抑制剂在颜料红晶面的吸附模型

晶体块体的几何外形对许多工业过程至关重要。在化学和制药工业中的以下过程中，晶体形状均是重要因素，体现在以下方面：

化学物质溶出速率与药物的生物利用度

晶体产物的处理、包装和储存

加工过程中的泥浆处理、结块和过滤

铣削、研磨、破碎和除尘

密度和织构优化

石油化工中的结蜡和结垢

因此，晶体形态与晶体内部原子排列之间的关系是化学家、化学工程师和工艺工程师非常感兴趣的问题，由此可以预测晶体的形状，开发特制的添加剂，控制溶剂和杂质的影响等。

因此，添加剂对晶体生长和晶体形貌的影响是非常重要的。Adsorption Locator模块可以模拟添加剂在晶面上的吸附，从而研究吸附过程的能量变化机理及其对晶体生长的影响。

介绍

颜料红（1,4-二酮吡咯（3,4-c）吡咯的二苯基衍生物，DPP）是一种优质杂环颜料，具有良好的热稳定性、着色强度和遮盖力，以及优异的耐光性和耐候性。通过在生产过程中控制颗粒大小，可以制备出透明或不透明的晶体。

在本教程中，将研究表面上官能团之间的距离。结果表明，一种氨基酸衍生物可以作为生长抑制剂，减缓快速生长晶面的生长速度。可以使用Adsorption Locator模块和COMPASS力场对该添加剂与一个快速生长的晶面之间的结合进行建模。

本教程包括如下部分：

开始

建立晶体表面模型

建立添加剂模型

研究表面与添加剂之间的相互作用。

注意：为了确保您可以完全按照预期的方式学习本教程，您应该使用“设置管理器（Settings Organizer）”对话框确保项目中所有参数都设置为BIOVIA的默认值。

1、开始

首先启动Materials Studio并创建一个新项目。

打开“新建项目New Project”对话框，输入Pigment Red Additive作为项目名称，单击“确定OK”按钮。

Pigment Red Additive在项目浏览区域Project Explorer中列出。现在，导入要研究的输入文件。

在Project Explorer中，右键单击项目名根目录并选择Import...打开“导入文档Import Document”对话框。导航到Examples/Documents/3D Model文件夹，选择pigment_red_010.xsd文件，然后单击Open按钮。

2、构建晶体表面模型

在该部分中，将从(0 1 0)颜料红表面构建一个平板模型（具有真空层的表面）。晶体模型是通过利用在表面层之间，引入大于表面层厚度的真空区域，在给定方向上重复表面结构来构造的。表面必须足够大，可容纳所研究的特定抑制剂。

从菜单栏中选择Build | Symmetry | Supercell，以打开Supercell对话框。将U和V分别增加到4和6，单击Create Supercell按钮并关闭对话框。

这将构建出扩大的表面结构，现在可以从二维表面模型构造三维平板模型。

从菜单栏选择Build | Crystals | Build Vacuum Slab...，打开“构建真空层Build Vacuum Slab Crystal”对话框。在Vacuum Slab选项卡上，将“真空层厚度Vacuum thickness”更改为50Å，然后单击Build按钮。

单击3D Viewer工具栏上的“显示样式Display Style”按钮

以打开Display Style对话框。在Lattice选项卡上，将C的最大值（Range Max. C）设置为2.00。

可以预览到真空层与表面层在c轴方向上的排列。

在本教程的后面部分，将在表面上添加添加剂。由于周期性边界条件，添加剂可能与两个表面发生相互作用。因此，需要在表面上方添加一个较大的真空区域，以便添加剂只能与其中一个表面发生相互作用。

在本例中，(0 1 0)表面的厚度约为20 Å，因此50 Å的真空层厚度就足够了。

将Range Max. C更改回1.00，然后关闭Display Style对话框。从菜单栏中选择File | Save Project保存项目中的所有文件，然后选择Window |Close All，关闭已经打开的窗口。

3、构建添加剂的结构

本教程中使用的抑制剂2-苯基甘氨酸是一种以两性离子形式存在的氨基酸衍生物。

单击New按钮后的箭头

并从下拉列表中选择3D原子文档3D Atomistic Document。在Project Explorer中，右键单击3D Atomistic.xsd，然后从快捷菜单中选择“重命名Rename”。将文档的名称更改为inhibitor.xsd。使用草图绘制Sketch工具栏上的工具构建2-苯基甘氨酸分子（如下所示），然后使用Clean工具释放应力，使得结构更加合理。

现在，使用Forcite模块和COMPASS力场优化抑制剂的分子构型。

从菜单栏中选择Modules | Forcite | Calculation以打开Forcite Calculation对话框。从“任务task”下拉列表中选择“几何优化Geometry Optimization”。在Energy选项卡中，设置“力场Forcefield”为COMPASSIII，对于静电Electrostatic和范德华相互作用van der Waals的求和方法Summation methods，均选择基于原子截断（Atom Based）。在“作业控制Job Control”选项卡中，把“网关Gateway location”选择为“我的电脑My Computer”并点击“运行Run”。

这将在Project Explorer中创建一个名为inhibitor Forcite GeomOpt的新文件夹。计算过程将仅花费不到一分钟的时间。计算完成后，能量最小的构型将被保存在文件夹中的inhibitor.xsd文件，并显示在Materials Visualizer中。

从菜单栏中选择File | Save Project并关闭所有打开的文档。

4、研究表面与添加剂之间的相互作用

在上一个步骤中，已经构建了颜料红(0 1 0)表面的3D平板模型，并优化了抑制剂的结构，现在将抑制剂分子结合在表面结构上。

在Project Explorer中，双击pigment_red_010.xsd文件。

接下来，进行吸附计算，以搜索表面上可能的吸附位点和抑制剂分子的取向。然后对晶体表面的抑制剂分子进行几何优化，以获得全局最小能量的构型。

从菜单栏中选择Modules | Adsorption Locator | Calculation打开Adsorption Locator Calculation对话框。

在Setup选项卡中，从计算任务task的下拉列表中选择模拟退火Simulated annealing。吸附质Adsorbate中选择优化过的inhibitor.xsd结构，计算精度Quality设置为粗糙Coarse。

在Energy选项卡中，选择力场为COMPASSIII，静电和范德华相互作用的求和方法Summation methods均选择基于原子截断（Atom Based）。

注意：对于非键项能量的计算，Ewald求和方法精确度更高，但需要大量的CPU计算时间。在本教程中，使用基于原子截断的求和方法和较低的计算精度以加速计算。

可以通过多种方式限制搜索低能量构型的空间。在本教程中，将该空间定义为在表面上氢键施主和受主10 Å的范围内。在Location选项卡中，勾选“由原子集合定义的表面区域（Surface region defined by atom set）”复选框。将表面上的氢键部分定义为抑制剂可能发生吸附的位置。

在pigment_red_010.xsd中，旋转并放大其中一个晶体层的表面。

颜料红表面结构视图，其中010晶面面向正面

按住Q+SHIFT键，点金鼠标左键拖动使用套索工具选中分子顶层的所有酰胺基团amide。

颜料红010表面，其中表面酰胺被选中

在Adsorption Locator Calculation对话框的Location选项卡中，单击“将选定原子添加到目标原子集合Add selected atoms to TargetAtoms set”最开始的Add按钮。选中“设置最大吸附距离Set maximum adsorption distance”复选框，然后输入值10.0。单击Run按钮运行计算并关闭对话框。

这将在Project Explorer中创建一个名为pigment_red_010 Adsorption Anneal的新文件夹。根据计算机处理器的速度，计算可能需要一些时间才能完成。

计算运行时，包含各种能量贡献的图表将实时更新。文本文件Status.txt显示计算时间和到目前为止完成的计算步数。计算完成后，pigment_red_010.xsd文档将呈现计算好的结果构型。

等待计算任务完成后再进行结果分析处理。计算完成后，将返回一个包含许多低能量构型的数据表，以及每个构型的能量特性。

打开数据表pigment_red_010.std，双击第一行中的结构。

通过显示氢键，可以观察抑制剂和表面酰胺基团之间的相互作用。

单击计算氢键按钮Calculate Hydrogen Bonds

数据表的第三列吸附能包含与吸附最相关的能量参数，包括两部分：

以输入构象将吸附质吸附到表面的能量，列在D列中；

由于表面的存在，吸附质结构弛豫较小的形变能，列在E列中。

第二列的总能量Total energy包含吸附能加上吸附质的内能，不包括晶格的能量。

最后一列F是差分吸附能，即去除特定组分的吸附质的能量。因为在本例中只有1个分子和1个组分，该列的值与C列相同。

(0 1 0)晶面的附着能已经计算过，约为-27 kcal/mol。如果要使用Materials Studio计算获得该能量，则可利用Morphology模块进行，在“颜料红的形貌预测”教程（Morphology prediction for Pigment Red）中将详细介绍计算步骤。

对于(0 1 0)晶面，由Adsorption Locator计算的吸附能比附着能呈现绝对值更大的负值。因此，2-苯基甘氨酸是抑制颜料红晶体(0 1 0)晶面快速生长的一个很好的候选物，有助于晶面生长更等距的形态。

从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。

计算得到的构型可能与下图略有不同。

附有抑制剂的晶体表面