小分子凝胶的分子动力学模拟和汉森溶解度参数研究进展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.220053

摘要/Abstract

摘要：

近年来，使用分子动力学（Molecular Dynamics， MD）模拟和汉森溶解度参数等计算方法，研究小分子凝胶行为备受关注。分子动力学模拟是一种基于经典力学的计算方法，用于理解小分子凝胶过程的首选技术之一，通过分子动力学模拟可以更精准地分析小分子凝胶的凝胶化趋势或组装行为，动态图形化地展现凝胶组装过程，有效揭示小分子凝胶因子结构与凝胶行为之间的关系，定量分析凝胶组装中的氢键、π-π堆积、范德华作用、离子键作用和疏溶剂作用等非共价键作用。通过对已知的凝胶/非凝胶分子进行分子动力学模拟，提取模拟数据中与凝胶行为相关的参数，并通过拟合Pearson相关系数衡量线性相关关系，最终实现预测某一类小分子是否可以凝胶化的目的。另一方面，根据汉森溶解度参数（Hansen Solubility Parameters， HSPs）发展形成的经验模型最具有代表性，该模型由分子之间的色散作用能量（δ_d）、极性作用能量（δ_p）和氢键能量（δ_h）确定三维空间（即汉森空间）的坐标点，根据该坐标点所在的范围可以确定有机小分子在特定的溶剂是否能形成凝胶。本文就近几年有机小分子凝胶领域分子动力学模拟和汉森溶解度参数中的一些工作进行综述，对凝胶的组装行为、非共价键作用对凝胶能力的调控和预测等方面作出评论。

关键词: 小分子凝胶, 分子动力学模拟, 汉森溶解度, 非共价键作用, 组装行为, 计算化学

Abstract:

Recently， the use of computational methods such as Molecular Dynamics （MD） simulations and Hansen Solubility Parameters （HSPs） to study the behavior of small molecule gelators has attracted much attention. MD simulation is a computational method based on classical mechanics and is one of the preferred techniques for understanding the process of small molecule gelators. The MD simulation can more accurately analyze the gelation trend or assembly behavior of small molecule gelators， dynamically and graphically display the self-assembly process， effectively reveal the relationship between the structure of small molecule gelators and related gelation behavior， and quantitatively analyze non-covalent bond interactions such as hydrogen bonds， π-π stacking， van der Waals interactions， ionic bonding and solvophobic interactions. By performing molecular dynamics simulations on known gelators/non-gelators， parameters related to gelation behavior in the simulated data are extracted， and the linear correlation is measured by fitting the Pearson correlation coefficient to finally predict the gelation behavior of a certain class of small molecules. On the other hand， the empirical model developed according to the HSPs is the most representative， which consists of the energy of dispersion interaction （δ_d）， the energy of polar interaction （δ_p） and H-bonding energy （δ_h） between molecules. These three parts determine the coordinate point of the three-dimensional space （Hansen space）. According to the range of the point， it can be determined whether the organic small molecule can form a gel in a specific solvent. In this paper， representative works published recently in the field of organic small molecule gels by using MD simulations and empirical models are reviewed. Some comments on the assembly behavior of gelators， the regulation and prediction of non-covalent bond interactions on gelation ability are made.

Key words: Low molecular mass gels, Molecular dynamics simulations, Hansen solubility, Non-covalent interactions, Assembly behavior, Computational chemistry

中图分类号:

O641.3

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图/表 12

图1 小分子凝胶的应用与前景［18］

Fig.1 Application and future of LMWGs［18］

图2 （A）FGC18的分子结构和FGC18形成的分级枝晶扭曲结构示意图；（B）不同温度下，FGC18凝胶的分子动力学模拟快照［32］

Fig.2 （A） Molecular structure of FGC18 and the schematic illustration of hierarchical dendrite twist structure formed by FGC18；（B） Molecular dynamics simulation snapshots of FGC18 at different temperatures［32］

图3 （A）纯脂质自组装的计算模型和机理；（B）手性脂质的自组装；（C）异手性脂质产生同手性纳米管的“诱导构象重排”机制［35］

Fig.3 （A） Calculation model and mechanism of the self-assembly of pure lipids；（B） Self-assembly of chiral lipids；（C） “Induced conformation rearrangement” mechanism of homochiral nanotube from heterochiral lipids［35］

图4 （A）12-HSAm聚合拓扑的模拟快照［36］；（B）双组分LMWG的分子动力学模拟的快照［37］

Fig.4 （A） Simulation snapshots of 12-HSAm aggregate topologies［36］；（B） Snapshots of MD simulation of two-component LMWGs［37］

图5 （A）160个分子组成的团簇模型的凝胶分子在乙醇/水的MD模拟快照；（B）凝胶分子在乙醇/水（体积比20/80）体系中自组装的MD模拟快照［38］

Fig.5 （A） Snapshots from an MD simulation of 160 pre-ordered gelator molecules in ethanol/water；（B） Snapshots from an MD simulation of the self-assembly of 50 gelator molecules in ethanol/water （V/V， 20/80） system［38］

图6 （A）BTECM超分子柱状聚集体螺旋快照和平均构型的分子模型［43］；（B）甾醇有机凝胶的2个管模型在MD模拟过程的快照［45］；（C）2个小管之间的氢键、范德华作用和π-π堆积［45］

Fig.6 （A） Molecular models illustrating the average configurations in the supramolecular columnar aggregates of BTECM［43］；（B） Snapshots of two tubules of sitosterol-oryzanol and sitosterol-CHEMS at the beginning or at the end of the course of the MD simulation［45］；（C） Hydrogen bonds， vdW interactions and π-π contacts between the ferulic acid groups of oryzanol on the interface of two tubules［45］

图7 （A）凝胶因子的合成与氟离子响应性示意图；（B）经1 μs MD模拟后凝胶自组装成纤维结构的快照［46］

Fig.7 （A） Schematic diagram of the synthesis of LMWGs and fluoride ion response；（B） Snapshot of the self-assembly of the gel into fibrous structures after 1 μs MD simulation［46］

图8 （A）通过分子动力学模拟不同模型的凝胶自组装的平衡态；　（B）在不同模型下氢键与π-π堆积的分布［47］

Fig.8 （A） The equilibrium states of gel self-assembly under different models by MD simulation；（B） The distribution of hydrogen bonds and π-π stacking under different models［47］

图9 （A）500SN凝胶自组装示意图；（B）500SN凝胶模拟结构的快照［52］；（C）模拟形成的具有螺距和带厚度的稳定螺旋体［53］

Fig.9 （A） Schematic of self-assembly of the 500SN gel；（B） Snapshots of simulation structures of the 500SN gel［52］；（C） The simulations indicate that four layers are required to produce a stable helicoid with the observed pitch and ribbon thickness［53］

图10 （A）聚集倾向（APH）模型［27］；（B）整体QSPR建模、综合和测试工作流程［55］；（C）用描述符rSASA、F和HB%预测凝胶状态总体趋势［56］

Fig.10 （A） Aggregation propensity （APH）［27］；（B） Overall QSPR modelling， synthesis and testing workflow［55］；（C） Prediction of general trends in gel state with descriptors rSASA， F and HB%［56］

图11 Steed提出纤维凝胶的分级自组装阶段的模型［57］

Fig.11 Stages in the hierarchical self-assembly of fibrous gels according to the model proposed in steed study［57］

图12 （A）用汉森空间的球体表示2.0% LMWGs在液体混合物中的溶解度数据：蓝色（可溶）、绿色（凝胶）和红色（不溶）［62］；（B）实验装置示意图（左）和三维汉森空间中的相应结果（右）［63］

Fig.12 （A） Solubility data for 2.0% LMWGs in liquid mixtures represented in Hansen space with spheres/shells： blue （soluble）， green （gel）， and red （insoluble）［62］；（B） Schematic of the experimental setup （left） and the corresponding results in 3D Hansen space （right）［63］

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