Számítógépes molekulatervezés Számolások ipari célra: a COSMO-RS és a UNIFAC

Dr. Borosy András Péter

2Fragrance Research

Végcél

„Uszály” (trail, sillage)

2

turbulencia

Erős illat

Gyenge illat

3Fragrance Research

Parciális gőznyomás

Nem tiszta anyagokkal, hanem elegyekkel dolgozunk

Jó lenne tudni, merre szállnak az illatmolekulekulák

Az aktivitási együttható csak nehezen és pontatlanul mérhető

iiii pxp 0

P

p1, p2, p3, …, pi

x1, x2, x3, …, xi

parfüm

„fejtér”

i = 1 ideális, Raoult

i ≠ 1 valódi

4Fragrance Research

Gőz-folyadék egyensúly

Benzyl acetate in Dipropylenglycol

Mass percent of Benzyl acetate in liquid phase

0 20 40 60 80 100 120

Act

ivity

per

cent

of B

enzy

l ace

tate

in v

apor

pha

se

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

5Fragrance Research

UNIversal Functional Activity Coefficient (UNIFAC)

A molekulák közötti kölcsönhatásokat funkciós csoportok közötti kölcsönhatásokkal közelíti

1-propanol n-hexánban:

Ln γ a kombinatorikus (c) s a reziduális (r) tag összegeként írható fel:

Group-Contribution Estimation of Activity Coefficients in Nonideal Liquid Mixtures, American Institute of Chemical Engineers Journal, Vol. 21, No. 6, November 1975 pp. 1086-1099.

ln ln ln i iC

iR

6Fragrance Research

Kombinatorikus tag

ahol xi a moltört, Rk és Qk a csoport felülete és térfogata νk a „koncentrációja”

7Fragrance Research

Reziduális tag

a csoport aktivitása egyedül – az adott molekulában:

Θm az m csoport relatív felületeinek összege a többi csoport felületéhez képest, Xn a csoport moltörtje,

8Fragrance Research

Reziduális tag

Ψm,n az m és n csoport közötti kölcsönhatási paraméter ami az U

m,n kölöcsnhatási energiából számolható

U m,n ≠ U m,n , új funkciós csoportok esetén ki kell mérni

a UNIFAC konzorcium a tagoknak az éves tagdíj fejében elvégzi.

Innen már gyors és olcsó a módszer

A molekulákat elő kell állítani és el kell küldneni a konzorciumnak

9Fragrance Research

Példa

10Fragrance Research

COnductor-like Screening Model (COSMO)

Poláris oldószerekben a dielektrikumok

elméletén alapúló módszerek nem működnek

(D-PCM)

COSMO: a molekuláris üregen (m.ü.) kívüli

oldószer dielektrikum

m.ü. a vdW térfogatnál 20%-al nagyobb

atomközéppontú gömbök egyesített térfogata,

felületének kiszámítása valamilyen sokszög

közelítéssel (pl. 3, 6 szögek), az egyes

megvalósítások különböznek

11Fragrance Research

COnductor-like Screening Model (COSMO)

A poláris oldószer által indukált polarizációból eredő töltéseket a

vezetőkre érvényes közelítéssel számitja a m.ü.-n belül

Ha a töltéseloszlás a molekulában (1) és oldószert ε permittivitása (2)

ismert, a m.ü. felületén a töltés kiszámítható

A sokszög közelítés miatt bármilyen alakú molekulára alkalmazható

12Fragrance Research

COnductor-like Screening Model for Real Solvents

Optimalizálás (minimális PM3 energiájú konformer//HF:

tzvp_ahlrichs/DFT:BVP86)

A molekulák között kölcsönhatást m.ü.-k közötti

kölcsönhatásként írja le (csak vezető !)

σ: felületi szegmensek töl. sűrűsége

13Fragrance Research

Water

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

-0.020 -0.015 -0.010 -0.005 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 [e/A2]

pwat

er(s

) (am

ount

of s

urfa

ce)

σ-profil = felületi szegmensek töltés sűrűség eloszlása

A. Klamt, G. Schüürmann, Journal of the Chemical Society, Perkin Transaction 2, 799 (1993)

14Fragrance Research

0

5

10

15

20

25

-0.020 -0.015 -0.010 -0.005 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020

[e/A2]

pX ()

Water

Methanol

Acetone

Benzene

Chloroform

Hexane

Egymást szerető folyadékok komplementerek

15Fragrance Research

A kémiai potenciál és aktivitási együttható számítása elegyekben (COSMOTherm)

: σ-profil - hisztogram, p (σ) - tárolása

16Fragrance Research

Folyadék-folyadék egyensúly (logPow)

Compounds COSMO-RS EXPCoumarine 1.07 1.39Benzylacetate 2.28 1.96Cyclal C 2.42 2.85Dimethyloctenone 2.96 2.97Eucalyptol 3.11 2.74Benzylbenzoate 3.71 3.97Diphenyloxide 3.90 4.21Lilial 4.00 4.36Aldehyde C12 mna 4.94 4.67

17Fragrance Research

Gőz-folyadék egyensúly COSMO-RS (), UNIFAC (- -) vs mérés () 25C-on levegőben

Benzyl acetate in Dipropylenglycol

Mass percent of Benzyl acetate in liquid phase

0 20 40 60 80 100 120

Act

ivity

per

cent

of B

enzy

l ace

tate

in v

apor

pha

se

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

18Fragrance Research

Gőznyomás 90%-a jó (vacuum-energiával még jobb!)

logVPy = 0.90x - 0.12

R2 = 0.67

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6

exp

CO

SMO

19Fragrance Research

Gőznyomás (EPIWin 4.0)

y = 0.9x - 1.7R2 = 0.58

-12.00

-10.00

-8.00

-6.00

-4.00

-2.00

0.00

2.00

4.00

6.00

-3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6

log(measured VP)

log(

estim

ated

VP)

20Fragrance Research

Parfüm párolgás szimuláció: a forrásnál

Az oldószer (mátrix) hatás is szimulálható.

G. Járvás, A Dallos, Ch. Quellet, International Journal of Heat and Mass Transfer 54 (2011) 4630–46

Exampleimage placeholder

00

iiii

iii

ii OVx

ODTpx

ODTp

OV

Küszöbkoncentráció

Folyadék fázis

Illatérték

Time

21Fragrance Research

Ellenőrzés

A folyadékfázis elemzése alapján

21

Mért Számított

22Fragrance Research

Távol a forrástól

),( txc gi

Szilárd felület (elhanyagoljuk)

Parfüm-film

Felületi folyadékréteg

levegő

agy

érzetKoncentráció a légtérbenGőz-folyadék egyensúly

Diffúzió

Párolgás

Konvekció

orr

receptorok

0uccDtc

iii

23Fragrance Research

Számítás menete

A párolgási szimuláció kiemenetéből (UNIFAC vagy COSMOTherm) indul diffúziós-konvekciós szimuláció (COMSOL Multiphysics)

Az OV i idő és tétbeli változásának számítása VE módszerrel (3000 pontban)

Adatok megjelenítése és integráció MatLab-bal (Pannon E.)

M.A. Teixeira, O. Rodriguez, V.G. Mata, A.E. Rodrigues, The diffusion of perfume mixtures and the odor performance, Chem. Eng. Sci. 64 (2009) 2570–2589.

Impact

Bloom

Volume

Longetivity

24Fragrance Research

5 meters

x

x3 m

1 mx

5 m

Ellenőrzés

24

10 panelistsa

Távolság: 1m, 3m, 5m

- 300 µl nyitott Petri-csészében 80 cm² -en, 36°C (bőr)- állandó szélsebességgel üvegfalak között

25Fragrance Research

Jerry Berson Sterling Professor Emeritus, Member of Yale faculty since 1969

Kísérleti fizikai szerves vegyész California Section Award

James Flack Norris Award in Physical Organic ChemistryWilliam H. Nichols MedalRoger Adams Award in Organic ChemistryArthur C. Cope Scholar AwardOesper Award

www.chem.yale.edu/faculty/berson.html

26Fragrance Research

Jerry Berson Sterling Professor Emeritus, Member of Yale faculty since 1969

Kísérleti fizikai szerves vegyész California Section Award

James Flack Norris Award in Physical Organic ChemistryWilliam H. Nichols MedalRoger Adams Award in Organic ChemistryArthur C. Cope Scholar AwardOesper Award

www.chem.yale.edu/faculty/berson.html

„Experimentalists ignore the results of calculations at their own peril.”

> 30 évvel ezelőtt (J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 14841–14843)