【COSMOlogic应用实例】Coutinho教授团队成果: COSMO-RS在深共晶溶剂设计的应用-迷迭香抗氧化剂的提取

COSMO-RS模拟。为了使用COSMO-RS，需要使用DFT优化系统中单个分子的几何形状和电荷密度。本研究利用TmoleX软件包(TURBOMOLE接口)的COSMO-bp-tzvp模板对每个分子进行了优化，该模板包括def-TZVP基组、B-P83泛函水平的DFT和COSMO溶剂化模型(无限介电常数)。所有COSMO-RS计算均使用COSMOtherm软件和BP_TZVP_C30_19进行。由于COSMO-RS不适合用离子种类进行计算，本文采用28种季铵盐作为HBA，用TmoleX.26对离子对进行了优化在COSMO-RS.43框架内，以固定的化学计量速率将DESs视为HBD和HBA的二元混合物通过这种方法，无需额外的量子化学计算就可以获得大量的DESs，这与DESs筛选尤其相关。

本研究的第一步是设计DESs，利用COSMO-RS提取迷迭香叶中主要的抗氧化物质鼠尾草酸和香酚。这些溶质和水的σ-剖面，如图1所示，显示鼠草酸和肉酚是极性的，如在0e/Å2附近的大峰所示，对应于绿色的表面。

COSMO-RS被用于预测在无限稀释(γ)下，在所有可能的HBA和HBD组合(考虑到28HBA和49HBD的等摩尔组合，1372种可能的混合物)中芭蕉醇和鼠草酸的活度系数。这些结果以等高线图的形式显示在图2中，其中颜色代码表示35℃时DESs中鼠尾草酸(图2A)和牛膝酚(图2B)的lnγ。

图3与图2在性质上是相同的，但无论选择何种DESs，两种溶质的lnγ值都明显系统地增加。换句话说，在所研究的DESs中加入水会对鼠草酸和肉酚的溶解度产生负面影响，这是可以预料的，因为如上所述，这些溶质是高度疏水的。然而,lnγ值的增加并不显著，并没有改变上述关于更佳DES组分溶解鼠尾草酸和肉酚的结论。

通过抗氧化实验对鼠尾草酸和鼠尾草酚的提取进行定量分析，得到的响应如图4所示。在一个HBA组中没有棒表明溶剂在这些条件下是不稳定的,例如，N2222Cl:1,2-丙二醇在10%和30%的水。以水、丙酮和70%质量分数的乙醇为对照。

基于这个比例，作者使用最有希望的HBA, N3333Cl，与不同的HBDs(丙酸和1,2-丙二醇)和水进行三元混合物设计，以找到更佳的溶剂及其组成，获得具有最高抗氧化活性的提取物(图5)。

通过多元回归分析得到二阶多项式方程，绘制三维和二维响应面，以表达参数/变量对抗氧化活性的影响，如图6所示。很明显，较高的温度更有效地获得具有较高抗氧化活性的提取物。

天然的抗氧化剂可以取代合成的抗氧化剂，为此，有必要确定合适的溶剂，允许这些溶质的溶解。采用COSMO-RS技术对迷迭香叶中鼠尾草酸和鼠尾草酚的提取溶剂进行了筛选。结果表明，COSMO-RS可以快速定性地评价生物活性分子在大量溶剂中的溶解度，从而减少了在实验室进行测试的溶剂数量。计算实验结果表明，氯化铵、脂肪酸、芳香羧酸和醇分别是更佳的HBA和HBD。通过实验设计,确定了更佳溶剂组成为n3333cl的15%,1,2-丙二醇的55%,水的30%(79.25 0.91mgTE/gdw)。结果表明，在84℃、129min以上、L-S比为21:1的条件下，迷迭香提取物的抗氧化活性最高,为85.04 1.52mgTE/gdw。HPLC结果与抗氧化活性测定结果一致;也就是说，富含肉酚和鼠尾草酸的提取物具有较高的抗氧化活性。尽管从DES中获得了更佳结果,但1,2-丙二醇水溶液(70%wt%)被证明是三元DES的一个很好的替代品，因为它的简单性，它会影响溶剂的回收或采用留置策略。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.0c03553.

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