屹昂计算化学软件(上海)有限公司

 Aeon Computational Chemistry Software (Shanghai) Co. Ltd.

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COSMOLogic产品介绍

COSMO系列产品是在COSMO-RS理论基础上发展起来的适用于不同体系的一套软件。主要可以在量化计算的基础上预测任意组份的混合溶液的热力学性质,包括:活度系数,液气平衡(VLE),液液平衡(LLE),固液平衡(SLE),共沸点,浑溶隙,蒸馏分离性,气体、液体、固体(包括晶体) 的溶解度,蒸汽压,汽化热,亨利常数,溶质在两个任意溶剂中的分配系数,混合热(混合物的超额焓及自由焓),溶液中反应热力学,化学势, 化学势梯度,纯化合物的密度与粘度。适用范围包括有机溶液,离子溶液,高分子,药物分子等。在化学工程流程设计,化工溶剂 (包括离子溶剂)筛选和药物分子筛选等领域有广泛的应用。

未命名COSMOtherm是在COSMO-RS理论基础上计算流体热力学性质的软件。在COSMO-RS理论中,每个分子都是由其表面屏蔽电荷σ来描述,如右图所示。为了进行有效的统计热力学计算,分子表面被分成若干面积为aeff的小块,并且认为这些小块之间是相互独立的,每个小块的表面屏蔽电荷是由量子化学中COSMO方法计算得到。这样,由这些小块的表面屏蔽电荷密度构成的整个分子的表面屏蔽电荷密度分布可由一个一维柱状图表示,这种图被称为σ表征图。下图所示为几种典型化合物的σ表征图。

未命名

对于混合物的系统,其σ表征图是将各组分的σ表征图通过质量分量求和得到。

在得到各个分子的表面屏蔽电荷分布之后,分子间的相互作用就可以通过分子表面相接触的各小块之间的屏蔽电荷相互作用来描述,这种方法与基团贡献法中的相互作用假设类似。分子间相互作用能量由下式得出:

公式中,σ和σ’分别代表相互作用的两个小块的表面屏蔽电荷密度,Emisfit和EH-bond分别代表屏蔽电荷的不对称能量和分子间氢键的能量,其余为待定参数并且已经和已知实验数据对比确定。

在得到分子间相互作用能量之后,经过一系列严格的统计热力学理论计算,可以得到系统中各组分的化学势。在此基础上,系统的活度系数以及其他的一些热物理性质,例如剩余焓、熵、蒸气压等都可以获得。这种新颖的统计热力学运算法则比基团贡献法更加准确,并且避免了任何范围意义上的假设,使得此方法在有限浓度和无限稀释的模型中同样可靠。

应用

COSMOtherm可以用来准确的计算二元和多元混合物中的活度系数以及其它热物理性质。

未命名未命名 
溶解性的计算
COSMO-RS计算方法可以得到化合物在纯态中以及其在溶剂中的化学势,通过这个结果可以很容易的计算任何液态化合物在纯溶剂或者混合溶剂中的溶解性。为了能够预测固体化合物的溶解性,COSMOtherm中的Gfusion仅由三个变量来拟合,如下图所示的一批农药的理论值与实验值的对比。由图中可以看出,应用此种方法计算各种药物或者农药时,计算结果与实验值符合的很好。


分配系数的计算
COSMOtherm可以很容易获得一些熟悉的溶剂系统(辛醇—水等)中溶质的分配系数,因为每种化合物在两相中的化学势可以计算得到。此外,COSMOtherm可以构建一些并没有被详细研究过的分配系数模型,例如脑内的血液或者小肠的吸收等。更重要的是,COSMOtherm可以计算异构体的分配系数,并且分配系数作为分子表面的性质可以更加容易的被呈现出来。
 
COSMOtherm适用范围

相比较基团贡献法而言,COSMOtherm一个很大的优势就是对于有机物的普遍适用性。因为有机化学中所有相关元素都已经被参数化,这样就不会缺少相互作用的参数。与基团贡献法相比,COSMOtherm能够解决分子的一些细节问题,比如异构体的差异,并且很好的处理了分子内的相互作用,例如极化取代基与分子内氢键的电子推挽式作用。最后,COSMOtherm可以处理一些特殊的状态,例如亚稳态化合物或者过渡态,这些在反应模拟中可以起很大的作用。因此,在其他方法无法正确的预测一些性质的情况下,COSMOtherm是解决难题的一个有效的工具,可以说,通过以物理学为基础的相互作用模型,COSMOtherm能帮助理解液体系统中的相互作用而不是仅仅关联这些相互作用。

效率

量子化学密度函数的COSMO计算(DFT-COSMO)现今在PC处理器上,计算大约20个原子的化合物需要至少一夜的时间,而计算大约35个原子的化合物则需要至少两天的时间。

值得注意的是,每种化合物的DFT-COSMO计算只需要进行一次,COSMO数据可以被储存在数据库中并且在之后的COSMOtherm计算中重复使用。为了方便用户的需求,COSMOlogic提供了一个包含了上千种溶剂以及其它普遍的化合物的数据库(COSMObase)。

在得到量子化学COSMO计算数据之后,COSMOtherm进行一次计算只需要几毫秒的时间,并且可以在任何个人或者多用户的计算机中进行。因此,COSMOtherm在化学工程中是一种很有效的常规工具。

参考文献
A. Klamt, J. Phys. Chem. 99(1995) 2224.
A. Klamt, V. Jonas, T. Buerger, J.C.W. Lohrenz, J. Phys. Chem. A, 102(1998) 5074
A. Klamt, F. Eckert, Fluid Phase Equilibria 172(2000) 43 

COSMOtherm能够迅速计算纯净物以及混合物的各种热力学性质,包括

活度系数
亨利系数
纯净物以及混合物的蒸气压
汽化热
两种任意溶剂中溶质的分配系数
蒸馏分离系数
混合热
共沸物相图
汽液平衡
(VLE)
液液平衡(LLE)
固液平衡(SLE)
气体,液体,固体的溶解性
溶液中的反应热力学
高分子的溶解性
普通的吸附现象

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