【COSMOlogic 应用实例】离子液体从水溶液中分离异烟酸：COSMO-RS筛选和平衡研究

摘要：

研究了离子液体作为绿色溶剂从水溶液中分离异烟酸(iNA)的方法。COSMO-RS研究发现，1-丁基-3-甲基-咪唑六氟磷酸[Bmim][PF6]是一种高效的离子液体，可用于从水溶液中提取iNA。不同参数的影响,如在浓度(0.005-0.04mkmol−3)、有机水相比例(1:6,1:9&1:12)、温度(293-318±1K)评估，和最大提取，获得97%。还进行了理论研究，以确定萃取过程的平衡参数(平衡常数和化学计量)和热力学参数[(ΔH)和(ΔS)]。结果表明，酸与IL通过氢键形成1:1的络合物。

引言：

近年来，从工业角度来看，利用硝化酶生产异烟酸(iNA)的生物技术越来越重要，因为它可以有效地从发酵液/其他水溶液中回收。

本研究基于COSMO-RS理论，利用COSMOtherm软件对疏水离子液体作为绿色溶剂从水溶液中提取iNA酸进行了初步研究。进一步利用已研究好的IL阴离子与咪唑基阳离子[Bmim][PF6]，在有机水相比、酸浓度、萃取温度等参数变化的条件下，对水溶液中iNA的萃取进行了实验研究。最后，研究了以十二烷为稀释剂的离子液体回收铟的最有效方法。

计算细节：

COSMO-RS法用于液/液混合萃取。它是基于量子化学(类导体筛选模型)发现而制定的统计热力学，用于确定热力学平衡的预测方法。COSMO-RS模型或筛选模型使用其平衡数据来比较真实溶剂，以研究不同溶剂体系对不同有机化合物和/或酸的提取。COSMO-RS理论计算极化电荷密度，它是溶剂不同物理化学相互作用的量度。所有这些计算都有助于将理论扩展到实际溶剂。并计算了分布函数σ-曲线，π(σ)。它是每个分子外围扩散的(3D)极化密度的总和。它给出了分子外围极性(σ)的表面相对量的信息。对于整个溶剂s，计算了可能是不同化合物组合的σ-曲线。

因此，从COSMOtherm软件获得的统计数据在其偶然趋势中是准确的。

使用COSMOtherm软件筛选离子液体

使用COSMOtherm软件筛选有机化合物，为设计最有效的离子液体实验提供了框架，以最大限度地从水溶液中回收iNA。利用COSMOtherm软件对四氟硼酸盐(BF4)、碘(I)、六氟磷酸盐(PF6)和三氟甲烷磺酸盐(OTf)四种不同的阴离子进行筛选，基于无限稀释条件下的选择性，找到提取iNA的最佳离子液体。六氟磷酸(PF6)在所有情况下都比[Bmim]阳离子离子液体的其他阴离子(BF4、I和OTf)具有明显更高的选择性，如图1所示。因此，1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸([Bmim][PF6])是水溶液/发酵液中提取/分离iNA最有效的离子液体。

用纯离子液体[Bmim][PF6]提取不同浓度的水溶液来提取iNA。采用有机相与水相1:6、1:9和1:12三种不同的相比提取iNA(0.005、0.01、0.02和0.04kmolm−3)，提取效率如图2所示。

利用Van 't Hoff方程，利用平衡常数KE在不同温度下的估计值(如图3所示)确定萃取过程中的焓和熵变化，得到：ΔH= -7.801kJ.mol−1&ΔS=-6.224kJ.mol−1。

在不同的iNA浓度下提取程度的结果如图4所示。

总结：

采用疏水离子液体[Bmim][PF6]作为纯离子或与正十二烷作为稀释剂进行萃取。首先，利用COSMOtherm软件(COSMO-RS Theory)对咪唑基阳离子提取iNA的离子液体筛选进行理论研究。以纯[Bmim][PF6]为萃取物，在最佳萃取条件下，有机水相比为1:9，iNA浓度为0.04kmolm−3，温度为298±1K，萃取效率最高达97%。热力学研究表明，iNA的萃取主要受氢键的控制。溶解在十二烷(0.484kmolm−3)中的[Bmim][PF6]也可用于提取iNA，在0.04kmolm−3的iNA浓度下，提取效率最高达94%。理论研究表明，酸与IL形成1:1的络合物。这一结果对于使用无毒或绿色溶剂回收iNA具有很好的萃取效率。

文章详情：https://doi.org/10.1016/j.cdc.2023.101010 

北京泰科博思科技有限公司是COSMOLOGIC官方指定代理商，有关软件详情或者技术支持请咨询北京泰科。

电话：010-64951848

邮箱：sales@tech-box.com.cn

北京泰科为广大学习分子模拟科研人员提供了交流讨论平台，泰科建立了Turbomole交流群，群里有专业老师解答问题，如有兴趣一起交流，欢迎来电/邮申请入群，作者期待您的参与！

北京泰科涉及行业

部分产品