Kemister som arbetar vid University of Amsterdams (UvA) forskningsprioriteringsområde Sustainable Chemistry har samarbetat med Solvay Lab of the Future i Bordeaux för att utveckla en praktisk verktygslåda för att förutsäga lösligheten av små molekyler i olika lösningsmedel. Dessa verktyg är tillgängliga med öppen åtkomst och gratis, och kan förbättra valet av lösningsmedel och formuleringar av många industriprodukter.

Lösningsmedel är oerhört viktiga för många industrisektorer. Ofta, i formuleringen av en kemisk produkt utgör lösningsmedlet huvuddelen av enheten. Det är också avgörande för produktens funktion. Till exempel, med rätt lösningsmedelsformulering, bekämpningsmedel stannar längre på bladen efter regn, färger och bläck torkar snabbare, och kosmetika appliceras lättare. Att känna till molekylernas löslighet är därför avgörande för produktutveckling.

Problemet med små molekyler

Förutsägelsen av löslighet görs vanligtvis med hjälp av de så kallade Hansen Solubility Parameters:dispersion (D), polära interaktioner (P), och vätebindning (H). Beläggnings- och polymerindustrin, till exempel, erhåller utmärkta resultat genom att använda dessa parametrar för att förutsäga polymerernas löslighet.

I princip, Hansen parametrar kan också användas för att hitta lösningsmedel för mindre molekyler som läkemedel och kosmetika. Men där är förutsägelserna inte lika tillfredsställande, av två skäl:en, eftersom läkemedel och kosmetika vanligtvis har mer varierade funktionella grupper; och två, eftersom de ursprungliga Hansen-parametrarna utesluter termodynamiska överväganden angående blandning, smältning och upplösning. Detta är acceptabelt för polymerer (där termodynamiken tar ut) men inte för små molekyler.

Dr Manuel Louwerse och Prof. Gadi Rothenberg, arbeta tillsammans med teamet av Dr Bernard Roux på Solvay, har nu förbättrat Hansens modell och anpassat den för att hantera lösta ämnen med små molekyler genom att inkludera termodynamiken för blandning, smältning och upplösning. Förbättringarna bygger på en bättre beskrivning av både entropin och entalpitermerna. När en förening löses upp, molekyler lämnar kristallen och blandas in i lösningsmedlet. Detta ökar entropin, men brukar kosta en del entalpi. Nyckelfrågan här är att mängden entropi som uppnås genom att blanda bestämmer hur mycket entalpi som kan gå förlorad samtidigt som en negativ ∆G behålls (med andra ord, upprätthålla drivkraften för upplösningen). Eftersom entropieffekten beror på koncentrationen, temperaturen, och storleken på molekylerna, dessa bör alla inkluderas.

En annan förbättring gjordes genom att dela upp bidragen från elektrondonatorer och acceptorer mellan lösningsmedlet och löst ämne. Detta är särskilt viktigt för fall som vätebindning, som är relevant för många lösningsmedel och lösta ämnen. Mantrat "liknande löser sig som" är för förenklat här. Vätebindningar bildas mellan givare och acceptorer, så man behöver donatorer för att lösa upp acceptorer, och vice versa. Genom att dela upp donator- och acceptorbidragen för varje lösningsmedel och löst ämne, UvA-teamet fick mer exakta modeller.

De nya modellerna är mycket bättre på att förutsäga lösligheten av små molekyler i lösningsmedel och lösningsmedelsblandningar. Tester på en stor industriell datauppsättning av 15 olika lösta ämnen och 48 lösningsmedel och deras blandningar vid Solvay Lab of the Future visade att passformskvaliteterna förbättrades från 0,89 till 0,97. Andelen korrekta förutsägelser ökade från 54 % till 78 %. Eftersom bara gissningar redan skulle ge 50 % korrekta förutsägelser, detta är en allvarlig förbättring. En annan viktig fördel är att den nya modellen möjliggör förutsägelser vid extrapolerade temperaturer.

Resultaten och modellerna publiceras som en öppen artikel i den peer-reviewed internationella tidskriften ChemPhysChem . Tidningen har redan väckt många kommentarer, och förbättringarna införlivas nu i en nyare version av HSPiP-mjukvaran.

Medan de flesta av de faktiska industriella formuleringsdata är konfidentiella, det gemensamma teamet har publicerat en fullständig beskrivning av teorin och modellerna med öppen tillgång. De inkluderade också de fullständiga och kommenterade Matlab-rutinerna i stödinformationen, gör det möjligt för alla att använda dessa nya verktyg för att designa nya lösningsmedelsblandningar och formuleringar.

Prof. Rothenberg ser publicering av verktyg som nyckeln till framgångsrika offentlig-privata partnerskap mellan industri och akademi. "Industripartner måste hålla sina uppgifter konfidentiella, men de flesta inser att publicering med öppen tillgång av metoderna och verktygen skapar goodwill och möjliggör vidareutveckling av både samarbetspartners och konkurrenter. Genom att dela metoder och verktyg, företag kan dra nytta av varandras kunskap utan att offra data.'