Badanie porównawcze podejść opartych na COSMO i równań stanu do przewidywania energii solwatacji w oparciu o bank danych COMPSOL

Badanie porównawcze podejść opartych na COSMO i równań stanu do przewidywania energii solwatacji w oparciu o bank danych COMPSOL

Obliczanie energii solwatacji ma wiele zastosowań w kilku dziedzinach, takich jak projektowanie procesów separacji, farmakologia i projektowanie leków oraz modelowanie kinetyczne. Zastosowania te wymagają modeli termodynamicznych zdolnych do dokładnego przewidywania energii solwatacji, uwzględniających zależność tej właściwości od temperatury, a także szybkich i niezawodnych. W tym kontekście porównaliśmy dwa modele solwatacji ciągłej oparte na COSMO (COSMO-RS i COSMO-SAC-dsp) z dwiema wersjami predykcyjnych równań sześciennych stanu, dobrze znanymi ze swojej wydajności (PSRK i UMR-PRU). W tym celu uwzględniono duży eksperymentalny zestaw 65 000 punktów danych wyodrębnionych z banku danych COMPSOL. Porównania danych obliczeniowych i eksperymentalnych przeprowadzono dla energii solwatacji Gibbsa oraz, po raz pierwszy w literaturze, jednocześnie dla entropii i entalpii solwatacji. W przypadku prostszych mieszanin binarnych, w których nie występują wiązania wodorowe, wszystkie modele były w stanie zapewnić dokładne przewidywania, przy średnich odchyleniach bezwzględnych poniżej 0,3 kcal/mol w odniesieniu do energii Gibbsa solwatacji. W przypadku bardziej złożonych mieszanin asocjacyjnych COSMO-RS wykazał najlepszą korelację między danymi eksperymentalnymi i obliczonymi, szczególnie w przypadku układów wodnych; wśród EoS zaobserwowano, że najlepszą dokładność oferuje model PSRK.

Oszacowanie energii solwatacji Gibbsa (Δsolv gᵢ) jest ważnym zagadnieniem w projektowaniu procesów i produktów. Biorąc pod uwagę, że ta wielkość termodynamiczna jest powiązana ze stopniem powinowactwa między różnymi związkami chemicznymi, może być bardzo przydatna na przykład przy wyborze odpowiedniego rozpuszczalnika do procesu rozdzielania lub reakcji chemicznej. Obliczanie wielkości solwatacji ma także kluczowe znaczenie w farmakologii i projektowaniu leków, gdyż zjawisko solwatacji wpływa bezpośrednio na powinowactwo danej substancji biologicznie czynnej do białek docelowych, a także jej rozpuszczalność i stabilność chemiczną [1–4].

Energie solwatacji są również wymagane w przypadku szczegółowych modeli kinetyki chemicznej w fazie ciekłej, które obejmują dużą liczbę reakcji i związków chemicznych, a opierają się na modelach fazy gazowej opracowanych w celu symulacji zjawisk pirolizy, spalania lub utleniania atmosferycznego [5–8]. Przykłady te podkreślają potrzebę przewidywalnych i dokładnych metod, które mogą przewidzieć energie solwatacji, a jednocześnie są szybkie i niezawodne i można je zastosować do szerokiego zakresu związków chemicznych. Zauważalną cechą jest to, że zastosowania te obejmują duże zakresy temperatur, dlatego też modele stosowane do energii solwatacji muszą uwzględniać jako warunek zależność od temperatury.