水对甜菜碱和氯化胆碱与乙二醇形成的深共晶溶剂的物理化学及结构性质的影响

《Journal of Molecular Graphics and Modelling》：Water-induced modifications in the physicochemical and structural properties of betaine and choline chloride – ethylene glycol deep eutectic solvents

本文研究了 betaine/ethylene glycol (1:3) 和 choline chloride/ethylene glycol (1:2、1:3) 深共熔溶剂（DES）在不同水含量下的物理化学性质及结构变化。通过实验与分子动力学（MD）模拟结合的方法，发现添加等摩尔水可显著降低粘度，其效果相当于提高温度5-10 K。Bet:ETG DES因更高的极性和氢键网络强度，表现出更高的密度和粘度。MD模拟表明，水分子倾向于与HBA（如betaine或choline）形成氢键，而高水含量时，乙二醇比例的增加增强了DES对水的耐受性，抑制结构破坏。实验与模拟结果一致，验证了水含量对DES粘度和结构的关键调控作用。

　　
本研究的核心在于系统探究深共晶溶剂（DES）中水分子的引入对溶剂物理化学性质及结构的影响机制，并通过实验与分子动力学模拟相结合的方法揭示不同DES体系对水的耐受性差异。研究选取了三种典型DES体系——Bet:ETG（1:3）、ChCl:ETG（1:2）和ChCl:ETG（1:3），通过对比不同水摩尔比（ζ=0、1、5、10）下的密度、粘度、扩散系数及结构特性，揭示了水分子在DES中的多重作用机制。

### 实验体系与方法
研究采用两种水添加策略：1）将水作为初始组分参与DES形成；2）在预形成的DES中添加水。通过卡尔费休滴定法验证两种制备方法得到的DES体系水含量无显著差异（误差范围<5%），排除了制备工艺导致的系统偏差。实验温度范围涵盖293–323 K，重点考察常温（298 K）下不同水含量体系的性质变化。

密度测定显示，所有体系均随水含量增加呈线性下降趋势，其中ChCl:ETG（1:3）体系密度最高（1.114 g/cm3），Bet:ETG（1:3）体系密度最低（1.127 g/cm3），符合分子量与氢键网络密度的正相关关系。粘度测试发现，添加1 mol水当量可使Bet:ETG（1:3）的粘度降低至与加热至305 K时的原始DES粘度相当（52.7 vs 48.9 mPa·s），而ChCl:ETG（1:2）体系则需要加热至310 K才能达到同等粘度水平。特别值得注意的是，在ζ=5时，ChCl:ETG（1:3）的粘度（12.46 mPa·s）显著低于ChCl:ETG（1:2）（18.89 mPa·s），这与其更高的结构稳定性密切相关。

### 分子动力学模拟与参数优化
为准确模拟DES体系，研究对CHARMM力场进行参数优化：通过调整范德华半径缩放因子（λσ=0.98）和电荷缩放因子（λQ=0.84–0.89），使计算密度与实验值误差控制在±2%以内，粘度误差约±15%。对比TIP3P和SPC/E两种水模型发现，SPC/E模型更贴合实验粘度数据（误差<20%），这为后续结构分析提供了可靠基础。

### 关键发现与机制解析
1. **结构相变临界点**
通过配位数（CN）分析发现，所有体系在ζ=5时均发生显著结构相变：
- Bet:ETG（1:3）的Bet-Bet配位数从11.9降至6.0（降幅50%），表明水分子进入Bet的氢键空隙
- ChCl:ETG（1:2）的Ch-Ch配位数从4.9降至3.4（降幅30%），而ChCl:ETG（1:3）的Ch-Ch配位数降幅达64%（从4.9降至1.6）
这种差异源于两种体系的氢键网络拓扑结构：ChCl:ETG（1:3）中过量的乙二醇分子形成更紧密的氢键笼，有效隔离了水分子与氯离子的接触，从而表现出更高的结构韧性。

2. **水分子作用机制**
核磁共振扩散系数显示，水的扩散系数（0.89 mD）显著高于乙二醇（0.54 mD）和 betaine（0.37 mD），表明水分子更易进入氢键网络间隙。分子动力学轨迹分析表明：
- 在低水含量（ζ≤1）时，水分子通过强化氢键网络（CN提升达30%）提高体系稳定性
- 当ζ>5时，水分子开始破坏原有氢键网络，导致ChCl:ETG（1:2）体系出现粘度突变（降幅达62%），而Bet:ETG（1:3）体系粘度仅降低40%，说明Bet体系具有更强的氢键网络自修复能力。

3. **活化能温度等效效应**
通过VFT方程拟合发现，添加1 mol水当量的等效升温效应为：
- Bet:ETG（1:3）：等效温度提升5 K（305 K）
- ChCl:ETG（1:2）：等效温度提升10 K（310 K）
- ChCl:ETG（1:3）：等效温度提升8 K（308 K）
这种差异源于不同HB供体（Bet vs ChCl）的质子结合能力差异：Bet的羧酸基团（pKa≈10.5）比ChCl的羟基（pKa≈13.5）更易与水分子形成稳定氢键（形成率提高2.3倍）。

### 技术创新与工业应用启示
1. **结构稳定性评价体系**
建立了基于配位数变化的临界水含量判定标准：当某组分-HBA配位数下降>40%时（ChCl:ETG（1:3）的Ch-Ch配位数降幅达64%），体系进入"DES-in-Water"相。该标准可预测不同DES体系的最佳水添加量（如Bet:ETG（1:3）最佳ζ=5，ChCl:ETG（1:2）最佳ζ=2）。

2. **分子模拟参数优化**
提出电荷-半径协同缩放策略（λQ×λσ=0.7–0.85），成功将SPC/E水模型的粘度预测误差从35%降至18%，为DES分子模拟提供了新的参数化方案。

3. **工艺优化建议**
- 对于Bet:ETG体系，建议在ζ=5时达到最佳流动性（η=9.45 mPa·s），继续添加水会导致密度下降与粘度回升的悖反现象
- ChCl:ETG（1:3）体系在ζ=10时仍保持较高的结构稳定性（Ch-Ch CN=1.6），适合作为高温反应溶剂
- 提出分级添加策略：首先在ζ=1时形成稳定氢键网络，再分阶段添加至目标ζ值，可降低体系粘度的非单调性波动（幅度<5%）

### 研究局限与未来方向
当前研究未考虑离子-水协同效应，后续需引入离子水合数的动态调整模型。建议开展以下研究：
1. 开发基于机器学习的参数优化系统，实现不同DES体系的高通量模拟
2. 探究氢键网络拓扑结构对离子传输性能的影响机制
3. 构建DES-水相变的热力学模型，预测临界相变温度（Tc）随成分变化规律

该研究为DES体系的工程化应用提供了重要理论支撑，特别在生物医药领域的微流控芯片加工（需η<20 mPa·s）和电子封装（需高密度>1.1 g/cm3）中具有重要指导价值。