【COSMOlogic 应用实例】使用COSMO-RS设计含有深共晶溶剂的有机双相体系，用于天然化合物的分离

摘要：

本研究旨在评估真实溶剂类导体筛选模型(COSMORS)在设计天然化合物分离双相体系中的潜力。该模型用于预测含深共晶溶剂的有机双相体系的双节曲线和相组成。结果表明，COSMO-RS在大多数情况下都能较好地预测双相体系的双节曲线。此外，对槲皮素、芹菜素、香豆素、β-离子酮、视黄醇和α-生育酚6种天然化合物的分配系数进行了评价，COSMO-RS预测结果表明，当化合物在两相分配显著时，COSMO-RS预测结果与实验数据吻合良好。此外，COSMO-RS能够有效捕获系统组成变化对分配系数的影响。因此，这些结果表明COSMO-RS可以成为设计分离和净化系统的有力工具。

 

引言：

在过去十年中，在可持续发展的背景下，使用可再生资源产生的溶剂的化学过程受到了极大的关注。深共晶溶剂(DES)是一类较新的绿色溶剂，最早由Abbott等人提出。

 

最近，作者的团队使用云点滴定法测量了含有庚烷、基于氯化胆碱或百里香酚的DES、乙醇、1-丁醇或乙酸乙酯的有机双相体系的实验双节点曲线，以及相应报道体系中天然化合物的分配系数。作为使用COSMO-RS模型作为优化天然化合物纯化新双相系统的预测工具的持续努力的一部分，在本文中，作者首先评估了COSMORS在预测这些系统的双节曲线方面的性能。将探讨用COSMO-RS描述氯化胆碱的各种方法，并评估它们对由选定的双相混合物形成的相组成计算的影响。然后，利用11个有机双相体系中6种天然化合物的59个分配系数数据库来评估COSMO-RS预测分配系数的能力,提出并讨论了参数化TZVP或TZVPD-FINE对KD计算的影响。这些参数化之间的区别在于量子力学计算水平(TZVP或TZVPD基集)和空腔构建算法(FINE)[20,21]。最后，将COSMO-RS预测的含庚烷和氯化胆碱:乙酰丙酸两种双相体系中乙醇或1-丁醇的用量对视黄醇、b-离子酮和香豆素分配系数的影响与实验数据进行比较。

 

实验步骤：

化合物的结构如图1所示，三种基于氯化胆碱或百里香酚(HBA)与乙二醇或乙酰丙酸(HBD)混合的DES的组成和缩写详见表1。

模型步骤：

COSMO-RS用于预测有机双相体系的液液平衡(双节点曲线)和天然化合物的分配系数。所有热力学计算均使用COSMOtherm软件包，使用BP_TZVP_21。或BP_TZVPD_FINE_21。供参数化。在COSMOtherm数据库的参数化TZVP和TZVPD-FINE下，得到了庚烷、1-丁醇、乙酸乙酯、乙醇和乙二醇的σ-谱。利用COSMOconf软件包中的TZVP-COSMO和tzvpd-cosmos-fine模板对剩余分子的几何形状和电荷密度进行优化。所有计算均在25.0℃下进行。

 

对于三元系统，COSMOtherm软件包使用精细摩尔分数网格，通过评估系统中每个组分的活性，使用cosmos-rs模型，并验证Eq.(2)是否成立，来搜索液-液平衡点。

结果与讨论：

由于庚烷是一种极性溶剂，因此预计不会与存在的任何离子发生明显的相互作用，因此预计只有1-丁醇会溶剂化氯化胆碱。使用三种氯胆碱描述的H/B/Ch:LevA的预测双节曲线绘制在图2中，并与先前报道的实验曲线进行比较。

 

COSMO-RS对双节曲线的预测与先前报道的实验数据一起绘制在图3中。

 

在本研究中，所有的体系都被描述为三元体系，其中DES被描述为假化合物。当两种DES化合物都是亲水的，因此期望在极性相中保持在一起时，如H/B/Ch:LevA和H/EtOAc/Ch:LevA，这种描述是令人满意的。H/EtAc/LevA:Thym的计算双节曲线和实验双节曲线如图3D所示，在一起表现出相对较好的一致性。首先，图3中绘制的实验和计算的联络线非常吻合，彼此接近并与双节曲线相交。

 

划分系数的实验值和预测值在支持信息中给出(表S-31至S-36)，图4和图5显示了奇偶图，以概述使用TZVP或TZVPDFINE参数化对不同划分系数值的预测质量。实验值与预测值的均方根偏差(RMSD)见表6。

 

这里模拟的所有混合物都是双相的，与图3所示的相图一致。结果如图6所示。为了进行比较，还绘制了现有的实验数据。H/E/Ch:LevA体系中β-Ionone的实验数据如图6所示，结果表明，预测值与实验值吻合较好，但分配系数略显低估。

总结：

COSMO-RS已被证明可以有效地预测基于des的OBS的相图和这些体系中天然化合物的分配系数。本研究采用COSMO-RS来描述由庚烷+乙酸乙酯或1-丁醇+乙二醇、乙酰丙酸或相应的氯化胆碱或百里香基DES组成的体系。预测的双节点曲线与云点滴定法测量的实验数据吻合良好，尽管在某些情况下COSMORS无法预测临界区域周围的双节点曲线。

 

当氯化胆碱作为离子对而不是电中性混合物(有或没有氯溶剂化)处理时，获得了对实验数据的最佳描述。计算了6种不同化学族、极性不同的天然化合物的配分系数，并与实验数据进行了比较。总体RMSD值为0.83，令人满意。当分割系数的对数取值范围在−1到1之间时，预测值与实验值之间的偏差较小，RMSD值为0.36。因此，COSMO-RS似乎是一个准确的模型，用于预测在两相中发现的化合物浓度相同数量级时的分配系数。此外，COSMO-RS用于描述乙醇或1-丁醇的量对四种天然化合物分配的影响。计算结果与文献中的实验数据一致。

 

但是，也指出了一些限制。实验发现，在给定的体系中加入氯化胆碱会导致双相结构域的增加。然而COSMO-RS无法预测ChCl的这种影响，并且在H/B/LevA和H/B/Ch:LevA的双节曲线之间没有显着差异。当使用TZVPD-FINE参数化而不是BTZVP参数化时，这些系统中天然化合物的双节点曲线或分配系数没有改善。一般来说，只有三种成分的体系比含有四种化合物的体系描述得更准确，而含有甲醇的体系则不能被COSMO-RS准确描述。在后者上，观察到高估了甲醇对极性相的亲和力。尽管存在这些限制，这项工作确立了COSMO-RS作为设计用于天然化合物纯化的有机双相系统的有价值的工具。

 

文章详情：https://doi.org/10.1016/j.molliq.2023.123601 

 

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