续应用累积原始数据。

1.2离子液体

2.1离子液体的化学性质

ILs在常温时为液态，具有许多独特的性质：

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