Prediction of partition coefficients for systems of micelles using DFT

Abstract

[eng] A compound’s solvent−water partition coefficient (log P) measures the equilibrium ratio of the compound’s concentrations in a two-phase system: as two solvents in contact or a system of micelles in an aqueous solution. In this thesis, the partition coefficient of three groups of small compounds (alcohol, ether, and hydrocarbons) in 10 different solvents (benzene, cyclohexane, hexane, n-Octane, toluene, carbon tetrachloride, heptane, trichloroethane, and octanol) was computed used DFT and B3LYP method with 6.31G(d), 6.311+G** and 6.311++G** basis sets. It is obtained that the partition coefficient of alcohol solutes in various solvents using the 6.31G(d) basis set indicates a satisfactory correlation with experimental values. The correlation between the experimental value and the partition coefficient of ether solutes in different solvents using the 6.311++G** basis set shows high agreement. The experimental data displayed a high correlation with the partition coefficient computed for hydrocarbon compounds in various solvents using all three basis sets: 6.31G(d), 6.311+G**, and 6.311++G**. In addition, we have studied the correlation of the experimental partition coefficients in Sodium Dodecyl Sulfate (SDS), Hexadecyltrimethylammonium bromide (HTAB), Sodium cholate (SC), and Lithium perfluoro octane sulfonate (LPFOS) micelles with ab initio calculated partition coefficients in 15 different organic solvents. Specifically, the partition coefficients of a series of 63 molecules in an aqueous system of SDS, SC, HTAB, and LPFOS micelles are correlated with the partition coefficient in heptane/water, cyclohexane/water, n-dodecane/water, pyridine/water, acetic acid/water, octanol/water, acetone/water, 1-propanol/water, 2-propanol/water, methanol/water, formic acid/water, diethyl sulfide/water, decan-1-ol/water, 1-2 ethane diol/water and dimethyl sulfoxide/water systems. All calculations were performed using the Gaussian 16 Quantum Chemistry package. Molecular structures were generated in the more extended conformation using Avogadro, and geometries of all molecules were optimized using Density Functional Theory (DFT) B3LYP and MO6-2X with 6-31++G** basis set by the continuum solvation model based on density (SMD). The obtained results show that calculated partition coefficients in the alcohol/water mixture give the best correlation to predict the experimental partition coefficients in SDS, SC, and LPFOS micelles. With respect to HTAB micelle systems, a new selection of molecules is created, excluding those containing N atoms and Urea atom groups.

Interestingly, the partition coefficient of these chosen molecules exhibits a strong correlation with the experimental partition coefficient. Finally, the partition coefficient of flexible molecules was studied by the same protocol for two solvent combinations, octanol/water and cyclohexane/water. The calculated values were compared with the experimental partition coefficients. The average partition coefficient in octanol solvent exhibited a high correlation with the experimental data. However, for the 16 compounds in the cyclohexane solvent, their partition coefficients do not exhibit significant agreement with the experimental partition coefficients.

[cat] S'ha desenvolupat una metodologia computacional per calcular el coeficient de partició de diferents tipus de molècules en sistemes micel·lars. En primer lloc, s'ha calculat el coeficient de partició de tres grups de compostos (alcohol, èter i hidrocarburs) utilitzant el mètode DFT amb el funcional B3LYP. S'han obtingut correlacions satisfactòries amb els valors experimentals. En aquesta tesi s'ha desenvolupat un procediment per calcular els coeficients de partició experimentals en micel·les de dodecilsulfat de sodi (SDS), bromur d'hexadeciltrimetilamoni (HTAB), colat de sodi (SC) i perfluorooctanosulfonat de liti (LPFOS). Específicament, els coeficients de partició d'una sèrie de 63 molècules en un sistema aquós de micel·les de SDS, SC, HTAB i LPFOS es correlacionen amb el coeficient de partició en deu barreges aquoses. Els resultats obtinguts mostren que els coeficients de partició calculats a la barreja alcohol/aigua donen la millor correlació per predir els coeficients de partició experimentals en micel·les SDS, SC i LPFOS. Pel que fa als sistemes micelars HTAB, es crea una nova selecció de molècules, excloent-ne aquelles que contenen àtoms de N aromàtics i grups d'urea. És interessant notar que el coeficient de partició d'aquestes molècules triades mostra una forta correlació amb el coeficient de partició experimental.

Finalment, es va estudiar el coeficient de partició de molècules flexibles mitjançant el mateix protocol per a dues combinacions de dissolvents, octanol/aigua i ciclohexà/aigua. Els valors calculats es van comparar amb els coeficients de partició experimentals. El coeficient de partició mitjana en dissolvent octanol va mostrar una alta correlació amb les dades experimentals. Tot i això, per als 16 compostos en el dissolvent ciclohexà, els seus coeficients de partició no mostren una concordança significativa amb els coeficients de partició experimentals