基于COSMO-SAC模型预测烟碱+醇二元体系汽-液相平衡
邓芙蓉 1季常征 1牛亚鹏 2 ![]()
冯晓民 2孟祥士 2张孟伟 2彭昌军 1
1. 华东理工大学化学与分子工程学院，上海 200237
2. 河南中烟工业有限责任公司技术中心，河南 郑州 450016DOI：10.12034/j.issn.1009-606X.223182
摘 要 类导体屏蔽片段活度系数模型(COSMO-SAC)可直接通过量子化学计算实现相平衡等性质的预测。本工作结合COSMO-SAC模型预测了烟碱分别与一元醇(甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、戊醇、己醇、庚醇、辛醇)和多元醇(乙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、丙三醇)组成的二元体系的汽-液相平衡。结果表明，醇与烟碱的二元体系均为正偏差体系；其中，一元醇与烟碱的二元体系均为一般正偏差体系，相图轮廓类似，但随着醇类物质碳链数目增加，汽-液共存区的面积减小；烟碱与多元醇构成的二元体系均会出现恒沸现象，是一个具有最低恒沸点的系统。温度越高，恒沸混合物形成的压力和比例也越高。在101.3 kPa下，丙三醇/烟碱体系的恒沸温度和恒沸组成分别为511.4 K和0.261，1,2-丙二醇/烟碱的为459.5 K和0.857，1,3-丙二醇/烟碱的为483.0 K和0.727，乙二醇/烟碱的为467.0 K和0.889。研究结果为指导烟碱的纯化分离以及认识烟碱的释放规律提供了理论数据。关键词 烟碱；醇；COSMO-SAC；汽-液相平衡；预测烟碱(也称尼古丁)是由吡咯环与吡啶环两个氮杂环构成的有机化合物，是一种存在于茄科植物(茄属)中的生物碱，也是具有药用价值的活性物质。烟碱主要从烟草中提取，主要提取方法包括传统溶剂(醇、醚)萃取法、CO2超临界萃取法和最低共熔溶剂法等，并可结合超声、微波以及减压内部沸腾等强化技术，其目的在于采用合适的溶剂最大限度地从烟草中萃取出烟碱[1-6]。从萃取液中分离获得的高纯度烟碱可进一步采取蒸馏和溶剂反萃取法[7]纯化。为此，人们开始关注含烟碱溶液的相行为，构建了含高分子、无机盐以及离子液体的双相体系[8-13]，证实了利用盐析效应可从混合物中分离得到较高纯度的烟碱，而对于双相体系的研究需要获得含烟碱体系的相平衡数据。此外，近些年来出现的不燃烧型烟碱制品中均添加有甘油、1,2-丙二醇等物质[14,15]。在热驱动下，制品中烟碱、甘油、1,2-丙二醇的释放传质过程将向相平衡趋近。因此，研究含烟碱体系的相平衡对于指导烟碱的分离纯化、探究烟碱汽化释放规律具有重要意义。相平衡数据主要包括含烟碱双相体系液-液相平衡[8-13]，烟碱与水体系的汽-液与液-液相平衡[16]以及烟碱与CO2体系在高压下的汽-液以及汽-液-液相平衡[17]。除实验外，也可采用理论模型关联与预测体系的相平衡[16,17]。由于烟碱样品的特殊性以及实验测试难度，有关醇溶剂提取烟碱以及烟碱制品中涉及的烟碱与多元醇系统的汽-液相平衡研究极少。基于此，本工作采用类导体屏蔽片段活度系数模型(COSMO-SAC)[18]预测了烟碱分别与一元醇(甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇、丁醇、戊醇、己醇、庚醇、辛醇)和多元醇(乙二醇、1,2-丙二醇、1,3-丙二醇、丙三醇)组成的二元系统的汽-液相平衡数据，考察了恒温与恒压下液相组成对平衡时压力和温度以及汽相组成的影响。COSMO模型是一种连续介质溶剂化模型[19]，由此可构建真实溶剂似导体屏蔽热力学预测模型(COSMO-RS)[20]。COSMO-RS的核心是将分子表面划分为具有不同电荷密度的等面积片段，通过表面电荷密度分布(σ- profile)度量分子间的相互作用能，再由统计热力学方法计算分子的化学势，从而达到预测热力学性质的目的，这也是该模型应用的突出优点。基于COSMO-RS模型的原理，Lin等[18]提出了类导体屏蔽片段活度系数模型(COSMO-SAC)。在借鉴COSMO-RS模型片段化学式求解的基础上，COSMO-SAC模型对氢键的贡献作了精细描述，并将静电相互作用参数视为温度的函数，提高了模型的预测精度[21,22]。目前，COSMO基模型已广泛应用于各种不同系统的热力学性质(汽体溶解度、汽液平衡、液液平衡、分配系数等)的计算，成为热力学性质预测和溶剂筛选的强大工具[18,21-26]。与COSMO-RS商用软件不同，COSMO-SAC模型提供开源代码，用户可方便将其拓展至高温高压系统[27]、离子液体[25,26]以及氨基酸[28]等复杂系统。采用COSMO-SAC模型预测了烟碱+水二元系统汽液相平衡，在101.3 kPa下预测的恒沸点组成为0.9689，温度为372.24 K，这与ASPEN Plus V11软件给出的0.9972和372.72 K的数据吻合，说明采用COSMO-SAC模型可预测烟碱系统的相平衡。基于此，本工作借助Materials Studio (V7.0)中的DMol3模块、使用GGA/VWN-BP密度泛函形式和DNP+基组[29,30]对分子结构进行优化，得到COSMO文件和分子间的相互作用能，重点是获得物质表面电荷密度分布(σ-profile)，然后利用COSMO-SAC模型预测热力学性质。对于含烟碱的系统，假设汽相可视为理想气体混合物，汽-液平衡时，有：
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式中，p为系统总压，xi和yi分别为组分i在液相和汽相中的摩尔分数，γi为组分i在液相中的活度系数，由COSMO-SAC模型计算得到，具体细节可参阅文献[18,21,22]。不同温度下，物质的饱和蒸汽压可依据Antoine方程[31]计算：
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式中，![]()
为组分i的饱和蒸汽压(kPa)，T为温度(K)，A, B, C为Antoine方程中的参数。表1给出了相应物质的Antoine参数[32-34]。表1 烟碱和醇的Antoine常数Table 1 Antoine constants for nicotine and alcohols
图1为不同物质的σ-profile，图中的两条垂直虚线代表氢键的截断值(σ=±0.82 e/nm2)，虚线将图谱分成三个区域，从左往右依次为极性区(氢键供体区)、非极性区、极性区(氢键受体区)[27]。当表面电荷密度σ<-0.82 e/nm2时，表示分子可以提供质子形成氢键，为氢键供体区。该区域的峰值越高或越往左移，代表物质提供质子的能力越强。反之，当σ>0.82 e/nm2时为氢键受体区，表示分子可以接受质子形成氢键。该区域的峰值越高或越往右移，表示分子接受质子的能力越强。当表面电荷密度-0.82 e/nm2≤σ≤0.82 e/nm2时，为非极性区，表现为范德华相互作用。σ-profile体现了分子表面的极化作用，也决定着分子间作用能的大小。物质不同，其σ-profile也不同，且具有唯一性。![]()
图1 烟碱与一元醇(a)和多元醇(b)的表面电荷密度分布Fig.1 σ-profiles of nicotine with mono-alcohols (a) and poly-alcohols (b)由图1可知，烟碱在氢键供体区几乎表现为一条平行于σ轴的直线，在氢键受体区会出现峰，说明烟碱仅可作为氢键受体接受质子形成氢键。但其他醇类物质在氢键供体区与受体区均存在峰，表明醇类分子既可交叉缔合形成氢键，也可自缔合形成氢键。σ-profile也显示，对于一元醇，随着碳原子数的增加，非极性区峰的高度也会增加，即分子的极性会减弱。对于多元醇，在非极性区，1,3-丙二醇的峰高稍高于1,2-丙二醇，也稍高于丙三醇和乙二醇的峰，从非极性区的角度说明乙二醇的极性最强。但从氢键供体区峰的高度，以及峰位置离氢键分隔线的距离可知，丙三醇提供质子的能力最大，即丙三醇更容易与烟碱形成氢键，其次是1,2-丙二醇，随后是乙二醇和1,3-丙二醇。醇与烟碱分子间的氢键作用大小主导了分子间的相互作用。烟碱与丙三醇、1,2-丙二醇、乙二醇、1,3-丙二醇的相互作用能分别为-43.62, -39.20, -30.99和-30.21 kJ/mol，这一顺序与分子间氢键缔合强度基本一致。此外，由于1,3-丙二醇与烟碱的相互作用弱于1,2-丙二醇与烟碱的相互作用，可以预测，在含烟碱的多元系中，采用1,3-丙二醇替换1,2-丙二醇将更有利于促进烟碱的汽化释放，实验中发现了相同规律[35]。图2为基于COSMO-SAC模型预测获得的一元醇(C1~C3)+烟碱二元体系的恒温相图与恒压相图。图中实线(L)为平衡时的液相线，虚线(V)代表汽相线。x1和y1代表混合物中一元醇的液相与汽相组成。考虑到低碳醇的临界温度均低于573.15 K，恒温计算时的温度统一设置为493.15 K，恒压计算时压力则设置为101.3 kPa。预测结果表明，甲醇、乙醇、丙醇、异丙醇均不会与烟碱形成共沸物，相图轮廓基本类似。由图2(a)可知，液相线由高到低按甲醇>乙醇>丙醇>异丙醇排序，这与醇的饱和蒸汽压排序一致。液相线均位于连接两纯物质饱和蒸汽压所构成直线的上方，说明体系为正偏差系统，蒸汽总压高于理想溶液的蒸汽总压。此外，四个体系的汽相线基本重合，均表现为即使在液相组成极低的情况下，汽相中醇的摩尔分数也会相当高。这种特征在恒压相图上的表现见图2(b)。此时，液相线(泡点线)所处的位置刚好与图2(a)中液相线的位置相反，而汽相线(露点线)基本重合，出现这种现象与物质沸点有关。例如甲醇的沸点为337.66 K，烟碱的沸点为520.15 K，二者相差较大，因此，在相同温度下甲醇更易从液相中挥发进入汽相，从而导致汽相中甲醇的摩尔分数一直维持在一个较高的水平。![]()
图2 醇(C1~C3)+烟碱恒温(a)与恒压(b)相图Fig.2 Isothermal phase diagram (a) and isobaric phase diagram (b) for alcohol (C1~C3)+nicotine图3是基于COSMO-SAC模型预测获得的一元醇(C4~C8)+烟碱二元体系的恒温相图与恒压相图。相图的特征与图2基本一致，烟碱与一元醇(C4~C8)也不会形成共沸物；饱和蒸汽压越高或沸点越低，恒温相图中的液相线的位置越高；所有二元体系均为正偏差系统。但最大的差别在于，随着醇类物质碳数增加，汽相线会出现明显差异，且汽-液共存区的面积会减小。这是由于随着醇类物质碳数增加，其饱和蒸汽压降低(沸点增加)，其与烟碱的饱和蒸汽压(沸点)的差距也越来越小，相图中则汽-液共存区的面积会逐渐变小。尽管在恒温相图中，汽相中醇的摩尔分数依然较大，但与甲醇+烟碱等低碳醇相比，汽相线的变化幅度稍平缓。![]()
图3 醇(C4~C8)+烟碱恒温(a)与恒压(b)相图Fig.3 Isothermal phase diagram (a) and isobaric phase diagram (b) for alcohol (C4~C8)+nicotine由图1可知，醇既可自行形成氢键，也可以接受质子形成氢键，但烟碱只能吸引供体的质子形成氢键。当作为氢键受体的烟碱分子加入时，会破坏醇分子自身形成的氢键，导致醇的挥发能力增强。因此，醇与烟碱组成的体系一般是正偏差的非理想体系。但实际上，恒温相图中的液相线基本可视为直线。结合理想溶液的汽液恒温相图特征可知，一元醇+烟碱二元系统可近似处理为理想溶液。此外，恒压相图中，平衡时汽液两相组成的差异会随醇分子中碳链的增加而缩小。这说明，采用普通精馏或蒸馏更容易分离低碳醇与烟碱组成的混合物，但考虑到常压下烟碱的沸点较高，实际应用时可采用减压。图4为基于COSMO-SAC模型预测获得的烟碱+乙二醇二元体系的恒温相图与恒压相图。图中实线(L)为平衡时的液相线，虚线(V)代表汽相线。考虑到高碳醇的临界温度较高，以及实际烟碱制品的温控条件[14,15]，恒温计算选择的温度分别为473.15, 493.15, 533.15和573.15 K。恒压计算时压力则设置为101.3 kPa。由图4(a)可知，乙二醇与烟碱会出现恒沸物，温度越高，出现恒沸物所需压力越高，恒沸物中乙二醇的组成比例也越高。结合图4(b)的恒压相图可知，烟碱+乙二醇是一个具有最低恒沸点的体系。![]()
图4 烟碱+乙二醇恒温相图(a)和恒压相图(b)Fig.4 Isothermal phase diagram (a) and isobaric phase diagram (b) for nicotine+ethylene glycol一般醇与醇分子形成的氢键属于强氢键，而烟碱只能吸引质子形成氢键，其氢键强度比醇与醇自缔合形成的氢键强度弱，即烟碱与醇分子间的相互作用比醇与醇分子间相互作用弱。因此，仅作为氢键受体的烟碱与乙二醇组成的体系将是一个正偏差的非理想体系。只不过正偏差程度较大导致体系出现恒沸混合物。COSMO-SAC的预测结果完全显示了这一特征。101.3 kPa下预测的恒沸温度为467.0 K，恒沸物中乙二醇的摩尔分数为0.889。这说明，当采用精馏塔分离烟碱组成大于0.111的混合物时，塔底可获得纯烟碱。但对烟碱组成小于0.111的混合物，采用普通精馏将得不到纯烟碱。图5给出了1,3-丙二醇+烟碱二元体系恒温与恒压相平衡的COSMO-SAC预测结果。与图4所示的乙二醇+烟碱体系一样，1,3-丙二醇+烟碱也是一个出现最大正偏差的非理想体系，具有最低恒沸点。温度越高，出现恒沸混合物的压力也越高，恒沸物中1,3-丙二醇的组成越高。101.3 kPa下，COSMO-SAC模型预测得到的恒沸温度为483.0 K，恒沸物中1,3-丙二醇的摩尔分数为0.727。当组成低于0.727时，汽相中1,3-丙二醇的摩尔分数将高于其液相组成，反之相反。结合相图可知，采用精馏塔分离烟碱组成大于0.273的混合物时，塔底可获得纯烟碱。![]()
图5 烟碱+1,3-丙二醇恒温相图(a)和恒压相图(b)Fig.5 Isothermal phase diagram (a) and isobaric phase diagram (b) for nicotine+1,3-propanediol图6为基于COSMO-SAC模型预测获得的1,2-丙二醇+烟碱二元体系的恒温相图(a)与恒压相图(b)。由图6(a)可知，这是一个最大正偏差系统，存在恒沸现象。温度超过一定值后，恒沸现象将逐渐消失。图6(b)清晰显示了101.3 kPa下恒沸温度为459.5 K，恒沸组成为0.857。这一结果说明，采用精馏塔分离烟碱组成大于0.143的混合物时，塔底可获得纯烟碱。与图5结果的不同在于，当1,2-丙二醇的组成高于0.857时，汽相线与液相线几乎重合，说明在此条件下，烟碱与1,2-丙二醇存在以液相组成相同比例汽化的现象。![]()
图6 烟碱+1,2-丙二醇恒温相图(a)和恒压相图(b)Fig.6 Isothermal phase diagram (a) and isobaric phase diagram (b) for nicotine+1,2-propanediol图7为烟碱+丙三醇二元系COSMO-SAC模型预测的相图。这也是一个出现最大正偏差且具有最低共沸点的系统。预测发现，随着温度的升高，出现恒沸所需压力将增加，恒沸物中丙三醇的摩尔分数也将增加。从恒压相图可知，COSMO-SAC模型预测的恒沸温度为511.4 K，恒沸物中丙三醇的摩尔分数为0.261。与图4~6相比，丙三醇的组成较低时即可出现恒沸现象，这主要与丙三醇更容易与烟碱形成氢键有关。![]()
图7 烟碱+丙三醇恒温相图(a)和恒压相图(b)Fig.7 Isothermal phase diagram (a) and isobaric phase diagram (b) for nicotine+glycerol采用量子化学计算获得了烟碱与醇等物质的表面电荷密度分布σ-profile，并结合COSMO-SAC模型预测了烟碱与醇二元体系恒温与恒压汽-液平衡数据，得到如下结论：(1) 醇类分子在氢键的供体区和受体区均存在峰，但烟碱只在受体区存在峰，说明烟碱只能作为氢键受体接受质子形成氢键。(2) 一元醇与烟碱组成的二元体系为一般正偏差体系，相图轮廓类似，但随着醇类物质碳数增加，汽-液共存区的面积会减小。(3) 烟碱与多元醇构成的二元体系均为具有最低恒沸点的体系。在101.3 kPa下，丙三醇/烟碱体系的恒沸温度和恒沸组成分别为511.4 K和0.261，1,2-丙二醇/烟碱为459.5 K和0.857，1,3-丙二醇/烟碱为483.0 K和0.727，乙二醇/烟碱为467.0 K和0.889。
Prediction of vapor-liquid phase equilibrium of nicotine+alcohol binary system based on COSMO-SAC model
Furong DENG 1 Changzheng JI 1Yapeng NIU 2 ![]()
Xiaomin FENG 2Xiangshi MENG 2Mengwei ZHANG 2Changjun PENG 1
1. School of Chemistry and Molecular Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China
2. Research & Devolopment Center of China Tobacco Henan Industrial Co., Ltd., Zhengzhou, Henan 450016, ChinaAbstract: The phase equilibrium of the nicotine system holds great significance in guiding the separation and purification of nicotine, as well as exploring the release laws of nicotine and active ingredients in heated cigarettes. The conductor-like screening model-segment activity coefficient (COSMO-SAC) enables the prediction of phase equilibria and other properties through quantum chemical calculations. In this study, the vapor-liquid phase equilibria of nicotine with binary systems consisting of mono-alcohols (methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, butanol, pentanol, hexanol, heptanol, octanol) and poly-alcohols (ethylene glycol, 1,2-propanediol, 1,3-propanediol, and glycerol) are predicted respectively using the COSMO-SAC model. The results show that alcohol molecules exhibit peaks in both the donor and acceptor regions of hydrogen bonds, whereas nicotine only exhibits a peak in the acceptor region. This suggests that nicotine can only act as a hydrogen bond acceptor to receive protons and form hydrogen bonds. The nicotine-alcohol binary systems are all positive deviation systems; specifically, the binary systems of mono-alcohols and nicotine exhibit general positive deviation systems and show a similar phase diagram profile, however, as the number of carbon chains of alcohols increases, the area of the gas-liquid coexistence region becomes smaller; the binary systems of poly-alcohols and nicotine exhibit the azeotropic phenomenon, which is a system with minimum azeotrope. As the temperature rises, the pressure and composition of the azeotrope increase accordingly. At 101.3 kPa, the temperature and composition of the azeotrope are 511.4 K and 0.261 for glycerol/nicotine, 459.5 K and 0.857 for 1,2-propanediol/nicotine, 483.0 K and 0.727 for 1,3-propanediol/nicotine, and 467.0 K and 0.889 for ethylene glycol/nicotine. These research results provide theoretical data to guide the purification and separation of nicotine and to understand the release law of nicotine.
Keywords: nicotine；alcohol；COSMO-SAC；vapor-liquid phase equilibrium；prediction
引用本文： 邓芙蓉, 季常征, 牛亚鹏, 等. 基于COSMO-SAC模型预测烟碱+醇二元体系汽-液相平衡. 过程工程学报, 2024, 24(3): 338-345. (Deng F R, Ji C Z, Niu Y P, et al. Prediction of vapor-liquid phase equilibrium of nicotine+alcohol binary system based on COSMO-SAC model (in Chinese). Chin. J. Process Eng., 2024, 24(3): 338-345, DOI: 10.12034/j.issn.1009‑606X.223182.)
作者简介：邓芙蓉，硕士研究生，物理化学专业，主要从事计算机模拟与分子热力学研究，E-mail: 2713197403@qq.com；通讯联系人
作者简介：牛亚鹏，工程师，主要从事烟草化学等研究，E-mail: xjnypy@163.com
基金信息： 河南中烟工业有限责任公司项目(编号：AW202157)
中图分类号： O642.42；TQ283
文章编号：1009-606X(2024)03-0338-08
文献标识码： A
收稿日期：2023-06-28
修回日期：2023-09-22
出版日期：2024-03-28
网刊发布日期：2024-04-03
