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【COSMOlogic 应用实例】类des混合物的酸度和pH值及其测定的可能性
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【COSMOlogic 应用实例】类des混合物的酸度和pH值及其测定的可能性

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热力学性质(溶解度、粘度等)
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COSMOlogic

摘要:

评价深共晶类溶剂混合物(des类混合物)的酸度或碱度是表征它们的一个基本方面。这篇综述文章提供了用于测量这些混合物中的酸度或碱度的各种方法的综合总结。方法涵盖了广泛的技术,从传统的pH测量和哈米特酸度函数到更先进的方法,如确定pKa值,利用指示剂染料,进行电导率评估,采用计算建模和应用酸碱滴定。这种多样化的方法不仅增强了我们对这些混合物的理解,而且为他们量身定制的操作铺平了道路,有望在不同领域的创新应用。

 

引言:

在使用酸性深共熔类溶剂混合物(DES-like混合物)进行生物质分馏过程中,酸度的影响可能是显著的,并且在木质纤维素材料的解构中起着至关重要的作用。酸性类des混合物,包括酸性Brønsted类des混合物和酸性Lewis类des混合物,具有分解生物质复杂结构并分离其组分的能力。酸性Brønsted类des混合物通常由氢键供体(HBD)和氢键受体(HBA)组成,在使用酸性深共熔类溶剂混合物(DES-like混合物)进行生物质分馏过程中添加酸催化剂,酸度的影响可能是显著的,并且在木质纤维素材料的解构中起着至关重要的作用。酸性类des混合物,包括酸性Brønsted类des混合物和酸性Lewis类des混合物,具有分解生物质复杂结构并分离其组分的能力。酸性Brønsted类des混合物通常由氢键供体(HBD)和氢键受体(HBA)组成。

 

类des混合物的pH值会影响其稳定性、溶剂化性能和反应性。类des混合物的酸度或碱度可以影响溶剂中官能团的质子化或去质子化,以及盐组分的解离。质子化和解离的这些变化会影响类des混合物的溶剂化能力,影响其溶解或与其他物质相互作用的能力。在某些情况下,可以调整des样混合物的pH值,以优化其在特定应用中的性能。例如,在催化反应中,类des混合物的pH值会影响催化剂的活性和选择性。通过调节类des混合物的酸度或碱度,可以控制反应条件并提高所需的催化活性。此外,类des混合物的pH值会影响其在生物质分馏、物质溶解和吸附过程中的行为。不同的pH条件可以改变类des混合物中生物分子或物质的溶解度和相互作用,从而影响这些过程的效率和选择性。值得注意的是,类des混合物中的pH值概念可能无法直接与水溶液中常用的pH值进行比较。如初始信息所述,不同溶剂中pH的表达基于氢离子[H+]活性的负对数,而不是浓度。因此,与传统水溶液相比,类des混合物中的pH值可能具有不同的含义和解释。

 

计算方法:

量子化学计算:量子化学计算,如DFT或从头算方法(对真实溶剂的类导体筛选模型;COSMO-RS)可以深入了解类des混合物的酸度。这些计算包括模拟类des混合物组分及其相互作用,包括溶剂效应。通过计算类des混合物中相关物种的酸度常数或pKa值,可以估算pH值[10,16,57-59]。

 

分子动力学模拟:分子动力学(MD)模拟可以在分子水平上模拟类des混合物的行为。通过模拟类des混合物体系及其组分,包括酸和溶剂分子,MD模拟可以提供结构、动力学和质子化/去质子化平衡的信息。类des混合物的pH值或酸度可以根据不同质子化态的居群来估计[16,58]。

 

案例:

Pani´c等人发表的这篇文章的目的是构建一个模型来预测在广泛的pH值范围内类des混合物的pH值,并将该模型用于研究和日常工作。采用COSMOtherm软件对类des混合物进行描述,然后采用多元线性回归、分段线性回归或人工神经网络等多种模型。pH参数是溶剂的一个重要性质,特别是对于类des混合物的合成,它是一个重要和关键的参数。类des混合物的合成包括将各组分按规定的摩尔比(HBA/HBD)混合,同时在混合物中加入10%至50%的水(%wt.)。玻璃烧瓶密封,混合并在50℃下加热2小时,直到形成均匀的液体。作为这项工作的一部分,在室温下,在pH值从0.36到9.31的测量范围内测量了酸性和碱性类des混合物的几个pH值,并进一步进行了数学解释。结果表明,分段线性回归和人工神经网络模型预测类des混合物的pH值具有较高的一致性(R2>0.86)。本工作的贡献在于开发了一个预测大范围pH值(0.525~9.25)的模型,这表明所开发的模型可以很好地预测新合成的des样混合物的pH值(表16)。

 

类聚醚类混合物的应用前景、前景及局限性就酸度而言,使用类des混合物的创新前景是相当有希望的。类des混合物的酸度可以成为调整其性能和扩大其应用范围的关键参数。以下是该领域的一些观点和潜在创新领域:

 

(1).酸性类des混合物:研究人员正在探索使用酸性类des混合物,其中HBD成分是一种酸性化合物。这些类des混合物可以表现出独特的性质和反应性,使其适用于酸催化反应、酸碱化学和官能团的质子化等特定应用。设计和优化酸性类des混合物可以为高效和选择性工艺开辟新的可能性。

 

(2).基本类des混合物:类似地,开发具有HBD成分的基本类des混合物是一个感兴趣的领域。基本类des混合物可以在碱性催化反应、去质子化反应和促进基本化学转化的介质中找到应用。通过控制类des混合物的碱度,研究人员可以探索可持续和选择性过程的新途径。

 

(3).ph响应类des混合物:另一种观点是设计ph响应类des混合物,其中溶剂的酸度或碱度可以根据外部建议进行调整或切换。这些响应性的类des混合物具有可逆特性,可以在控释系统、智能溶剂和动态反应环境中找到应用。通过控制类des混合物的酸度,研究人员可以实现按需改变溶剂化行为和反应性。

 

(4).酸碱双官能团:在单一类des混合物中引入酸碱双官能团可以产生协同效应和增强反应性。这种类des混合物系统可以同时作为质子供体和受体,允许复杂的反应途径和独特的选择性。探索类des混合物中酸度和碱度之间的相互作用可以导致化学转化的创新方法。

 

(5).pH值传感和监测:类des混合物的pH值敏感性可用于pH值传感和监测应用。通过将适当的指示剂或pH响应部分纳入des样混合物中,可以开发用于监测各种系统中pH变化的传感器和探针。这些ph响应类des混合物传感器可以在环境监测,生物医学诊断和过程控制中找到应用。

 

类des混合物可以有多种应用。以下是这些信息可以发挥作用的几个潜在领域:

 

(1).催化剂设计:类des混合物在催化方面正在成为传统有机溶剂的有前途的替代品。了解类des混合物的pH值有助于设计适合特定反应的催化剂。pH值会影响催化剂的活性、选择性和稳定性,因此了解溶剂的pH值有助于优化反应条件。

 

(2).电化学应用:类des混合物在电池和超级电容器等储能装置中作为电解质显示出巨大的潜力。pH值会影响这些器件的电化学性能。通过了解类des混合物的pH值,研究人员可以微调溶剂组成,以优化电化学行为并提高器件性能。

 

(3).生物分子稳定:类des混合物已被用于各种生物技术应用,包括酶稳定、蛋白质折叠研究和药物传递系统。pH在维持生物分子的稳定性和活性方面起着至关重要的作用。了解类des混合物的pH值有助于为这些应用选择合适的溶剂,并优化生物分子稳定性的条件。

 

(4).分离和提取工艺:类des混合物因其在分离和提取工艺中的潜力而受到越来越多的研究,例如液-液萃取和从天然来源中提取有价值的化合物。pH值可以影响类des混合物中溶质的溶解度和分配行为。了解这些溶剂的pH值有助于设计有效的分离工艺和选择合适的提取条件。

 

(5).材料合成和表征:类des混合物已显示出作为合成各种材料的反应介质的前景,包括纳米颗粒、金属有机框架和聚合物。pH值会影响这些材料的成核、生长和稳定性。了解类des混合物的pH值有助于控制合成过程和调整所得材料的性能。

 

类des混合物近年来作为传统有机溶剂的有前途的替代品在各种应用中得到了极大的关注。以下是对应用类des混合物的机会的评估,包括它们的成就、前景和局限性:

 

1. 局限性:

a. 有限的理解:尽管类des混合物已经显示出前景,但它们的基本性质、相行为以及与不同化合物的相互作用仍有很多需要了解的。需要进一步的研究来加深我们对类des混合物及其在复杂系统中的行为的理解。

 

b. 可扩展性挑战:扩大des类混合物的生产规模可能具有挑战性。大规模合成具有一致质量和成本效益的类des混合物是一个需要进一步研究的领域。稳定性和寿命:随着时间的推移,一些类des混合物可能表现出有限的稳定性,导致相分离或分解。稳定性问题需要解决,以确保des类混合物在各种工艺中的实际应用和长期性能。

 

2. 业绩

a. 绿色溶剂:类des混合物因其低挥发性、低毒性和可再生性质而被认为是环境友好型溶剂。它们为有害的有机溶剂提供了一种替代品,有助于实现更环保、更可持续的化学过程。

 

b. 通用性:类des混合物在催化、萃取、电化学、材料合成和生物技术等广泛应用中显示出通用性。它们可以溶解各种化合物,并作为各种化学转化的反应介质。

 

c. 选择性和效率:类des混合物可以表现出独特的选择性,并由于它们与反应物的特定相互作用而提高反应效率。它们可以促进选择性提取,促进区域选择性反应,并在某些过程中提高产品收率。

 

d. 新特性:类des混合物具有有趣的特性,如可调粘度,极性和熔点,允许为特定应用定制溶剂。设计和合成具有理想性能的新型类des混合物的能力为创新开辟了可能性。

 

3. 远景

a. 行业应用:类des混合物在工业应用方面具有巨大潜力,特别是在制药、精细化工和能源存储等领域。需要进一步的研究和开发工作来优化类des混合物配方,扩大生产规模,并在大规模工艺中评估其性能。

 

b. 工艺优化:随着对类des样混合物行为的了解越来越多,优化工艺条件(如温度、压力和溶剂组成)的机会越来越多,以最大限度地提高各种应用中的效率和选择性。

 

c. 类聚醚类混合物的创新:类聚醚类混合物的独特性能可以在绿色化学、可持续工艺和先进材料合成等领域实现新方法和创新。持续的研究可以带来新的应用,并扩大类des混合物利用的可能性。

 

总结:

溶液中的pH值或酸度或碱度可以显著影响类似des类混合物的混合物的利用。评估酸度或碱度是许多研究工作经常探索的一个基本方面。本文概述了可用于评价des样混合物中酸度或碱度的各种方法。它概述了采用各种技术来测量这些混合物的酸度或碱度的研究,方法涵盖了广泛的技术,从传统的pH测量和哈米特酸度函数到更先进的方法,如确定pKa值,利用指示剂染料,进行电导率评估,采用计算建模和应用酸碱滴定。从本质上讲,酸度和类des混合物之间的相互作用为创新和创造新应用提供了广泛的机会。通过调整类des混合物的酸度或碱度,研究人员可以精确地调整它们的性质、反应性和选择性。这为在各个领域发展可持续和有效的进程打开了大门。在这一领域的持续探索和研究为扩大类des混合物的用途带来了巨大的希望。

 

文章详情:https://doi.org/10.1016/j.molliq.2023.123728 

 

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