Estudio computacional de la transición sólido/líquido de alcoholes y cetonas del campo de fuerzas UAMI-EW

Abstract

Trabajo de Máster Universitario en Simulación Molecular (2020/21). Director: Dr. D. José Alejandre Ramírez. Se hace una evaluación del campo de fuerza de átomo unido UAMI-EW (united atom model via interactions with explicit water) sobre la predicción de la temperatura de fusión del metanol, etanol y acetona. En el modelo UAMI-EW los parámetros de interacción intermolecular se obtuvieron reproduciendo propiedades en la fase líquida, en la coexistencia líquido-vapor y en soluciones acuosas de alcoholes y cetonas con distintas geometrías moleculares. El modelo reproduce la solubilidad de propanol/butanol y acetona/butanona en donde el primer componente es totalmente miscible en agua mientras que el segundo no lo es. El modelo es rígido en las distancias de enlace y flexible en el ángulo de enlace. En este trabajo, para el metanol líquido se obtuvieron resultados de densidad a bajas temperaturas y altas presiones, que no fueron obtenidos en la parametrización del modelo, y están en excelente acuerdo con resultados experimentales. También se obtuvieron las densidades en las fases sólidas alfa, beta y gama. La temperatura de fusión se determinó en sistemas en dondecoexisten directamente la fase sólida beta con la líquida. Se encuentra que la temperatura de fusión a 1 bar depende de la cara de metanol que está en contactocon el agua. En la dirección z, se encuentra que el valor está entre 195 K y 200 K, mientras en las otras dos direcciones está entre 210 K y 215 K. El valor experimentales de 175.6 K. Para comparar los resultados con el modelo de metanol OPLS-2016, que es totalmente rígido y que fue parametrizado con propiedades de líquido y sólido del componente puro, se estudió el efecto de la flexibilidad en el ángulo de enlace y no se encontraron diferencias con el modelo flexible en las distancias. Losresultados para el líquido de los modelos UAMI-EW y OPLS-2016 son equivalentes. La temperatura de fusión reportada usando el método de la energía libre para el modelo OPLS-2016 es de 189.9 K. Para el etanol líquido se obtuvieron las densidades a temperaturas entre 298 K y 473 K en donde el mayor error relativo con respecto al experimento es de 2% en la mayor temperatura. El sistema sólido-líquido se estudia entre temperaturas que van desde 140 K hasta 200 K. El valor experimental es de 159.1 K, mientras que el obtenido tras la simulación ha sido de 170K. Para la acetona, se obtuvo una densidad de 1027.3 kg/𝑚3 en la fase sólida en comparación con 1052.49 kg/𝑚3 del dato experimental, el error relativo es de 2.4 %. Para obtener la temperatura de fusión se siguió elmismo procedimiento que para metanol y etanol. El sistema sólido-líquido se estudia en el rango de temperaturas entre 120 K y 220 K. La temperatura de fusión se estima que está entre 200 K y 205 K.El dato experimental es de 178.5 K.

An evaluation of the united atom force field UAMI-EW (united atom model via interactions with explicit water) on the prediction of the melting temperature of methanol, ethanol and acetone is made. In the UAMI-EW model, intermolecular interaction parameters were obtained by reproducing properties in the liquid phase, in liquid-vapor coexistence and in aqueous solutions of alcohols and ketones with different molecular geometries. The model reproduces the solubility of propanol/butanol and acetone/butanone where the former component is fully miscible in water while the latter is not. The model is rigid in the bond distances and flexible in the bond angle. In this work, density results were obtained for liquid methanol at low temperatures and high pressures, which were not obtained in the model parameterisation, and are in excellent agreement with experimental results. Densities were also obtained for the alpha, beta and gama solid phases. The melting temperature was determined in systems where the beta solid phase coexistsdirectly with the liquid phase. It is found that the melting temperature at 1 bar depends on the methanol face in contact with water. In one direction the value is found to be between 295 K and 200 K and in the other two directions it is found to be between 210 K and 215 K. The experimental value is 175.6 K. To compare the results with the fully rigid OPLS2016 methanol model, which was parameterised withliquid and solid properties of the pure component, the effect of flexibility on the bondangle was studied and no differences were found with the flexible model in the distances. The results for the liquid from the UAMI-EW and OPLS-2016 models areequivalent. The melting temperature reported using the free energy method for the OPLS-2016 model is 189.9 K. For liquid ethanol, densities were obtained at temperatures between 298 K and 473 K where the largest relative error with respect to experiment is 2% at the highest temperature. The solid-liquid system is studied between temperatures ranging from 140 K to 200 K. The experimental value is 159.1 K, while the one obtained after the simulation was 170K. For acetone, a density of 1027.3 kg/𝑚3was obtained for the solid phase compared to 1052.49 kg/𝑚3 for the experimental data, the relative error is 2.4 %. To obtain the melting temperature, the same procedure was followed as for methanol and ethanol. The solid-liquid system is studied in the temperature range between 120 K and 220 K. The melting temperature is estimated to be between 200 K and 205 K. The experimental data is 178.5 K.