一种研究轮烷穿梭机理并评价轮烷穿梭速率的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于理论研究轮烷穿梭机理并计算穿梭速率的问题。
【背景技术】
[0002] 轮烷(rotaxane)是一类新兴的超分子复合物，具有独特的性质，使其在制备各种 智能化的分子器件方面有着巨大的潜在应用价值。在21世纪初Stoddart和Heath等人制备 出一种基于轮烷的分子内存，以超高的信息存储密度在半导体工业中引起了巨大轰动。其 中，轮烷是一个"晶体管"，其两个稳定构象分别代表了 "〇"态和"Γ态，轮烷的穿梭过程实现 了 "晶体管"在两态间的转换，如图1所示。可见两个性质迥异的稳定构象和一个可控的穿梭 运动是轮烷在分子器件领域内取得成功的关键。
[0003] 轮烷的构象决定分子器件的性能，穿梭过程决定分子器件的工作机理。因此，系统 地了解轮烷的稳定构象和穿梭过程是认识、研究和改进分子器件的基础。轮烷分子柔性大 难制备成晶体，故不能通过X射线晶体衍射直接研究稳定构象，只能通过同步辐射X射线反 射方法或原子力显微镜知晓其中几个重要基团之间的相对位置。在实验中，轮烷所处的环 境复杂，构象很容易受到周围环境的影响。因此，轮烷的稳定构象很难通过实验方法研究。 同时，轮烷分子体积小。实验方法不能直接观察穿梭过程，只能通过循环伏安法和红外光谱 方法得到该过程的活化自由能。因此，各种相互作用对穿梭过程的贡献及该过程的驱动力 也很难通过实验方法分析。
[0004] 理论模拟是一种常用的模拟分子或分子体系行为的方法，能在微观层面直接研究 分子的稳定构象及运动过程，研究实验无法观测的现象并解释已有实验现象的发生机理， 为后者提供理论依据。目前，分子模拟方法已广泛应用于研究各类复杂化学和生物体系，特 别是研究不同环境中各种蛋白质的稳定构象以及各种神经递质/荷尔蒙与目标蛋白的结合 过程以及结合强度。因此，利用理论模拟研究轮烷穿梭过程并计算穿梭速率具有重要意义。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种理论研究轮烷穿梭机理以及计算 其穿梭速率的方法，用于认识以及进一步改进轮烷。
[0006] 为实现本发明，所提供的技术方案包括以下步骤：
[0007] 1)选取一种轮烷分子。该轮烷有两个稳态，且轮烷可在这两个稳态之间穿梭。通过 ChemDraw和VMD建立相关模型。
[0008] 2)采用分子动力学模拟软件NAMD模拟体系在溶剂中的运动。在该程序中使用 CHARMM立场描述体系中各个分子之间的相互作用。应用周期性边界条件。使用Langevin动 力学和Langevin活塞压力控制，将温度和压强保持在298K和lbar。使用Verlet r-RESPA算 法对运动方程进行积分。采用SHAKE算法对所有包含氢原子的共价键进行限制。对于非键相 互作用采用应用截断，静电相互作用采用PME方法处理。
[0009] 3)应用Adaptive biasing force method方法，通过下式：
[0010]
[0011]计算轮烷中的环状分子在线状分子上的不同位置处的偏置力。然后通过积分不同 反应坐标处的平均偏置力得到穿梭过程所对应的自由能曲线。
[0012] 4)通过Eyring公式计算轮烧穿过的速率。将自由能曲线中的能皇高度带入下式即 可得到穿梭速率。
[0013]
[0014] 本发明中采用理论模拟方法可以预测小分子污染物与超滤膜表面吸附单元的结 合常数，无需样品处理是一种绿色安全的预测方法。利用已有得模拟软件，可直接进行预 测，并可根据计算结果对超滤膜中吸附单元优化及改进。因此，本发明提供一种理论计算轮 烷穿梭速率方法。
【附图说明】
[0015] 图1为一种分子内存的结构示意图及其核心部件的工作机理。
[0016] 图2为实例中所采用的轮烷的结构。
[0017] 图3为轮烷穿梭所对应的自由能曲线。
【具体实施方式】
[0018] 为更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但是本发 明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。
[0019] 实施例：
[0020] 1)选取一种由Harada等人设计以及制备的轮烷。由一个α-环糊精以及一个线状分 子组曾。线状分子包括一个由2，4-二硝基苯封端的线状分子上，线状分子由两个十二烷基 链和三个联吡啶基团组成，如图2所示。
[0021 ] 2)通过ChemDraw构建一个线状分子，从晶体结构库中取环糊精的三维度结构。通 过VMD中psfgen插件构建这三种分子的psf文件，并使用VMD将该轮烷分子置于DMS0溶液中。 [0022] 3)选取⑶与左侧的联吡啶基团的质心间距离为反应坐标，通过ABF方法计算环糊 精在线性分子上穿梭的自由能变化，如图3所示。
[0023] 4)计算自由能曲线中的能皇高度，将该高度值代入Eyring公式。计算穿梭速率，结 果为0.034s，实验值为0.013s。
【主权项】
1. 一种研究轮烷穿梭机理并评价轮烷穿梭速率的方法，其特征在于:应用理论方法计 算有机溶剂环境下，环状分子在线状分子上穿梭时的自由能曲线，并结合Eyring公式计算 穿梭速率。2. 根据权利要求1所述的一种研究轮烷穿梭机理并评价轮烷穿梭速率的方法，其特征 在于:结合强度评价方法为使用分子动力学模拟结合自由能计算方法预测结合常数。
【专利摘要】本发明涉及一种研究轮烷穿梭机理以及评价轮烷穿梭速率的方法。具体步骤为先构建体系的结构，随后轮烷中环状分子在线形分子上穿梭的自由能曲线，在此基础上通过Eyring公式计算穿梭速率。结果表明，使用该方法所得的计算结果与实验值非常接近。可见通过此方法可以显著提高对轮烷穿梭速率的评估效率，并为进一步改进轮烷提供理论知道。因此，本发明所述的理论方法可用于对轮烷穿梭速率的预测。
【IPC分类】G06F19/00
【公开号】CN105468903
【申请号】CN201510800896
【发明人】刘鹏, 王明明, 谭小耀, 张庆印, 田野
【申请人】天津工业大学
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年11月18日