Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Mô phỏng động lực học phân tử về sự hydrat hóa của poly(vinyl methyl ether): Liên kết hydro và liên kết hydro giả
Tóm tắt
Các cấu trúc độ ẩm chi tiết ở cấp độ nguyên tử của poly(vinyl methyl ether) (PVME) đã được nghiên cứu bằng cách mô phỏng động lực học phân tử ở nhiệt độ 300 K với nhiều nồng độ khác nhau. Cả các hàm phân phối bán kính và các phân phối khoảng cách giữa các nguyên tử cho và nhận trong các liên kết hydro cho thấy rằng các liên kết hydro giữa polymer và nước ngắn hơn 0.005 nm so với các liên kết giữa các phân tử nước. Các liên kết hydro giả chỉ chiếm 7.2% trong số các cặp tương tác van der Waals. Kết quả cho thấy các liên kết hydro không phân bố đồng đều dọc theo chuỗi polymer và vẫn còn một lượng đáng kể (10%) nguyên tử oxy ete không có liên kết hydro với nước ngay cả ở nồng độ thấp tới 3.3%. Điều này cho thấy trong các dung dịch polymer, sự tiếp xúc gần xảy ra không chỉ giữa các chuỗi polymer mà còn giữa các đoạn chuỗi trong polymer, dẫn đến các tiếp xúc không hiệu quả giữa các nguyên tử oxy ete và các phân tử nước. Sự biến đổi của các liên kết hydro giả theo nồng độ tương tự như liên kết hydro, nhưng tỷ lệ của các đơn vị lặp lại hình thành liên kết hydro giả tới các đơn vị hình thành liên kết hydro tiến gần đến 0.2. Một sự chuyển tiếp đã được phát hiện trong enthalpy phân tách ở khoảng 30% khi đo bằng phương pháp thử nghiệm động lực có kiểm soát (DTDSC) cho các dung dịch nước của PVME trọng lượng phân tử thấp mono-dispersed, có thể liên quan đến sự chuyển tiếp của các tỷ lệ liên kết hydro và liên kết hydro giả ở khoảng 27%. Sự chuyển tiếp của các tỷ lệ liên kết hydro và liên kết hydro giả ở khoảng 27% có thể được sử dụng để giải thích sự chuyển tiếp enthalpy phân tách ở 30% ở quy mô phân tử. Ngoài ra, ở nồng độ 86%, mỗi nguyên tử oxy ete liên kết với nước trung bình gán với 1.56 phân tử nước, và các phân tử nước 'tự do' xuất hiện ở nồng độ khoảng 54%.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Sun T, King H E. Discovery and modeling of upper critical solution behavior in the poly(ethylene oxide)/water system at elevated pressure. Macromolecules, 1998, 31(18): 6383–6386
Tamai Y, Tanaka H, Nakanishi K. Molecular dynamics study of polymer-water interaction in hydrogels. 1. Hydrogen-bond structure. Macromolecules, 1996, 29(21): 6750–6760
Nies E, Li T, Berghmans T H, Heenan R K, King S M. Upper critical solution temperature phase behavior, Composition fluctuations, and complex formation in poly(vinyl methyl ether)/D2O solutions: Small-angle neutron-scattering experiments and wertheim lattice thermodynamic perturbation theory predictions. J Phys Chem B, 2006, 110(11): 5321–5329
van Durme K, van Assche G, Nies E, van Mele B. Phase transformations in aqueous low molar mass poly(vinyl methyl ether) solutions: Theoretical prediction and experimental validation of the peculiar solvent melting line, bimodal LCST and (Adjacent) UCST miscibility gaps. J Phys Chem B, 2007, 111(6): 1288–1295
Zeng X G, Yang X Z. A study of interaction of water and model compound of poly(vinyl methyl ether). J Phys Chem B, 2004, 108(45):17384–17392
Liu Z, Calvert P. Multilayer hydrogels as muscle-like actuators. Adv Mater, 2000, 12(4): 288–291
Qiu Y, Park K. Environment-sensitive hydrogels for drug delivery. Adv Drug Del Rev, 2001, 53(3): 321–339
Miyataa T, Uragamia T, Nakamaeb K. Biomolecule-sensitive hydrogels. Adv Drug Del Rev, 2002. 54(1): 79–98
Schafer-Soenen H, Moerkerke R, Berghmans H, Koningsveld H, Dusek K, Solc K. Zero and off-zero critical concentrations in systems containing polydisperse polymers with very high molar masses. 2. The system water-poly(vinyl methyl ether). Macromolecules, 1997, 30(3): 410–416
Maeda H. Interaction of water with poly(vinyl methyl ether) in aqueous solution. J Polym Sci Part B-Polym Phys, 1994, 32(1): 91–97
Némethy G, Scheraga H A. Structure of water and hydrophobic bonding in proteins. II. Model for the thermodynamic properties of aqueous solutions of hydrocarbons. J Chem Phys, 1962, 36(12): 3401–3417
Frank H S, Evans M W. Free volume and entropy in condensed systems III. Entropy in binary liquid mixtures; partial molal entropy in dilute solutions; structure and thermodynamics in aqueous electrolytes. J Chem Phys, 1945, 13(11): 507–532
Spoel D, Lindahl E, Hess B, Groenhof G, Mark A E, Berendsen H J C. Gromacs: Fast, flexible, and free. J Comput Chem, 2005, 26(16): 1701–1718
Hoover W G. Canonical dynamics: Equilibrium phase-space distributions. Phys Rev A, 1985, 31(3): 1695–1697
Nosé S. A molecular dynamics method for simulations in the canonical ensemble. Mol Phys, 1984, 52(2): 255–268
Parrinello M, Rahman A. Polymorphic transitions in single crystals: A new molecular dynamics method. J Appl Phys, 1981, 52(12): 7182–7190
Essmann U, Perera L, Berkowitz M L, Darden T, Lee H, Pedersen L G. A smooth particle mesh Ewald method. J Chem Phys, 1995, 103(19): 8577–8593
Darden T, York D, Pedersen L. Particle mesh Ewald: An N· log(N) method for Ewald sums in large systems. J Chem Phys, 1993, 98(12): 10089–10092
Hess B, Bekker H, Berendsen H J C, Fraaije J G E M. Lincs: A linear constraint solver for molecular simulations. J Comput Chem, 1997, 18(12): 1463–1472
Miyamoto S, Kollman P A. Settle: An analytical version of the SHAKE and RATTLE algorithm for rigid water models. J Comput Chem, 1992, 13(8): 952–962
Jorgensen W L, Chandrasekhar J, Madura J D, Impey R W, Klein M L. Comparison of simple potential functions for simulating liquid water. J Chem Phys, 1983, 79: 926–935
Lawrence C P, Skinner J L. Flexible TIP4P model for molecular dynamics simulation of liquid water. Chem Phys Lett, 2003, 372: 842–847
Kaminski G A, Friesner R A, Tirado-Rives J, Jorgensen W L. Evaluation and reparametrization of the OPLS-AA force field for proteins via comparison with accurate quantum chemical calculations on peptides. J Phys Chem B, 2001, 105: 6474–6487
Jorgensen W L, Maxwell D S, Tirado-Rives J. Development and testing of the OPLS all-atom force field on conformational energetics and properties of organic liquids. J Am Chem Soc, 1996, 118: 11225–11236
Loozen E, Nies E, Heremans K, Berghmans H. The influence of pressure on the lower critical solution temperature miscibility behavior of aqueous solutions of poly(vinyl methyl ether) and the relation to the compositional curvature of the volume of mixing. J Phys Chem B, 2006, 110(15): 7793–7802
Shiomi T, Hamada F, Nasako T, Yoneda K, Imai K, Nakajima A. Thermodynamics of polymer blends of poly(vinyl methyl ether) and polystyrene. Macromolecules, 1990, 23(1): 229–233
Scheiner S. Hydrogen Bonding. New York: Oxford University Press, 1997. 230–231
Luzar A, Chandler D. Structure and hydrogen bond dynamics of water-dimethyl sulfoxide mixtures by computer simulations. J Chem Phys, 1993, 98(10): 8160–8173
Gu Y K, Scheiner T S. Fundamental properties of the CH⋯O interaction: Is it a true hydrogen bond? J Am Chem Soc, 1999, 121(40): 9411–9422
Lee H S, Wang Y K, Hsu S L. Spectroscopic analysis of phase separation behavior of model polyurethanes. Macromolecules, 1987, 20(9): 2089–2095
Zhang R, Li H, Lei Y, Han S. All-atom molecular dynamic simulations and relative NMR spectra study of weak C—H…O contacts in amide-water systems. J Phys Chem B, 2005, 109(15): 7482–7487
Vargas R, Garza J, Dixon D A, Hay B P. How strong is the Ca—H…O=C hydrogen bond? J Am Chem Soc, 2000, 122(19): 4750–4755
Maeda Y. IR spectroscopic study on the hydration and the phase transition of poly(vinyl methyl ether) in water. Langmuir, 2001, 17(5): 1737–1742
Meeussen F, Bauwens Y, Moerkerke R, Nies E, Berghmans H. Molecular complex formation in the system poly(vinyl methyl ether)/water. Polymer, 2000, 41(10): 3737–3743
Zhang J, Berge B, Meeussen F, Nies E, Berghmans H, Shen D. Influence of the interactions in aqueous mixtures of poly(vinyl methyl ether) on the crystallization behavior of water. Macromolecules, 2003, 36(24): 9145–9153