实验-计算对比：溶质与溶剂存在异构、二聚三聚化、分解、缔合的现象如何处理（VLE/LLE与萃取分配系数）

有时分子在溶液中的行为方式，无法通过标准 COSMO-RS 理论的“一种物质一种结构”这种模式准确捕捉。标准 COSMO-RS 的单结构思想，相当好地代表了大部分化学空间，但往往无法准确描述行为更复杂的溶液。其中行为复杂的体系可能包括：

• 以多种构象异构体存在的化合物
• 可能发生二聚化、三聚化等的化合物
• 在溶液中可分解成多种物质的化合物
• 与溶液中其他分子（如溶剂）明确结合的化合物

本功能旨在：允许用户为某个成分输入多种结构，来描述此类体系固有的复杂性。然后通过热力学定律得到所有这些成分的比例，然后计算出化合物热力学性质的最终“表观”值。

本文还将讨论一些技巧，并指出一些可能有助于理解这种“多结构”计算结果的 GUI 功能。此外，我们将引导用户了解一些实际示例，展示这种方法的好处。

在本例中，我们将研究乙酸/庚烷体系。在这个体系中，乙酸倾向于二聚化，乙酸分子存在异构体，因此这是一个很好的测试案例，然后与使用单一结构的标准 COSMO-RS 计算结果进行比较，可以展示在 COSMO-RS 计算中包含“多结构”的优势。

需要用到的coskf文件下载解压，其中包括乙酸的 3 种结构：2 种异构体和 1 种二聚体，如下所示：

依次为：最低能量构象异构体、较高能量构象异构体和二聚体。

在这种情况下，我们将有意选择能量较高的异构体，以说明结果可能受到构象异构体选择不当的显著影响。

然而如果我们使用使用“多结构”化合物时，用户在决定选择哪些异构体结构，加入“多结构化合物”时不必过于谨慎，因为在计算中会自动根据热力学定律优先选择能量最低的异构。

标准计算，以二元混合物气液/液液平衡为例：

SCM → COSMO-RS打开该模块，Compounds - Add compound(s)，选择coskf后缀，并添加前一步制作好的所有*.coskf文件，添加后窗口的列表中有所显示。

然后计算：

Compounds → Compound with multiple forms，将两种异构体加入：

注意：底部有个熵、焓矫正，这个数值并不容易得到，如果没有的话，这里保持默认的0值即可，如果有则更精确。熵、焓矫正的含义，参考：焓和熵校正

点击Save，保存例如名为acetic_acid_conformers.multipleform的文件，然后计算如下（注意图中红框选择了刚才生成的“多结构化合物”）：

生成包含异构体、二聚体的“多结构化合物”：

上面窗口的含义是：acetic_1和acetic_2是异构体，acetic_dimer是m1（即列表中的第一个分子acetic_1）的二聚体。

点击save按钮，保存为例如名为acetic_acid.multipleform的文件，然后计算如下（注意图中红框选择了刚才生成的“多结构化合物”）：

Graph → Y Axis → Liquid phase composition 1，会显示如下结果：

具体数据、图形含义，参考相关教程：如何计算二元相平衡（汽－液平衡、液－液平衡）：Gibbs能、过剩Gibbs自由能、过剩焓、过剩熵、总蒸气压和分压、如何计算三元混合物的汽－液、液－液平衡、共沸。

最后，我们可以将计算出的活性与 3 种情况下的实验值$^{[1]}$进行比较：（1）使用单一结构的乙酸，该结构也不是最低能量构象异构体；（2）使用两种构象异构体；（3）同时使用两种构象异构体和二聚体。

在本例中，我们将研究乙醚/氯仿体系中发生的缔合效应。观察到这种效应是因为氯仿中的氢原子缺电子并与乙醚中的氧形成氢键。涉及到的三种结构，依次为：乙醚、氯仿和相关复合物

相关的*.coskf下载解压。

导入*.coskf文件略过（方法如上），下同。

上图的含义：Diethyl_ether是乙醚，底部红框内的含义为，描述缔合物Diethyl_ether_chloroform是Chloroform与a1（即Conformer列表里面的第一个分子，即Diethyl_ether）结合得到的。需要告诉程序，它们之间的这种关系。

当然也可以在Conformers列表添加Chloroform，然后下面的Chloroform改为Diethyl_ether，也是完全一样的。

点击Save保存，然后使用这种“多结构化合物”代替Diethyl_ether，与Chloroform进行二元VLE/LLE计算：

将两种方法与实验$^{[2]}$进行比较。我们观察到，考虑多结构化合物后，大大提高了与实验值的一致性：

本例研究水和氯仿溶剂中安非他明的异构体群体差异。此外，我们将研究安非他明的异构体如何影响分配系数。安非他明有三类异构体，在文献$^{[3]}$中表示为 t 型、g 型和 h 型，如下所示：

对于每个构象异构体，我们可以额外旋转 CN 键，为上述每个构象异构体产生 3 个额外的构象异构体。下图显示了 t 型安非他明的三种构象：

相关*.coskf文件下载解压即可。

保存为AMP_9conformers.multiform文件。

Properties → Partition Coefficient(LogP) → Solvent选择User Defined 2 components，然后设定两种溶剂，并在溶质中选择刚才生成的AMP_9conformers：

点击Run，得到结果（logP的值当然得到了，但此处略过不提，具体数据查看，参考教程：计算有机体系萃取分配系数、辛醇-水分配系数、亲脂性）：

将结果中 t 型、g 型和 h 型的所有 3 种构象的种群的数值相加，与 H-NMR 数据$^{[3]}$得出的异构体种群结果进行比较，我们观察到与我们的预测高度一致，如下图所示：

例如，红色框中的三个组分，对应的都是 t 型，三者的权重加起来是0.64。

我们还可以对每个单独的构象进行 logP 计算。只需.multiform从溶质窗口中删除文件（也可以不删除），添加所有单独的.coskf文件，然后单击Run。结果显示，对于不同的构象，计算出的 logP 范围为 1.98 到 2.92：

情况有：

• 化合物，例如阴阳离子，比如离子液体
• 二聚体
• 化合物-溶剂缔合

对于化合物，如果化合物本身在溶液中也是一种组分，分解为阴阳离子也是一种组分，最典型的比如水分子，既存在水，也存在OH-、H+，那么三者的*.coskf文件都应该生成。然后在此处生成多结构化合物：

含义为：H+和OH-是从化合物d1（即H2O）解离得到，二者比例是1:1。如果是分解为三组分，这里就类似地多一个d1.C，然后对应的摩尔比写入就可以了。

化合物-溶剂缔合、二聚体的请也是类似的逻辑。Dissociated后面的选项框改选为Compound+solvent或Dimmer即可。

如果是在溶液中完全解离的情况，例如离子液体，那这里甚至不需要在Conformer中导入阴阳离子组合为中性分子的*.coskf文件，直接在下面分别导入阴阳离子，正确填入摩尔比，然后Save即可。

1. Lark, Bhajan S., et al. Excess Gibbs energy for binary mixtures containing carboxylic acids. 1. Excess Gibbs energy for acetic acid+ cyclohexane,+ benzene, and+ n-heptane. Journal of Chemical and Engineering Data 29.3 (1984): 277-280.
2. Becker F.; Kiefer M.; Rhensius P.; Schaefer H.D.: Interpretation von Dampfdruckdiagrammen binärer flüssiger Mischungen mit Hilfe von Gleichgewichtsmodellen. Z.Phys.Chem.(München) 92 (1974) 169-192
3. Noszál, B., & Kraszni, M. (2002). Conformer-specific partition coefficient: Theory and determination. The Journal of Physical Chemistry B, 106(5), 1066-1068.