【COSMOLOGIC应用实例】利用COSMO-RS评价离子液体作为生态溶剂从水源中去除萘普生的潜力:计算和实验验证

摘要：

萘普生是水溶液中出现的一种令人担忧的污染物。由于其溶解度差，不可生物降解性和药物活性，分离是具有挑战性的。用于萘普生的传统溶剂是有毒有害的。离子液体作为一种绿色溶胶和分离剂，在各种药物的应用中受到了广泛的关注。在涉及酶促反应和全细胞的纳米工艺过程中，il被广泛用作溶剂。il的使用可以提高这些生物过程的有效性和生产率。为避免繁琐的实验筛选，本研究采用真实溶剂类导体筛选模型(COSMO-RS)对il进行筛选。从不同的家族中选择了30个阴离子和8个阳离子。利用无限稀释活度系数、容量、选择性、性能指标、利用σ-profile的分子相互作用和相互作用能对溶解度进行了预测。结果表明，季铵盐阳离子、高电负性阴离子和食品级阴离子组成的离子液体组合对萘普生的增溶效果较好，是较好的分离剂。本研究为萘普生离子液体分离技术的设计提供了依据。在不同的分离技术中，离子液体可以用作萃取剂、载体、吸附剂和吸收剂。

引言：

随着人口的增加，产生的制药废物是目前情况下的主要挑战之一(Rivera-Jaimes等人,2018;Queen et al.,2022)。在药品中，标准类别是个人护理产品(pcp)、洗涤剂、杀菌剂、镇痛药、非类固醇、抗炎药(NSAIDs)等(Ríos等，2021;Tawalbeh et al.,2023)。这些化合物现在被称为新兴污染物(Khasawneh和Palaniandy, 2021)，因为它们对水生生物、植物群和人类产生了灾难性的影响。

由于脂质酶是一种优良的分离剂，目前对不同脂质酶分离萘普生的研究较少。本工作的主要目的是筛选用于分离萘普生的离子液体。所筛选的il可用于萘普生的各种分离技术。因为，萘普生是一种非甾体抗炎药，可以在水生环境中积累，可能对水生生物造成伤害并破坏食物网。因此，清除它可以减少接触和毒性，从而有助于保护水生动植物的健康和多样性。据作者所知，这项研究将是第一个对萘普生进行il筛选的研究。从不同的阳离子家族(芳香/脂肪族)中选择8个阳离子和30个阴离子(疏水/亲水/食品级等)。使用COSMO-RS进行筛选。利用容量、选择性、分子相互作用(σ-谱)和相互作用能来预测无限稀释下的活度系数。为了验证COSMO-RS的预测，通过溶解度测试进行了实验验证。

计算细节：

COSMO-RS是一种有效的技术，经常用于筛选大量溶质的溶剂。溶质包括二氧化碳硫化氢、甲烷和乙烷等气体;生物活性化合物，如乳酸(Khan等人,2020b)和水杨酸(Ting等人,2022);致癌化合物如酚类(Khan et al.,2021e)，用于沥青质等。此外，它还用于使用sigma谱(Mohammed et al.,2022)、溶解度(Haron et al.,2022)和各种药物的结晶(Florindo et al.,2013)来确定相互作用。由于它有助于预测许多溶剂和溶质的特性，它也可以被称为“属性探索者”。它是基于量子化学的数学热力学模型，预测液体、气体、液-液、气-液、气-气配对的热力学特性(Khan et al.,2021a)。采用德国勒韦库森ImbacherWeg公司的COSMOtherm软件18.0.2版，采用Becke和Perdew开发的三重ζ价电位(BP TZVP)参数化方法对COSMO-RS进行了模拟。利用分辨率恒等近似和密度泛函理论(DFT)进行量子计算。首先用Chemdraw绘制萘普生的阳离子和阴离子结构，然后用TMOLEX进行量子计算。如果结构尚未在数据库中，则使用TMOLEX软件绘制和优化结构。生成COSMO文件并将其插入COSMO数据库。之后，进行了COSMO-RS模拟。COSMO-RS检查的第一个数据是σ-profile，它提供了关于摩尔分子化学本质的信息。接着是对溶质和溶剂之间相互作用的σ-profile和σ-potentials的评价。使用COSMO-RS，可以根据期望的性质做出不同的性质预测。溶解度的重要估计是AC酸、相互作用能、容量和选择性。图1为方法示意图。

图2为萘普生的sigma表面。nap-roxen的分子式是C14H14O3。

图3a给出了用COSMO-RS计算的萘普生的σ-profile和σ-potentials。σ-profile表示所研究分子的极性和非极性性质。相反，与极性和非极性位点的相互作用由-势表示。

在0.25e/nm时，也可以观察到HB受体的尖峰。萘普生同样可以作为HB受体(Ting et al.,2022)(见图4)。图4为COSMO-RS得到的活度系数。

图5展示了这些il组合提取萘普生的能力。结果表明，具有环状结构的阳离子与杂原子的结合导致其与IL的结合能力降低。

选择性是决定IL的功效的一个重要特性。IL的高选择性对分离过程具有重要意义。用COSMO-RS评价240种IL组合的选择性。图6给出了il对萘普生的选择性值。与其他阳离子相比，四甲基铵阳离子(TMAm)具有更高的选择性。这可能是因为萘普生由三个氢键受体位点和一个氢键供体位点组成。

这是决定il有效性的关键评估。有时IL具有较高的容量但选择性较低，反之亦然。性能指数是容量和选择性的产物。性能指标值越高，IL的疗效越好。评价了萘普生提取中乙酰胆碱的性能指标。图7给出了所选正离子形成ILs时考虑的性能指标。

图8为阴离子的σ-profile。Nap-roxen可以与氢键受体和供体形成键。

图9给出了阳离子和萘普生的σ-profile。由此可见，萘普生具有更大的氢键受体区域，更容易被具有氢键给体性质的阳离子所吸引。

图10给出了[TMAm]与阴离子的相互作用能。HHB值越负，表明萘普生与il之间的相互作用越重要。

COSMO-RS与实验结果的回归曲线如图11所示。回归曲线的相关系数为0.94，表明实验结果与计算结果线性。