环糊精包合苯酚及其衍生物的分子模拟(2)
环糊精是一种环状低聚糖，因为其特殊的分子结构，对苯酚有较好的吸附能力，可用作水处理剂。其吸附苯酚后的解吸附性能也较好，在多次循环利用后，仍具有较高的吸附和脱附能力[4]，而且环糊精是无毒的，所以环糊精成为了处理含有苯酚的废水的良好处理剂。现阶段关于环糊精包合苯酚的相关研究有很多，也都取得了不错的研究结果，证明了环糊精对苯酚有良好的包合吸附能力，但是还缺乏与实验相关的理论基础的研究。
本课题实验参考文献[5]中关于β-环糊精包合苯酚及其衍生物的实验部分，以TableII的热力学量的实验数据作为比较的基础，利用分子动力学模拟的方法，模拟β-环糊精在水溶液中包合苯酚及其衍生物的包合过程，计算出其包合过程中的构象变化以及相关的热力学量，将计算得出的数据与参考文献的实验数据作比较，得出相关结论，给实验提供理论基础。
1.1 研究背景
1.1.1 环糊精
环糊精（Cyclodextrin，CD）是直链淀粉在环糊精葡萄糖基转移酶作用下生成的一系列低聚糖的总称，通常含有6～12个D-吡喃葡萄糖单元[6]。通常所用的环糊精是分别由6、7、8个葡萄糖单元组成的α-、β-、γ-环糊精[7]。环糊精的分子结构是一端较大、一端较小略呈锥形的圆筒状分子，中间形成空腔结构[8]，如图1.1所示。空腔内侧由H原子及α-1,4糖苷键键合的O原子构成，处于碳氢键的屏蔽效应中，呈疏水性；空腔外侧则由于羟基的聚集而呈亲水性[9]。环糊精的这种“内疏水外亲水”的分子结构以及低极性的空腔使得其可以诱导、选择结合和催化某些有机反应，并作为受体借助分子间的作用力，比如范德华力、疏水相互作用和氢键等[10]，使其疏水空腔内可以包络一些客体分子，形成稳定的包合物[11-12]，从而改变客体分子的溶解度、挥发性和化学性能等理化性质[13]。在α-、β-、γ-环糊精这三种常用的环糊精中，β-环糊精的分子空腔大小适中（内径70～80nm）、结晶性能良好（易于提纯），可以与许多无机、有机分子结合成主客体包络物[14-15]，并能改变客体分子的理化性质，具有保护、稳定、增溶客体分子和选择定向分子的特性，可以作为改良剂、稳定剂、吸附剂、赋形剂等，在食品[16]、环保[17]、医药[18]等领域都有广泛的应用。但是，由于β-环糊精在水中的溶解度较小和包合能力有限，使其在工业应用上有一定的局限性。因此，人们通常在β-环糊精中加入交联剂来进行改性，以改变β-环糊精的理化性质，使得β-环糊精的应用更加地广泛。
图1.1 β-环糊精的3文结构：(a) side view; (b) top view.(下同)
1.1.2 苯酚及其衍生物
苯酚（phenol）俗称石炭酸，是一种有特殊气的白色或无色晶体，具有弱酸性。在室温下微溶于水，易溶于乙醇、乙醚、氯仿和甘油等有机溶剂，几乎不溶于石油醚。苯酚本身有毒，其衍生物也有毒，酚类物质是工业废水中常见的污染物之一。本课题所用的苯酚衍生物为对苯二酚、对溴苯酚、对硝基苯酚，其结构式如图1.2所示。
图1.2 苯酚及其衍生物结构式
1.1.3 环糊精包合苯酚的相关实验研究
董晓蕾，李莉[4]等以环氧氯丙烷（EP）为交联剂，在液体石蜡环境中利用反相悬浮聚合技术与β-环糊精反应生成了几种不同粒径大小的球形β-环糊精聚合物（β-CDPs），并通过检测聚合物的紫外吸光度来研究其吸附和脱附性能，探索环糊精聚合物粒径、温度和苯酚初始浓度对吸附苯酚的性能的影响，并对吸附过程中的动力学和热力学的数据进行了研究。实验结果表明，β-CDPs对苯酚具有较强的吸附能力，且吸附过程是一个自发并放热的过程，吸附主要是物理吸附（范德华力和包合作用等）。在温度为10℃，苯酚初始浓度为150mg/L，聚合物粒径为1mm的情况下，β-CDPs的平衡吸附量可达到73umol/g。β-CDPs吸附苯酚后的解吸附性能也较好，利用乙醇可使聚合物再生，且多次循环使用后也不影响其吸附脱附能力。