皮胶原-有机交联剂反应机理的计算化学研究

皮胶原蛋白在有机交联剂作用下，产生奇异的"弱作用引起强变化"现象，使生皮变成革。本项目采用计算化学和实验相结合，从稳定性变化的分子结构基础出发，通过研究如下内容，在分子层次上定量地认识有机交联剂引起胶原稳定性尤其是热稳定性突变的根本原因。（1）醛类与胶原交联反应机理，醛结构因素变化对交联反应及交联产物热稳定性影响（2）基于对噁唑烷类开环水解机理研究，阐明噁唑烷与胶原交联反应机理，噁唑烷取代基变化对交联反应及胶原交联后热稳定性变化影响；（3）芳香族化合物单独以及与小分子有机交联剂结合与皮胶原蛋白作用模式以及胶原结构和热稳定性变化。通过对两类分别发生成键和非键作用的交联剂作用下的皮胶原蛋白稳定性系统研究，从分子层次认识制革关键过程的科学原理，建立交联剂结构-性能构效关系，探索皮蛋白质转变的科学规律，同时为无毒、高效交联剂设计提供理论依据。

本项目采用计算化学和实验相结合，在分子层次上定量地认识有机交联剂引起胶原稳定性突变的根本原因。（1）通过对植物多酚-醛-胶原交联反应机理的研究，阐明了醛在其中的交联作用。醛与儿茶素、氨基酸残基反应的HOMO-LUMO能差相近，形成相应的中间体速率相近；但儿茶素-醛中间体的反应活性更高，因此植醛结合鞣中先加植物多酚，再加醛的顺序对于形成稳定的三元交联结构十分重要。（2）以山奈酚、槲皮素、杨梅素、木犀草素和漆黄素为芳环类化合物探针分子，采用实验与分子模拟相结合，研究了它们与胶原交联反应机理。研究表明，氢键、范德华力和静电作用力是相互作用的非键作用力，其中氢键和范德华力较大，这些作用力大小受到黄酮分子结构、溶剂环境的影响。乙醇能显著放大结构差异较小的黄酮分子的氢键作用，从而为胶原纤维应用为吸附分离材料奠定了理论基础。（3）系统研究了胶原分子在不同pH环境下的稳定性，以及胶原聚集形态及其在盐作用下的变化。采用分子动力学模拟方法，通过RMSD、RMSF、RDF、回旋半径和氢键讨论了环境pH变化导致胶原结构参数变化的微观原子图像。pH对直径的影响在胶原模型肽N-端更明显，胶原模型肽主要的构型改变发生在高酸碱性条件下，在碱性条件下，胶原模型肽相对于初始结构有更大的偏差。采用原子力显微镜观测了胶原各级结构及典型体外聚集形态，观察了胶原在NaCl和外力作用下的聚集行为，结果表明，NaCl能使胶原脱水，并诱导胶原聚集成纤维。该作用可以使纤维内邻近胶原分子相互靠近，同时使纤维间的空隙增大，这有利于鞣剂的渗透和结合。NaCl的这种作用可能是促使皮革形成纤维状多孔微观结构的重要原因，而这有助于增强皮革的物理机械性能和具有好的手感。该研究提出的NaCl在浸酸和鞣制过程中的作用机理，对优化制革浸酸和鞣制工艺、发展无盐或少盐浸酸鞣制技术具有启发意义。基于对胶原聚集形态的基础研究，开发了无氨脱灰助剂。本项目的研究成果丰富了胶原交联反应机理，并在理论研究基础上，开展了相应的应用研究。