Számítógépes molekulatervezés Számolások ipari célra: a COSMO-RS és a UNIFAC Dr. Borosy András Péter.

Az előadások a következő témára: "Számítógépes molekulatervezés Számolások ipari célra: a COSMO-RS és a UNIFAC Dr. Borosy András Péter."— Előadás másolata:

1 Számítógépes molekulatervezés Számolások ipari célra: a COSMO-RS és a UNIFAC Dr. Borosy András Péter

2 Fragrance Research 2 Végcél „Uszály” (trail, sillage) 2 turbulencia Erős illat Gyenge illat

3 Fragrance Research 3 Parciális gőznyomás n Nem tiszta anyagokkal, hanem elegyekkel dolgozunk n Jó lenne tudni, merre szállnak az illatmolekulekulák n Az aktivitási együttható csak nehezen és pontatlanul mérhető P p 1, p 2, p 3, …, p i x 1, x 2, x 3, …, x i parfüm „fejtér”  i = 1  ideális, Raoult  i ≠ 1  valódi

4 Fragrance Research 4 Gőz-folyadék egyensúly

5 Fragrance Research 5 UNIversal Functional Activity Coefficient (UNIFAC) n A molekulák közötti kölcsönhatásokat funkciós csoportok közötti kölcsönhatásokkal közelíti n 1-propanol n-hexánban: n Ln γ a kombinatorikus (c) s a reziduális (r) tag összegeként írható fel: Group-Contribution Estimation of Activity Coefficients in Nonideal Liquid Mixtures, American Institute of Chemical Engineers Journal, Vol. 21, No. 6, November 1975 pp. 1086-1099.

6 Fragrance Research 6 Kombinatorikus tag n ahol x i a moltört, R k és Q k a csoport felülete és térfogata ν k a „koncentrációja”

7 Fragrance Research 7 Reziduális tag n a csoport aktivitása egyedül – az adott molekulában: n Θ m az m csoport relatív felületeinek összege a többi csoport felületéhez képest, X n a csoport moltörtje,

8 Fragrance Research 8 Reziduális tag n Ψ m,n az m és n csoport közötti kölcsönhatási paraméter ami az U m,n kölöcsnhatási energiából számolható n U m,n ≠ U m,n, új funkciós csoportok esetén ki kell mérni  n a UNIFAC konzorcium a tagoknak az éves tagdíj fejében elvégzi. n Innen már gyors és olcsó a módszer n A molekulákat elő kell állítani és el kell küldneni a konzorciumnak 

9 Fragrance Research 9 Példa

10 Fragrance Research 10 COnductor-like Screening Model (COSMO) n Poláris oldószerekben a dielektrikumok elméletén alapúló módszerek nem működnek (D-PCM) n COSMO: a molekuláris üregen (m.ü.) kívüli oldószer dielektrikum n m.ü. a vdW térfogatnál 20%-al nagyobb atomközéppontú gömbök egyesített térfogata, felületének kiszámítása valamilyen sokszög közelítéssel (pl. 3, 6 szögek), az egyes megvalósítások különböznek

11 Fragrance Research 11 COnductor-like Screening Model (COSMO) n A poláris oldószer által indukált polarizációból eredő töltéseket a vezetőkre érvényes közelítéssel számitja a m.ü.-n belül Ha a töltéseloszlás a molekulában (1) és oldószert ε permittivitása (2) ismert, a m.ü. felületén a töltés kiszámítható n A sokszög közelítés miatt bármilyen alakú molekulára alkalmazható

12 Fragrance Research 12 COnductor-like Screening Model for Real Solvents n Optimalizálás (minimális PM3 energiájú konformer//HF: tzvp_ahlrichs/DFT:BVP86) n A molekulák között kölcsönhatást m.ü.-k közötti kölcsönhatásként írja le (csak vezető !) n σ: felületi szegmensek töl. sűrűsége

13 Fragrance Research 13 σ-profil = felületi szegmensek töltés sűrűség eloszlása A. Klamt, G. Schüürmann, Journal of the Chemical Society, Perkin Transaction 2, 799 (1993)

14 Fragrance Research 14 Egymást szerető folyadékok komplementerek

15 Fragrance Research 15 A kémiai potenciál és aktivitási együttható számítása elegyekben (COSMOTherm) : n σ-profil - hisztogram, p (σ) - tárolása

16 Fragrance Research 16 Folyadék-folyadék egyensúly (logP ow ) CompoundsCOSMO-RSEXP Coumarine1.071.39 Benzylacetate2.281.96 Cyclal C2.422.85 Dimethyloctenone2.962.97 Eucalyptol3.112.74 Benzylbenzoate3.713.97 Diphenyloxide3.904.21 Lilial4.004.36 Aldehyde C12 mna4.944.67

17 Fragrance Research 17 Gőz-folyadék egyensúly COSMO-RS (  ), UNIFAC (- -) vs mérés (  ) 25  C-on levegőben

18 Fragrance Research 18 Gőznyomás 90%-a jó (vacuum-energiával még jobb!)

19 Fragrance Research 19 Gőznyomás (EPIWin 4.0)

20 Fragrance Research 20 Parfüm párolgás szimuláció: a forrásnál Az oldószer (mátrix) hatás is szimulálható. G. Járvás, A Dallos, Ch. Quellet, International Journal of Heat and Mass Transfer 54 (2011) 4630–46 Example image placeholder Küszöbkoncentráció Folyadék fázis Illatérték Time

21 Fragrance Research 21 Ellenőrzés n A folyadékfázis elemzése alapján 21 Mért Számított

22 Fragrance Research 22 Távol a forrástól Szilárd felület (elhanyagoljuk) Parfüm-film Felületi folyadékréteg levegő agy érzet Koncentráció a légtérben Gőz-folyadék egyensúly Diffúzió Párolgás Konvekció orr receptorok

23 Fragrance Research 23 Számítás menete n A párolgási szimuláció kiemenetéből (UNIFAC vagy COSMOTherm) indul diffúziós- konvekciós szimuláció (COMSOL Multiphysics) n Az OV i idő és tétbeli változásának számítása VE módszerrel (3000 pontban) n Adatok megjelenítése és integráció MatLab-bal (Pannon E.) n M.A. Teixeira, O. Rodriguez, V.G. Mata, A.E. Rodrigues, The diffusion of perfume mixtures and the odor performance, Chem. Eng. Sci. 64 (2009) 2570–2589. Impact Bloom Volume Longetivity

24 Fragrance Research 24 5 meters x x 3 m 1 m x 5 m Ellenőrzés 24 10 panelistsa Távolság: 1m, 3m, 5m - 300 µl nyitott Petri-csészében 80 cm² -en, 36°C (bőr) - állandó szélsebességgel üvegfalak között

25 Fragrance Research 25 Jerry Berson Sterling Professor Emeritus, Member of Yale faculty since 1969 n Kísérleti fizikai szerves vegyész n California Section Award James Flack Norris Award in Physical Organic Chemistry William H. Nichols Medal Roger Adams Award in Organic Chemistry Arthur C. Cope Scholar Award Oesper Award n www.chem.yale.edu/faculty/berson.html www.chem.yale.edu/faculty/berson.html

26 Fragrance Research 26 Jerry Berson Sterling Professor Emeritus, Member of Yale faculty since 1969 n Kísérleti fizikai szerves vegyész n California Section Award James Flack Norris Award in Physical Organic Chemistry William H. Nichols Medal Roger Adams Award in Organic Chemistry Arthur C. Cope Scholar Award Oesper Award n www.chem.yale.edu/faculty/berson.html www.chem.yale.edu/faculty/berson.html n „Experimentalists ignore the results of calculations at their own peril.” n > 30 évvel ezelőtt (J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 14841–14843)