CAMD技术在高分子领域应用的研究进展

王金强

（江西应用工程职业学院，江西省萍乡市 337042）



CAMD技术在高分子领域应用的研究进展

王金强

（江西应用工程职业学院，江西省萍乡市 337042）

摘 要：以计算机辅助分子设计（CAMD）技术为基础，综述了CAMD技术的发展现状以及在高分子领域，特别是在高分子树脂领域应用的研究进展。基于基团贡献法的CAMD技术既可以预测分子的相关性质，还可以进行高分子的设计，但在解决基团自动组合形成实际分子的问题上还有很多不足。CAMD技术在高分子领域应用广泛，可以对高分子树脂的性能进行预测以及用于设计树脂基复合材料，但CAMD技术还有很多缺陷。在分析与总结CAMD技术存在问题的基础上，对其发展趋势进行了探讨。

关键词：高分子领域 计算机辅助分子设计 研究进展 应用

计算机辅助分子设计（CAMD）［1］是以计算机为基础，融合分子力学、量子力学、分子图形学等多种学科的技术，既可以对三维立体进行描绘，也可以采用分子力学的方法实现能力极小值计算，从而确定分子的各种效应以及性质。近年来，分子结构日趋复杂，传统的分子设计技术已很难满足设计需求。采用CAMD技术，通过确立定量模型，对分子性质进行预测，从而得到分子的重要结构特征，在分子设计领域应用广泛。近年来，在高分子领域，CAMD技术的应用主要集中在医药和农药大分子设计与模拟方面，目前，CAMD技术已成为药物分子设计学的前沿领域。本文主要综述了近年来CAMD技术在高分子领域的发展及应用现状，并总结了CAMD技术在高分子领域的发展方向，为高分子领域新产品的开发提供参考。

1 CAMD技术的研究进展

1.1 以基团贡献法为基础的CAMD技术

基团贡献法［1］是选择一组基团，以某种规则为基准，进行分子合成，并推断分子物化性质，同时参考目标分子的物化性质，筛选满足要求的分子，最终得到最优分子。基团贡献法属于正推方法，也就是说，以分子结构为前提，参考组成分子的基团贡献值，推断分子的物化性质。CAMD技术则属于逆推方法，也就是说以期望性质及限制条件为前提，通过组合基团，选择目标分子。CAMD技术首先选择一组基团作为起点，把所有可能的分子全部进行设计；然后采用实验的方式以及统计回归模式，获得基团的性质以及基团间的交互参数，并以这些条件为前提，重新进行基团组合，得到可能的目标分子；最后，参考分子基团判断分子的性质以及是否满足需求。

基团贡献法包括生成－验证分子设计法、图论优化法、组合优化法。生成－验证分子设计法指的是基于知识为前提，按照规则获得所需分子，然后验证筛选，得到目标化合物，并满足所需条件。该方法成功地用于聚酰亚胺的设计与改进，提高了生产效率，节约了成本，并降低了由于人为因素造成的误差。图论优化法［2-4］在高分子液晶聚合物（LCP）中广泛应用。随着分子中原子数的增加，LCP的分子轨道变得冗繁与困难，图论优化法可以将LCP的复杂结构图简化成简单结构图，可以简化找出该分子能级分布规律。

现有的基于基团贡献法的CAMD技术还有很多不足：进行分子性质的预测时，采用相同的基团拆分法，限制了采用更多的基团预测分子性质的可能性；分子设计的结果是基团组合形式，为最终分子结构的确定带来一定困难；采用邻近基团位置校正模式，使得分子设计的复杂性随分子结构的增加而增大；基团是通过组合排列方式生成的，尽管具有多种规则，在一定程度上减少了生成分子的数量，降低了发生组合爆炸的可能性，但分子结构日渐复杂，设计的基团种类以及数目较多，因此，组合爆炸的可能性仍存在。

1.2 以优化的遗传模拟退火混合算法（MGASA）为基础的CAMD技术

目前，以基团贡献法为基础的CAMD技术存在两个问题：一是基团由于组合排列产生爆炸问题，二是基团在组合过程有结构不完整、性质不稳定的分子存在。针对这些问题，提出了以MGASA为基础的CAMD技术，并进行算法改变使其满足分子设计的需求。MGASA优化［3］则是以传统MGASA为基础，采用交叉、变异操作以及模拟退火等模式产生新的状态函数，通过扩大搜索空间实验，对产生的不合法分子修复。

聚乙烯醇属于综合性能优良的高分子材料，可通过非石油路线大规模生产，在我国发展迅速。基于MGASA［5-7］的CAMD技术应用于聚乙烯醇的生产中，成功实现了乙酸甲酯与甲醇分离。与其他CAMD技术的分离结果相比，基于MGASA 的CAMD技术具有较好的鲁棒性增强，计算效率大幅提高，且使用该方法寻找的萃取剂具有更高的适应度［8］。

2 CAMD技术的应用进展

CAMD技术极大提高了分子设计的效率，其应用范围也在不断扩大，目前，主要集中在药物设计、生物大分子设计以及高分子材料设计等领域。

2.1 高分子材料设计领域

2.1.1 树状高分子

树状高分子［9］是近年来合成的新型有机化合物，其组成包括中心核、内层重复单元、外层端基。从结构上讲，树状高分子具有高度对称性、分子结构精确性、官能团较多性、分子链增长可控性等；但树状大分子结构复杂，且在溶液分子间可以相互转化，传统树状大分子的几何结构已经落后甚至阻碍新型材料的设计。CAMD技术的应用，为树状高分子设计提供了新思路。首先从原子水平对分子的结构以及行为进行模拟，并对分子体系的各种物理化学性质进行预测，定量确定分子结构以及分子行为，从而设计新型树状大分子材料。程时远等［10］以CAMD技术为基础，成功设计出聚氨酯接枝改性聚酰亚胺。结果表明：引入聚氨酯可以改变聚酰亚胺的链结构，使链的规整性受到破坏，从而改变结构的聚集态，形成性能优良的聚酰亚胺结构。

2.1.2 聚合物领域

高景文［6］提出了针对特定属性的聚合物的分子设计过程，通过制定混合整数非线性规划适应模型以及全局寻优模型，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］开发了一种计算分子交联聚合物网络的设计模型，充分利用动量结构，对聚合物以及所需属性之间的关系进行描述，研发了一种启发式优化算法，从而确定所需属性的聚合物。Pavurala等还证明了采用CAMD技术合成的聚合物可以有效将药物输送到载体上。王岩［12］则采用CAMD技术，以甲基烯丙基聚氧乙烯醚、马来酸酐类、丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸为单体合成了一种含有磺酸基的两亲性梳型聚合物，并以水泥净浆流动度与减水率为指标，研究了该新型聚合物的低掺量、高减水、高水泥颗粒分散的优点。

2.1.3 抑制剂领域

王丽东等［13］提出了3种以CAMD技术为基础的基于抗人类免疫缺陷病毒抑制剂的分子设计，即基于受体结构的药物设计、基于配体的药物设计、以及上述两种设计的整合。杜娟提出了基于CAMD技术的激酶抑制剂设计，并从科学设计、抑制剂选择性相关机理、与底物之间的相互关系等方面进行了阐述，并成功设计了靶向激酶抑制剂。

CAMD技术可以实现药剂分子的基团拼装、结构-性能关系的理论计算、三维动态分子模型化等，并可以提高研发效率，降低研发周期；但在选矿药剂研发领域的应用还存在很多的不足。2006—2009年，北京矿冶研究总院成功设计了10种大分子硫化矿有机抑制剂，并确立了3种新型药剂的绿色合成工艺路线［14-17］。陈建华等［18］以CAMD技术为基础，对偶氮类硫化矿大分子有机抑制剂的前线轨道的能量进行计算，从而确立了药物与矿物前线轨道能量差值，并将这一差值作为判断偶氮类硫化矿大分子有机抑制剂的判断依据。采用CAMD技术通过估计选矿药剂结构、效能、环境关系，可以尽可能从源头保护环境。

基于CAMD技术的高分子设计注重某一特定的物质，对于混合物的设计还很少。因此，CAMD技术的发展趋势将朝着混合物设计方向发展。此外，CAMD技术在选矿药剂分子设计中的应用还具有很大的发展空间，也存在极大优越性。因此，CAMD技术应重视在选矿药剂分子设计中的应用。

2.2 CAMD技术在聚合物性能预测方面应用

王丽东等［13］基于CAMD技术进行了聚合物分子设计，其依据聚合物的吸收率、玻璃化转变温度、密度等作为限定物，设计了适用于食品包装的低吸收性聚合物材料。Papadopoulous等［20］基于CAMD技术，采用不同物性，进行了多种聚合物设计。在乙烯类聚合物中，选择了密度、单体相对分子质量、熔点等作为限制条件。汪丽梅等［19］依托CAMD技术，对硅藻土、膨润土以及高岭土等典型矿物材料与高分子化合物制备的复合吸水树脂进行了优化。苏琼等［21］基于CAMD技术，对淀粉-合成树脂乳液进行性能测试，并结合物理性能、工艺性能以及力学性能等，对该聚合物进行了优化。

利用CAMD技术还可以对屏蔽塑料、导热塑料、泡沫塑料等进行改进。储九荣等［22］以CAMD技术为基础，构建了导热填料掺杂的导热塑料的导热理论模型，为优化导热塑料性能提供理论依据。杨彦成等［23］提出了基于傅里叶变换红外光谱，X射线光电子能谱与CAMD技术的高硫焦煤大分子模型，并对该模型进行优化以及设计评价。Papadopoulos等［20］提出了CAMD技术在液液萃取和气体吸收过程中的应用，采用该方法可确定基于各种性能与环境指标的最优溶剂。王岩等［12］提出了基于遗传算法与问题分解法的CAMD技术用于设计与选择最优结构。目前，只有有限的几个组织专注于离子液体的物理和化学性质的评估。

3 结语

近年来，CAMD技术快速发展，基于基团贡献法的CAMD技术在高分子领域既可以预测分子的相关性质，还可以进行高分子的设计。现有的基于基团贡献法的CAMD技术还有很多不足：进行分子性质的预测，需采用相同的基团拆分法，这便限制了采用更多的基团预测分子性质的可能性；分子设计的结果是基团组合形式，为最终分子结构的确定带来一定困难；采用邻近基团位置校正模式，使分子设计的复杂性随分子结构的增加而增大。CAMD技术的应用不断扩大，特别是在高分子领域应用广泛；但在混合物设计方面还有一定的不足。因此，CAMD技术的发展趋势将朝着混合物设计方向发展。

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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

作者简介：王金强，男，1974年生，2010年毕业于安徽理工大学电气工程专业，现主要从事计算机专业的教学和科研工作。 联系电话：13979950679；E-mail：253198334@ qq.com。

收稿日期：2015-09-30；修回日期： 2015-12-29。

中图分类号：TQ 050.4+25；TQ 015.9

文献标识码：A

文章编号：1002-1396（2016）02-0099-04