Chemici van het onderzoekszwaartepunt Duurzame Chemie van de Universiteit van Amsterdam (UvA) hebben samen met het Solvay Lab of the Future in Bordeaux een praktische toolbox ontwikkeld voor het voorspellen van de oplosbaarheid van kleine moleculen in verschillende oplosmiddelen. Deze tools zijn vrij toegankelijk en gratis beschikbaar, en kan de selectie van oplosmiddelen en formuleringen van veel industriële producten verbeteren.

Oplosmiddelen zijn voor veel industriële sectoren van groot belang. Vaak, bij de formulering van een chemisch product vormt het oplosmiddel het grootste deel van de entiteit. Het is ook cruciaal voor de functie van het product. Bijvoorbeeld, met de juiste oplosmiddelformulering, bestrijdingsmiddelen blijven langer op bladeren na regen, verf en inkt drogen sneller, en cosmetica worden gemakkelijker aangebracht. Het kennen van de oplosbaarheid van moleculen is daarom essentieel voor productontwikkeling.

Het probleem met kleine moleculen

De voorspelling van de oplosbaarheid wordt meestal gedaan met behulp van de zogenaamde Hansen-oplosbaarheidsparameters:dispersie (D), polaire interacties (P), en waterstofbinding (H). De coatings- en polymerenindustrie, bijvoorbeeld, behaalt uitstekende resultaten met behulp van deze parameters voor het voorspellen van de oplosbaarheid van polymeren.

In principe, Hansen-parameters kunnen ook worden gebruikt om oplosmiddelen te vinden voor kleinere moleculen zoals medicijnen en cosmetica. Maar daar zijn de voorspellingen niet zo bevredigend, om twee redenen:een, omdat medicijnen en cosmetica doorgaans meer gevarieerde functionele groepen hebben; en twee, omdat de originele Hansen-parameters thermodynamische overwegingen met betrekking tot mengen uitsluiten, smelten en oplossen. Dit is acceptabel voor polymeren (waar de thermodynamica opheft), maar niet voor kleine moleculen.

Dr. Manuel Louwerse en Prof. Gadi Rothenberg, in samenwerking met het team van Dr. Bernard Roux bij Solvay, hebben nu het model van Hansen verbeterd en aangepast om opgeloste stoffen met kleine moleculen te verwerken door de thermodynamica van mengen op te nemen, smelten en oplossen. De verbeteringen zijn gebaseerd op een betere beschrijving van zowel de entropie- als de enthalpietermen. Wanneer een verbinding oplost, moleculen verlaten het kristal en vermengen zich met het oplosmiddel. Dit verhoogt de entropie, maar kost meestal wat enthalpie. Het belangrijkste probleem hier is dat de hoeveelheid entropie die wordt verkregen door mengen bepaalt hoeveel enthalpie verloren kan gaan terwijl een negatieve ∆G behouden blijft (met andere woorden, het handhaven van de drijvende kracht voor de ontbinding). Omdat het entropie-effect afhangt van de concentratie, de temperatuur, en de grootte van de moleculen, deze moeten allemaal worden opgenomen.

Een andere verbetering werd aangebracht door de bijdragen van elektronendonoren en -acceptoren te splitsen tussen het oplosmiddel en de opgeloste stof. Dit is vooral belangrijk voor gevallen zoals waterstofbruggen, wat relevant is voor veel oplosmiddelen en opgeloste stoffen. De mantra 'like lost like' is hier te simplistisch. Er ontstaan ​​waterstofbruggen tussen donoren en acceptanten, dus men heeft donoren nodig om acceptanten te ontbinden, en vice versa. Door de donor- en acceptorbijdragen van elk oplosmiddel en opgeloste stof te splitsen, het UvA-team kreeg nauwkeurigere modellen.

De nieuwe modellen zijn veel beter in het voorspellen van de oplosbaarheid van kleine moleculen in oplosmiddelen en mengsels van oplosmiddelen. Tests op een grote industriële dataset van 15 verschillende opgeloste stoffen en 48 oplosmiddelen en hun mengsels in het Solvay Lab van de Toekomst toonden aan dat de pasvormkwaliteiten verbeterden van 0,89 naar 0,97. Het percentage juiste voorspellingen steeg van 54% naar 78%. Omdat alleen maar raden al 50% correcte voorspellingen zou opleveren, dit is een serieuze verbetering. Een ander belangrijk voordeel is dat het nieuwe model voorspellingen mogelijk maakt bij geëxtrapoleerde temperaturen.

De resultaten en de modellen worden gepubliceerd als een open-access paper in het peer-reviewed internationale tijdschrift ChemPhysChem . De krant heeft al veel opmerkingen gemaakt, en de verbeteringen worden nu verwerkt in een nieuwere versie van de HSPiP-software.

Hoewel de meeste feitelijke industriële formuleringsgegevens vertrouwelijk zijn, het gezamenlijke team heeft de volledige beschrijving van de theorie en de modellen open access gepubliceerd. Ze namen ook de volledige en geannoteerde Matlab-routines op in de ondersteunende informatie, waardoor iedereen deze nieuwe tools kan gebruiken voor het ontwerpen van nieuwe mengsels en formuleringen van oplosmiddelen.

Prof. Rothenberg ziet het publiceren van tools als de sleutel tot succesvolle publiek-private partnerschappen tussen de industrie en de academische wereld. 'Industriële partners moeten hun gegevens vertrouwelijk houden, maar de meesten van hen beseffen dat het open access publiceren van de methoden en tools goodwill creëert en verdere ontwikkelingen door zowel medewerkers als concurrenten mogelijk maakt. Door methoden en tools te delen, bedrijven kunnen profiteren van elkaars kennis zonder data op te offeren.'