摘要
超声强化有机小分子溶液结晶过程的研究在国内外结晶领域一直备受关注。通常，有关超声结晶的研究多关注于改善晶体产品属性及提高过程强化效应。但超声影响局部溶液化学、参与构象转化以及分子自组装的分子层面的机制不明。本文从超声影响成核、多晶型、溶剂介导转晶以及生长四个方面，选择了四种有机小分子结晶体系，来揭示超声对结晶各个过程影响的动力学机制或分子机理。 首先，基于经典成核理论，探究了超声对L-谷氨酸（LGA）成核动力学的影响。测量了成核过程中的诱导时间和介稳区数据，使用Sangwal和Nyvlt介稳区模型计算了成核参数。通过对成核参数的分析，揭示了超声对LGA成核的促进作用归结于减小了能够持续生长的最小晶核尺寸，降低了成核的能垒。并通过超声辅助骤冷结晶实现了LGA的多晶型调控。 其次，基于成核前聚体理论，探究了超声影响甲苯磺丁脲构象多晶型在极性溶剂中的成核规律及分子机理。在乙醇中，低过饱和度下，超声促进稳定晶型II成核，在高过饱和度下促进不稳定晶型III成核。而在其他溶剂中不受超声影响。通过量子化学计算的能量预测溶液中可能存在的聚集体类型，结合光谱学分析和分子动力学模拟追踪了溶液结构，分子构象分布及聚集体的变化。从而推测超声影响甲苯磺丁脲成核前聚体的方式，进而提出超声影响该构象多晶型的成核路径。 接着，探究了超声对溶剂介导茶碱转晶过程的强化作用。超声缩短了整个转晶过程的时间，包括稳定晶型的成核期及重塑期。根据不同溶剂中超声促进成核效率的差异，联合量子化学计算的溶质-溶剂相互作用能，提出了超声影响下的分子自组装成核路径来解释成核过程中超声对溶质-溶剂相互作用的影响。通过Avrami-Erofeev模型拟合转晶动力学参数，提出了超声改变转晶动力学的方式。此外，通过超声辅助转晶过程稳定制备了常规条件下难以成核的晶型V。 最后，超声联合添加剂调控水杨酰胺的晶习，并提出了调控的分子机理。分子动力学模拟表明，晶习的改变是由于添加剂分子在各晶面上的吸附和迁移行为不同。超声联合添加剂（茶碱和PVP）可得到尺寸更小的晶体，归因于空化效应产生了更多的晶核，消耗了用于生长的过饱和度。基于以上超声对成核机制的研究可知，超声会影响分子间相互作用，因此改变了PVPK15在水杨酰胺各晶面上的迁移行为，从而影响了各晶面的生长，得到矩形板状晶体。
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