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Properties of Inhibitors of Methane Hydrate Formation via Molecular Dynamics Simulations

水合物 化学 分子动力学 分子 结合能 计算化学 溶剂化 立体化学 有机化学 物理 核物理学
作者
Brian J. Anderson,Jefferson William Tester,Gian Paolo Borghi,Bernhardt L. Trout
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:127 (50): 17852-17862 被引量:292
标识
DOI:10.1021/ja0554965
摘要

Within the framework of a proposed two-step mechanism for hydrate inhibition, the energy of binding of four inhibitor molecules (PEO, PVP, PVCap, and VIMA) to a hydrate surface is estimated with molecular dynamic simulations. One key feature of this proposed mechanism is that the binding of an inhibitor molecule to the surface of an ensuing hydrate crystal disrupts growth and therein crystallization. It is found through the molecular dynamic simulations that inhibitor molecules that experimentally exhibit better inhibition strength also have higher free energies of binding, an indirect confirmation of our proposed mechanism. Inhibitors increasing in effectiveness, PEO < PVP < PVCap < VIMA, have increasingly negative (exothermic) binding energies of -0.2 < -20.6 < -37.5 < -45.8 kcal/mol and binding free energies of increasing favorability (+0.4 approximately = +0.5 < -9.4 < -15.1 kcal/mol). Furthermore, the effect of an inhibitor molecule on the local liquid water structure under hydrate-forming conditions was examined and correlated to the experimental effectiveness of the inhibitors. Two molecular characteristics that lead to strongly binding inhibitors were found: (1) a charge distribution on the edge of the inhibitor that mimics the charge separation in the water molecules on the surface of the hydrate and (2) the congruence of the size of the inhibitor with respect to the available space at the hydrate-surface binding site. Equipped with this molecular-level understanding of the process of hydrate inhibition via low-dosage kinetic hydrate inhibitors we can design new, more effective inhibitor molecules.
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