Kombination der Molekularsimulation mit dem quantenchemischen Modell COSMO-RS für eine a-priori Vorhersage von Phasengleichgewichten in Systemen mit großen Molekülen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die vorliegende Arbeit stellt die ersten Schritte in der Entwicklung einer konsistenten Methode für die Auswahl der repräsentativen Konformationen oder der repräsentativen Sets mit begrenzter Anzahl der Konformationen von großen flexiblen Strukturen, welche ein konsistentes, reproduzierbares und vorhersehbares Fehlerverhalten in der COSMO-RS-Vorhersagen der Phasengleichgewichte in fluiden Systemen mit großen, flexiblen Molekülen (Tenside, Drogen, Makromoleküle usw.) führen würde. Das vorgeschlagene Verfahren wird auf der Kombination des COSMO-RS-Models mit der Molekulardynamik (MD) basiert. Das vorgeschlagene Verfahren wird am Beispiel der Verteilungsgleichgewichte in mizellaren Lösungen, die großen flexiblen Tensidmoleküle enthalten, getestet. Mizell/Wasser-Verteilungskoeffizienten verschiedener relativ kleinen Solutes zwischen zwei Medien der mizellaren Systeme werden mit COSMO-RS vorhergesagt und mit experimentellen Werten aus Literatur verglichen. Dabei werden drei repräsentative Tenside betrachtet: nichtionisches Polyethylenglykol p-( 1,1,3,3- tetramethyl-butyl )-phenyl-ether mit 10 Ethoxygruppen ( Triton X-100); anionisches Natriumdodecylsulfat ( SDS) und kationisches Dodecyl ( trimethyl) Ammoniumbromid ( DTAB ). MD wird für die Erzeugung des Konformationsraums großer Tensidmoleküle in bestimmten Medien verwendet. Der erhaltene Konformationsraum wird gesampelt und die Konformationen werden dann nach verschiedenen Kriterien gruppiert, um die Konformationssets, welche das Tensidmolekül in lipophilen oder hydrophilen Lösungsmittel adäquat beschreiben, zu ermitteln. Diese Sets werden in Weiterem in den COSMO-RS-Vorhersagen verwendet. Es wird gezeigt, dass die Wahl der Konformationen nicht auf der üblicherweise verwendeten zufälligen Auswahl basieren soll. Ein weiteres Auswahlkriterium, das jede Konformation in einer einzigartigen Art und Weise beschreibt, soll gefunden werden. Die Größe und Form des Moleküls, wie das Gyrationsradius oder rmsd (root mean square displacement) kann als ein solches Kriterium dienen. Die beobachteten Maxima in den Verteilungen dieser Parameter zeigen, dass einige der Konformationen wahrscheinlicher als andere sind. Die aus den wahrscheinlichsten Konformationen erzeugten Sets bieten nicht nur eine gute Darstellung der experimentellen Daten, sondern leisten, was viel wichtiger ist, reproduzierbare Vorhersagen der Soluteverteilungskoeffizienten. Das auf Wahrscheinlichkeit basierende Clustering könnte also ein Verbesserungspotenzial bei der Erzeugung der repräsentativen Konformationen eines großen flexiblen multifunktionellen Moleküls aufweisen, so dass man erwarten kann, dass die Aktivitäts- und Verteilungskoeffizienten in komplexen Mehrkomponentensystemen mit einer wohldefinierten Fehlerspanne vorhergesagt werden können, auch im Fall, wenn keine experimentellen Daten zum Vergleich vorliegen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Combination of COSMO-RS and MD for Prediction of Partition Coefficients in Micellar Systems. SimMolMod2011, September 15-16, 2011, Dortmund
E. Sponsel, L. Mokrushina, W. Arlt
- Combination of COSMO-RS and MD for Prediction of Phase Equilibria in Systems Containing Large Molecules. ESAT 2011, June 24 – 27, 2011, Saint Petersburg, Russia
E. Sponsel, L. Mokrushina, W. Arlt
- Micelle/water partition coefficients using COSMO-RS: Conformational Study. 26th Molecular Modelling Workshop 2012, March 12- 14, 2012, Erlangen
E. Sponsel, L. Mokrushina, W. Arlt
- Micelle/water partition coefficients using COSMO-RS: Conformational Study. AIChE Annual Meeting, October 28 - November 2, 2012, Pittsburgh, PA, USA
E. Sponsel, L. Mokrushina, W. Arlt
- Partition coefficients in Systems containing large flexible surfactants: Conformational Study. ESAT 2012, October 7 - 10, 2012, Potsdam
E. Sponsel, L. Mokrushina, W. Arlt
- Prediction of phase equilibria in systems containing large flexible molecules using COSMO-RS: State-of-the-problem. Fluid Phase Equilibria 334 (2012) 37-42
L. Mokrushina, P. Yamin, E. Sponsel, W. Arlt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.fluid.2012.07.021)
