CAMD技術在高分子領域應用的研究進展

王金強

（江西應用工程職業學院，江西省萍鄉市 337042）

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CAMD技術在高分子領域應用的研究進展

王金強

（江西應用工程職業學院，江西省萍鄉市 337042）

摘 要：以計算機輔助分子設計（CAMD）技術為基礎，綜述了CAMD技術的發展現狀以及在高分子領域，特別是在高分子樹脂領域應用的研究進展。基于基團貢獻法的CAMD技術既可以預測分子的相關性質，還可以進行高分子的設計，但在解決基團自動組合形成實際分子的問題上還有很多不足。CAMD技術在高分子領域應用廣泛，可以對高分子樹脂的性能進行預測以及用于設計樹脂基復合材料，但CAMD技術還有很多缺陷。在分析與總結CAMD技術存在問題的基礎上，對其發展趨勢進行了探討。

關鍵詞：高分子領域 計算機輔助分子設計 研究進展 應用

計算機輔助分子設計（CAMD）［1］是以計算機為基礎，融合分子力學、量子力學、分子圖形學等多種學科的技術，既可以對三維立體進行描繪，也可以采用分子力學的方法實現能力極小值計算，從而確定分子的各種效應以及性質。近年來，分子結構日趨復雜，傳統的分子設計技術已很難滿足設計需求。采用CAMD技術，通過確立定量模型，對分子性質進行預測，從而得到分子的重要結構特征，在分子設計領域應用廣泛。近年來，在高分子領域，CAMD技術的應用主要集中在醫藥和農藥大分子設計與模擬方面，目前，CAMD技術已成為藥物分子設計學的前沿領域。本文主要綜述了近年來CAMD技術在高分子領域的發展及應用現狀，并總結了CAMD技術在高分子領域的發展方向，為高分子領域新產品的開發提供參考。

1 CAMD技術的研究進展

1.1 以基團貢獻法為基礎的CAMD技術

基團貢獻法［1］是選擇一組基團，以某種規則為基準，進行分子合成，并推斷分子物化性質，同時參考目標分子的物化性質，篩選滿足要求的分子，最終得到最優分子。基團貢獻法屬于正推方法，也就是說，以分子結構為前提，參考組成分子的基團貢獻值，推斷分子的物化性質。CAMD技術則屬于逆推方法，也就是說以期望性質及限制條件為前提，通過組合基團，選擇目標分子。CAMD技術首先選擇一組基團作為起點，把所有可能的分子全部進行設計；然后采用實驗的方式以及統計回歸模式，獲得基團的性質以及基團間的交互參數，并以這些條件為前提，重新進行基團組合，得到可能的目標分子；最后，參考分子基團判斷分子的性質以及是否滿足需求。

基團貢獻法包括生成－驗證分子設計法、圖論優化法、組合優化法。生成－驗證分子設計法指的是基于知識為前提，按照規則獲得所需分子，然后驗證篩選，得到目標化合物，并滿足所需條件。該方法成功地用于聚酰亞胺的設計與改進，提高了生產效率，節約了成本，并降低了由于人為因素造成的誤差。圖論優化法［2-4］在高分子液晶聚合物（LCP）中廣泛應用。隨著分子中原子數的增加，LCP的分子軌道變得冗繁與困難，圖論優化法可以將LCP的復雜結構圖簡化成簡單結構圖，可以簡化找出該分子能級分布規律。

現有的基于基團貢獻法的CAMD技術還有很多不足：進行分子性質的預測時，采用相同的基團拆分法，限制了采用更多的基團預測分子性質的可能性；分子設計的結果是基團組合形式，為最終分子結構的確定帶來一定困難；采用鄰近基團位置校正模式，使得分子設計的復雜性隨分子結構的增加而增大；基團是通過組合排列方式生成的，盡管具有多種規則，在一定程度上減少了生成分子的數量，降低了發生組合爆炸的可能性，但分子結構日漸復雜，設計的基團種類以及數目較多，因此，組合爆炸的可能性仍存在。

1.2 以優化的遺傳模擬退火混合算法（MGASA）為基礎的CAMD技術

目前，以基團貢獻法為基礎的CAMD技術存在兩個問題：一是基團由于組合排列產生爆炸問題，二是基團在組合過程有結構不完整、性質不穩定的分子存在。針對這些問題，提出了以MGASA為基礎的CAMD技術，并進行算法改變使其滿足分子設計的需求。MGASA優化［3］則是以傳統MGASA為基礎，采用交叉、變異操作以及模擬退火等模式產生新的狀態函數，通過擴大搜索空間實驗，對產生的不合法分子修復。

聚乙烯醇屬于綜合性能優良的高分子材料，可通過非石油路線大規模生產，在我國發展迅速。基于MGASA［5-7］的CAMD技術應用于聚乙烯醇的生產中，成功實現了乙酸甲酯與甲醇分離。與其他CAMD技術的分離結果相比，基于MGASA 的CAMD技術具有較好的魯棒性增強，計算效率大幅提高，且使用該方法尋找的萃取劑具有更高的適應度［8］。

2 CAMD技術的應用進展

CAMD技術極大提高了分子設計的效率，其應用范圍也在不斷擴大，目前，主要集中在藥物設計、生物大分子設計以及高分子材料設計等領域。

2.1 高分子材料設計領域

2.1.1 樹狀高分子

樹狀高分子［9］是近年來合成的新型有機化合物，其組成包括中心核、內層重復單元、外層端基。從結構上講，樹狀高分子具有高度對稱性、分子結構精確性、官能團較多性、分子鏈增長可控性等；但樹狀大分子結構復雜，且在溶液分子間可以相互轉化，傳統樹狀大分子的幾何結構已經落后甚至阻礙新型材料的設計。CAMD技術的應用，為樹狀高分子設計提供了新思路。首先從原子水平對分子的結構以及行為進行模擬，并對分子體系的各種物理化學性質進行預測，定量確定分子結構以及分子行為，從而設計新型樹狀大分子材料。程時遠等［10］以CAMD技術為基礎，成功設計出聚氨酯接枝改性聚酰亞胺。結果表明：引入聚氨酯可以改變聚酰亞胺的鏈結構，使鏈的規整性受到破壞，從而改變結構的聚集態，形成性能優良的聚酰亞胺結構。

2.1.2 聚合物領域

高景文［6］提出了針對特定屬性的聚合物的分子設計過程，通過制定混合整數非線性規劃適應模型以及全局尋優模型，合成了所需的基于脂肪族以及芳香族的高分子化合物。Pavurala等［11］開發了一種計算分子交聯聚合物網絡的設計模型，充分利用動量結構，對聚合物以及所需屬性之間的關系進行描述，研發了一種啟發式優化算法，從而確定所需屬性的聚合物。Pavurala等還證明了采用CAMD技術合成的聚合物可以有效將藥物輸送到載體上。王巖［12］則采用CAMD技術，以甲基烯丙基聚氧乙烯醚、馬來酸酐類、丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸為單體合成了一種含有磺酸基的兩親性梳型聚合物，并以水泥凈漿流動度與減水率為指標，研究了該新型聚合物的低摻量、高減水、高水泥顆粒分散的優點。

2.1.3 抑制劑領域

王麗東等［13］提出了3種以CAMD技術為基礎的基于抗人類免疫缺陷病毒抑制劑的分子設計，即基于受體結構的藥物設計、基于配體的藥物設計、以及上述兩種設計的整合。杜娟提出了基于CAMD技術的激酶抑制劑設計，并從科學設計、抑制劑選擇性相關機理、與底物之間的相互關系等方面進行了闡述，并成功設計了靶向激酶抑制劑。

CAMD技術可以實現藥劑分子的基團拼裝、結構-性能關系的理論計算、三維動態分子模型化等，并可以提高研發效率，降低研發周期；但在選礦藥劑研發領域的應用還存在很多的不足。2006—2009年，北京礦冶研究總院成功設計了10種大分子硫化礦有機抑制劑，并確立了3種新型藥劑的綠色合成工藝路線［14-17］。陳建華等［18］以CAMD技術為基礎，對偶氮類硫化礦大分子有機抑制劑的前線軌道的能量進行計算，從而確立了藥物與礦物前線軌道能量差值，并將這一差值作為判斷偶氮類硫化礦大分子有機抑制劑的判斷依據。采用CAMD技術通過估計選礦藥劑結構、效能、環境關系，可以盡可能從源頭保護環境。

基于CAMD技術的高分子設計注重某一特定的物質，對于混合物的設計還很少。因此，CAMD技術的發展趨勢將朝著混合物設計方向發展。此外，CAMD技術在選礦藥劑分子設計中的應用還具有很大的發展空間，也存在極大優越性。因此，CAMD技術應重視在選礦藥劑分子設計中的應用。

2.2 CAMD技術在聚合物性能預測方面應用

王麗東等［13］基于CAMD技術進行了聚合物分子設計，其依據聚合物的吸收率、玻璃化轉變溫度、密度等作為限定物，設計了適用于食品包裝的低吸收性聚合物材料。Papadopoulous等［20］基于CAMD技術，采用不同物性，進行了多種聚合物設計。在乙烯類聚合物中，選擇了密度、單體相對分子質量、熔點等作為限制條件。汪麗梅等［19］依托CAMD技術，對硅藻土、膨潤土以及高嶺土等典型礦物材料與高分子化合物制備的復合吸水樹脂進行了優化。蘇瓊等［21］基于CAMD技術，對淀粉-合成樹脂乳液進行性能測試，并結合物理性能、工藝性能以及力學性能等，對該聚合物進行了優化。

利用CAMD技術還可以對屏蔽塑料、導熱塑料、泡沫塑料等進行改進。儲九榮等［22］以CAMD技術為基礎，構建了導熱填料摻雜的導熱塑料的導熱理論模型，為優化導熱塑料性能提供理論依據。楊彥成等［23］提出了基于傅里葉變換紅外光譜，X射線光電子能譜與CAMD技術的高硫焦煤大分子模型，并對該模型進行優化以及設計評價。Papadopoulos等［20］提出了CAMD技術在液液萃取和氣體吸收過程中的應用，采用該方法可確定基于各種性能與環境指標的最優溶劑。王巖等［12］提出了基于遺傳算法與問題分解法的CAMD技術用于設計與選擇最優結構。目前，只有有限的幾個組織專注于離子液體的物理和化學性質的評估。

3 結語

近年來，CAMD技術快速發展，基于基團貢獻法的CAMD技術在高分子領域既可以預測分子的相關性質，還可以進行高分子的設計。現有的基于基團貢獻法的CAMD技術還有很多不足：進行分子性質的預測，需采用相同的基團拆分法，這便限制了采用更多的基團預測分子性質的可能性；分子設計的結果是基團組合形式，為最終分子結構的確定帶來一定困難；采用鄰近基團位置校正模式，使分子設計的復雜性隨分子結構的增加而增大。CAMD技術的應用不斷擴大，特別是在高分子領域應用廣泛；但在混合物設計方面還有一定的不足。因此，CAMD技術的發展趨勢將朝著混合物設計方向發展。

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Research progress on computer-aided molecular design for polymer

Wang Jinqiang
（Jiangxi Vocational College of Applied Engineering，Pingxiang 337042，China）

Abstract：This paper reviews the development and application of computer-aided molecular design（CAMD）in polymer material，particularly polymer resin in recent years based on this technology. CAMD is developed on the basis of group contribution method，it is used for prediction of the properties of molecules and design for high molecules. However，there exists many problems such as resolving automatic formation of actual molecule with groups. CAMD is widely used in predicting the performance of polymer resin and design for resin-based composites. The technical problems of the technology are analyzed and summarized to probe into its development trend.

Keywords：polymer； computer-aided molecular design； research progress； application

作者簡介：王金強，男，1974年生，2010年畢業于安徽理工大學電氣工程專業，現主要從事計算機專業的教學和科研工作。 聯系電話：13979950679；E-mail：253198334@ qq.com。

收稿日期：2015-09-30；修回日期： 2015-12-29。

中圖分類號：TQ 050.4+25；TQ 015.9

文獻標識碼：A

文章編號：1002-1396（2016）02-0099-04