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标题：Unraveling the Heterogeneous but Ordered Microstructure of theNonionic Deep Eutectic Solvent Formed by Lauric Acid andN‑Methylacetamide

期刊：J. Phys. Chem. B

网址：https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.5c00282

一、文章摘要

由月桂酸（LA）和 N-甲基乙酰胺（NMA）形成的非离子型深共晶溶剂，已被证明具有非均相分子结构，其中 LA 和 NMA 分别形成非极性和极性区域。先前的振动光谱实验表明，LA区域溶解化合物的能力仅限于长碳链，而其他非极性分子，如 W(CO)6，被发现能被 LA 和 NMA共同溶解。这些实验与之前提出的 LA-NMA深共晶溶剂非极性区域的类似微粒结构并不完全兼容。在这项工作中，使用经典分子动力学模拟对深共晶溶剂分子结构进行了建模。新的经典模型既重现了 SAXS 结构因素，也重现了这些 LA-NMA深共晶溶剂之前通过实验得出的相互作用图谱。此外，模拟还表明，LA-NMA深共晶溶剂形成高度有序的 LA聚集体，难以被破坏。使用中等极性的探针（氯仿 - d）进一步获得了新建立模型正确描述的证据。使用经典模型进行的计算与实验得出的探针的溶剂化行为有很好的一致性，其中发现探针的位置大多处于 DES 的极性区域之内。该计算模型还表明，探针的溶剂化是由于紧密排列的 LA 结构所导致的，这种结构使得非极性分子位于 DES极性区域的界面处。

二、计算图文

方案 1.（a）N-甲基乙酰胺（NMA）和（b）月桂酸（LA）的分子结构。

图 1.对于不同部分的 NMA 和 LA（分别对应于图面板顶部所标注的特定原子）与某一特定原子的径向分布函数（RDF，黑色左侧坐标轴）和积分 RDF（蓝色右侧坐标轴）。图（a）、（b）和（c）对应于 NMA 的羰基氧原子以及 DES 中的碳、氧和氮原子。图（d）、（e）和（f）对应于 LA 的羰基氧原子以及 DES 中的碳、氧和氮原子。图（b）和（e）中的外框展示了羟基基团氧原子的具体情况。虚线和实线分别对应于 DES4 和 DES6。

图2. DES4 中 HB互作用的空间分布函数（SDF）图。图（a）对应于 NMA与其他 NMA 分子的 NMA O与 NH之间的相互作用（蓝色 SDF）以及 NH部分与其他 NMA 分子的 O之间的相互作用（红色 SDF）。图（b）和（c）分别从角度和垂直视角展示了 LA与 NMA 的羧基 O以及 NMA 的 NH部分之间的相互作用（蓝色 SDF）以及与其他 LA 分子的 OH部分之间的相互作用（红色 SDF）。

图3. LA尾部各部分的径向分布函数（黑色左侧坐标轴）和积分径向分布函数（蓝色右侧坐标轴）。图中的（a）和（b）分别对应于 LA（C6）的中心碳、其他 LA 分子的中心碳以及 NMA 的羰基碳；（c）和（d）分别对应于 LA（C12）的甲基碳、其他 LA 分子的甲基碳以及 NMA 的羰基碳。虚线和实线分别代表 DES4 和 DES6。

图 4.计算得出的 DES4（蓝色）和 DES6（黑色）的 SAXS 结构因子 S(q) 。图中插图展示了预峰值区域（Q <0.5 A⁻¹）内的 S(q) 的详细情况。

图 5.对 DES4 中 CLFd探针的溶剂化结构的表征。图（a）对应于 CLFd 中碳原子与 NMA 中所有碳原子（实线黑色）以及 LA 中所有碳原子（虚线黑色）之间的径向分布函数。图（b）展示了在 DES4 的两个组分中，对于 CLFd，找到不同溶剂化层数的概率（截断值为6.0埃）。图（c）展示了在截断值为6.0埃时，找到 CLFd 的第一个溶剂化层中 NMA（绿色）或 LA（棕色）的概率（加权）。

图 6.（a）DES4 中的 NMA（蓝色）和 LA（灰色）区域的组织情况，以及（b）DES6 中的相应区域。为清晰起见，已省略了 LA链上的氢原子。

图7. LA脂肪链在 DES 中的法向二面角分布的标准化结果。（a、b）分别为 DES4 的中部和尾部部分，（c、d）分别为 DES6 的中部和尾部部分。

图 8.在 DES4 中 CLFd 的 cMD快照：左侧显示 CLFd（绿色）位于 NMA区域（蓝色）内，并与扩散的 LA 分子（灰色）相互作用；而右侧则显示 CLFd与非极性区域的 NMA 分子一同存在于非极性区域的开放通道中。为了提高图像的清晰度，氢原子已被从结构中去除。

图 9.在纯溶剂以及 DES4 的 NMA 和 LA区域中，CLFd 中 C−D振荡的溶剂色散位移情况。

三、计算分析

文章通过多层次的对比分析，建立了计算模拟与实验观测之间的紧密关联，验证了模型的可靠性并深化了对微观机制的解释。以下从三个核心维度展开说明计算与实验的关联性，并在相关位置嵌入图片标签以增强理解：

3.1结构特征验证：SAXS实验与模拟结构因子匹配

实验观测

SAXS实验显示DES在低Q区（0.27 Å⁻¹）存在预峰（prepeak），对应~23 Å尺度的纳米异质性（文中引言）。

预峰强度与LA浓度呈线性正相关，表明异质性源于LA聚集。

模拟验证方法

从cMD轨迹（100帧，10 ns生产段）计算SAXS结构因子 S(q)。

使用TRAVIS软件 + Lorch窗口校正消除有限尺寸效应。

关键参数：Q范围0-2 Å⁻¹，截断半径取盒尺寸一半。

关联结果

模拟成功复现实验预峰位置（Q=0.27 Å⁻¹），证实LA聚集形成的纳米域尺寸（图4）

DES6预峰强度低于DES4（LA浓度更低），与实验线性趋势一致。

3.2分子相互作用验证：FTIR光谱与RDF/HB分析对应

实验观测

FTIR显示DES存在四种氢键（HB）：NMA-NMA、LA-LA、NMA-LA、LA-NMA（文中引言）。

NMA-LA相互作用占主导。

模拟验证方法

计算径向分布函数（RDF）：关键原子对（如NMA羰基氧 vs. LA羟基氧）。

HB判据：距离≤3.55 Å（文献标准）。

空间分布函数（SDF）：可视化HB网络（图2）。

关联结果

RDF峰值在3.55 Å确认NMA-LA HB主导（概率61% vs. LA-LA 27%）：

SDF显示LA头基仅能与NMA形成HB（垂直方向），无法侧向结合，解释FTIR观测的受限HB网络。

3.3探针溶剂化验证：振动光谱与MD-IFM频率计算联动

实验观测

CLFd的C-D伸缩频率在DES4中为2240 cm⁻¹（支持信息图S7）。

在分子溶剂中位移范围33 cm⁻¹（HEX→DMSO）。

模拟验证方法

MD-IFM工作流：

额外250 ps轨迹（步长0.5 fs）采样溶剂环境。

截取CLFd+溶剂簇（前两溶剂化壳）。

用GFN2-xTB计算瞬时C-D频率。

线性模型校准：基于分子溶剂建立频率-极性关系（方程1）。

关联结果

模拟预测CLFd在NMA域频率2131 cm⁻¹ ≈ 实验值2132 cm⁻¹（误差<1 cm⁻¹）

频率位移相关性R=0.999（图9），验证MD-IFM的预测精度。

3.4动态行为与溶剂化机制

LA域有序性解释W(CO)₆异常

实验：W(CO)₆（非极性）无法插入LA域（文中引言）。

模拟：LA尾部90%反式构象（图7），C1-C12距离12-14 Å（支持信息图S4），形成紧密堆积。

关联：W(CO)₆尺寸（O-O=6.5 Å, 图S5） > LA域空隙，迫使停留界面。

扩散系数佐证域流动性

模拟：DES6中LA扩散系数（0.0226 Ų/ps） > DES4（0.012 Ų/ps）。

关联：高NMA含量降低LA域刚性，支持SAXS预峰强度变化机制。

四、计算方法

4.1计算模拟框架：经典分子动力学（cMD）

力场与参数化

力场选择：所有分子（LA、NMA、探针CLFd、W(CO)₆）采用GAFF2力场（Generalized Amber Force Field 2）。

原子电荷：通过RESP（Restrained Electrostatic Potential）方法计算。

范德华参数：Lennard-Jones势描述，组合规则采用Lorentz-Berthelot。

特殊处理：W(CO)₆结构通过Avogadro软件优化（UFF1力场），确保O-O距离为6.504 Å（支持信息图S5）。

系统构建

组成与浓度：

DES系统：DES4（LA:NMA=1:4）、DES6（LA:NMA=1:6），初始立方盒尺寸50 Å（后扩展至100 Å用于SAXS计算）。

探针系统：CLFd浓度100 mM（DES4中），或1 M（LA/HEX中）；W(CO)₆浓度未明确，但模拟其溶剂化位置。

初始化策略：为避免随机分布导致混合态，采用人工预组装双层结构（LA尾部互锁，头基朝外指向NMA域）。随机初始化需>100 ns才能分离（文章 Methods部分）。

模拟流程

最小化：最陡下降法，步数5,000，消除初始结构冲突         |

加热：NVT系综，0 K → 300 K（0.1 ps/步），升温至目标温度

平衡：NPT系综，300 K, 1 atm，50 ns  系统密度收敛

采样运行：NPT系综，300 K, 1 atm，200 ns（DES），采样轨迹用于分析  

温度控制：Berendsen热浴（τ=0.1 ps），维持恒温

压力控制： Parrinello-Rahman barostat（τ=2 ps），维持恒定压力（1 atm）  

时间步长：2 fs（生产运行），0.5 fs（MD-IFM）保证能量守恒

4.2关键分析方法与参数

结构表征方法

径向分布函数（RDF）：

计算工具：自编脚本或GROMACS gmx rdf。

参数：截断半径12 Å，bin宽度0.02 Å（文章图1,3；支持信息图S2,S3,S6）。

空间分布函数（SDF）：

工具：VMD或PyMOL，基于轨迹帧计算三维密度（文章图2）。

SAXS结构因子（S(q)）：

工具：TRAVIS软件包。

参数：100帧轨迹（10 ns生产段），Lorch窗口校正补偿有限尺寸效应（文章图4）。

动态与平衡验证

异质性参数（h）：

定义：量化LA聚集程度（Wang-Voth方法）。

计算：200 ns轨迹，50 ns后h稳定视为平衡（支持信息图S1）。

扩散系数：

方法：均方位移（MSD）拟合，

结果：DES4中LA扩散系数（0.012 Ų/ps）低于DES6（0.0226 Ų/ps），反映NMA含量增加提升流动性。

4.3. 探针溶剂化分析（CLFd）

溶剂化数统计：

截断半径：6.0 Å（文章图5b,c）。

结果：平均9-13个溶剂分子，77%为NMA。

位置分布：

定义域：NMA域（极性）、LA域（非极性）、界面。

结果：94%时间位于NMA域或界面（文章图8）。

4.4振动频率计算：MD-IFM方法

流程与参数

额外采样：250 ps短轨迹（时间步长0.5 fs）

溶剂簇提取：CLFd + 前两溶剂化壳（截断半径6 Å）

量子计算：GFN2-xTB（半经验方法，含多极静电+色散校正）

频率计算：瞬时C-D伸缩频率（每帧）

中心频率提取：强度加权平均全轨迹频率  

验证与校准

线性溶剂化模型（文档支持信息方程1）：

vCD=1.37±0.01×x−930±25

其中 x 为溶剂极性参数，模拟与实验频率相关性R=0.999（文章图9）。