【COSMOlogic应用实例】用COSMO-RS σ-profile作为分子描述符预测深共晶溶剂的电导率:定量的结构性质研究

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【COSMOlogic应用实例】用COSMO-RS σ-profile作为分子描述符预测深共晶溶剂的电导率:定量的结构性质研究

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    摘 要

这项工作介绍了预测深共晶溶剂(DESs)电导率的分子基础数学模型的发展。利用文献数据,建立了两种基于真实溶剂类导体筛选模型(COSMO-RS)分子电荷密度分布(scm-profiles)的定量结构性质关系(QSPR)模型。数据包括21个铵基和膦基DESs的236个电导率实验测量值,涵盖了广泛的温度和摩尔比范围。首先,利用COSMO-RS对每个DES的氢键受体(HBAs)和氢键供体(hbd)进行了成功建模。然后,将计算得到的σ-profile作为分子描述符。两种模型中电导率与描述子之间的关系均通过多元线性回归表示。第一个模型考虑了HBA、HBD、摩尔比和温度的结构,而第二个模型额外考虑了分子描述符之间的相互作用。结果表明,考虑相互作用后,预测模型的回归系数(R2)可由0.801提高到0.985。此外,利用适用性域分析进一步评估模型的范围和可靠性。结果表明,以σ-profile为分子描述子的QSPR模型能够很好地描述DESs的性质。因此,本文所建立的模型可作为工业应用中选择具有理想导电性的DESs的参考依据。

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     引 言 

溶剂在许多工业应用中都非常重要,包括化妆品、金属精炼、生物化学、食品、制药和废水处理领域。此外,由于溶剂约占一个过程中所使用的化学产品总量的五分之四,因此,为特定的应用选择具有理想性能的最佳溶剂是至关重要的。

 

本文采用多元线性回归(MLR)方法,以COSMO-RSσ-profile为分子描述符,提出了两种新的DESs电导率线性预测QSPR模型。第一个QSPR模型考虑了HBA的结构、HBD、摩尔比和温度。第二个模型考虑了第一个模型的所有参数,并附加了描述符之间的相互作用。此外,利用适用性域(AD)分析进一步评估模型的范围和可靠性.

    

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方  方 法 

在本工作中,进行COSMO-RS计算并生成HBA和HBD每个分子的σ-profile主要分为三个步骤:

(i) 通过Turbomole构建分子的三维结构

(ii) 通过Turbomole优化分子的基态几何

(iii) 在COSMO-RS中实现分子模型,所使用的计算和建模方法在我们之前的工作中有更详细的描述。

 

首先,使用Turbomole软件包(TMoleX版本4.2)构建所有选定HBA和HBD的3D结构。TMoleX是Turbomole量子化学软件包的图形用户界面版本。其次,在密度泛函理论(DFT)水平上通过B3LYP (Becke, 3-parameter, Lee Yang Parr)泛函,以def-TZVP基组对每个分子的几何形状进行优化。图1显示了本研究中使用的HBA和HBD的三维分子结构和表面电荷密度。然后使用TMoleX软件将每个分子的几何形状导出为COSMO文件。第三,将创建的HBA和HBD的COSMO文件导入COSMO-RS软件(COSMOThermX),以准备DES描述符集。图2显示了在使用COSMOThermX绘制的1:1摩尔比下,本研究中使用的DES描述符集的三维分子结构和表面电荷密度。红色的区域代表负极(接受氢)表面;蓝色的区域代表正(供氢)表面。

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从图2还可以直观地看出COSMOThermX软件检测到了DESs的hba和hbd之间的氢键相互作用。

   

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     结果与讨论 

计算了本研究中使用的HBA和HBD的σ-profile,分别如图3和图4所示。σ-profile可分为三个主要区域:

(i) HBD区域(负电荷密度)

(ii) 非极性区域(几乎中性电荷密度)和

(iii) HBA区域(正电荷密度)。这种划分是可能的,因为HBA或HBD分子的每个组成原子都可以通过具有特定屏蔽电荷密度值σ的特定峰值来识别。

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图5显示了一个奇偶性图,其中实验值与预测值进行了对比。观察到实验电导率点偏离对角线,有明显的色散。

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图6所示的残差分析也显示了类似的结果,残差高度偏离水平零线(在+8到6之间)。因此,可以得出结论,该模型最多被认为是定性的,作为电导率的定量预测模型还不够充分。因此,在下一节中将考虑另一种方法。

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图7显示了一个奇偶性图,其中实验值与预测值进行了对比。实验电导率点分布在对角线上,色散非常窄。

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图8所示的残差分析也证实了可靠的预测,残差在+3和2之间偏离。

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从图9可以看出,第一个模型eq 8的AD图显示,大多数被调查的DESs都在被提议模型的AD边界内(0.000

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图10表示第二个模型(eq 9)的AD (William plot)DESs在模型的AD边界内(0.0

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总  总 结 

作为我们之前工作的延续,我们开发了两个新的线性QSPR模型来预测DESs的电导率。该模型采用COSMO-RS分子电荷密度分布(Sσ-谱)作为分子描述符,利用B3LYP泛函进行计算。用于模型开发的数据集是从文献中获得的。该数据由21种氨基和磷基DESs的236个实验电导率测量数据组成,涵盖了广泛的温度和摩尔比范围。采用MLR作为QSPR模型的数学表达式。第一个模型考虑了HBA、HBD、摩尔比和温度的结构,而第二个模型额外考虑了分子描述符之间的相互作用。结果表明,考虑相互作用后,预测模型的回归系数(R2)可由0.801提高到0.985。此外,利用AD分析进一步评估了两种模型的范围和可靠性。所建立的模型是可靠的,无需额外的实验测量即可使用,因此可作为电极筛选和电极选择研究的有用指南,以选择工业应用中具有理想导电性的电极。研究结果表明,以σ-profile作为分子描述子的QSPR模型(包括它们之间的相互作用)能够很好地预测DESs的性质,特别是与不包括描述子之间相互作用的模型相比。然而,对其他广义梯度近似的探索可以提高这些QSPR模型的预测能力。例如,可以探索和比较B3LYP以外的其他泛函,如BP86 (Becke Perdew 86)泛函或PW91 (Perdew Wang 91)泛函。

 

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     北京泰科涉及行业 

材料研发

基于BIOVIA Materials Studio材料设计平台,提供涉及电池、航空航天、国防军工、建筑、涂料涂层等多领域材料研发软件及综合解决方案。

 

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• 试剂耗材管理

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     部分产品 

量化材料类

• Crystal:固体化学和物理性质计算软件

• Diamond:晶体结构数据可视化分析

• Endeavour:强大的求解晶体结构的软件

• Molpro:高精度量化软件

• Molcas:多参考态量软件                   

• Turbomole:快速稳定量化软件

• TeraChem:GPU上运行的量化计算软件

• Spartan:分子计算建模软件

 

数据分析类

• GelComparll:凝胶电泳图谱分析软件

• SimaPro:生命周期评估软件             

• Unscrambler:完整多变量数据分析和实验设计软件      

• CSDS:剑桥晶体结构数据库

• lCDD:国际衍射数据中心数据库

• ICSD:无机晶体结构数据库

• Pearson’s CD:晶体数据库

    

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     公司简介 

北京泰科博思科技有限公司(Beijing Tech-Box S&T Co. Ltd.)成立于2007年,是国内领先的分子模拟及虚拟仿真综合解决方案提供商。

 

北京泰科博思科技有限公司与国际领先的模拟软件厂商、开发团队深入合作,为高校、科研院所和企业在材料、化工、药物、生命科学、环境、人工智能及数据挖掘、虚拟仿真教学等领域提供专业的整体解决方案。用户根据需要在我们的平台上高效的进行各种模拟实验,指导实际的生产设计。

 

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2022年第38期应用实例赏析-01

   

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