解决方案
【COSMOlogic应用实例】国家结晶中心陈巍副教授团队成果：基于COSMO-ＲS模型L-丙氨酸-L-谷胺酰胺结晶溶剂的筛选
摘要：
利用真实溶剂似导体屏蔽模型（conductor-like screening model for real solvents，COSMO-ＲS）预测发现异丙醇可以作为L-丙氨酰-L-谷氨酰胺的结晶工艺中的优化溶剂，并通过实验加以验证; 研究了L-丙氨酰-L-谷氨酰胺在水-异丙醇二元体系中从293. 15K至318. 15K的溶解度和相关溶液热力学性质；使用修正Apelblat方程，λh方程，van’t Hoff 方程以及（NIBS）Ｒedlich-Kister 方程对溶解度数据进行拟合；通过水/异丙醇体系结合冷却-溶析耦合结晶工艺获得形态改善的L-丙氨酰-L-谷氨酰胺晶体。
引言：
L-丙氨酸-L-谷胺酰胺（CAS NO．39537-23-0）又称作丙谷二肽，是重要的氨基酸类肠外营养剂，其主要功效在于对人体条件性必需的氨基酸——谷氨酰胺的有效补充。
化学工业常用的溶剂种类较多，完全通过实验筛选合适的溶剂会耗费大量的人力、物力和时间，使用可靠的理论模型预测混合体系的物理化学性质变得尤为重要。这种理论预测通常可分为两类，一类是对真实体系的实验热力学数据进行拟合，通过内插或外推得到热力学信息，如活度系数模型和平衡态模型; 另一类则主要依靠化合物结构信息，而与实验数据关系不大，如基团贡献法和本研究采用的真实溶剂似导体屏蔽模型(conductorlikescreening model for real solvents，COSMO-ＲS)。COSMO-ＲS是Klamt 等提出的一种有效的预测流体热力学性质的方法。该方法基于量子化学和统计热力学，能够较准确地预测溶解度、相平衡、活度系 数等流体热力学性质。在本研究中，利用COSMO-ＲS模型可以正确地定性描述丙谷二肽在几种溶剂及混合溶剂中的溶解行为，并且发现丙谷二肽在异丙醇-水体系中对溶剂组成和温度变化最为敏感，因此异丙醇被选为溶析-冷却耦合结晶的目标溶析剂。在实验验证预测结果的过程中，我们发现异丙醇不仅具有如预测一样的较强溶析能力，还能较好地控制产品形貌。由于到目前为止，有关丙谷二肽溶解度数据的文献非常稀少，因此本研究测定了丙谷二肽在水-异丙醇体系中的不同温度（293. 15～318. 15K）和不同溶剂质量配比[m(异丙醇)/m(水)为0.5～4.0]条件下的溶解度，并从中推导出相应的溶解热力学性质，并据此开发出合适的溶析冷却耦合结晶工艺，得到高纯度的颗粒状丙谷二肽晶体颗粒，提高其商用价值。
图1 为L-丙氨酸-L-谷胺酰胺化学结构及其σ-profile图
COSMO-RS模型：
COSMO-ＲS热力学方法以溶质和溶剂分子的表面屏蔽电荷密度为基础计算分子表面片段之间的相互作用，并以此定量它们之间的极性和氢键相互作用能。分子表面屏蔽电荷密度分布，即σ-profile，是COSMO模型的重要概念，也是热力学性质计算的基础。通过溶剂和溶质分子的σ-profile可以计算分子间相互作用能，再通过统计热力学方法可推导出溶剂和溶质分子各自在溶液中的化学势，由此计算出活度系数，并进一步求出溶解度及过量焓等热力学性质。
溶解度模型：
随着广大科研工作者对结晶过程以及溶解度数据的深入研究，很多热力学模型例如ABC 模型（modified Apelblat modle)，λh 模型以及范特霍夫（van’t Hoff）方程被提出并运用于溶解度数据的拟合及预测，极大地扩展了离散溶解度数据的运用和预测未知溶剂中溶解度[6]。其中溶解的热力学性质（吉布斯自由能、溶解焓和熵）可以通过范特霍夫方程计算出来。本研究中测得的丙谷二肽的溶解度数据使用modified Apelblat 方程，λh 方程，van’t Hoff方程以及(NIBS)/Ｒedlich-Kister model拟合二元混合溶剂体系。
实验与结论:
出于对药物生产的安全性及与水相溶性的考虑，水、乙醇、正丙醇和异丙醇被当作候选溶剂。丙谷二肽及相应溶剂的cosmo 文件利用Materials Studio软件(Accelrys，美国) 中的DMOL3 模块通过DFT计算产生[15]。对分子结构优化的过程中使用GGA/BPE 函数，DNP 基组的设置。精度为“fine”，其余使用默认设置。所得cosmo 文件输入COSMOthermX(C30_13.01)软件[16]即可进行热力学性质计算。本研究计算了293.15～318.15K温度范围内丙谷二肽在渐变的水-醇质量比下的溶解度，结果见表1。
溶解度实验数据列于表1，以温度为横坐标，摩尔分数溶解度为纵坐标，分别对m(异丙醇)/m(水)为0. 5，1. 0，1. 5，2. 0，3. 0 和4. 0 等7 种不同溶剂组成的溶解度曲线绘图，见图2。
为了扩展溶解度数据的应用范围和定量地描述固液平衡，使用热力学模型对实验溶解度数据进行拟合，包括modified Apelblat 方程，λh 方程，van’tHoff 方程对实验溶解度数据分别进行拟合，并使用(NIBS)/Ｒedlich-Kister 模型针对二元混合溶剂体系进行全局分析。通过拟合溶解度数据使得目标函数f=(xcal-xexp)/xexp最小化得到模型参数模型参数列于表2，拟合误差ＲEMS 列于表3。
表4 丙谷二肽在298.15K 下在不同质量比的水-异丙醇溶液中的溶解焓，熵及自由能。
通过对丙谷二肽在异丙醇/水混合体系下溶解度数据的研究，我们得知在溶析结晶的初始阶段丙谷二肽在水中的溶解度较大，少量加入溶析剂异丙醇即可显著地降低其溶解度，因此初浓度不能过大，而且溶析剂滴加速率也不能太快，否者容易爆发成核导致晶体颗粒变小，容易发生聚结，产品溶媒残留增加。在这个思路下进行了定温条件下(298.15和318.15K)的溶析结晶工艺实验。丙谷二肽初始浓度为10%(水质量分数,下同)，异丙醇滴加速率为0. 5%/min(以结晶器中水的质量为基础，即溶析剂相对于水的质量分数，下同)，终点同时停止滴加异丙醇，养晶40min后直接过滤，工艺总时间4h，收率分别为99.42% 和99.01%。得到的产品偏光显微镜照片分别如图3a)和3b)(200倍，图3～图5中右下角标尺长度均为1mm)。
结论：
利用COSMO-ＲS模型计算不同温度、不同质量比的水-醇体系中丙谷二肽的溶解度，发现丙谷二肽在水-异丙醇体系中对溶剂组成和结晶温度等参数的敏感性优于工业常用的水-乙醇体系。通过实验验证，发现COSMO-ＲS预测结果与实验溶解度数据在数值上存在一定的误差; 但是异丙醇确实如同预测一样是一种有效的溶剂，并且溶解度随温度及配比的变化趋势的预测也与实验结果一致。这一结果说明COSMO-ＲS计算是进行结晶体系溶剂筛选的有效辅助工具。
通过实验测定丙谷二肽在水-异丙醇体系中不同温度不同质量比下的溶解度数据，并在此基础上推算出298K下丙谷二肽在水-异丙醇体系中的溶解焓、熵和自由能数值。分别使用热力学模型modifiedApelblat方程，λh方程，van’t Hoff方程以及(NIBS)/Ｒedlich-Kister模型拟合溶解度数据，得到丙谷二肽在该溶剂体系中的模型参数。其中使用NIBS模型可以较为精确地计算出在试验范围内任意温度和组成条件下的溶解度数据，指导工艺生产。
通过实验分析溶析温度、降温速率、溶析剂滴加速率以及耦合方式对产品粒度和形貌的影响，开发了产品形态改善，产率较高并且生产周期经济的溶析-冷却耦合结晶工艺。
文章详情请见：10.13353 /j.issn.1004.9533.20141086
本文丙谷二肽及相应溶剂的cosmo文件利用Materials Studio软件中的DMOL3模块通过DFT计算产生，所得cosmo文件输入COSMOthermX(C30_13.01)软件即可进行热力学性质计算。
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作者简介：
陈巍，博士，副教授，任职于天津大学国家工业结晶工程技术研究中心。
研究方向：工业结晶，药物固体形态筛选。主要工作内容是通过晶体工程方法筛选有机活性药物或农药的多晶型，共晶，溶剂合物和无定型等固体形态，进行结构和性质表征，改善其物理性能和生理活性。
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