基于分子模拟的天然没食子酸橡胶抗氧化剂筛选设计与实验验证

《Journal of Industrial and Engineering Chemistry》：Screening and design of natural gallic acid-based antioxidants for rubber composites via molecular simulation and experimental verification

本文通过量子力学（QM）和分子动力学（MD）模拟，设计并验证了天然抗氧化剂没食子酸（GA）的甲基化改性（MGA）及其二氧化硅接枝产物（SiO2-g-MGA）。研究表明，MGA保留高效两步氢原子转移（HAT）机制，且接枝结构显著提升其在天然橡胶（NR）中的分散性与抗迁移性。实验证实SiO2-g-MGA具有可持续抗氧化效果，性能媲美合成抗氧化剂6PPD，为绿色橡胶添加剂开发提供新策略。

　　

Highlight

模拟结果与讨论

综合考虑化学和物理因素，我们对没食子酸（GA）及其衍生物的结构进行了筛选和设计，旨在提高其在天然橡胶（NR）体系中的相容性和抗迁移能力，同时保持其高抗氧化活性。

制备接枝抗氧化剂

图8展示了接枝抗氧化剂（SiO₂-g-GA, SiO₂-g-MGA）的两步合成路线。首先，将120克二氧化硅、120毫升偶联剂KH550和120毫升水溶解于约1.2升甲苯中。将混合溶液转移至2.5升三颈烧瓶，在80°C下反应4小时。在此过程中，KH550优先水解，乙氧基被酚羟基取代，实现了二氧化硅表面的胺化。

DPPH自由基清除测定

DPPH自由基清除测定是评估抗氧化性能的有用表征工具，通过紫外-可见分光光度法在517纳米处监测DPPH乙醇溶液的吸光度来证明。此处，分别制备了0.08克/升的DPPH乙醇溶液和6 × 10^-4 摩尔/升的抗氧化剂乙醇溶液。为了直接定量比较捕获自由基的能力，将它们按20:1的体积比混合，反应30分钟以确保充分反应。

结论

综合考虑多种化学和物理因素，本工作整合计算见解与实验验证，设计了专门用于增强NR复合材料抗老化性能的抗氧化剂。首先，模拟结果表明，在没食子酸（GA）的相邻酚羟基处进行甲基取代（MGA），与对位取代相比，不仅保留了高效的两步氢原子转移机制，而且提高了抗氧化剂与橡胶基体的相容性。