“Predicción de Propiedades a través de Herramientas Computacionales”

Universidad Autónoma Metropolitana

Dr. Ricardo Morales Rodríguez

30/04/2014 1

Agradecimientos

Profesor Rafiqul Gani

Technical University of Denmark

2

Contenido del Taller

• Primera parte:– Predicción de propiedades

• Introducción de las bases teóricas para la predicción de propiedades.• Ilustración de las funciones principales de programa ProPred• Ilustración de herramientas extras de cálculo en ProPred• Ejercicio

• Segunda parte:– Selección de solventes

• Introducción de las bases teóricas para la selección de solventes ydiseño de moléculas.

• Ilustración de las funciones principales de programa ProCAMD• Ilustración de herramientas extras de cálculo en ProCAMD• Ejercicio

• Comentarios generales

3

“Predicción de propiedades utilizando ProPred”

Universidad Autónoma Metropolitana – Iztapalapa

Ricardo Morales Rodríguez

30/04/2014 4

Contenido

• ¿Qué es el método de contribución?

• ¿En qué consiste el método de contribución de grupos?

• Otras aplicaciones del método de contribución de grupos

• ¿Cómo se utiliza el paquete computacional?

• Referencias Bibliográficas

5

¿Qué es el método de contribución?

• Es un método donde las propiedades de uncompuesto es función de parámetrosestructuralmente dependientes, las cuales sondeterminadas por la sumatoria de las ocurrencias decada uno de grupos involucrados en la molécula.

6

¿Qué es el método de contribución?

• Ventajas:– Rápida predicción de propiedades sin el requerimiento de

cálculos computacionales substanciales.

– Estimación preliminar de propiedades de moléculas noreportadas en la literatura.

• Desventajas:– Necesidad de un banco de datos para la estimación de los

parámetros del modelo de contribución de grupos.

– Al momento, no es posible estimar propiedades enmoléculas regidas por principios de estereoisomería

7

¿En qué consiste el método de contribución de grupos?

• ¿Cómo se imaginan que funciona el método decontribución de grupo?.

• ¿De qué manera creen que se relacionan laspropiedades con la estructura molecular?

• ¿Con qué ejemplo explicarían la relación entre unapropiedad y las diferentes moléculas?

8

¿En qué consiste el método de contribución de grupos?

• Considera la estructura molecular de un compuestocomo la colección de tres tipos de grupos:

– Grupos de primer orden:• Describe grupos simples y monofuncionales.

• Hidrocarburos alifáticos y aromáticos, alcoholes, fenoles, cetonas,aldehídos, ácidos, aminas, esteres, éteres, anilinas, etc.

9

¿En qué consiste el método de contribución de grupos?

– Grupos de segundo orden.• Utiliza los grupos de primer orden para construir los grupos de

segundo orden.

• Describe las propiedades entre compuestos polares, no polares demoléculas con tamaño mediano (C = 3-6) y compuestosaromáticos y cicloalifáticos con un solo anillo y varios radicales.

• Describe fragmentos moleculares que no pueden seradecuadamente descritos por los grupos de primer orden,incrementando la exactitud de la estimación de las propiedades.

10

¿En qué consiste el método de contribución de grupos?

– Grupos de tercer orden.• Descripción de mayor información de los fragmentos de la

estructura molecular, los cuales no son bien descritos por losgrupos de primero y segundo orden.

• Permite la descripción de componentes policíclicos yheterocícilicos (C = 7-60) de cadena larga.

11

Contribución de grupos: Aplicaciones

12

¿En qué consiste el método de contribución de grupos?

13

( ) i i j j k k

i j k

f X N C w M D z O E

Contribución primer orden

Número de ocurrencias de la contribución de primer orden

Contribución segundo orden

Número de ocurrencias de la contribución de segundo orden

Contribución tercer o

i

i

j

j

k

C

N

D

M

E

rden

Número de ocurrencias de la contribución de tercer orden

Constante de la contribución de segundo orden (0, 1)

Constante de la contribución de tercer orden (0, 1)

kO

w

z

Orden No. Grupos

Primer 184

Segundo 122

Tercer 66

Tabla 1. Relación de grupos

¿En qué consiste el método de contribución de grupos?: Ejemplo

• Entalpía estándar de fusión (Hfus)

14

1 2 3i fus i j fus j k fus ki j k

N H w M H z O H 0fus fusH H

Grupo Ocurrencias Contribución

CH3 2 1.660

CH2 2 2.639

-2.806 kJ/mol0fusH

5.792fus

kJH

mol

5.64fus

kJH

molPropred predice ¿Qué sucede aquí?

Los parámetros que representan la contribución de los grupos se han ido mejorando con la adición de un mayor banco de datos..!!

Otras aplicaciones del Método de contribución de grupos

Autores Contribuciones en las áreas

Gonzalez-Villalba et al. [2, 3] UNIFAC

Díaz-Tovar et al. [4] Ácidos grasos comestibles y en la industria del biodiesel

Satyanarayana et al. [5] Polímeros

Conte et al. [6] Tensión superficial y viscosidad

15

Autores Uso de los resultados del método de contribución de grupos

Alvarado-Morales et al. [7] Diseño de sustentable una bio-refinería

Morales-Rodriguez et al. [8] Configuraciones de proceso para la producción de bio-etanol de 2G

Carvalho et al. [9] Re-diseño de procesos (retrofit) y evaluación de alternativas

Implementación de los resultados del método de contribución de grupos.

MATRIZ UNIFAC

[10]

16

¿Cómo se utiliza el paquete computacional?

1. Como abrir el programa.

2. Estimación de propiedades

I. Información estructural de la molécula (SMILES:Simplified molecular-input line-entry system).

II. Dibujar la molécula.

3. Descripción del menú y barra de herramientas.

4. Extensión en el programa Propred

5. Predicción de propiedades de polímeros

17

DIPPR: correlaciones

*************************Solid Density [kmol/m^3]Dippr100A + B*T + C*T^2 + D*T^3 + E*T^4*************************Liquid Density [kmol/m^3]Dippr101A/B^(1 + (1 - T/C)^D)*************************Vapour Pressure [Pa]Dippr102exp(A + B/T + C*ln(T) + D*T^E)*****************************Heat of Vaporization [J/kmol]Dippr103A*(1 - Tr)^(B + C*Tr + D*Tr^2)********************************Solid Heat Capacity [J/(kmol*K)]Dippr104A + B*T + C*T^2 + D*T^3 + E*T^4**********************************Liquid Heat Capacity [J/(kmol*K)]Dippr105A + B*T + C*T^2 + D*T^3 + E*T^4************************************Ideal Gas Heat Capacity [J/(kmol*K)]Dippr106A+B*(C/T/sinh(C/T))^2+D*(E/T/sinh(E/T))^2************************************Second Virial Coefficient [m^3/kmol]Dippr107A+B/T+C/T^3+D/T^8+E/T^9

***************************Liquid Viscosity [kg/(m*s)]Dippr108exp(A+B/T+C*ln(T)+D*T^E)****************************Vapour Viscosity [kg/(m*s)]Dippr109A*T^B/(1+C/T+D/T^2)***************************************Liquid Thermal Conductivity [J/(m*s*K)]Dippr110A + B*T + C*T^2 + D*T^3 + E*T^4***************************************Vapour Thermal Conductivity [J/(m*s*K)]Dippr111A*T^B/(1+C/T+D/T^2)*************************Surface Tension [kg/s^2]Dippr112A*(1-Tr)^(B + C*Tr + D*Tr^2)*************************

18

Ejercicio

• Se ha sintetizado experimentalmente una molécula cuyo peso moleculares de 238.38 g/mol. Del laboratorio la única información que se pudoobtener fue el punto de ebullición el cual es de 601.10 K. Debido a que esun producto de mucho valor en el mercado, es requerido que se realice unanálisis de factibilidad de producción de dicho producto. Por lo tanto, serequieren las correlaciones de las siguiente propiedades:

– Presión de Vapor (K, atm)– Densidad (K, kg/m3)– Viscosidad (K, Pa s)– Capacidad calorífica de gas (K, cal/(mol K))– Capacidad calorífica de líquido (K, cal/(mol K))– Entalpía de vaporización, (K, kcal)

• El proceso de producción del compuesto se lleva a cabo a bajas presionesy a una temperatura de 417 K.

19

O

O

Referencias Bibliográficas

1. Marrero, J. y Gani, R. (2001). Group Contribution Based of Pure Component Properties. Fluid Phase Equilibria,183-184, 183-209.

2. Hugo Edson González, Jens Abildskov, Rafiqul Gani. (2007). Computer-aided framework for pure componentproperties and phase equilibria prediction for organic systems. Fluid Phase Equilibria, 261 199–204.

3. Hugo Edson Gonzalez, Jens Abildskov, and Rafiqul Gani. A Method for Prediction of UNIFAC Group InteractionParameters. Aiche J., Vol. 53, No. 6. 1620.

4. Carlos Axel Díaz-Tovar, Rafiqul Gani, Bent Sarup. (2011). Lipid technology: Property prediction and processdesign/analysis in the edible oil and biodiesel industries. Fluid Phase Equilibria, 302 284–293.

5. Kavitha C. Satyanarayana, Rafiqul Gani, Jens Abildskov. (2007). Polymer property modeling using grid technologyfor design of structured products. Fluid Phase Equilibria, 261, 58–63.

6. Elisa Conte, Ana Martinho, Henrique A. Matos, and Rafiqul Gani. (2008) Combined Group-Contribution andAtom Connectivity Index-Based Methods for Estimation of Surface Tension and Viscosity. Ind. Eng. Chem. Res.,47, 7940–7954.

7. Alvarado-Morales, M., Terra, J., Gernaey, K.V., Woodley, J.M., Gani, R., (2009). Biorefining: Computer aided toolsfor sustainable design and analysis of bioethanol production. Chem. Eng. Res. Des., 87, 1171–1183.

8. Morales-Rodriguez, R., Meyer, A. S., Gernaey, K. V., & Sin, G. (2011). Dynamic model-based evaluation of processconfigurations for integrated operation of hydrolysis and co-fermentation for bioethanol production fromlignocellulose. Bioresource Technology, 102, 1174–1184.

9. Carvalho, A., Gani, R., Matos, E., (2008). Design of Sustainable Chemicel Processes: Systematic retrofit analysisgeneration and evaluation of alternatives. Process Safety and Enviroment Protection, 86, 328-364.

10. Gmehling, J., “Present Status and Potential of Group Controbution Methods for Process Development”, TheJournal of Chemical Thermodynamics., 41, 731-747.

20

“Predicción de Propiedades a través de Herramientas Computacionales”

Universidad Autónoma Metropolitana

Dr. Ricardo Morales Rodríguez

30/04/2014 21