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COSMOTherm

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COSMOtherm是在COSMO-RS理論基礎上計算流體的熱力學性質的軟體

在COSMO-RS理論中,每個分子都是由其表面遮罩電荷σ 來描述,如下圖所示。為了進行有效的統計熱力學計算,分子表面被分成若干面積為aeff 的小塊,並且認為這些小塊之間是相互獨立的,每個小塊的表面遮罩電荷是由量子化學中COSMO方法計算得到。由這些小塊的表面遮罩電荷密度構成的整個分子的表面密度分佈可由一個一維柱狀圖通過品質分量求和得到。
在得到各個分子的表面遮罩電荷分佈之後,分子間的相互作用通過分子表面相接觸的各小塊之間的遮罩電荷相互作用來描述,這種方法與基團貢獻法中的相互作用假設類似。分子間相互作用能量由下式得出:
1 , formula
公式中,σ 和σ 分別代表相互作用的兩個小塊的表面遮罩電荷密度,Emisfit和EHbond分別代表遮罩電荷的不對稱能量和分子間氫鍵的能量,其餘為待定參數並且已經和已知實驗資料對比並確定。
在得到分子間相互作用能量之後,經過一系列嚴格的統計熱力學理論計算,可以得到系統中各組分的化學勢。在此基礎上,系統的活度係數以及其它的一些熱物理性質,例如剩餘焓、熵、蒸氣壓等都可以獲得。這種新穎的統計熱力學運算法則比集團貢獻法更加準確,並且避免了任何範圍意義上的假設,使得此方法在有限濃度和無限稀釋的模型中同樣可靠。
 
COSMOtherm能夠快速計算純淨物以及混合物的各種熱力學性質,包括:
    •  活度係數
    •  亨利係數
    •  純淨物以及混合物的蒸氣壓
    •  汽化熱
    •  密度
    •  兩種任意溶劑中溶質的分配係數
    •  氣體、液體、固體的溶解性
    •  混合熱
    •  共沸物相圖
    •  蒸餾分離係數
    •  汽液平衡(VLE)
    •  液液平衡(LLE)
    •  固液平衡(SLE)
    •  溶液中的反應熱力學
    •  高分子的溶解性
    •  普通的吸附現象
COSMOtherm的應用:

※ 化學工程——從量子化學獲得可靠的熱力學資料
 
COSMOtherm可以用來準確的計算二元和多元混合物中的活度係數以及其它熱物理性質。
 
※ 生命科學——為藥物設計和開發提供新穎的方法獲得溶解度、分配和分子相互作用資訊
 
COSMOtherm在生命科學中的應用舉例:
 
1. 溶解性計算
 COSMO-RS計算方法可以得到化合物在純態中以及其在溶劑中的化學勢,通過這個結果可以很容易計算任何液態化合物在純溶劑或者混合溶劑中的溶解性。為了能夠預測固體化合物的溶解性,COSMOtherm中的ΔGfusion僅由三個變數來擬合,如下圖所示的一批農藥的理論值與實驗值的對比。由圖中可以看出,應用此種方法計算各種藥物或者農藥時,計算結果與實驗值符合的很好。
 
2. 分配係數的計算
 
COSMOtherm可以很容易獲得一些熟悉的溶劑系統(辛醇-水等)中溶質的分配係數, 因為每種化合物在兩相中的化學勢可以計算得。此外COSMOtherm可以構建一些並沒有被詳細研究過的分配係數模型,例如腦內的血液或者小腸的吸收等。更重要的是,COSMOtherm可以計算異構體的分配係數,並且分配係數作為分子表面的性質可以更加容易的被呈現出來。
 
COSMOtherm在藥物研究方面的應用:
 
※ 驗證性應用
  • 藥物在水中的溶解度
  • 在任意溶劑/溶劑篩選中的溶解度
  • 任何溶劑中的常用分配係數
  • 特殊分配係數,如logBB,腸吸收,人血清蛋白結合
 
※ 潛在應用
  • 靜電勢、氫鍵、親油性的統一相互作用
  • 電子場分析(MFA)價值
  • 膜模型擴展
  • 互作用位定位
  • 溶劑形貌影響
  • 其它應用
 
COSMOtherm適用範圍:
 
相比較基團貢獻法而言,COSMOtherm一個很大的優勢就是對於有機物的普遍適用性。因為有機化學中所有相關元素都已經被參數化,這樣就不會缺少相互作用的參數。與基團貢獻法相比,COSMOtherm能夠解決分子的一些細節問題,比如異構體的差異,並且很好的處理了分子內的相互作用,六人極化取代基與分子內氫鍵的電子推挽式作用。最後,COSMOtherm可以處理一些特殊的狀態,例如亞穩態化合物或者過渡態,這些在反應模擬中可以起很大作用。因此在其它方法無法正確預測一些性質的情況下,COSMOtherm是解決難題的一個有效的工具,可以說,通過以物理學為基礎的相互作用模型,COSMOtherm能説明理解液體系統中的相互作用而不是僅僅關聯這些相互作用。
 
效率:
 
量子化學密度函數的COSMO計算(DFT-COSMO)現今在PC處理器上,計算大約20個原子的化合物需要至少一夜的時間,而計算大約35個原子的化合物則需要至少兩天的時間。
值的注意的是,每種化合物的DFT-COSMO計算只需要進行一次,COSMO資料可以被存儲在資料庫中並且在之後的COSMOtherm計算中重複使用。為了方便用戶的需求,COSMOlogic提供了一個包含了上千種溶劑以及其它普遍化合物的資料庫(COSMObase)。
在得到量子化學COSMO計算資料庫之後,COSMOtherm進行一次計算,只需要幾毫秒的時間,並且可以在任何人或者多使用者的電腦中進行。因此,COSMOtherm在化學工程中是一種很有效的常規工具。

線上影片介紹: COSMOtherm: Visualizing Molecular Interactions



關鍵字:化學和流體熱動力學分析,COSMOThermX