环糊精周围水环境的表征：先进的量子化学计算与分子动力学模拟

《Journal of Molecular Liquids》：Characterizing the aqueous environment around Cyclodextrins: State-of-the-art quantum chemical calculations and molecular dynamics simulations

分子动力学模拟研究环糊精（α、β、γ-CD）水溶液中水分子氢键和疏水相互作用行为，结合DLPNO-CCSD(T)-LED量子化学计算揭示水合层结构及能量贡献。发现疏水相互作用占比更高，水分子按距离分为内层（直接氢键/疏水作用）和外层（无CD直接作用）。通过分层分析和能量分解，明确了CD-水相互作用中静电作用主导但交换与色散作用亦不可忽视。

　　分子动力学模拟是研究环糊精（CD）水溶液中水分子行为的重要工具。通过这些模拟，科学家们能够深入探讨不同类型的环糊精——α-CD、β-CD 和 γ-CD 的水合特性。环糊精是一种具有独特结构的环状寡糖分子，其外形类似于一个被截断的圆锥体，这一结构赋予了它作为分子载体的独特能力。这种能力使得环糊精能够通过形成包合物来容纳其他分子，从而在许多应用领域中展现出重要的作用，如药物输送、食品工业和环境科学等。

环糊精的水合特性与其结构密切相关。在外层，环糊精分子具有亲水性，这主要归因于其外侧的羟基（OH）和醚氧原子。这些亲水基团与水分子之间可以形成氢键，从而使得环糊精在水中具有良好的溶解性。然而，环糊精的内部空腔则呈现出疏水性，这种特性使其能够有效结合各种客体分子。这种结构上的差异决定了环糊精在不同环境下的行为特征。研究这些特性不仅有助于理解环糊精在水溶液中的行为，还对相关应用具有重要意义。

在本研究中，科学家们采用了一种系统的方法，对环糊精水溶液中的水分子行为进行了深入分析。他们通过分子动力学模拟，考察了水分子在环糊精分子周围的不同区域，包括靠近环糊精分子的区域以及远离环糊精分子的区域。这些模拟使用了大量溶剂分子，使得研究能够更准确地反映环糊精分子对周围水分子的影响。同时，通过比较远离环糊精的水分子与靠近环糊精的水分子的性质，科学家们能够更好地理解环糊精分子在水溶液中的作用机制。

研究结果表明，环糊精分子周围水分子的相互作用方式存在显著差异。在靠近环糊精分子的区域，水分子主要通过氢键与环糊精的亲水基团相互作用。而在远离环糊精的区域，水分子则主要受到范德华力和CH…O型相互作用的影响。这些相互作用方式的不同导致了水分子在不同区域的行为差异。此外，研究还发现，在环糊精的内部空腔中，水分子的行为也存在显著差异。这种差异可能与空腔的大小和形状有关，同时也可能受到环糊精分子结构的影响。

为了更深入地理解环糊精分子与水分子之间的相互作用，科学家们采用了先进的量子化学计算方法。这些方法不仅能够提供高精度的能量计算，还能够帮助研究人员更清晰地理解环糊精分子与水分子之间的相互作用机制。量子化学计算的结果表明，尽管静电相互作用是环糊精与水分子之间最主要的相互作用，但交换相互作用（即氢键）和分散相互作用同样不可忽视。这些相互作用共同决定了环糊精在水溶液中的行为特征。

研究中还提到，水分子在环糊精周围的分布和数量存在显著差异。这一现象可能与环糊精的种类有关，也可能受到实验条件和计算方法的影响。例如，早期的X射线衍射实验表明，α-CD·6H?O（Form I）的空腔中包含2个水分子，而α-CD·6H?O（Form II）的空腔中仅包含1个水分子。此外，α-CD·6H?O（Form III）的空腔中则包含2.57个水分子。这些实验数据表明，水分子在环糊精空腔中的分布可能受到多种因素的影响，包括空腔的大小、形状以及环糊精分子的结构。

另一方面，理论计算的结果则表明，环糊精的空腔中可能包含更多的水分子。例如，基于密度泛函理论的计算结果显示，α-CD 的空腔中可能包含6个水分子，β-CD 的空腔中可能包含10个水分子，而 γ-CD 的空腔中可能包含7个水分子。这些计算结果提供了一个水分子在空腔中可能存在的上限，但同时也指出，这些水分子中的一部分可能通过氢键与环糊精的外侧连接。这一发现表明，水分子在环糊精空腔中的行为可能比之前认为的更为复杂。

为了更准确地描述水分子在环糊精周围的行为，科学家们采用了基于所有原子的分子动力学模拟。这种模拟方法能够提供更详细的水分子分布信息，从而帮助研究人员更全面地理解环糊精的水合特性。此外，研究还提到，水分子在环糊精周围的分布和数量可能受到如何定义空腔的影响。因此，在本研究中，科学家们并没有试图解决这一问题，而是选择将他们的研究结果与文献中的数据进行比较，以期获得更全面的理解。

环糊精的水合特性对于其在水溶液中的行为至关重要。通过分子动力学模拟，科学家们能够更准确地描述水分子在环糊精周围的分布和行为。这些模拟不仅有助于理解环糊精在水溶液中的作用机制，还能够为相关应用提供重要的理论支持。例如，在药物输送领域，环糊精的水合特性可能影响其与药物分子之间的相互作用，从而影响药物的溶解性和稳定性。

研究还指出，环糊精的水合特性可能受到多种因素的影响，包括空腔的大小、形状以及环糊精分子的结构。此外，水分子在环糊精周围的分布可能受到实验条件和计算方法的影响。因此，在本研究中，科学家们采用了一种系统的方法，对环糊精的水合特性进行了深入分析。这种分析不仅有助于理解环糊精在水溶液中的行为，还能够为相关应用提供重要的理论支持。

在研究过程中，科学家们还发现，水分子在环糊精周围的分布和行为可能受到如何定义空腔的影响。因此，在本研究中，科学家们并没有试图解决这一问题，而是选择将他们的研究结果与文献中的数据进行比较，以期获得更全面的理解。这种比较不仅有助于验证研究结果的准确性，还能够为相关研究提供重要的参考。

总之，通过分子动力学模拟和量子化学计算，科学家们能够更全面地理解环糊精的水合特性。这些研究不仅有助于揭示环糊精在水溶液中的行为机制，还能够为相关应用提供重要的理论支持。此外，研究还强调了水分子在环糊精周围的分布和行为可能受到多种因素的影响，包括空腔的大小、形状以及环糊精分子的结构。这些发现为未来的研究提供了重要的方向，同时也为相关应用提供了重要的理论基础。