Combination of molecular simulations and COSMO-RS for an a priori prediction of phase equilibria in systems containing large molecules

• Applicant: Dr. Liudmila Mokrushina
• Subject Area: Technical Thermodynamics
• Term: from 2010 to 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 171583471

Das Projekt hat zum Ziel, eine effiziente Methode zu entwickeln, welche Molekularsimulationen mit einem auf Quantenmechanik basierenden Modell (COSMO-RS) koppelt und in Folge eine a-priori Vorhersage von Phasengleichgewichten in Systemen mit großen Molekülen erlaubt. Diese Modellierung wird an Tensidsystemen wie mizellare und vesikuläre Lösungen getestet. Auf Quantenmechanik basierende Methoden zur Modellierung thermodynamischer Eigenschaften auf dem Gebiet der Verfahrenstechnik haben einen großen wissenschaftlichen und industriellen Erfolg. Darunter ist das COSMO-RS Modell eine der bekanntesten Methoden, die eine a-priori Vorhersage von Phasengleichgewichten in komplexen Mehrkomponenten-Systemen ermöglicht. Vor allem ist COSMO-RS eine effiziente Methode, die Verteilungskoeffizienten organischer Stoffe zwischen verschiedenen Phasen mizellarer Systeme a-priori vorhersagen kann, wobei nur die Molekülstrukturen aller beteiligten Komponenten bekannt sein müssen. Die Erlanger Forschergruppe im Lehrstuhl TVT hat nachgewiesen, dass das Ergebnis sehr von den zur Rechnung verwendeten Konformeren abhängt, wobei das Konformer mit der minimalsten Energie nicht immer das beste Ergebnis ergibt. Es wurde auch gezeigt, dass für kleine Solutemoleküle eine zuverlässige Vorhersage möglich ist, wenn eine Boltzmann-gewichtete Mischung der aus einer Konformeranalyse im Vakuum gewonnenen Konformeren verwendet wird. Diese Vorgehensweise ist bei den großen Tensidmolekülen nicht möglich, da eine Vielzahl von Konformeren existiert und die Rechenzeit ins Unendliche wachsen würde. In diesem Fall muss die Vorhersage auf Sets mit limitierter Konformeranzahl basieren. Die Antragstellerin hat nachgewiesen, dass sich die Ergebnisse stark für verschiedene Konformersets großer Moleküle verändern. Außerdem können manche Moleküle durch die Wechselwirkung mit den Lösungsmittelmolekülen unterschiedliche Konformationen in einem hydrophoben und einem hydrophilen Lösungsmittel ausbilden. Deswegen ist es sehr wichtig, eine konsistente Methode zu entwickeln, welche repräsentative Konformersets großer Tensidmoleküle liefern kann. Eine solche Methode auszuarbeiten ist das Ziel dieses Vorhabens. Um dieses Ziel zu erreichen, soll das COSMO-RS Modell mit molekulardynamischen Simulationen (MD) in Gegenwart des gewünschten Lösungsmittels (hydrophob oder hydrophil) kombiniert werden. Dabei wird MD für das Sampling des Konformationsraums großer Tensidmoleküle verwendet. Konformationen, die im System existierende Tensidmoleküle adäquat beschreiben, werden nach bestimmten Auswahlkriterien aus allen MD-Konformationen entnommen und in das COSMO-RS Modell eingesetzt. Die Auswahl soll auf den Wahrscheinlichkeiten des Vorhandenseins der Konformationen basieren. In Vorarbeiten zu diesem Antrag wurde gezeigt, dass die Größe und die Form der Konformation, z.B. ausgedrückt durch den Gyrationsradius, wichtige Kenngrößen zu sein scheinen. Sie werden für das Clustering der MD-Konformationen verwendet. Als Endergebnis wird eine effiziente Methode für die Auswahl der Konformationen großer Moleküle als Basis für COSMO-RS erstellt. Es ist zu erwarten, dass diese erarbeitete Vorgehensweise eine zuverlässige und reproduzierbare Vorhersage von Aktivitäts- und Verteilungskoeffizienten erlaubt. Dies gilt nicht nur für kolloidale Systeme sondern auch für andere komplexe Fluidsysteme, welche große Moleküle, z.B. Wirkstoffe und/oder Makromoleküle, enthalten.

• DFG Programme: Research Grants