基于N-苄基化壳聚糖衍生物液晶性和T_g的分子模拟初步研究

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壳聚糖结构单元中含有-NH2和-OH,因此可对它进行多种化学修饰,这些丰富的化学修饰方法为研究壳聚糖及其衍生物的液晶性提供了很好的条件。利用它进行分子量、取代度和取代基大小等结构因素对溶致液晶行为影响的研究已先后报道,但取代基上特征官能团的位置变化(羟基在苯环的邻、间、对位上)对其溶致液晶性的影响的研究还尚未见有报道。本文拟通过实验合成一系列取代基上特征官能团的位置发生变化的壳聚糖衍生物,对其溶致液晶性进行研究,并通过分子模拟的手段,研究壳聚糖衍生物结构与性质的关系。根据高分子链段的化学结构组成来预测高分子物质的各种性质,对在工业应用中如何进行选择、改性及设计高分子产品具有重要意义。本文采用壳聚糖同芳基醛反应合成苄基壳聚糖,通过核磁共振法、红外光谱法、紫外光谱法和荧光分析法对产物进行结构表征。利用偏光显微镜法和折射率法测定N-苄基壳聚糖的液晶临界浓度,利用分子模拟的方法对N-苄基壳聚糖分子内与分子间氢键作用力进行了分子动力学模拟,研究氢键作用力与液晶临界浓度的相互关系。通过分子模拟计算不同温度下无定形高分子单元的偏摩尔体积,然后做V-T曲线求得各N-苄基壳聚糖的玻璃化转变温度,与实验用DSC测得的玻璃化在转变温度进行比较。通过对树状分子DOBOB接枝壳聚糖自组装柱状液晶分子进行分子力学与分子动力学模拟,得到其最优构象,测量其柱直径,并通过改变树状分子的结构,研究树状分子与柱状液晶分子直径大小的关系。对碗型分子CTV接枝高分子的自组装结构进行分子动力学模拟,分析碗状小分子能自组装成柱状六方相而其接枝高分子的产物却失去这一特性的原因。实验成功合成了四种N-苄基化壳聚糖衍生物,它们的取代基上官能团的数目和位置不同,N-取代度相近。用偏光显微镜法和折射率法测得各衍生物的液晶临界浓度(w/w)分别为28%、37%、24%和27%,均比纯壳聚糖的12%有很大提高,因为取代基的引入破坏了壳聚糖分子内与分子间非常强烈的氢键作用。分子模拟结果表明分子内氢键强或者分子间氢键强都显著提高分子链的刚性,分子链的排列与取向更加规整,因而降低壳聚糖衍生物的液晶临界浓度,这两个因素只要一个即可。相反若两者都不强,则分子链的刚性较小,临界浓度明显较高。对于该体系,氢键的强弱对液晶临界浓度有着决定性的影响。通过分子动力学模拟出来的高分子的玻璃化转变温度(NOCS:134℃,NMCS:130℃,NPCS:135℃,NMPCS:139℃)与实验测得的玻璃化转变温度(NOCS:131℃,NMCS:129℃,NPCS:138℃,NMPCS:143℃)相比相差不大,因此,分子动力学模拟方法在仅后可能成为预测高分子玻璃化转变温度的一种有用方法。通过分子模拟测得自组装柱状液晶分子直径:DOBOB-CS:4.8nm,DOVOB-CS:5.8nm,DOB-CS:3.1nm,BOB-CS:4.2nm,在此柱直径下均能自组装成六方柱相,由模拟结果可知,DOBOB分子中柔性的烷基链段对柱直径的贡献最大。对含碗形CTV侧基的甲基丙烯酸酯类聚合物的分子结构进行分子模拟,结果表明当“碗”与主链间的连接链为较短的(CH22时,由于碗形侧基过大的体积导致聚合物主链明显弯曲,分子链失去对称性;当“碗”与主链间的连接链为较长的(CH211时,聚合物主链较为伸展,虽然仍有些弯曲,但是侧基的“碗”基本上能自组装成柱。但从实验看,实际上BPM并未形成柱状相结构,液晶性也丧失了。也就是说还需要更长的连接链才来实现主链的伸展和CTV碗的自组装,这一点还需要更多实验来进一步证明。我们利用分子模拟的方法,对壳聚糖衍生物链进行了分子力学与分子动力学模拟,以此来预测其各种性质,并用实验结果对模拟的结果进行了验证,经过实验验证过的分子模拟方法具有一定的可靠性,可以用来对实验室未合成出的壳聚糖衍生物的各种性质进行预测进而进行分子结构设计,从而能够降低实验的成本,提高科研效率。
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