化工热力学:从基团贡献法到计算机辅助分子设计

石文涛 臧婷婷 王志超 刘 畅

(南京工业大学化工学院，江苏 南京 211800)

1 化工热力学的发展历史

1.1 传统化工的特点:过程工程

现代化学工业起源于蒸汽革命时代，氯碱工业的发展，为纺织行业提供了充足的原料保证。合成氨工业的发展，解决了千百年来制约农业发展的肥料限制。20世纪初石油工业的蓬勃发展，提供的合成树脂，合成橡胶，合成纤维，更是极大的满足了人类的衣食住行多方面需求，使人类的发展进入了快车道。在这个过程中，人们关注的是如何实现产品生产过程怎么降低能耗，提高收率。逐渐的，人们总结出不同产品生产过程中的共性规律，即虽然生产的产品千变万化，但生产过程总是基本由蒸馏、吸收、萃取、结晶、吸附等工序组成，由此形成单元操作的概念。之后进一步提炼形成以“三传一反”为核心的现代化工学科。由此，化学工业也被称为是过程工业。

1.2 化工热力学的任务:测定和预测热力学性质

长久以来，化工热力学在化工学科中一直处于基础地位，为各种化工流程的设计优化提供焓值、熵值、比热、粘度等热力学基础数据。为此，研究者一方面要精确测定各种体系的热力学数据，另一方面，要想方设法建立模型来关联或预测热力学性质。以减少实验测定的巨大工作量，并为过程优化的提供条件。对于石油化工行业最常见的有机物体系，由于结构纷繁复杂，单纯通过实验数据回归无法预测新体系的热力学性质。据统计现有近400万种有机化合物，且就热力学性质而论，现在研究透彻的元素和化合物只有100种左右。单纯依赖实验测定，不仅工作量巨大，而且对于系统优化也不方便使用，因此有必要根据给定的研究体系，发展合适的热力学方法来进行计算和预测。

美国加州伯克利大学Prausnitz院士为此提出分子热力学的概念，将分子的结构与其热力学性质进行关联，发展出一系列的热力学方法来预测有机物体系热力学性质。尤其以所发展的UNIFAC方法(基团贡献法)被广泛采用。这种方法可以对给定结构的复杂有机分子，通过划分基本单元，通过组合，计算出它的热力学性质。此后，基团贡献法估算化合物的物理性质及化学性质得到了迅速的发展［1～4］，它即可预测纯物质的各种物理性质(如熔点、沸点、临界参数、表面张力、粘度、折光率、热导系数和摩尔体积等)，也能预测纯物质的各种热力学性质(如热容、汽化热、饱和蒸汽压、标准生成热、标准熵和标准生成Gibbs自由能等)，另外基团贡献方法还可以预测混合物的热力学性质(如活度系数、超额焓)。

1.3 基团贡献法估算原理

在这里简单介绍UNIFAC基团贡献法对液体粘度的估算。化合物的液体粘度是化学工程过程计算，分析和设计中所需的基本物理性质之一。如利用对应状态基团贡献法［5］计算乙苯的液体粘度步骤如图1所示:

图1 对应状态基团贡献法估算乙苯的粘度Fig 1 Corresponding state group contribution to estimate the viscosity of ethylbenzene

对应状态基团贡献法(CSGC－VK)方法的数学形式如下:

在320.26K下，通过CSGC－VK方程计算的液体粘度值为0.478cP，乙苯的液体粘度的实验值为0.491cP误差为2.95%。可见基团贡献法可以由少量已知数据，去估算大量未知物质属性。通过基团贡献法，我们不仅仅可以估算粘度，还可以估算表面张力，热容等一系列热力学性质。

1.4 传统化工的缺陷

传统化工强调过程工程，只强调如何高效的将产品大量的生产出来，至于产品是否存在环境危害等则通常不考虑。例如制冷剂氟利昂的开发。因为氟利昂具有良好的制冷效果，而且稳定、不易燃、不腐蚀且无毒，于是被大量生产使用。但是后来人们发现，氟利昂排放到大气中会在紫外线的作用下分解，产生自由基来破坏臭氧分子，进而造成臭氧空洞。农药666(六氯环己烷)的研制也有相似的历史过程。在工业上是由苯与氯气在紫外线照射下合成的新分子。主要用于防治蝗虫、小麦吸浆虫和蚊、臭虫等，但是其化学结构决定了它的高稳定性，所以难以降解。因此残留污染不可避免，随着生物链它可以进入人体和牲畜，影响改变生物体内最重要的生命活动过程，从而造成危害甚至致命的后果。

2 未来化工热力学

2.1 化工的发展方向:产品工程

最近，美国普林斯顿大学James Wei院士提出化工的未来发展之路是产品工程［6］。对于传统的过程设计，需要根据所要生产的产品和数量，开发成本最低、利润最大、效率最高的过程。基本目标是经济，同时考虑安全、控制和环境等因素。产品工程不仅注重单元和过程的效率，更需以产品的功能符合用户需求为目标。产品的结构和性质的关系是化学产品工程研究的中心内容。在产品设计中，产品工程人员必须预测分子结构对产品性质影响，从而寻找和设计满足期望性质的目标分子或混合物，或为已有的物质找到新的性质或用途。

2.2 面向产品工程的化工热力学:计算机辅助分子设计

计算机辅助分子设计(CAMD)［7］是指通过计算机技术在已有化学知识的基础上设计具有特定性能的化合物，其设计过程是围绕着实现特定功能这一核心任务，通过不断反复地修订、评估分子结构，并与实验结果相结合，最终设计出满意的化合物。

分子设计的主要依据是分子结构和性能之间的关系，这里涉及两方面的问题要解决，如图2分子设计问题的组成，正方向是对给定结构的化合物分子计算其宏观性质;而反方向则是由给定宏观性质的要求来确定适当的分子结构。分子设计是分子结构性质关系的一种逆向思维。

图2 分子设计问题的组成Fig 2 Composition of molecular design problems

基团贡献法通过已知分子结构来估算其热力学性质，其基本假定是:纯物质或混合物的物理化学性质等于构成此纯物质或混合物的基团对于此性质的贡献值的总和，各物质物性可通过其基团贡献值的加和求得。而计算机辅助分子设计则是通过一个或几个性质来推算可能的分子结构，或者多个分子组成的混合物，这使得可能的分子结构或混合物数量极其庞大，对于这样一个大数据任务，需要发展有效的搜索策略来实现。若能结合人工神经网络法等方法，将使分子设计更加有效。

因此，当化工热力学面向产品工程时，其任务也将从简单的根据现有分子结构来预测其性质，转变为根据需要的性能，从已知分子和材料的数据库中，通过计算机辅助分子设计来筛选相应的分子及混合物。其中分子和材料的数据库，我们可通过查询已有的实验数据以及基于基团贡献法的物性估算数据建立。在这个过程中，化工热力学不再是从属地位，而是成为产品工程的核心。

2.3 虚拟生产过程设计软件介绍

丹麦工业大学的Gani教授围绕面向产品工程的计算机辅助分子设计，开发出虚拟生产过程设计软件(Virtual Product－Process Design Lab)。虚拟产品过程设计实验室(VPPD－Lab)已被开发为产品过程开发的计算机辅助工具。VPPD－Lab中强大的方法和工具不是通过基于实验的试错法来设计基于化学品的产品，而是通过使用基于模型的技术进行虚拟实验来帮助替代一些实验步骤。VPPD实验室快速搜索活性成分，溶剂和添加剂，以确定符合所需(目标)产品性能(功能)的一组有效的配方。接下来是基于实验的验证，并评估最有希望的候选人作为最终产品，从而减少初步设计阶段的宝贵时间和资源。

这里我们以驱虫剂设计为例进行介绍。

①首先根据我们的要求选择杀虫剂的性质，比如有效驱虫，低毒，具有好的稳定性等等。

②因为需要通过计算机筛选得到理想的配方，所以需要将实际需求转化为计算机可识别的物化性质(目标性质)，例如毒性转化为LC50、喷雾性能转化为v(KinVis) 、Vm、T90、良好稳定性转化为 δ(HildSol-Par)。其中某些目标需求不可转化为物化性质，例如有效驱蚊，有效驱蚊是由特定有效成分决定的，不可进行筛选。还有廉价则是对筛选后的结果自行权衡。宜人的香气需要添加适合的芳香化合物。

③接下来需要根据所需性质对目标物性进行合理限制，即限制筛选范围。

④选择一种杀虫剂的有效活性成分及溶剂数据库。杀虫剂的有效活性成分由基础配方决定，不可进行计算机筛选。溶剂数据库即为待选成分。

⑤在溶剂数据库中，最后进行配方筛选。例如毒性要求应高于1.4 mol/l且低于1.6 mol/l，若低于最低限制则无法有效的杀虫，若高于最高限制则可能对人体造成危害，所以筛选围绕这一范围进行。同样挥发时间应该600 s～1 000 s之间对于溶剂性能较好。因此，此区间即为筛选范围。

通过计算机辅助分子设计对溶剂数据库进行筛选，寻求符合目标性质的分子混合结果，并通过试验验证是否达到预期效果。

图3 驱蚊剂的计算机辅助分子设计Fig 3 Computer－assisted molecular design of insect repellent

如图3所示，通过给定目标物性，利用软件可从数据库中快速筛选出具有目标物性的不同比例的分子混合物，其中庞大数据库则可通过热力学基团贡献法计算已知分子结构的物性来建立，进而得到符合目标性质的结果。通过软件我们得到驱虫剂的混合配方，利用这种设计方法，我们不仅仅可以设计驱虫剂配方，还可以设计洗发水，防晒霜等等一系列化工产品，大大节省产品的研发时间和费用。

3 结论与展望

从基团贡献法到计算机辅助分子，这一新型产品设计思想不仅改变了传统配方研发费时费力且存在潜在副作用的局面，而且为日益成熟的化工热力学研究注入了新的活力。化工热力学不再仅仅处于为过程工程提供基础数据和方法的从属地位，它与计算机科学、大数据算法的结合，成为解决 产品工程问题的核心技术。这种方法也将在材料基因组、药物分子设计甚至生物基因设计等新的领域得到更多的应用和发展。

［1］Poling B E，Prausnitz J M，O’CONNELL J P.The properties of gases and liquids［M］.5thed.New York:McGraw－ Hill，2001.

［2］Van Krevelen D W.Properties of polymers:Their correlation with chemical structure;their numerical estimation and prediction from additive group contributions［M］.3rdcompletely revised edition.Amsterdam:Elsevier，1997.

［3］Barton Afm.CRC handbook of solubility parameters and other cohesion parameters［M］.2nded.Boca Raton:CRC Press，1991.

［4］马沛生.化工数据［M］.北京:中国石化出版社，2003.［5］Liang Yinghua，Ma Peisheng，Li Ping.Estimation of liquid viscosity of pure compounds at different temperatures by a corresponding－states group－contribution method ［J］.elsevier，2002，198:123 ～130.

［6］James Wei.Chemical Product Engineering［J］.AIChEJournal，May 2003 Vol.49，No.5 1 072 ～1 075.

［7］乔园园 ，张明涛.简明计算机化学教程［M］.天津:南开大学出版社，2005.08.