CC BY
4Эволюция кластера из 12 молекул кониферилового спирта в водном окружении. Моделирование методом молекулярной динамики.
Т.В. Богдан1, М.Л. Антипова2, В.Е. Петренко2, Е.Г. Одинцова2
1- Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова», Химический факультет, Российская Федерация, 119991, Москва, Ленинские Горы, д.1 стр. 3 2- Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии растворов им. Г.А. Крестова РАН, Российская Федерация, 153045, г. Иваново, ул. Академическая, д. 1
chemist2014@yandex.ru
Конифериловый спирт (КС) является одним из мономеров природного гетерополимера -лигнина, который в настоящее время рассматривается как один из перспективных возобновляемых источников сырья для многочисленных целей практического использования: от химической промышленности и биотоплива до медицинских материалов [1]. Большое количество лигнина содержат отходы целлюлозно-бумажной промышленности (ЦБК). Обработка лигноматериалов заключается в деполимеризации лигнина, для целей получения водных экстрактов лигнина и их дальнейшей трансформации перспективным является использование воды в суб- и сверхкритических условиях [2]. Эффективность деполимеризации можно оценить, измеряя размеры образующихся частиц. В работе [3] методами динамического рассеяния света и гель-проникающей хроматографии определено, что в растворах лигносульфонатов натрия, являющихся отходами производства ЦБК, характерный размер частиц в стандартных условиях составляет 2 - 5 нм. При этом мелкие частицы составляют порядка 93 мас.%, а частицы с размером более 100 нм - около 7 мас.%.
В настоящей работе с целью определения структуры малых частиц, образующихся в растворах лигнина, методом молекулярной динамики в классическом варианте мы исследовали эволюцию кластера из 12 молекул КС (линейным размером 2 нм), помещённого в водную среду при стандартных условиях (T=298 K, р=0.997 г/см3).
Процесс моделирования проводился следующим образом: в кубическую расчетную ячейку c ребром 4.6 нм случайным образом помещались 12 молекул КС. Затем в вакууме при 298 K проводились минимизация энергии. Уравновешивание и моделирование системы проводили в течение 700 пс, за это время молекулы КС объединились в кластер объемом 5.39 нм3. Была подготовлена ячейка с 5832 молекулами воды при 298 K и 0.997 г/см3, в которую после минимизации, уравновешивания и короткого прогона в 100 пс, был помещён уравновешенный кластер КС. Длина ребра ячейки была скорректирована для сохранения заданной плотности воды. Далее мы наблюдали эволюцию кластера. В течение примерно 500 пс в структуру кластера проникали молекулы воды, что привело к «набуханию» кластера. Между молекулами КС и водой происходило образование водородных связей, приводящих к формированию устойчивых сольватных оболочек вокруг молекул КС. В течение последующих 1000 пс в растворе молекулы КС преимущественно находились в пределах сольватных оболочек друг друга. Также наблюдалось удаление отдельных молекул. Таким образом, согласно данным моделирования, существующие в растворах лигнина частицы малого размера представляют собой моно- и олиголигнолы в сольватной оболочке.
[1] F. Vasquez-Garay, I. Carrillo-Varela, C. Vidal, P. Reyes-Contreras, M. Faccini and R. Teixeira Mendonca, A review on the lignin biopolymer and its integration in the elaboration of sustainable materials, Sustainability, 13(5), 2697, (2021).
[2] E. S. Alekseev, A. Yu Alentiev, A. S. Belova, V. I. Bogdan, T. V. Bogdan, A. V. Bystrova, E. R. Gafarova, E. N. Golubeva, E. A. Grebenik, O. I. Gromov, V. A. Davankov, S. G. Zlotin, M. G. Kiselev, A. E. Koklin, Yu N. Kononevich, A. E. Lazhko, V. V. Lunin, S. E. Lyubimov, O. N. Martyanov, I. I. Mishanin, A. M. Muzafarov, N. S. Nesterov, A. Yu Nikolaev, R. D. Oparin, O. O. Parenago, O. P. Parenago, Ya A. Pokusaeva, I. A. Ronova, A. B. Solovieva, M. N. Temnikov, P. S. Timashev, O. V. Turova, E. V. Filatova, A. A. Philippov, A. M. Chibiryaev, and A. S. Shalygin, Supercritical fluids in chemistry, Russian Chemical Reviews, 89(12), 1337-1427, (2020).
[3] N. N. Tolkachev, A. E. Koklin, T. V. Laptinskaya, V. V. Lunin, and V. I. Bogdan, Influence of heat treatment on the size of sodium lignosulfonate particles in water-ethanol media, Russ. Chem. Bull. Int. Ed., 68, 1613-1620, (2019).
