©北京泰科博思科技有限公司   /   京ICP备09107432号-1   /   网站建设:中企动力 北京

解决方案

Solution

>
>
>
【Materials Studio应用实例】l-丙氨酸、dl-丙氨酸、β-丙氨酸和丙氨酸氯化氢分子晶体的研究:结构和DFT分析
产品名称

【Materials Studio应用实例】l-丙氨酸、dl-丙氨酸、β-丙氨酸和丙氨酸氯化氢分子晶体的研究:结构和DFT分析

所属分类
产品中心
联系我们
相关资料
方案详情
行业
材料
复合材料
分类
Materials Studio

摘要:

在这项研究中,DFT计算被用来评估和对比五种丙氨酸晶体形式的结构、电子和光学特性。采用带有Tkatchenko-Scheffler色散校正方案的Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)广义梯度近似(GGA),并与不带色散校正的PBE泛函和局部密度近似(LDA)进行了比较。实验用X射线衍射(XRD)和紫外可见吸收光谱对丙氨酸晶体粉末进行了表征。另外,对L-α-丙氨酸、dl-丙氨酸、β-丙氨酸和盐酸丙氨酸进行紫外可见吸收测定。实验晶格参数与GGA和LDA方法预测的晶格参数存在显著偏差(>10%)。在GGA函数中加入色散校正提高了预测精度。此外,利用极化连续体模型进行了时间依赖DFT(TD-DFT)计算,分析了水中α-、β-、DL-和氯化氢丙氨酸的紫外/可见吸收光谱,并解释了实验数据。不同的丙氨酸晶体表现出显著的各向异性电子和光学特性,包括有效质量、吸收和介电功能。L-α-hcl结构的带隙最小(4.67eV),适用于L-α/L-α-hcl/L-α量子阱结构。为了更好地理解它们的电子输运性质,还确定了每个晶体的电子和空穴的主要有效质量。

 

引言:

丙氨酸是继甘氨酸之后最简单的氨基酸,也是蛋白质的组成部分之一。它是由甲基(CH3)、胺(NH2)和羧酸(CO2H)共价附着在单个α碳上形成的。

 

使用不同的方法和理论水平,在某些情况下,没有考虑分散效应,本研究的主要目标是提供一个统一的描述。作者的目标是通过在DFT框架内利用一致的计算参数来实现这一目标,同时也纳入了对非共价相互作用的适当处理。这种方法使作者能够以一致的方式确定各种丙氨酸晶体的结构和光电子特性,从而提供额外的细节和数据,以促进实验测量的评估。作者将理论结果与实验结果进行了比较,说明需要考虑色散力以准确描述它们的晶格参数。此外,本文所获得的结果旨在为解释不同丙氨酸构象和变体水溶液以及固相中光学吸收间隙的实验数据提供参考。研究了丙氨酸的L-α正晶(L-ala:O)、dl正晶(DL-Ala:O)、β-正晶(β-Ala:O)、β-单斜晶(β-Ala: M)和L-α-hcl正晶(L-ala-hcl:O)。作者对L-Ala:O光吸收的理论结果与晶体粉末的实验测量结果进行了对比。作者还提供了α-, β-, DL和盐酸形式的丙氨酸分子在水溶液中的光学吸收数据,并使用时间相关DFT进行了理论计算。Kohn-Sham带结构使作者能够估计每个晶体的电子带隙和电子/空穴有效质量,而模拟的光学性质,特别是介电函数,提供了它们的光学各向异性的比较图像。

 

方法:

DFT计算使用CASTEP代码中的截止能量为830 eV和保范假势[57]的平面波基集进行。将Perdew-Burke-Ernzerhof交换相关泛函(PBE[61])的广义梯度近似(GGA)与Tkatchenko-Scheffler[62]的色散校正方案相结合,优化单元胞的几何形状。这种校正方案在评价聚丙氨酸链的稳定性[63]和描述分子晶体的结构和电子性质[6466]中得到了验证。为了进行比较,还进行了仅使用PBE泛函和不进行色散校正的局部密度近似(LDA[67])的模拟。采用BFGS算法对具有可变点阵参数和内坐标的几何结构进行优化。

 

结果与讨论:

L-Ala:O的P212121和DL-Ala:O的Pna21,两种晶体都具有Z=4(每个细胞有4个两性离子分子),由胺基的每个氢原子形成的氢键形成平行于c轴的分子柱(见图1(a,b))。结合D分子沿c方向的镜像变换和平移,可以得到固体L-Ala:O的结构。每个分子单位都有一个平面羧基。β-丙氨酸与空间基团Pbca具有稳定的正交相(见图1(c)),由氢键保持的分子柱组成,形成由氢键和范德华力连接的分子平面。由于范德华力的作用,双层本身沿着b方向堆叠,这表明有可能发展成二维结构。L-Ala-hcl:O(见图1(d))与空间基团P212121正交,像L-Ala:O一样每个细胞有4个分子。

 

在图2中,可以观察到当晶格参数从其最优值独立变化时,单元胞总能量的行为。L-Ala:O、DL-Ala:O和L-Ala-hcl:O的总能量曲线对所选晶格参数的敏感性较小,表明晶体在应力作用下具有各向同性的力学行为。

 

图3显示了时间依赖密度泛函理论(TD-DFT)对分离的α-、β-、dl-丙氨酸和盐酸丙氨酸分子在水中溶剂化以保持其晶体两性离子形式的计算结果。

 

图4比较了水溶剂化α-、β-、dl-丙氨酸和l-丙氨酸盐酸盐体系在紫外区的理论吸收光谱与相应的实验曲线。

 

图5描绘了所研究的丙氨酸晶体的第一个布里渊带,以及使用DFT获得其Kohn-Sham带结构所选择的路径。实空间中的单元格也被显示出来。

 

图6为靠近主带隙的5个丙氨酸晶体的Kohn-Sham带结构。最重要的间隙是间接的,涉及第一布里渊区的非对称点,其坐标如支持信息表S2所示。考虑到L-Ala:O和DL-Ala:O晶体的晶体结构非常相似,包括它们的氢键模式和氧的p轨道和氢原子在NH3基团中的s轨道之间的轨道重叠,它们的电子结构明显具有显著的共性。在图6的上半部分所描绘的各自的电子带的观察证实了这一点。因此,它们的主要带隙表现出相同的性质(间接带隙)和接近的能级(仅相差50兆电子伏)的事实是合理的。

 

图7显示了考虑到每种原子类型(上)和官能团(下)的丙氨酸晶体的电子态密度(DOS)。

 

图8显示了考虑5个丙氨酸晶体的丙氨酸分子中每个原子的电荷居数分析结果。采用Mulliken[81]和Hirshfeld[82]的电荷分析方法。

 

图9的顶部显示了L-Ala:O粉末的测量光吸收的平方根,正如作者的DFT计算所预测的那样,表明L-Ala:O具有间接间隙。

 

利用Kohn-Sham电子结构得到的五种丙氨酸晶体的光学吸收曲线如图10所示。

 

β-Ala:O和β-Ala:M为6.3eV, L-Ala-HCl:O为6.5eV。图11显示了每个丙氨酸晶体的多晶样品在4-6eV光子范围内的计算光吸收曲线,并与作者的实验数据进行了比较。作者使用与图8相同的线性插值方法来估计光学间隙,与图6所示的Kohn-Sham带隙值相匹配。作者的数据表明,β-Ala:M具有最强烈的光吸收,其次是DL-Ala:O、L-Ala:O、L-Ala-hcl:O和β-Ala:O。

 

图12显示了不同入射光偏振态下丙氨酸晶体复介电函数的实部和虚部ε(ω)=ϵ1(ω)+iϵ2(ω)。

总结:

在本研究中,利用各种交换相关泛函和色散校正方案,进行了DFT计算和实验,研究了各种丙氨酸晶体形式的结构、电子和光学性质。此外,利用时间依赖DFT分析了水中丙氨酸的紫外/可见吸收光谱。通过粉末XRD分析证实了L-Ala:O、DL-Ala:O和β-Ala:O的晶体结构。TDDFT计算揭示了水溶剂化α-和β-丙氨酸分子中不同官能团之间的电荷转移现象,导致激发态下特定的电子密度分布。

 

值得注意的是,在没有色散校正的情况下,丙氨酸晶体的实验晶格参数与DFT计算预测的晶格参数之间存在显著差异,包括色散校正显著提高精度。此外,还估计了各种丙氨酸晶体形式的带隙和有效电子和空穴质量。L-Ala:O体系的间接间隙为4.88eV,最小的直接间隙对应的Γ-Γ跃迁为4.97eV。DL-Ala:O体系具有与L-Ala:O相似的价带,间接间隙为4.93eV。在β-Ala:O体系中,β-丙氨酸晶体呈现出5.12eV和5.13eV两个紧密间隔的间接间隙。其中,单斜相的带隙最小,接近4.88eV。在L-Ala-HCl:O体系中,发现了较小的间接带隙,范围在4.67eV到4.76eV之间,这表明利用L-Ala-HCl:O结构可以产生量子阱。

 

L-Ala:O晶体的空穴有效质量几乎各向同性,而电子质量则表现出较大的各向异性。DL-Ala:O晶体的有效空穴质量普遍小于L-Ala:O晶体,而它们的电子质量范围相似。在β-ala晶体中,正交多晶表现出最具各向异性的电子有效质量。在6.3GPa压力下,单斜晶的空穴有效质量范围较大,而L-Ala-HCl:O晶的空穴有效质量最大,各向异性最强。作者对L-Ala:O的光学吸收测量结果与Caroline[88]和Aravindan[89]先前报道的结果一致,在5至5.5eV的能量区间内与Kumar[90]的结果接近。根据作者的分析,作者预测L-Ala:O的光隙为4.89eV,与计算的Kohn-Sham电子带隙4.88eV非常接近。值得注意的是,L-Ala:O和DL-Ala:O表现出相似的各向同性吸收模式,而β-丙氨酸结构和丙氨酸氯化氢晶体表现出不同的各向异性吸收行为。

 

文章详情:https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2023.137228

 

北京泰科博思科技有限公司是BIOVIA Materials Studio官方指定代理商,有关软件详情或者技术支持请咨询北京泰科。


电话:010-64951848

邮箱:sales@tech-box.com.cn


北京泰科为广大学习分子模拟科研人员提供了交流讨论平台,泰科建立了BIOVIA Pipeline Pilot和Materials Studio交流群,群里有专业老师解答问题,如有兴趣一起交流,欢迎来电/邮申请入群,作者期待您的参与!

 

北京泰科涉及行业

材料研发

基于BIOVIA Materials Studio材料设计平台,提供涉及电池、航空航天、国防军工、建筑、涂料涂层等多领域材料研发软件及综合解决方案

 

药物研发

针对药物设计、药物研发等提供基于Discovery Studio、COSMOLOGIC等软件的ADME、构象比对、溶剂筛选、结晶、成盐、共晶筛选、稳定性、溶解度pKa、分配系数等性质的模拟预测软件及方案

 

化工设计

面向精细化工、新能源、石油化工等领域提供精馏萃取催化剂设计、热力学性质(溶解度、粘度等)、提纯表面处理吸附等性质模拟软件平台及解决方案

 

数据挖掘

基于Pipeline Pilot提供数据搜集、数据清洗、特征工程、机器学习、流程设计等多种数据挖掘综合解决方案

 

一体化实验室

• 实验室信息管理

• 电子实验记录本/SOP执行

• 试剂耗材管理

• 仪器管理

• 数据管理

 

部分产品

量化材料类

• Crystal:固体化学和物理性质计算软件

• Diamond:晶体结构数据可视化分析

• Endeavour:强大的求解晶体结构的软件

• Molpro:高精度量化软件

• Molcas:多参考态量软件                   

• Turbomole:快速稳定量化软件

• TeraChem:GPU上运行的量化计算软件

• Spartan:分子计算建模软件

 

数据分析类

• GelComparll:凝胶电泳图谱分析软件

• SimaPro:生命周期评估软件             

• Unscrambler:完整多变量数据分析和实验设计软件      

• CSDS:剑桥晶体结构数据库

• lCDD:国际衍射数据中心数据库                

• ICSD:无机晶体结构数据库

• Pearson’s CD:晶体数据库

 

公司简介

北京泰科博思科技有限公司(Beijing Tech-Box S&T Co. Ltd.)成立于2007年,是国内领先的分子模拟及虚拟仿真综合解决方案提供商。

 

北京泰科博思科技有限公司与国际领先的模拟软件厂商、开发团队深入合作,为高校、科研院所和企业在材料、化工、药物、生命科学、环境、人工智能及数据挖掘、虚拟仿真教学等领域提供专业的整体解决方案。用户根据需要在我们的平台上高效的进行各种模拟实验,指导实际的生产设计。

 

北京泰科博思科技有限公司拥有一支一流的技术服务团队和资深的专家咨询团队,以客户真正需求出发,服务客户,为客户创造价值。我们秉承“职业、敬业、担当、拼搏、合作”的企业精神,致力于用国际领先的软件产品和专业全面的技术支持服务,成为客户可信赖的合作伙伴。 

未找到相应参数组,请于后台属性模板中添加
暂未实现,敬请期待
暂未实现,敬请期待

更多解决方案

——

【COSMOlogic应用实例】助溶剂对聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)低温糖酵解的影响
【COSMOlogic应用实例】助溶剂对聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)低温糖酵解的影响
COSMOLOGIC
【Materials Studio应用实例】MFe2O4铁氧体在电化学、光催化和光电子应用中的结构、机械、电子和光学性质
【Materials Studio应用实例】MFe2O4铁氧体在电化学、光催化和光电子应用中的结构、机械、电子和光学性质
BIOVIA Materials Studio
【COSMOlogic应用实例】可蒸馏离子液体预处理生物质是一种有效的循环利用和回收方法
【COSMOlogic应用实例】可蒸馏离子液体预处理生物质是一种有效的循环利用和回收方法
COSMOLOGIC
【Materials Studio应用实例】DFT和MD法对阳离子尼罗蓝和阴离子甲基橙在水中金属氯化物表面吸附的比较研究
【Materials Studio应用实例】DFT和MD法对阳离子尼罗蓝和阴离子甲基橙在水中金属氯化物表面吸附的比较研究
BIOVIA Materials Studio
【Materials Studio应用实例】l-丙氨酸、dl-丙氨酸、β-丙氨酸和丙氨酸氯化氢分子晶体的研究:结构和DFT分析
【Materials Studio应用实例】l-丙氨酸、dl-丙氨酸、β-丙氨酸和丙氨酸氯化氢分子晶体的研究:结构和DFT分析
Materials Studio
【COSMOlogic应用实例】乙酰丙酸还原胺化法制备吡咯烷酮的可持续合成与提取
【COSMOlogic应用实例】乙酰丙酸还原胺化法制备吡咯烷酮的可持续合成与提取
COSMOLOGIC