【MS应用实例】约翰内斯堡Govender教授成果：DMol3/COSMO- RS对偶氮染料水溶性和反应性的预测

摘要：

采用DMol3/COSMO- rs计算方法研究了四种偶氮染料的水溶性和反应性，考察了轨道截断和COSMO段变化对理论溶解度和反应性准确性的影响。所研究的染料为(E)-2,2 -((4-(2-氯-4-硝基苯)二氮基)-3-甲基苯基)偶氮二基)二乙醇[D1]， (E)-2,2 -((4-(2-氯-4-硝基苯)二氮基)-3-甲基苯基)偶氮二基)二乙醇[D2]， (E)-2,2-((4-(2-氯-4,6-硝基苯)二氮基)-3-甲基苯基)偶氮二基)二乙醇[D3]和(E)-2,2 -((4-(2-氯-4,6-硝基苯)二氮基)-3-甲基苯基)偶氮二基)二乙醇[D4]。采用vwn - bp理论水平，结合包含极化函数的双数值基集(DNP)进行计算。用Cramer等人的溶解度方程(CSE)和Yalkowsky的一般溶解度方程(GSE)计算COSMO-RS数据。结果表明，GSE计算溶解度(SGSE)随轨道截断量的增大而增大，在5.5Å轨道截断量处达到最佳值。D1和D3在5.5Å截点处获得的SGSE值与实验值相当，而D2和D4在4.5Å截点处获得的结果最好。CSE计算的溶解度(SCSE)没有明显的变化趋势，但染料的最佳CSE计算溶解度与染料的分子量呈线性反比关系。染料在水中的反应性增强，反应性研究的最小截止值为4.5Å。计算得到的溶解度和反应性指数对cosmosegment变化的敏感性一般较低。结果表明，dmol3 /COSMO-RS模型可用于预测偶氮染料的溶解度和反应性，CSE和GSE可用于利用COSMO-RS数据测定溶解度，但它们对轨道截止量的依赖性不同。

 

引言：

近年来，利用基于类导体筛选模型(COSMO)的方法对流体和溶液的热力学性质进行量子化学预测受到了相当多的研究关注。偶氮染料是应用最广泛的一类有机染料，用于纺织染色、缓蚀、pH值和金属变色指示剂、敏化剂、液晶显示(LCD)、光电材料、食品化妆品、药物输送。对水溶性和反应性的预测是预测这些潜在有机污染物在环境中的命运和可能威胁的重要步骤，以便更好地控制污染。DMol3是一个非常通用的计算代码，在Material Studio (MS)软件包，该算法采用隐式算法进行溶剂相计算COSMO程序。对快速而准确的计算的需求仍然是每一次计算的主要挑战。在这种情况下DMol3/COSMO程序，决定速度和精度的可调参数包括DFT水平、基集、全球轨道截止点和COSMO段。

 

Cramer等人的溶解度方程(CSE)的性能与Yalkowsky提出的经验一般溶解度方程(GSE)的性能进行了比较，以确定两个方程中哪一个更适合COSMO-RS的溶解度预测。由于所研究的染料是以氨基偶氮苯为基础的染料，其在降解[28]时容易形成致癌的胺产物，因此对其反应性的评估对于了解其在环境中的命运是必要的。用最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)能量、HOMO-LUMO能隙、化学硬度和柔软度、电负性、化学势和亲电性指数等指标评价了它们的化学反应性。这些参数已被成功地用于探索偶氮染料的反应性[9,2930]，在真空和水相中计算，以确定这两种介质中哪一种有利于所研究的染料的稳定性。对全球轨道截止点和NSPA变化的响应也进行了研究，以确定预测偶氮染料水溶性和反应性的最佳/最佳截止点和NSPA。

 

计算细节：

本研究采用materials Studio (MS)计算包中的DMol3程序。所有计算均使用beck - perdew版本的Volsko-Wilk-Nusair泛函(VWN-BP)结合双数值基与极化函数(DNP)基集(版本4.0.0)进行。VWN-BP是dmol3手册中推荐的COSMO-RS计算功能。

 

结果与讨论：

表2比较了所研究染料获得的最佳计算的SCSE和SGSE平均值与其各自在25℃下的实验溶解度。平均值的计算是通过所研究的所有NSPA获得的溶解度值的总和除以NSPA的数量(表S1 S4)。表中显示，与实验数据最相似的SCSE平均值是D1的5.5 Å，D2的4.5 Å，D3的3.5Å和D4的3.0Å。D1、D2、D3和D4的SCSE平均值分别为0.09mg/L、0.53mg/L、0.98mg/L和0.25mg/L。

图1比较了CSE和GSE再现实验溶解度的能力以及它们对轨道截止量变化的响应。

在本研究中，决定GSE结果精度的理论变量是辛醇-水分配系数Log P。根据公式(4)，Log P的大小越大，SGSE的值就越小。图2中Log P和Log SGSE相对于分界点的相反趋势证实了这一点。

在CSE的情况下，结果的准确性是由溶剂化自由能(SFE)和蒸汽压。因此，SCSE的大小取决于这两个参数在截止点增加时的相对变化。对图3的评估表明，随着截止点的增加，蒸汽压普遍向下下降到饱和点5.5Å，超过这个点，进一步的变化变得不明显。对于使用CSE测定水溶液溶解度，可以从图3中得出五个关键的结论，说明SFE和蒸汽压力的变化如何决定结果。

因此，我们对NSPA效应的讨论仅基于每种染料的最佳临界值。图4a和b显示了最佳Log SCSE和Log SGSE值随NSPA的变化。对这些数据的检查显示Log SCSE和Log SGSE对NSPA变化的敏感性很低。

从图5中可以看出，负筛选电荷的大小随着截止点的增大而增大，截止点的增大到6.5 Å之后，电荷的大小没有明显的变化。

图6显示，染料从气相过渡到水相时，由于偶极矩的增加，在水相中极性更强。

在截止点增加的方向上，染料的极化率在截止点5.5Å处增加到一个最佳值，超过这个值，进一步的变化就不明显了(图7)。这证实了5.5 Å足以描述染料与溶剂(水)的相互作用。NSPA值的增大对极化率的影响不大，说明较低的NSPA值足以计算溶剂相。

图8-10的结果显示，与真空相比，所研究的染料在水介质中反应性更强。这可能是由于染料与水的相互作用增加了极性，如图6中所示，它们的水相偶极矩值更大。较高的水相HOMO能(图8)和较低的LUMO能(图9)分别表明，水增强了所研究染料的给电子能力和接受电子能力。也就是说，染料在水中更容易发生电子的氧化损失和电子的还原增益。染料的光催化降解在很大程度上依赖于染料与催化剂之间的有利相互作用，因此可以在水环境中促进染料的光催化降解。

 

在截止点增加的方向上，HOMO-LUMO能隙(图10)、整体硬度和软度(表S6 S9)变化不大，尤其是水相。而HOMO能和LUMO能(图8和图9)、化学势降低，电负性和亲电性指数呈同一方向增加，截止值为4.5Å，截止值的增加对参数没有明显影响。

当水存在时，染料由于其较高的水相HOMO能，更容易将电子捐赠给催化剂的金属原子(图11)。同时，由于其较低的水相LUMO能(图12)，它们还可以接受来自催化剂的电子(s)，从而形成强相互作用，导致降解。图11和图12显示，与气相相比，水相前沿分子轨道(FMOs)电子密度分布普遍增加。这可能是染料在水相中活性增加的原因。

 

这表明DMol3/DFT研究分子反应性的临界值应该选择在4.5Å。在所有研究的截止点上，HOMO和LUMO能量以及其他反应性指标通常对NSPA的变化不敏感(图13，表S6 S9)，这表明反应性参数与NSPA之间没有联系。

 

总结：

利用Cramer等人(CSE)提出的溶解度方程和Yalkowsky提出的一般溶解度方程(GSE)研究了全球轨道截止和NSPA变化对四种偶氮染料DMol3/cosmors预测的溶解度(以mg/L为单位)的影响。并对染料的反应性进行了研究。结果表明，CSE和GSE均可用于COSMO-RS计算，但它们对轨道截止值的依赖性不同。当两个方程的最佳截止值相同时，CSE显示出更高的预测强度。GSE计算的溶解度随着截止值的增加而增加，直至饱和，CSE结果没有固定的趋势。然而，有迹象表明，选择适当的分界线CSE取决于溶质的分子大小。反应性研究结果表明，染料在水相中的反应性比在气相中的反应性强。COSMORS结果表明，计算的溶解度和反应性指数对nspa4的变化几乎不敏感，而大多数反应性指数的显著变化达到了4.5Å的临界值。

 

文章详情请见：https://doi.org/10.1016/j.molliq.2017.11.043

 

本文利用了MATERIALS STUDIO, 其中，四种染料的结构是在MS工作空间中构建的，经过优化使它们更接近其平衡几何形状，然后在没有对称约束的情况下进行完全优化。

 

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