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大连理工都健教授团队：基于晶体形貌预测模型的结晶溶剂设计

近日，美国化学工程师协会期刊AIChE Journal 发表了大连理工大学化工学院都健教授团队在“基于晶体形貌预测模型的结晶溶剂设计”方面取得的进展成果。结晶溶剂作为影响晶体成核与生长的重要因素之一，其合理的选择可以调控晶体的形态学指标，控制与优化药品质量。该成果建立了晶体长径比与溶剂描述符之间的构效关系，并将其与计算机辅助分子设计方法（CAMD）耦合，从而实现高通量、智能化的结晶溶剂设计。
采用分子动力学（MD）方法预测溶剂中的晶体形貌，然后采用向后逐步回归方法选择合适的溶剂描述符，建立晶体长径比与溶剂描述符之间的构效关系（如图1所示）。
图1. 构建晶体形貌定量预测模型的流程图
将晶体形貌定量预测模型与计算机辅助分子设计方法（CAMD）耦合，开展同步集成晶体形貌、收率、绿色安全的结晶溶剂设计方法研究（如图2所示）。
模拟值与实验值高度吻合，证明了所建立模型的准确性（如图3所示）。课题组前期的相关研究工作为此项研究成果的取得奠定了坚实的基础。结晶溶剂作为影响晶体成核与生长的重要因素之一，其合理的选择不仅可以调控晶体的形态学指标，控制与优化药品质量，同时还能提高产品收率与纯度。关于结晶溶剂设计问题，团队首先建立了考虑结晶过程、溶剂性质、产品质量、成本、定价、经济、环境等因素的Grand Product Design（GPD）模型，针对不同的结晶过程给出相应的模型求解策略，并以2-巯基苯并噻唑（MBT）结晶过程为例，以纯度和收率为目标函数，通过建立并求解GPD模型，最终得到满足模型要求，且与实验结果高度吻合的结晶溶剂。目前该项研究成果发表在本领域TOP期刊Computers and Chemical Engineering (2020, 135, 106764)，并已实现了工业化应用。
图2. 结晶溶剂设计框架
溶剂除了被应用于结晶过程外，在有机合成领域中也起到了至关重要的作用。反应溶剂的合理选择可以有效调控反应体系的相平衡状态、反应热力学平衡常数和反应动力学速率常数，从而改善产品收率与纯度，从根本上减少或消除副产物的生成，进而提高产品质量、减少废液排放、实现清洁生产。针对反应溶剂设计问题，团队分别考察了溶剂化效应和传质作用对反应动力学速率k和反应体系浓度分布的影响，实现了快速可靠、定量调控反应效率的目标，两项成果均发表在化学工程领域TOP期刊Chemical Engineering Science(2019, 202, 300-317; 2020, 226, 115894)。针对化工反应与传质问题，团队提出了基于机器学习的原子贡献法，通过利用高维的神经网络模型与立体的加权原子中心对称函数描述符，实现了反应溶剂与结晶溶剂高通量反向（从物性到结构）优化设计的目标。该成果发表在化学工程领域TOP期刊AIChE Journal(2020,59(36):16017-16028)
图3. 模拟值与实验值的比较
除了结晶溶剂与反应溶剂，化工产品的设计问题也是目前的研究热点之一，针对该问题，团队取得了系列突破性成果。首先建立了一个集成10个子模型（分子结构、性质、过程、成本、定价、经济、质量、可持续性、环境和性能）的通用框架，并将所建立的框架嵌入化工产品设计软件ProCAPD中，以实现准确、快速的化工产品设计。同时，团队总结了计算机辅助分子设计方法在化工分离溶剂中的应用，两项成果分别发表在化工三大期刊 Industrial \u0026 Engineering Chemistry Research (2021, 61, 1, 436-456)和SCI一区期刊Current Opinion in Chemical Engineering (2022, 35, 100732)。为了方便用户的使用，团队开发了基于混合整数非线性规划数学优化模型与分解式求解策略的OptCAMD工具，可离线反向优化设计满足特定目标函数与性质约束的溶剂分子结构，并已申请软件著作权：OptCAMD基于数学优化模型的高通量化工分子产品设计软件(2019SR0734574)，批准号[04254458]，论文成果发表在本领域TOP期刊Computers \u0026 Chemical Engineering(2019, 124, 285-301)。
上述系列研究成果第一作者为张磊副教授、博士生柴士阳、博士生刘奇磊，通讯作者为都健教授、张磊副教授。研究工作得到了国家自然科学基金项目（No. 22078041、No. 21808025）和中央高校基本科研业务费专项资金资助（No. DUT20JC41）的支持。
来源：大连理工大学
论文链接
https://doi.org/10.1002/aic.17499