（化学工程专业论文）5′鸟苷酸结晶过程的研究与优化.pdf

中文摘要 5 鸟苷酸( g u a n o s i n e 5 - m o n o p h o s p h a t e ，简称5 - g m p ) 属于呈味性核苷酸， 其钠盐除本身具有鲜味之外，和味精混合使用时产生协同作用，同时对甜昧、肉 味有增效作用，对咸、酸、苦味及腥、焦味有抑制作用，随着人民生活水平的不 断提高，对5 鸟苷酸钠盐的需求量迅速增长，因此对质量也提出了更高的要求。 作为中间体的5 一鸟苷酸的质量对最终产品起了决定性的作用，本文对5 鸟苷酸 结晶过程进行了系统的研究。 利用分子模拟软件c e r i u s 2 从5 一鸟苷酸的分子结构出发，借助基于力场的蒙 特卡罗模拟退火方法( m c s a ) 在晶格能超睦面上搜索晶体可能的堆垛方式， 基于堆垛相似性，有选择的将这些可能的结构划分成各个特征组，在所有自由度 上对每一特征结构进行优化，根据晶格能对最后得到的结构进行排序，得到的那 些低能量的结构就是各种可能的晶体结构。采用b f d h 模型和a e 模型对5 鸟 苷酸的理论晶习进行了预测，并对a e 模型的主要晶面的分子排列方式进行了研 究。 应用激光法测定了5 鸟苷酸在纯水以及乙醇水混合溶剂中的溶解度，并考 察了p h 值、温度和离子强度对溶解度的影响，结果表明5 ，鸟苷酸属于微溶物系， 溶解度随着温度的升高而逐渐增加，随着p l q 值呈“u 型变化；并考察了5 鸟 苷酸的结晶介稳区宽度。j 通过实验对影响结晶工艺的主要因素如反应温度、碱浓度、终点p h 值、原 料浓度和搅拌速率等进行了系统优化，得到了5 ，- 鸟苷酸反应结晶工艺的最优操 作时间表。 关键词： 5 鸟苷酸蒙特卡罗模拟退火理论晶习溶解度 介稳区 反应结晶 a bs t r a c t 5 - g m pi sc l a s s i f i e da sf l a v o u r o u sn u c l e o t i d ea n d5 - g m ps o d i u mh a ss y n e r g i s t i c e f f e c tw h i c he n h a n c e ss w e e ta n dm e a t yt a s t e sa n di n h i b i t ss a l t ，a c i d ，b i t t e r , f i s h ya n d b u r n ts m e l lw h e nm i x e dw i t hm s g w i t ht h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fp e o p l e s l i v i n gs t a n d a r d s ，t h ed e m a n do f5 - g m ps o d i u mw a si n c r e a s i n gc o r r e s p o n d i n g l y ， t h e r e f o r eah i g h e rq u a l i 够w a sr e q u i r e d a st h ei n t e r m e d i a t e ，5 - g m p sq u a l i t yp l a y e d ad e c i s i v er o l eo nt h ef i n a lp r o d u c t s t os t a b i l i z ea n di m p r o v et h eq u a l i t yo f5 - g m p ， e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o nw a sa p p l i e di nt h er e s e a r c ho fr e a c t i v ec r y s t a l l i z a t i o n p r o c e s s f r o mt h ev i e wo f5 - g m pm o l e c u l a rs 缸u c t u r e ，u s i n gap o p u l a rm o l e c u l a r s i m u l a t i o ns o f t w a r ec e r i u s 2 ，s o m es i g n i f i c a n tp r e d i c t i v ew o r ka r ep r o c e s s e di nt h e o r y f i r s t ，am o n t ec a r l os i m u l a t e da n n e a l i n gp r o c e s s ( m c s a ) s e a r c h e st h el a t t i c e e n e r g yh y p e r s u r f a c ef o rp r o b a b l ec r y s t a lp a c k i n ga l t e r n a t i v e sf r o m5 - g m pm o l e c u l a r s 仃1 l c t i l r e o p t i o n a l l y ，t h e s ep o t e n t i a ls 仃u c t i l r e sa r ec l u s t e r e di n t ou n i q u eg r o u p sb a s e d o i lp a c k i n gs i m i l a r i t y t h eg e o m e t r yo fe a c hu n i q u es t r u c t u r ei s o p t i m i z e dw i t h r e s p e c tt oa l ld e g r e e so ff r e e d o m n ef i n a ls 仃u c t u r e sa r er a n k e da c c o r d i n gt ol a t t i c e e n e r g y t h er e s u l t i n gl o w e n e r g yc r y s t a ls t r u c t u r e sa r cp o t e n t i a lp o l y m o r p h s p r e d i c t c r y s t a lm o r p h o l o g yo ft h em o s ts t a b l es p a c ec e l lo f5 - g m pf r o mb f d hm e t h o da n d a em e t h o dr e s p e c t i v e l ya n dr e s e a r c ht h em o l e c u l a ra r r a n g e m e n to fm a i nc r y s t a lf a c e f r o ma em e t h o d n es o l u b i l i t yo f5 - g m pw a sm e a s u r e di nw a t e ra n de t h a n o l - w a t e rm i x t u r e s o l v e n tb yl a s e rm e t h o d 。a n dt h ei n f l u e n c eo fp h ，t e m p e r a t u r ea n di o n i cs t r e n g t ho n t h es o l u b i l i t yo f5 - g m ps h o w e dt h a t5 - g m pi ss l i 曲t l ys o l u b l ec o m p o u n da n d s o l u b i l i t yi n c r e a s e sw i t ht h er i s ei nt e m p e r a t u r e ，a n db e h a v i n ga “u ”c u r v ev a r i e dw i t h t h ep hv a l u e c r y s t a l l i z a t i o nm e t a s t a b l ez o n ew i d t hw a sr e s e a r c h e d t h em a i nf a c t o rw h i c he 筇：c tc r y s t a l l i z a t i o np r o c e s sw a si n v e s t i g a t e d ，i n c l u d i n g r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，a l k a l ic o n c e n t r a t i o n s ，p h ，m a t e r i a l sc o n c e n t r a t i o na n ds t i r r i n g s p e e d o p t i m u mo p e r a t i n gc o n d i t i o n so f5 - g m pc r y s t a l l i z a t i o np r o c e s sw a sc a r r i e d o u t k e yw o r d s ：5 - g m p ，m o n t ec a r l os i m u l a t e da n n e a l i n g ，c r y s t a lm o r p h o l o g y ， s o l u b i l i t y , m e t a s t a b l ez o n e ，r e a c t i v ec r y s t a l l i z a t i o n 天津大学硕士学位论文符号说明 符号说明 吸收度 活度 粒子之间作用力的特征参数 晶胞参数 表观溶剂度 介电常数 晶面间距 附着能 晶格能 晶片能 衍射结构因子 散射因子 组分i 的逸度 晶体中心到各个晶面距离 晶面指标 衍射强度 一级、二级离解平衡常数 热力学溶解平衡常数 样品总重量 试样质量 粒子f 和粒子，的电荷数 气体常数 晶面法线方向生长速率 粒子间距 液相色谱峰面积 旋转量子 原料体积 非成键原子f 和，之间的作用力 质量百分含量 晶胞中的空间位置变量 收率 m o f l a k g m 3 f m a k c a l m o i k c a l m o l k c a l m o l a g g 8 3 1 4 5j k l m o l 1 w n s n m 字 c 巳。 ， z 辫彳口w咖勺。k髟日石兀枷聃巧m册呐rs_yxy 天津大学硕士学位论文 符号说明 希腊字母 o 【，p ，y 乃 铲，铲 砖 名 “ p 识 上下标 g m p s m m 晶轴间夹角 f 组分活度系数 无因次临界温度 拧级衍射的衍射角 入射波长 化学位 晶胞密度 两点间的键能 5 - 鸟苷酸色谱峰面积 色谱峰总面积 o 3 n 眦 咖础 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨叠苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 l- 1 学位论文作者签名：尹l f 梅 签字日期： 湘7 年月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：墨鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 玉i 橡 签字日期：为7 年f 月2 尹日 导师签名： 确豸涉 签字日期： 汐7 年，月砰日 天津大学硕士学位论文第一章前言 第一章前言 1 9 6 0 年日本的国忠明博士发现了大量存在于香菇中的呈味核苷酸一鸟苷酸 ( g u a n o s i n e 5 - m o n o p h o s p h a t e ，简称5 - g m p ) 的“鲜味比肌苷酸强3 倍，并证 实了它就是“鲜味”的根源，它与味精混合时会产生协同效应( 又称相乘作用) ，使 鲜度提高数倍至数十倍；同时鸟苷酸对甜味、肉味有增效作用，对咸、酸、苦味 及腥、焦味有抑制作用，在食品工业生产中越来越受到重视和欢迎。因此，从5 0 年代开始世界各国开始竞相研究，产量也在不断提高，鸟苷酸的应用为调味品工 业开创了新纪元，同时鸟苷酸作为新型的添加剂也广泛地应用到食品、医药等领 域【1 1 。 1 1 研究背景 随着我国人民生活水平的日益提高和食品工业的迅速发展，鲜味精的应用量 日益广泛，单一的味精品种已经远远不能适应现在的需要。我国在2 0 世纪5 0 年 代就已经进行肌苷和肌苷酸发酵研究，6 0 年代江苏苏州味精厂与中科院微生物 研究所协作进行了5 肌苷酸的双菌混和发酵和肌苷的生产研制工作。取得一定 成绩。其中1 9 8 3 年国家科委把呈味核苷酸研制和生产列为重点项目，该项目由 上海市工业微生物研究所完成，产率达到国家科委的要求。国内已有广东肇庆星 湖生物科技有限公司进行呈味核苷酸的直接发酵生产。 但是呈味核苷酸尤其是5 鸟苷酸的国内合成工艺比较落后，又由于5 鸟苷 酸本身易聚结的特殊性质，在结晶提纯的过程中存在搅拌效果差，固液分离困难 等问题，导致产品纯度低。为此，需要对57 鸟苷酸结晶过程的工艺进行系统的 研究和优化。 1 2 研究内容 本文的研究对象为5 鸟苷酸的分离技术与工艺研究，并借助分子模拟软件 采用基于力场的蒙特卡罗模拟计算方法对5 乌苷酸的可能晶体结构进行了模拟 计算，并采用b f d h 模型和a e 模型预测了57 鸟苷酸的理论晶习，由预测结果 指导工艺研究。 天津大学硕士学位论文第一章前言 第三章5 鸟苷酸的晶体结构和晶习研究。通过分子模拟软件采用从头算的 蒙特卡罗模拟退火方法( m c s a ) ，从5 鸟苷酸的3 d 分子结构出发，预测5 鸟苷酸分子的可能晶体结构，并采用b f d h 模型和a e 模型对5 鸟苷酸的晶习 进行了理论预测。 第四章5 鸟苷酸结晶热力学研究。采用动态的激光技术测定方法，测定了 5 鸟苷酸在纯水以及乙醇水混合溶剂中的溶解度，并考察了p h 值、温度和离子 强度等对溶解度的影响。 第五章5 鸟苷酸结晶过程优化及工艺系统研究。针对工业生产中产品色谱 纯度低，搅拌效果差等问题，提出了新的结晶工艺，并对反应温度、碱浓度、原 料浓度、p h 值、搅拌速率等进行了系统的研究，采用高效液相色谱( h _ p l c ) 技 术对各个条件下的产品纯度进行分析测定，确定最佳的结晶工艺条件。 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 第二章文献综述 弟一早义陬舔怂 2 15 7 一鸟苷酸及其分子结构 2 1 15 鸟苷酸分子结构 5 一鸟苷酸( 英文名：g u a n o s i n e - 5 - m o n o p h o s p h a t e ，g u a n o s i n e 5 - m o n o p h o s p h a t e ， 5 - g u a n o s i n em o n p h o s p h a t e ，g u a n o s i n - 5 - m o n o p h o s p h a t e 或g m p ) 是磷酸与核苷 酸核糖上的第五位碳原子上的羟基缩合而成的，其分子式为：c 1 0 n 1 4 n 5 0 8 p ，线 性分子结构为：( h o ) 2 p 0 2 c h 2 c 4 h 4 ( o h ) 2 0 c s h 2 n 4 0 n h 2 ，分子量为：3 6 3 2 2 4 ，c a s 号为：8 5 3 2 5 ，结构式如图2 - 1 所示： n 图2 - 15 ，- 鸟苷酸分子结构示意图 f i g 2 - 1s k e t c ho f t h em o l e c u l es 仃u c t i l i eo fs - g m p 2 1 25 ，- 鸟苷酸晶体结构 在现有的文献报道中，5 鸟苷酸的晶体结构只有一种，是属于正交晶系的 p 2 1 2 1 2 l 空间群【2 1 ，晶胞中含有四个5 ，鸟苷酸三水合物分子，其详细的晶体结构 信息如表2 1 所示： 天津大学硕士学位论文 第二章文献综述 表2 157 鸟苷酸的晶体结构信息 t a b 2 1i n f o r m a t i o no fc r y s t a ls t m c t u r eo f5 g m p c a s 登记号2 6 1 6 6 3 4 7 化合物名称g u a n o s i n e5 - m o n o p h o s p h a t et r i h y d r a t e 分子式c l o h l 4 n s o a p 3 h 2 0 分子相对质量 3 8 1 2 4 点群d24 a ( h ) 1 0 6 5 b ( a ) 6 1 9 “a ) 2 5 5 1 烈。) 9 0 匹型翌21 ：丝 5 ，鸟苷酸晶体的x 射线粉末衍射文献值【2 】如图2 2 所示： 图2 - 25 鸟苷酸晶体x 射线粉末衍射图 f i g 2 - 2p o w d e rx - m yd i f f r a c t i o np a t t e r no f5 7 - g m p 2 1 35 。鸟苷酸制备方法 1 直接发酵法 一般采用玉米浆等天然含生物素的物质作为培养基，利用谷氨酸产生菌、产 氨短杆菌、谷氨酸杆菌发酵直接产生g m p ，工艺相对简单。 2 核糖核酸( r n a ) 酶解法 4 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 r n a 酶解法主要包括从茵体中提取r n a 、5 ，磷酸二酯酶制备、r n a 的酶 解和单核酸的分离、纯化。 3 自溶法 微生物细胞中能产生各种r n a 分解酶，当微生物遇到对生长不利的条件时， 就会利用核糖体自溶系统，使r n a 自溶，以获得能量，维持生存。因而利用各 种因素，如温度、p h 值、盐浓度、药物等条件的改变，使微生物细胞自溶，将 核酸降解为单核苷酸。一般在偏碱性条件下，可生成5 鸟苷酸。 4 发酵转化法 发酵转化法是先利用微生物酶进行核苷磷酸化，生成鸟苷或者氨基甲酰胺咪 唑核糖苷( a i c a r ) ，然后在水性溶剂，常温和近中性的温和条件下进行酶反应， 此反应专一性高，副产物少，是一种较有前景的工艺。 5 制各方法示意图 以上5 鸟苷酸的四种制备方法的生产过程示意图如图2 3 所示： 冈 i 一 发酵自藩 田三圜竺固墨圈墨圈 t 磷 j 酸 l 化 田旦匿垂圈 图2 35 鸟苷酸生产方法示意图 f i g 2 3s k e m a t i cd i a g r a mo fp r e p a r a t i v em e t h o d so f5 - g m p 2 2 晶体结构基础理论 2 2 1 晶体的基本结构 晶体的晶习( c r y s t a lh a b i t ) 指的是晶体的宏观外部形态，即通常所说的针 状、片状、块状等，是晶体的内部结构和形成时的物理化学条件的综合反应：晶 胞是晶体组成的基本单元，有两个要素，一是晶胞的大小、形式，另一个是晶胞 的内容。晶胞的大小、形式由a 、b 、c 三个晶轴及它们之间的夹角g t 、p 、丫所确 天津大学硕士学位论文第二章文献综述 定；晶胞的内容由组成晶胞的原子或分子以及它们在晶胞中的位置所决定。 在宏观上，根据晶体的对称性，可以将晶体分为7 个晶系( 如表2 2 ) ；将点 阵在空间的分布按正当晶胞形状的规定和带心型式进行分类，共有1 4 种形式， 称为b r a v a i s 点阵p 】( 如表2 2 所示) ；在微观上，可以细分为3 2 个晶体学点群， 加上平移操作，可以推倒出2 3 0 个空间群( 具体内容见附录一) 。表2 2 为其中 晶系与布拉维点阵的关系以及晶系示意图， 表2 2 晶系与布拉维点阵之间的关系 晶系布拉维点阵 晶体参数晶系示意图 三斜晶系简单三斜口b c 圆 口y 单斜晶系 简单单斜 口b c 宙 底心单斜 口= y = 9 0 。 9 0 。及1 2 0 。 正交晶系简单正交 口b c 底心正交 口= = y = 9 0 。 一圃。 体心正交 面心正交 六方晶系简单六方口= b c 园 口= = 9 0 。y = 1 2 0 。 三方晶系简单棱方a = b c 口= = 9 0 。厂= 1 2 0 。 固 口= b = c 口= = y 2 1 2 1 2 1p - 1p 2 1 cp 2 1 c 2 表3 3 ( b ) p o l y m o r p h 模拟预测十个最稳定的晶体结构信息 t a b 3 3 ( b 1i n f o r m a t i o n0 1 1t h et e nm o s ts t a b l es t r u c t u r e sp r e d i c t e du s i n gp o l y m o r p h 经过p o l y m o r p h 模块模拟得到的所有晶胞中，空间群为p 2 1 2 1 2 1 的晶胞能量 最低，为- 3 2 4 1 0 4k c a l m o l ，因此其稳定性最强，并且与文献中报道过的晶胞的 晶胞参数( 如表2 1 所示) ( 如晶胞参数a 、b 、c 和密度) 的误差很小，其中密 天津大学硕士学位论文第三章5 ，- 鸟苷酸晶体结构与晶习研究 度的相对误差仅为0 3 8 0 ，晶胞参数c 的相对误差最大，为1 9 5 4 。其预测的 晶胞结构与5 一鸟苷酸三水和物的晶胞迭代结构如图3 4 所示，经过p o l y m o r p h 计算得到的两种晶胞的相似性为0 9 1 8 2 2 1 0 9 ( 最高值为1 ) 。 图3 _ 45 鸟苷酸三水合物与预测结构迭代图 f i g 3 - 4t h es u p e r p o s e ds t r u c t u r e sa n dp r e d i c t i o ns t r u c t u ( eo f 5 - g m pt r i h y d r a t e 3 模拟粉末衍射数据 为了更好的验证晶胞模拟结果与文献值的相似性，本文又采用了r e f l e x 模 块应用p o w d e rd i f f r a c t i o n 方法模拟计算了57 鸟苷酸三水合物文献值和模拟晶体 结构的x 射线粉末衍射图，如图3 5 所示，从图中可以看出，这两个晶体结构的 主要衍射峰具有超级的一致性。 图3 - 55 - 鸟苷酸三水合物与预测结构的x 射线粉末衍射比较图 f i g 3 - 5ac o m p a r i s o no ft h es i m u l a t e dx - r a yp o w d e rp a t t e r n sa n dp r e d i c t i o ns t r u c t u r e o f 57 g m pt r i h y d r a t e ： 2 6 皇鼍鬈荟一|誊卫-譬 天津大学硕士学位论文第三章5 ，鸟苷酸晶体结构与晶习研究 3 1 4 结论 本文采用c c r i u s 2 分子模拟软件中的p o l y m o r p h 模块，从5 鸟苷酸三水合物 的3 d 分子结构出发，借助基于力场的蒙特卡罗模拟退火方法( m c s a ) 在晶格 能超曲面上搜索晶体可能的堆垛方式，基于堆垛相似性，有选择的将这些可能的 晶体结构划分成各个特征组，在所有自由度上对每一特征结构进行优化，得到该 分子可能的稳态晶体结构。最后将得到的晶体结构与文献报道过的晶体结构采用 相同的聚类分析方法进行比较来评价晶体预测方法的可靠性。 从计算的结果分析可知，预测得到的晶体结构( 空间群为p 2 1 2 1 2 l ，晶胞参 数i t - - 1 0 5 3 5 8 9 a ，b - - 6 2 8 8 4 a ，c = 2 6 0 0 8 5 8 a ，a = 1 3 - - 1 , = 9 0 0 ，晶体密度p = 1 6 5 0 2 4 6 9 e m 3 ) 与文献中的单晶数据( 点群为d 2 4 ，即空间群p 2 1 2 1 2 l ，晶胞参数a = 1 0 6 5 a ，b = 6 1 9 a ，c = 2 5 5 1 a ，a = 1 b = 7 = 9 0 0 ，晶体密度p = 1 6 4 4 9 c m 3 ) 的 相似率( s i m i l a r i t y ) 为0 9 1 8 2 2 1 0 9 ( 最高值为1 ) ，其中晶胞参数a 、b 、c 的相对 误差分别为1 0 7 6 、1 5 9 0 、1 9 5 4 ，密度的相对误差为0 3 8 0 ，并采用 m a t e r i a l ss t u d i o 软件中的r e f l e x 模块进行了x 射线粉末衍射比较，从模拟结果 可知这两个晶体结构的主要衍射峰具有超级的一致性。由此可以推断，本文中所 采用的晶体结构模拟方法具有很强的实用性。 3 2 理论晶习预测 3 2 1 模拟方法 从5 鸟苷酸三水和物的晶胞出发模拟理论晶习的方法有两种，第一种方法 是b f d h 模型法，该方法结合d o n n a y h a r k e r 规则以孤立可能的生长面，然后使 用b r a v a i s f r i e d e l 规则推导相关的生长速率，此方法是一种近似的方法，并不能 说明体系的能量，晶体内的键和作用越强，此方法计算的精度越差；第二种方法 是a e 模型法，这种方法是假定晶面的生长速率与附着能成正比，当晶面具有最 低的附着能时，其生长速率最低，因此具有最高的重要性。通过d o n n a y - h a r k e r 规则预测或者输入已有数据得到一系列合适的晶片( 删) ，然后计算其附着能， 通过能量计算以及一次而得到的生长率，为每个面指定中, b 至t t 平面的距离，通过 w u l f f 图对这些信息进行分析，就可以推导出晶体的形态。 本文在5 鸟苷酸三水和物的晶习预测中，主要采用了a e 模型法，并与b f d h 模型法做了对比模拟，并对模拟结果进行了简单的理论分析。 天津大学硕士学位论文 第三章弘g 酸晶# 镕拘与8 日 r 322 模拟过程 【构建晶胞结构并优化 在晶习模拟运算之前，首先要确定被模拟物质的晶胞结构。本文主要是模拟 5 _ 鸟苷酸三水合物的理论晶习，由文献报道和晶体结构预测可知，5 一鸟苷酸三水 和物属于正交晶系，其晶胞中含有四个分子拥有1 2 1 2 1 2 l 的对称空间群，其晶 胞如图3 - 6 所示。在理论晶习计算之前还要对晶胞及晶胞参数进行优化，其中最 重要的就是要选择与晶习预测相同的能量关系，本文采用动力学方法( d i s c o v e r ) 优化5 鸟苷酸三水和物的晶胞，其技术参数如表3 - 4 所示： 表3 45 i 鸟苷酸三水和物的晶胞优化参数 垡：三兰生! 些! 坚竺! ! 堕型! 业坐! 坐坐坚坐 参数 参数值 图3 - 65 - 鸟苷酸二水合物晶胞 f i g3 6t h eu n i tc e l lo f 5 - g m pt r i h y d r a t e 一：x，爨可令弋_莲一拶奠曼 天津大学硕士学位论文 第三章5 ，鸟苷酸晶体结构与晶习研究 2 m o r p h o l o g y 模块计算 本文分别采用b f d h 模型和a e 模型两种模型方法分别预测了5 一鸟苷酸三 水和物的理论晶习，并从理论上进行了分析，其模拟过程中的参数设置如表3 5 所示： 表3 - 5 模拟过程中的参数 m o r p h o l o g ym e t h o d b f d hg r o w t hm o r p h o l o g y e q u i l i b r i u mm o r p h o l o g y 3 2 3 结果与讨论 1 5 鸟苷酸三水合物的晶胞优化 本文在对5 鸟苷酸三水合物的晶胞进行优化的过程中主要采用了d i s c o v e r 模块，基于c o m p a s s 力场的动力学模拟方法，其模拟结果如表3 - 6 所示，从表中 可以看出，5 鸟苷酸三水和物的晶胞在模拟前后总能量由最初的3 5 8 9 7 8 k c a l m o l 减少至8 9 4 0 3 1 k c a l m o l ，共减少了1 2 5 3 0 0 9 k c a l m o l ( 其中内能减少了 9 4 2 5 7 7 1 k c a l m o l ，非键能减少了3 1 0 4 3 1 9 k c a l m 0 1 ) 。能量是评价晶体结构稳定 性的一个标准，因此，从能量的角度来考虑，模拟后的晶胞结构是最稳定的形式， 天津大学硕士学位论文第三章5 ，- 鸟苷酸晶体结构与晶习研究 可以进行下一步的理论晶习模拟计算。 表3 65 鸟苷酸三水和物的晶胞优化结果 t a b 3 6t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t so f u n i tc e l lo f5 一g m pt r i h y d a r t e 2 5 ，- 鸟苷酸三水合物的晶习模拟结果 1 ) 晶习模拟结果总结 本文在对5 ，- 鸟苷酸三水合物的晶习进行模拟的过程中，主要采用了两种模 拟方法，即b f d h 模型法、a e 模型法，其理论晶习模拟结果如表3 7 所示，理 论晶习模拟结果如图3 7 ，3 8 所示。 天津大学硕士学位论文 第三章弘鸟营黢鑫体结梅与磊习辑究 图3 7b f d h 模拟预测5 0 鸟苷酸三水合物晶习 f i g 3 75 - g m pt r i h y d r a t ec r y s t a lh a b i tp r e d i c t e db yb f d h 感一! - 2 ) - 2 1 曜一，哪 图3 - 8 能模拟预测5 ，- 鸟苷黢三水合物晶习 f i g 。3 - 85 - g m pt r i h y d r a t ec r y s t a lh a b i tp r e d i c t e db ya e 表3 7 晶习模拟结果总结 t a b 3 - 7t h es u m m a r yo f c r y s t a lh a b i ts i m u l a t i o i l 项目 b f d h 模型a e 模型 一一_ _ _ _ - _ _ - _ _ - _ - _ _ _ - _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 一 。 s p a c e g r o u p p 2 1 2 1 2 1p 2 1 2 1 2 1 p o i n tg r o u p a s p e c tr a t i o r e l a t i v es u r f a c e | v o l u m er a t i o s u r f a c e 氆潜韪 v o l u m e 22 2 2 囊3 7 1 2 0 7 2 6 2 2 9 7 2 222 3 1 5 3 1 2 7 3 4 5 3 2 4 2 4 9 5 2 1 2 2 7 6 3 13 5 7 5 u n i q u en u m b e ro ff a c e t s 4 t o t a ln u m b e ro f f a c e t s 1 4 1 8 3 l 天津大学硕士学位论文 第三章5 l 鸟苷酸晶体结构与晶习研究 从表3 7 ，图3 7 ，3 8 的晶习模拟结果可以看出，两种模拟方法模拟得到的 理论晶习在表面积、体积、相对表面积体积比、主要晶面数和总晶面数都是不 同的，这主要是由于两种模拟方法的机理不同。b f d h 模型法纯粹是建立在晶体 空间几何结构基础之上，没有考虑构成晶体的分子的类型、分子间的化学键和局 部电荷等对晶体生长的影响；a e 模型是在b f d h 模型法的基础上，把附着能( 晶 片附着在一块正在生长的晶体表面所释放出来的能量) 与晶体生长有机联系起来 3 3 - 3 5 】，认为晶面的生长速率与附着能成正比，当晶面具有最低附着能时，其生长 速率最低。 2 ) 主要晶面信息 从表3 7 可知，两种模拟方法模拟得到的理论晶习的主要晶面信息是不同的， 所以本文在模拟过程中又比较了晶体的主要晶面信息，其具体结果如表3 - 8 ，3 - 9 所示： 表3 - 8b f d h 模型模拟主要晶面结果 t a b 3 8t h em a i nc r y s t a lf a c e sb yb f d hm o d e l i n g 表3 - 9a e 模型模拟主要晶面结果 t a b 3 9t h em a i nc r y s t a lf a c e sb ya em o d e l i n g 天津大学硕士学位论文第三章5 ，- 鸟苷酸晶体结构与晶习研究 从两种方法模拟得到的结果( 图3 7 ，3 8 和表3 8 ，3 9 ) 可以看出，在b f d h 模型法得到的理论晶习中主要晶面为( 101 ) 和( 002 ) ，次要晶面为( 011 ) ，( 1lo ) ， 另外次晶面区是一个互相竞争的区域，从b f d h 模型中的晶面( ol1 ) ，( 110 ) 到 a e 模型中的晶面( 012 ) ，( 1l2 ) 和( 11 2 ) 均在同一区域互相竞争生长。 另外，从晶面的总面积和能量来看，如晶面( 101 ) 在b f d h 模型中的总面积 为1 0 6 6 4 0 6 a 2 ，占总面积的4 0 6 5 6 3 2 ；在a e 模型法中由于考虑了分子间的相 互作用，所以总面积( 表3 9 ) 增为2 3 2 5 0 3 3 a 2 ，占到总面积的5 1 2 9 7 7 8 ，范 德华能和静电势能的总能量为3 1 6 1 9 5 6 k e a f m o l ，晶面间距在两种模拟方法中均 未发生变化，为9 8 2 7 3 6 0 a 。 7 3 1a e 模型主要晶面分子排列 从上面的讨论可以看出，不同模拟方法得到的宏观理论晶习是不同的，这主 要是由于各个晶面上分子的排列方式不同，因此，为了更深入的研究晶习变化的 原因，必须考察各个晶面的分子排列方式，故将a e 模型做为特殊的例子，重点 研究一下理论晶习在各个晶面上的分子排列方式，如图3 9 ( v u 线表示晶面) 所 示：在o02 ) ，( 101 ) 晶面中，晶胞分子基本是与晶面平行，生长优先沿平行于 晶面方向进行，而晶面法线方向则生长缓慢，所以( o02 ) 、( 101 ) 晶面是晶体生 长的主要晶面形式，( 012 ) 、( 1 12 ) 和( 1 l - 2 ) 与晶面呈一定的角度，所以其生长 比较缓慢，成为次生长晶面。 巧薅 寥勺_ ，辞，_ 。 、x ，；i ? 产： ，o 每于，汔0 ，7 。t t ：7 乞衫一 0 、。o ，黟。 j 、，f ，：拿爿 7 鼍：菱毫 食? ! t 夕0 j i i 啊，? ；亡童： ，。一j 暑。， 图3 - 9a e 模型模拟的主要晶面图 f i g 3 - 9t h em a i nc r y s t a lf a c e so f a es i m u l m i o n 天津大学硕士学位论文第三章5 ，- 鸟苷酸晶体结构与晶习研究 3 2 4 结论 采用d i s c o v e r 模块( 基于c o m p a s s 力场的动力学模拟方法) 对p o l y m o r p h 模 块预测得到的晶胞结构进行动力学优化，确定了晶胞的最稳定的晶体结构信息， 之后采用m o r p h o l o g y 模块中的b f d h 模型和a e 模型两种方法分别模拟计算了 5 ，鸟苷酸三水合物的理论晶习，并对a e 模型的主要晶面的分子排列方式进行了 研究，结果表明，晶体的生长是优先沿着平行于晶面的方向进行的，而在晶面的 法线方向上生长比较缓慢。 3 3 小结 借助p o l y m o r p h 模块，由5 鸟苷酸的3 d 分子结构出发，通过基于力场的蒙 特卡罗( m o n t ec a r l o ) 模拟退火方法得到了该分子可能的晶体结构信息( 空间群 为p 2 1 2 1 2 l 的四方晶系) ，并与文献值进行比较，结果表明了该方法的可行性。采 用m o r p h o l o g y 模块的b f d h 模型法和a e 模型法分别预测了5 鸟苷酸三水合物 的理论晶习，并对考虑分子间作用力的a e 模型的主要晶面分子排列方式进行了 研究，结果表明，晶体的生长是优先沿着平行于晶面的方向进行的，而在晶面的 法线方向上则生长比较缓慢。 天津大学硕士学位论文第四章5 鸟苷酸结晶熟力学研究 第四章5 鸟苷酸结晶热力学研究 结晶过程是一个复杂的多相质量与热量传递过程，其过程的推动力主要来自 于结晶体系在热力学上的非平衡性。因此，要研究一个结晶过程，就必须研究该 系统的热力学性质。结晶热力学是体系内固液两相中分子间相互作用与分子热运 动的综合表征，结晶热力学性质如溶解度、介稳区等对结晶操作方式的选择、结 晶过程的收率均有较大影响，同时它也是结晶工艺优化的基础。本章研究了5 鸟苷酸的结晶热力学，测定了溶解度、介稳区数据，对结晶过程的工艺优化有着 重要的意义。 4 1 实验部分 4 1 1 测定方法 固液平衡的主要数据就是固体在液体中的溶解度。但是，由于不同物系的性 质之间差异很大，因此并没有一个普遍适用于所有物系的实验方法，所以需要依 据物系的特性、现有的实验设备以及实验的精度来选择合适的测量方法。总的来 说，测量固体在液体中的溶解度主要有静态法和动态法两种方法。 “静态法”是指在一定温度、压力和组成条件下，将被测物系( 溶剂和过量 溶质) 搅拌较长的一段时间，使体系趋于平衡，获取清液并采用一定的方法测定 清液中溶质的浓度，或是测定未溶解的固体质量反过来求溶液中溶质的浓度，从 而作为该温度下的溶解度。这种测定溶解度方法的优点是设备简单，操作容易， 对达到溶解平衡的速度没有限制，所以对溶解速度快和慢的物质都可以使用。但 是此法耗时长，物料需要量大，导致了测定效率较低。 “动态法”是在被测物系组成已知的条件下，改变条件( 温度或组成) ，通 过观察物系中固相的消失来确定溶解度。“动态法 对测定达到平衡较快的物系 有独特优点，测定效率较高且不必对所测物系建立专门的分析方法。 常用的动态分析方法是激光法，该方法首先向结晶器中加入一定体积的溶 剂，恒定温度，加入精确称重的溶质，此时记录曲线在a b 段( 见图4 1 ) ，然后 向溶液中缓慢恒速加入溶剂或恒速改变温度，观察激光记录仪，当记录曲线达到 c 点时认为溶质达到完全溶解。通过对记录曲线做切线的方法得到加入溶剂量或 温度改变量，计算得到溶质在相应条件下的溶解度，本文采用动态法测定了5 天津大学硕士学位论文 第四章5 鸟苷酸结晶热力学研究 鸟苷酸在不同条件下的溶解度。 时间( s ) 图4 一l 溶解度测量记录仪输出曲线示意图 f i g 4 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs o l u b i l i t ym e 跚e m c m 4 1 2 实验原料及仪器 1 实验原料 1 ) 5 ，_ 乌苷酸( 实验室提纯，纯度大于9 6 5 ) ； 2 ) 去离子水( 市售) ： 3 ) 盐酸( 分析纯) ； 4 ) 氢氧化钠( 分析纯) ； 5 ) 乙醇( 分析纯) 2 实验仪器 1 ) 夹套结晶器( 1 0 0 m 1 ) ； 2 ) 恒温水浴( 0 1 ) ； 3 ) 电子天平( o 0 0 0 2 9 ) 4 ) 磁力搅拌器一套； 5 ) 激光器及记录仪一套： 6 ) 注射器( 5 m 1 ) 2 个 4 1 3 实验装置图 溶解度测定装置如图4 - 2 所示。该装置由夹套结晶器、激光装置，酸度计、 控温系统和搅拌系统组成。夹套结晶器与控温系统一起保证设定温度的恒定，搅 天津大学硕士学位论文第四章5 ，- 鸟苷酸结晶热力学研究 拌系统为电磁搅拌，转速可调，以保证固液两相之间尽快达到平衡。 图睨5 鸟苷酸溶解度实验装置图 f i g 4 - 2e x p e r i m e n t a ls e t u pf o rs o l u b i l i t ya n dc r y s t a lm e t a s t a b l em e a s u r e m e n t l 恒温水浴 5 磁心搅拌转子 9 温度计 1 3 激光发生器 4 1 4 溶解度测定 2 接点温度计 6 夹套结晶器 1 0 碱式滴定管 1 4 激光接收器 3 冷却盘管 7 精密p h 计 1 1 酸式滴定管 1 6 记录仪 4 磁力搅拌器 8 p h 电极 1 2 稳压电源 用分析天平准确称取一定量的5 鸟