一种预测离子液体的正辛醇/水分配系数的方法

摘要

本发明公开一种预测离子液体的正辛醇/水分配系数的方法，该方法步骤如下：（1）获取待预测离子液体的分子结构式；（2）分别统计出分子结构式中的芳香环数量、非芳香环数量和化学键数量；（3）根据统计得到的芳香环数量、非芳香环数量和化学键数量，以及分子中各原子的范德华体积，计算离子液体的分子范德华体积；（4）将计算得到的分子范德华体积用于预测离子液体的正辛醇/水分配系数。本发明方法预测结果准确度高，可用于快速计算出离子液体的正辛醇/水分配系数，为评价离子液体的环境安全性提供及时、准确、可靠地数据，对于设计、合成新的或利用已知的离子液体，减少对环境的危害，促进绿色化学的实现提供数据基础，具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及如何预测平衡状态下化合物在有机相和水相中的浓度比，具体地讲是一种预测离子液体的正辛醇/水分配系数的方法。

背景技术

离子液体是近来倍受关注的新型溶剂。它们是仅由离子组成的化合物，这些离子通常体积大，不对称，而且可变形，因此熔点较低。人们通常称在100℃以下呈现液态的离子化合物为离子液体，或室温离子液体。

离子液体有着令人感兴趣的性质：热稳定性大，热容量大， 蒸汽压极低， 不易燃，离子电导率高等。通过选择适当的阴离子或调节阳离子，来改变离子液体的物理性质和化学性质，因此在萃取，合成，分离，润滑等很多方面都有应用。 

由于离子液体的蒸汽压低到基本可以忽略，使用离子液体作溶剂可避免挥发性有机化合物(VOC) 带来的环境和安全问题，因此它们通常被认为是将传统化学工业改造成清洁绿色工业的最理想的反应介质，作为绿色溶剂还必须低毒，易生物降解，对环境影响小，而离子液体在这一方面的研究还非常有限。

正辛醇/水分配系数是指平衡状态下某一化合物在正辛醇和水相中的浓度比，它反映了化合物在水相和有机相之间的迁移能力，是描述有机化合物在环境中行为的重要物理化学参数，如农药的正辛醇/水分配系数反映了该农药的亲脂性/亲水性的大小，是研究农药环境行为和多种环境数学模型的重要参数，也是农药评审登记和环境安全性评价研究中一个必备的参数，分配系数大的农药容易在非生物物质与生物体内富集，分配系数小的农药，容易在环境中扩散，从而也扩大了农药的污染范围。因此，测定离子液体的正辛醇/水分配系数对于评价离子液体的环境安全性有重要意义。

采用实验直接获得化合物的正辛醇/水分配系数是一种常规的方法，然而实验方法操作复杂、耗时长，而且正辛醇对眼睛、皮肤、粘膜和上呼吸道有刺激作用，易对操作人员造成身体伤害。

发明内容

本发明的目的一种半经验的预测离子液体的正辛醇/水分配系数的方法。

一种预测离子液体的正辛醇/水分配系数的方法，步骤如下：

（1）获取待预测离子液体的分子结构式；

（2）分别统计出分子结构式中的芳香环数量、非芳香环数量和化学键数量；

（3）根据统计得到的芳香环数量、非芳香环数量和化学键数量，以及分子中各原子的范德华体积，计算离子液体的分子范德华体积，

V_vdW^opt= ∑V_vdW^atom - 14.7R_A- 3.8R_NA - 5.92N_B；

（4）将步骤（3）计算得到的分子范德华体积用于预测离子液体的正辛醇/水分配系数，

lg K_OW = 0.0145 V_vdw^opt  - 4.892；

其中，V_vdW^atom 为原子的范德华体积，V_vdw^opt为离子液体的分子范德华体积，R_A  为芳香环数量，R_NA 为非芳香环数量，N_B 为化学键数量，K_OW为离子液体的正辛醇/水分配系数。

进一步，上述方法预测所得的离子液体的正辛醇/水分配系数用于评价离子液体的环境安全性。

在统计化学键数量时，不区分键的类型，如共价键、离子键、单键、双键、三键，均计数为1。

与传统不同的是，在本发明中，当氧原子处于阳离子中时，其对离子液体的分子范德华体积的贡献为负，当氧原子处于阴离子时，其对离子液体的分子范德华体积的贡献为正，其余原子的范德华体积可参考文献"van der Waals Volumes and Radii" A. Bondi, the journal of Physical Chemistry, 1964,68(3),pp 441-451。

离子液体中可能出现的原子的范德华体积如下表

其中，O（-）表示阴离子中的氧原子，O（+）表示阳离子中的氧原子。

有益效果：采用本发明方法预测得到的离子液体的正辛醇/水分配系数准确度高，与实验室测得的分配系数偏差在7%以内，因此，本发明不需要采用传统的实验方法，即可快速计算出离子液体的正辛醇/水分配系数，为评价离子液体的环境安全性提供及时、准确、可靠地数据。该方法对于设计、合成新的或利用已知的离子液体，减少对环境的危害，促进绿色化学的实现提供数据基础，具有重要意义。

具体实施方式

以下采用本发明的方法对现有已知正辛醇/水分配系数的离子液体进行预测，评价该方法的准确性。

实施例1

离子液体：1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐，（CAS号174501-65-6，化学式C₈H₁₅N₂BF₄）

分子结构式为：

其中含有1个芳香环，0个非芳香环，30个化学键，V_vdW^atom（N）= 15.60，V_vdW^atom（B）= 6.04，V_vdW^atom（H）= 7.24，V_vdW^atom（F）= 13.31，V_vdW^atom（C）= 20.58，

V_vdw^opt = (8×20.58 + 15×7.24 + 2×15.60 + 1×6.04 + 4×13.31) - 30×5.92 - 1×14.7= 171.42

计算得lg K_OW = 0.0145×171.42- 4.892 = -2.409

实验室所得lg K_OW为-2.52，偏差为4%。

实施例2

离子液体：1-丁基-3-甲基咪唑硝酸盐 （CAS号179075-88-8，化学式 C₈H₁₅N₃O₃）

分子结构式为：

其中含有1个芳香环，0个非芳香环，29个化学键，V_vdW^atom（N）= 15.60，V_vdW^atom（O）= 14.71，V_vdW^atom（H）= 7.24，V_vdW^atom（C）= 20.58，

V_vdw^opt  = (8×20.58 + 15×7.24 + 3×15.60 + 3×14.71) - 29×5.92 - 1×14.7 = 177.79

计算得lg K_OW = 0.0145 × 177.79- 4.892 = -2.31

实验室所得lg K_OW为-2.42，偏差为5%。

 实施例3

离子液体：1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（CAS号 155371-19-0，化学式C₆H₁₁F₆N₂P）

分子结构式为：

其中含有1个芳香环，0个非芳香环，26个化学键，V_vdW^atom（N）= 15.60，V_vdW^atom（P）= 24.43，V_vdW^atom（H）= 7.24，V_vdW^atom（F）= 13.31，V_vdW^atom（C）= 20.58，

V_vdw^opt = (6×20.58 + 11×7.24 + 2×15.60 + 1×24.43 + 6×13.31) - 26×5.92 - 1×14.7 = 169.99

计算得lg K_OW = 0.0145 ×169.99- 4.892 = -2.43

实验室所得lg K_OW为-2.30，偏差为6%。

实施例4

离子液体：1-（3-羟丙基）吡啶双（三氟甲基磺酰）亚胺，化学式C₈H₁₂NO.C₂F₆NO₄S₂

分子结构式为：

其中含有1个芳香环，0个非芳香环，37个化学键，V_vdW^atom（N）= 15.60，V_vdW^atom（S）= 24.43，V_vdW^atom（H）= 7.24，V_vdW^atom（F）= 13.31，V_vdW^atom（C）= 20.58，V_vdW^atom（O，阴离子部分）= 14.71，V_vdW^atom（O，阳离子部分）= -14.71，

V_vdw^opt  = (10×20.58 + 12×7.24 + 2×15.6 - 1×14.71+6×13.31 + 4×14.71 + 2×24.43) - 37×5.92 - 1×14.7 = 262.99

计算得lg K_OW = 0.0145×262.99- 4.892 = -1.07

实验室所得lg K_OW为-1.15，偏差为7%。