【COSMOlogic应用实例】浙大宁波理工学院董新艳老师成果展示：COSMO-RS模型研究芒柄花素在溶剂中溶解热力学

摘要：

采用COSMO-RS模型预测了芒柄花素在不同离子液体及分子溶剂中的溶解度，通过与实验值比对，验证了该模型可准确预测芒柄花素在溶剂中的溶解规律; 并结合该模型计算的力场及表面屏蔽电荷分析探讨了溶剂化机理，结果表明：由于离子液体具有大于分子溶剂的氢键碱性，其更易于溶剂化具有氢键酸性的芒柄花素; 阴离子是决定芒柄花素在离子液体中溶解能力的关键因素，并且溶解能力随着阴离子氢键碱性的增加而增强; 阳离子的核结构和烷基侧链长对芒柄花素溶解能力的影响相对较小。

引言：

异黄酮类化合物因其具有抗癌、抗氧化、抗菌抗炎、抗动脉硬化及抗骨质疏松症等多种药理活性而受到广泛的关注。芒柄花素(CAS: 485-72-3)是其中一种重要的代表性物质。有机溶剂易挥发、易燃及毒性，使其在异黄酮类等生物活性物萃取分离的应用中面临着严峻的挑战。而离子液体具有蒸气压极低、无毒、热稳定性好、结构可设计等优点，作为生物活性物的萃取分离介质具有很大的优势。需根据芒柄花素固液相平衡数据为萃取、结晶等分离过程筛选合适的溶剂，因此，对其溶解特性的研究尤为重要。然而，由于离子液体基于不同阴阳离子组合种类繁多，完全通过实验测定溶解度耗时耗力。因此，迫切需要采用快速、准确的溶解度模拟预测方法为优选溶剂提供参考。

本研究以芒柄花素作为异黄酮类化合物的模型物质，采用溶剂似导体屏蔽模型COSMO-RS芒柄花素在离子液体与分子溶剂中的溶解特性，并通过COSMO-RS研究了力场分析探讨多种离子液体、分子溶剂与芒柄花素间的相互作用规律，并采用模拟与实验相结合的手段揭示溶剂性质、离子液体阴阳离子结构与溶解差异间的定性定量关系，为适用于异黄酮类的萃取剂的筛选和设计提供必要的理论依据。

计算方法：

利用COSMOtherm软件预测热力学性质主要分为两部分：通过量化计算进行构型优化并得到COSMO输入文件，然后采用COSMOtherm软件进行热力学数据的计算。对数据库未包含的分子，首先利用Gaussian 03软件在B3LYP/6-31g+(d,p)水平下进行分子构型的优化；再通过TUＲBOMOLE软件包，在BP(B88-VWN-P86)和TZVP基组下，计算分子表面的屏蔽电荷密度分布(σ-profile)；最后，将得到的COSMO文件作为 COSMOtherm的输入文件进行溶解度计算。COSMO预测溶解度的公式如下

式中：μj(P)和μj(s)分别为纯溶质的化学势以及溶质在溶剂中的化学势，ΔfusG为吉布斯熔化自由能。

COSMOtherm软件计算离子液体的热力学性质时，将离子液体视为阴阳离子双组分进行计算，计算出的是溶质在三元混合物( 溶质+阳离子+阴离子)中的摩尔分数，因此需要将其转化为实际二元体系的摩尔分数溶解度，计算公式如下

式中：xi，bin为二元体系摩尔分数溶解度，xi，ter为三元体系摩尔分数溶解度。

实验：

实验材料：

芒柄花素: 纯度(质量分数) 99% ，购自南京泽朗生物科技有限公司；离子液体：纯度99% ，购自中科院兰州化学物理研究所；有机溶剂：纯度98% ，购自国药集团化学试剂有限公司。

实验方法：

实验采用静态法测定芒柄花素在黏度小的有机溶剂中的溶解度: 称取一定量的溶剂于破璃溶解釜中，加入过量的溶质搅拌24h至不再溶解，静止4h，用注射器取上层清液至容量瓶，定容后，用高效液相色谱分析以确定溶解度。而测定芒柄花素在高黏度离子液体中的溶解度，采用动态法：称取一定量的溶剂于玻璃溶解釜中，逐次加入少量芒柄花素并搅拌，待溶质完全溶解体系恢复澄清后再加入溶质，直至釜内开始出现不可恢复的浑浊，取样定容分析。

结果与讨论：

芒柄花素在分子溶剂与离子液体中的溶解差异：

根据溶剂的不同极性和氢键酸碱性选择包含烷烃、芳香烃、醚、醇、酮、水等56种分子溶剂，以及阳离子为Bmim+的29种离子液体，采用COSMOtherm软件模拟了温度为313.15K时，芒柄花素在不同溶剂中的溶解度，并且计算了溶质与溶剂分子间相互作用能，预测结果见图1。

由于本文所计算的溶解度均以摩尔分数溶解度的对数值lgx来表示，因此图中纵坐标数值越接近于0溶解度越大。从图1可以看出，芒柄花素在极性的水、非极性的烷烃类溶剂中的溶解度非常低；在极性质子溶剂，如醇类溶剂中的溶解度居中；在诸如二甲基甲酰胺、二甲基亚砜等极性非质子溶剂中具有较大的溶解度。此外，芒柄花素在［Bmim］DMP，［Bmim］Cl，［Bmim］AC等离子液体中的溶解度均高于其在二甲基亚砜中的溶解度，并且图1( b) 中［Bmim］EOESO4后的离子液体中芒柄花素的溶解度均比图1(a)中序号在苯酚后的分子溶剂中的溶解度大。因此总体而言，离子液体对芒柄花素的溶剂化能力强于分子溶剂。

此外，从图1还可以看出，芒柄花素的溶解度随溶剂不同而显著变化，但是溶剂与溶质的 misfit相互作用能(Emisfit) 和范德华相互作用 能(Evd W)基本没有明显变化，而氢键相互作用能( EH-bonding)变化显著。氢键相互作用 能(EH-bonding)的数值越负表示氢键作用力越强，可以看出无论是在分子溶剂还是在离子液体中，溶解度均随着氢键相互作用力的增强而增大。溶解度最低的非极性的烷烃、烯烃中的氢键相互作用能接近0kJ/mol。如图1所示，在分子溶剂中，大概约1/4的溶剂与芒柄花素的氢键相互作用能低于－25 kJ/mol，而约有近一半的离子液体与芒柄花素的氢键相互作用能低于－25kJ/mol。因此，总体而言，芒柄花素与离子液体间的氢键作用力强于芒柄花素与分子液体间的氢键作用，故而其在离子液体中的溶解能力更强。

通过溶质和溶剂分子的表面屏蔽电荷密度分布图及表面屏蔽电荷图可进一步阐明芒柄花素的溶剂化特性，如图2和图3所示，芒柄花素分子在表面屏蔽电荷密度分布图的氢键受体区(屏蔽电荷1区域，源于芒柄花素分子中的甲氧基和羰基) 及氢键供体区(屏蔽电荷2区域，源于芒柄花素分子的羟基)均有电荷分布峰，表明该分子不仅具有氢键碱性而且具有氢键酸性，因此可以与在氢键供体区有电荷分布的氢键酸性溶剂作用［见图2(b) ］; 同时，也可以与电荷分布在氢键受体区的氢键碱性溶剂作用［见图2( b) ］。从图2(b) 中可以看出，［Bmim］AC 和［Bmim］Cl 比DMSO及丙酮在正屏蔽电荷密度区(氢键受体区) 有更大更高的延伸，说明离子液体具有比分子溶剂更大的氢键碱性，更易于通过氢键作用对芒柄花素形成更强的溶剂化能力。由于芒柄花素分子中的羟基、羰基、甲氧基的亲水性，使得该分子在非极性的烷烃( 只在表面屏蔽电荷密度分布图中的非极性区域有电荷分布) 中溶解度很低。此外，从图2(a) 也可以看出，芒柄花素分子在表面屏蔽电荷密度分布图的非极性区域也有一个大峰( 屏蔽电荷3区域) ，源于芒柄花素分子中的2个苯环及 γ-吡喃酮环，构成其疏水部分，因此该溶质在强极性的水( 只在表面屏蔽电荷密度分布图中的极性区域有电荷分布) 中溶解度也很低。

利用COSMOtherm软件还可以计算出分子的氢键供体矩和氢键受体矩，可以进一步定量地反映氢键酸性、碱性的相对大小。通过计算可知芒柄花素分子的氢键供体矩和氢键受体矩分别为4.70和4.07，说明芒柄花素的氢键酸性大于氢键碱性，因此其更易于和强氢键碱性的溶剂发生溶剂化作用。正如图4(a) 所示，对芒柄花素溶解能力低的溶剂，其氢键供体矩和氢键受体矩基本均为为0；溶解能力最大的分子溶剂仅具有较大的氢键碱性；而溶解能力居中的分子溶剂不仅具有氢键酸性同时也具有氢键碱性，这说明溶剂分子可同时作为氢键供体和氢键受体发生溶剂分子间的自缔合，从而削弱溶质与溶剂的作用；同时从图4(b) 中可以看出，随着芒柄花素在不同离子液体中溶解度的增加，离子液体阴离子的氢键受体矩增加，而其氢键供体矩基本为0，说明强氢键碱性的离子液体对芒柄花素的溶解能力更强。此外，图4 中可以看出离子液体阴离子的氢键受体矩(基本在10—40之间) 远大于分子溶剂的氢键受体矩(在0—10之间) ，可进一步定量说明离子液体的氢键碱性大于分子溶剂，因此其对芒柄花素的溶剂化能力强于分子溶剂。

阳离子核结构对芒柄花素在离子液体中溶解度影响：

针对氢键碱性依次增加的阴离子NTf2－,DCA－,Tf A－,分别考察了不同阳离子核结构(吡啶、咪唑、吡咯烷、季铵和季磷)结构对芒柄花素在离子液体中溶解度影响。如图 5所示，总体而言，芒柄花素在阳离子不同核结构的离子液体中的溶解度差异不明显，而溶解度随阴离子不同而差异显著。芒柄花素在氢键碱性最大的Tf A－的离子液体中溶解度最大，而在氢键碱性最小NTf2－的离子液体中溶解度最小，这与上文中咪唑类离子液体中的计算结果一致。由此可说明，影响芒柄花素在离子液体中溶解度的主要因素是阴离子的性质。总体而言，芒柄花素在吡啶基和咪唑基离子液体的溶解度较小，而在以季铵和季磷为阳离子核的离子液体中溶解度最大。从图6可以看出，Bmim+和BPy+相比其他阳离子核在表面屏蔽电荷密度分布图的负屏蔽电荷区有更大的延伸，这说明这两者具有一定的氢键酸性，而Pyrr14+，N4，4，4，4+，P4，4，4，4+阳离子上没有明显的氢键酸性位点。因此，具有氢键酸性的 Bmim+和 BPy+阳离子更易于和具有氢键碱性的阴离子发生氢键作用。而N4，4，4，4+，P4，4，4，4+由于阳离子结构尺寸较大，且 4 支侧链均匀伸展，使得其正电荷分布更分散，因此阴阳离子间静电作用较弱。文献报道，离子液体的氢键碱性随着阴阳离子间相互作用的减弱而增强，因 此 以Bmim+， BPy+，Pyrr14+，N4，4，4，4+，P4，4，4，4+为阳离的离子液体的氢键碱性依次增强，这与 离 子 液 体 氢 键 碱 性 的 实 验 数 据 的 规 律 一致。所以，氢键碱性最大季铵和季磷离子液体对主要体现氢键酸性的芒柄花素的溶剂化能力最强，而氢键碱性最小吡啶和咪唑离子液体溶剂化能力最小。

阳离子烷基侧链长度对芒柄花素在离子液体中溶解度影响：

考察不同阳离子烷基侧链长度对芒柄花素在离子液体中溶解度影响，如图7所示，对于同一阳离子，芒柄花素在离子液体中的溶解度与阴离子的氢键碱性的大小正相关；而针对同一阴离子，阳离子烷基侧链长度对芒柄花素的溶解度影响较小。总体上，芒柄花素在离子液体中的溶解度随着阳离子烷基侧链长度而略微增加，这主要一方面由于阳离子烷基侧链长，离子液体的氢键碱性略微增加，溶剂与溶质间的氢键作用增强；另一方面溶剂与溶质分子间范德华力随着阳离子烷基侧链长度的增加而增强，因此有助于溶解能力的提升。

芒柄花素溶解度的实验值与模拟值比较：

分别测定了芒柄花素在4种分子溶剂及3种离子液体中的溶解度，如图8所示，COSMO-RS能够准确预测溶质在不同溶剂中总体溶解趋势与规律。与文中3.1节分析的一样，芒柄花素的溶解度随着［Bmim］PF6、乙酸乙酯、丙酮、［Bmim］BF4、［Bmim］NO3氢键碱性的增加而增加。如前所述，对于具有氢键酸、碱性的水和甲醇而言，由于芒柄花素分子的疏水基团，使疏水相互作用成为决定芒柄花素在水中具有最低溶解度的关键因素; 而由于甲醇分子的自缔合，从而削弱了甲醇与溶质间的氢键作用，因此芒柄花素在两性溶剂甲醇中的溶解度居中。

结论：

(1) 基于COSMO-RS理论的COSMO-thermX软件不但可以准确预测芒柄花素在离子液体及分子溶剂中的溶解规律，而且借助COSMO-RS计算的力场分析及表面屏蔽电荷分析，还可深入探讨离子液体及分子溶剂对芒柄花素的溶剂化机理。

(2) 通过实验与COSMO模拟表明，由于离子液体的氢键碱性强于分子溶剂，能与具有氢键酸性的芒柄花素产生强氢键作用，因此离子液体对芒柄花素的溶剂化能力强于分子溶剂。

(3) 由于离子液体的阴离子具有强氢键碱性，因此阴离子是决定芒柄花素在离子液体中溶解能力的关键因素，芒柄花素在氢键碱性最强的 ［Bmim］AC中的预测溶解度最大(＞0.28) 。而阳离子的核结构、烷基侧链长对芒柄花素溶解能力影响较小。

文章详情：10.3969/j.issn.1005-9954.2020.11.009

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