酰胺基在水合物动力学抑制剂中作用及抑制机理的模拟研究

油气工业中，由于水合物形成会堵塞管道，造成严重危害，故水合物的防治至关重要。一般通过添加抑制剂来预防水合物堵塞，其中动力学抑制剂因用量少、效果好、对环境友好受到研究者关注。在现已开发的水合物动力学抑制剂中，性能较好的多具有酰胺基团和羟基。但"酰胺基为何具有抑制作用？在何种环境中具有抑制作用？"，"含有该类基团的抑制剂与水合物表面如何作用？影响因素是什么？"等问题尚不清楚。本研究目的在于找出水合物动力学抑制剂的活性基团以及影响水合物抑制剂抑制效果的主要因素。本研究拟通过分子动力学模拟聚合物对水合物的抑制过程，系统研究含酰胺基/羟基类聚合物的构象、聚合度以及添加量对水合物的抑制作用。计算聚合物与水合物表面结合能大小，分析高分子电荷分布与水合物表面水溶液电子分布，找出影响聚合物与水合物吸附作用的关键因素，获得动力学抑制剂抑制机理，为设计新型水合物动力学抑制剂提供参考。

本项目针对油气工业流动安全中的水合物堵塞问题，利用分子动力学模拟和室内试验相结合的手段开展了动力学抑制剂研究，从不同尺度上重点研究了酰胺基团对水合物抑制性能的影响，首先在Material Studio上建立了一套适用于水合物抑制剂体系的科学可靠的分子动力学模拟方法，在此基础上考察了动力学抑制剂中酰胺基的位置、酰胺基环的大小、酰胺基所在的局部结构、浓度以及与其他可能活性基团对抑制作用的影响。通过构象分析、氧原子径向分布函数、氧原子均方位移、水分子扩散系数以及表面结合能和电荷分析，再结合室内抑制剂评价实验，得到影响酰胺基抑制活性的因素以及酰胺基在水合物动力学抑制剂中的主要作用机制。.环上碳数（-CH2-数目）影响酰胺聚合物抑制能力，具有相似结构的内酰胺聚合物聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚乙烯哌啶烷酮（PVPip）和聚乙烯己内酰胺（PVCap），环上-CH2-数目越多，抑制性能越强。七元环的PVCap性能最优，六元环的PVPip次之，五元环的PVP最差。.不同平面环状结构（吡啶环、苯环、苯酚）使得酰胺聚合物抑制性能有变化，苯环对酰胺类聚合物抑制性能促进作用最为明显，苯酚环次之，吡啶环可能由于强吸电原因促进作用最弱。.聚乙烯唑啉（PEtO）中引入羟基，抑制效果有所增强，羟基在此处对酰胺基的效应体现为叠加的协同作用。但在PVCap中引入羟基。羟基的引入能够改善聚合物与水溶液的交互性，可能对生物降解性能有一定程度改善。.量子力学结果显示，酰胺基的抑制活性主要体现在氧原子上。其周围的化学环境通过影响氧原子的电负性和表面结合能影响水合物的抑制性能。氧原子的电负性越大抑制性能越强；表面结合能（绝对值）越大，说明越容易吸附至水合物表面。.在成核阶段，聚合物扰乱水分子的聚集情况，增加气水接触所需要的传质阻力，活性官能团如酰胺基、羟基O原子与团簇水形成氢键，使得团簇水结构难以稳定而无法长大至临界尺寸；在生长阶段，聚合物吸附至水合物表面尤其是生长面，活性官能团与水分子形成氢键，破坏笼型结构，同时聚合物骨架的紧凑排布使得晶核之间难以互相接触生长，从而降低生长速率甚至停止生长。. 项目按期完成，发表相关论文11篇，其中SCI 9篇，EI1篇，中文核心1篇，国际会议论文1篇，申请专利1项，培养研究生2名，博士生1名。