关注泰科科技 做模拟不迷路
摘要
本文采用COSMO-RS模型从一套离子液体(由45个阳离子和32个阴离子组成)中筛选环己烷中苯的潜在萃取剂。通过实验验证了苯+环己烷+ [BMIM]I3的三元液液平衡(LLE)，探讨了模型的可行性。
三元相平衡预测数据与实验数据的比较表明了模型的合理性。此外，还仔细分析了他们之间的差距，以期达成更好的效果。最后，发现不同参数化的因素、分子构象和溶液中存在的IL的形式对预测有影响。利用离子对分子模型、具有玻尔兹曼分布的分子多重构象和C30-1701的参数化进行预测计算，精度好。计算RMSD约为4.9%。最后，通过量子计算研究萃取剂的微观机理，揭示萃取过程中的相互作用，为后续萃取剂的选择和设计提供参考。
引言
苯与环己烷的物理化学性质相似，分离难度很大。但两者之间的沸点相近，形成共沸，导致常规蒸馏的不适用性。
离子液体因其独特的低挥发性、高可设计性和稳定性而被认为是一种很有前途的萃取剂。同时，通过液-液实验验证了筛选结果，发现COSMO-RS模型得到的系线与实验得到的系线吻合较好。
本文采用COSMO-RS模型，从1440个不同结构的ILs(由45个阳离子和32个阴离子组成)中筛选更佳萃取剂，从环己烷中提取苯。同时，将实验结果与预测结果进行了比较，系统地分析了影响二者偏差的因素。最后，利用量子计算研究了该过程中各组分之间的相互作用。所有工作的完成，将达到新的潜在萃取剂，更准确的预测程序和揭示萃取机理的目的。
计算细节
如上面的模型描述中所述，包含p(r)描述符信息的“cosmo文件”是第一步。每个分子的描述符都是唯一的，并且表明了溶液中分子的实际构象。其次，将包含描述子信息的p(r)代入上述函数计算化学势，进而计算活度系数; 本文利用COSMOthermX软件进行LLE计算;计算所需的p(r)被购买并存储COSMObase和COSMO中。首先考察了不同参数化集对相同“cosmo文件”的预测结果的影响，以确定哪一种参数化集效果更好。此外，还检测到两种不同的分子模型（中性分子的形式由于众所周知的偏差而被放弃)，一个孤立的阴离子和阳离子以及IL的离子对。同时，研究了溶液中存在玻尔兹曼分布的分子的单构象和多构象对预测结果的影响。
结果与讨论
从图1所示的溶解度来看，由于疏水阴离子之间的极性相似，苯在“同类溶解”原理下形成的ILs中具有良好的溶解度。
然而，从图2所示的选择性来看，这些ILs在分离方面表现较差，特别是当它们与疏水阳离子相匹配时。
由图3的结果可以看出，潜在的萃取剂是由不同极性的阳离子和阴离子形成的ILs。更具体地说，它表明由疏水阳离子和亲水阴离子形成的ILs表现更好，因为阴离子在IL的性质中起着主要作用。
通过液-液实验验证了COSMO-RS模型的筛选结果，苯+环己烷+ IL三元体系的测定相平衡数据见表S2，如图4所示。
将这三种不同参数化集计算得到的LLE数据以三角图的形式绘制出来，并与图5中的实验数据进行对比。从图5中可以看出，C30-1701计算得到的预测结果与实验结果相差最小。
两种不同分子模型的实验和预测结果的对比如图6所示。
阳离子[BMIM]+具有三种不同的构象，如图7所示。
图8给出了阳离子[BMIM]+的p(r)、I3 -的阴离子、苯和环己烷的p(r)，可以看出三种阳离子构象的p(r)差异明显。
将[BMIM]I3的单构象和多构象计算的预测结果与实验结果进行对比，如图9所示，单构象计算的结果与实验结果的差异大于多构象计算的结果。
两种系统的优化几何结构在图10。
总结
本研究采用COSMO-RS模型，从1440个候选离子(由45个阳离子和32个阴离子组成)中筛选更佳萃取剂进行环己烷和苯的分离。通过筛选，[BMIM]I3比之前使用的萃取剂PI(9.93)更高，是最有潜力的萃取剂。通过三元液液实验验证了cosmoo-rs模型的合理性，并对预测结果与实验结果的偏差进行了系统分析。最后发现不同参数化集的因素、IL的存在形式和分子构象对预测结果有显著影响。分析结果表明，C30-1701 (bp-tzvvd精细参数化水平)参数化集、IL在离子对模型中的存在形式以及IL在具有玻尔兹曼分布的实解中的多种构象具有更佳的精度。同时，萃取过程中萃取剂与分离组分的相互作用机理表明，苯与[BMIM]I3 (56.61 kcal/mol)的相互作用强于[BMIM]BF4 (1.48 kcal/mol)和环己烷(6.39 kcal/mol)的相互作用，因为I3上的电荷分布更分散。
BIOVIA溶剂化化学模型提供以下应用的软件
1
COSMOtherm
该模型包含三个COSMOtherm组件，使用COSMO-RS方法预测广泛的性质。
可以计算纯液体的性质，如密度、沸点、闪点、分配系数，以及混合性质，如汽液平衡、液液平衡、溶解度、蒸气压、活度系数等。在工作流环境中集成COSMOtherm提高了COSMO-RS方法的筛选潜力。
可以筛选大量溶质、溶剂或溶剂混合物的性质，例如药物在大量溶剂中的溶解度。
2
COSMOconf
COSMOconf组件是一个conformer生成工具。您可以使用预定义的标准过程来为cosmors生成最相关的符合器，也可以使用您自己的过程。
3
COSMOperm
这一成分预测了溶质通过生物膜的渗透性。您可以选择一套预先定义的膜系统或使用自己的膜。
4
COSMOplex
该组件提供了COSMO-RS方法的COSMOplex扩展。可以用它来计算非均匀系统的性质，例如，界面张力或临界胶束浓度，或创建新的生物膜系统。
5
COSMOquick
COSMOquick碎片化技术可作为cosmors计算的一种快捷方法。该组件还可以用于应用预定义的QSPR模型或计算唯一的化学描述符。
6
TURBOMOLE
该模型提供了一个组件，您可以使用TURBOMOLE1®程序包执行量子化学计算。
7
COSMO DATABASES
可以将COSMO数据库集成在Pipeline试点中使用。这适用于BIOVIA COSMObase以及您自己的自定义COSMO文件数据库。一个特殊的组件可用于复合数据访问。
8
READERS AND UTILITIES
溶剂化化学组分模型提供了一对读者和实用程序。可以使用COSMO文件读取器和TURBOMOLE coord文件读取器来访问特定的文件格式。预调节器可以帮助您确保正确设置其他组件所需的相关属性。
北京泰科涉及行业
1
材料研发
基于BIOVIA Materials Studio材料设计平台，提供涉及电池、航空航天、国防军工、建筑、涂料涂层等多领域材料研发软件及综合解决方案。
2
药物研发
针对药物设计、药物研发等提供基于Discovery Studio、COSMOLOGIC等软件的ADME、构象比对、溶剂筛选、结晶、成盐、共晶筛选、稳定性、溶解度pKa、分配系数等性质的模拟预测软件及方案。
3
化工设计
面向精细化工、新能源、石油化工等领域提供精馏萃取催化剂设计、热力学性质（溶解度、粘度等）、提纯表面处理吸附等性质模拟软件平台及解决方案。
4
数据挖掘
基于Pipeline Pilot提供数据搜集、数据清洗、特征工程、机器学习、流程设计等多种数据挖掘综合解决方案。
5
一体化实验室
• 实验室信息管理
• 电子实验记录本/SOP执行
• 试剂耗材管理
• 仪器管理
• 数据管理
部分产品
1
量化材料类
• Crystal：固体化学和物理性质计算软件
• Diamond：晶体结构数据可视化分析
• Endeavour：强大的求解晶体结构的软件
• Molpro：高精度量化软件
• Molcas：多参考态量软件
• Turbomole：快速稳定量化软件
• TeraChem：GPU上运行的量化计算软件
• Spartan：分子计算建模软件
2
数据分析类
• GelComparll：凝胶电泳图谱分析软件
• SimaPro：生命周期评估软件
• Unscrambler：完整多变量数据分析和实验设计软件
• CSDS：剑桥晶体结构数据库
• lCDD：国际衍射数据中心数据库
• ICSD：无机晶体结构数据库
• Pearson’s CD：晶体数据库
公司简介
北京泰科博思科技有限公司(Beijing Tech-Box S&T Co. Ltd.)成立于2007年，是国内领先的分子模拟及虚拟仿真综合解决方案提供商。
北京泰科博思科技有限公司与国际领先的模拟软件厂商、开发团队深入合作，为高校、科研院所和企业在材料、化工、药物、生命科学、环境、人工智能及数据挖掘、虚拟仿真教学等领域提供专业的整体解决方案。用户根据需要在我们的平台上高效的进行各种模拟实验，指导实际的生产设计。
北京泰科博思科技有限公司拥有一支一流的技术服务团队和资深的专家咨询团队，以客户真正需求出发，服务客户，为客户创造价值。我们秉承“职业、敬业、担当、拼搏、合作”的企业精神，致力于用国际领先的软件产品和专业全面的技术支持服务，成为客户可信赖的合作伙伴。