基于实验数据、热力学建模与机器学习的吩嗪在超临界二氧化碳中的溶解度研究

《The Journal of Supercritical Fluids》：Experimental data, thermodynamic modeling, and machine learning for determining the solubility of phenazine in supercritical carbon dioxide

　　

• 在308至338 K及高达30 MPa的条件下测定了吩嗪在超临界二氧化碳中的溶解度。
• 摩尔分数范围为0.41×10??至9.97×10??。
• 采用不同模型对溶解度数据进行了关联。
• 评估了吩嗪实验数据的自洽性。
• 测定了吩嗪的焓值（kJ/mol）：ΔH_tot = 41.81，ΔH_vap = 62.51，ΔH_sol = 20.71。

引言

近期，众多研究集中在先进药物递送策略上，旨在应对药物研究的持续需求，提高治疗效果。药物递送的效率显著受到颗粒工程方法改良的影响，特别是那些调控粒径的方法[1]、[2]。超临界流体（SCFs）由于其液体般的密度以及介于液体和气体之间的中间扩散性和粘度，在众多工业应用中引起了广泛关注[3]、[4]。要生产药物微粒和纳米颗粒，必须全面了解药物在相关操作条件下的溶解度及其他物理化学性质，以开发基于SC-CO?的技术[5]至[28]。

吩嗪是含氮杂环化合物，具有三环结构。该缺电子骨架中氮原子上的孤对电子赋予其独特的化学性质[29]、[30]。吩嗪衍生物因其能与其他抗癌药物协同作用而用于化疗。这些化合物能增强化疗效果，同时也因其荧光特性被用于光动力抗癌疗法[31]、[32]。合成吩嗪已被开发以提高这些治疗效果[32]。吩嗪在水中的溶解度较低[33]，研究表明即使在高温下其溶解度仍然很低。相比之下，吩嗪衍生物如吩嗪-1-甲酸在甲醇和乙醇等有机溶剂中的溶解度显著更高，且在这些环境中溶解度随温度升高而增加。使用二元溶剂混合物，特别是水和有机溶剂的组合，已被探索用于提高吩嗪及其衍生物的溶解度，优化纯化条件。影响溶解度的因素包括溶剂类型和浓度、温度以及对吩嗪分子的结构修饰，如添加官能团。此外，溶液的pH值也会影响溶解度，因为它影响吩嗪衍生物的质子化状态。总体而言，虽然吩嗪在水溶液中溶解度很差，但在有机溶剂中通过结构修饰可以显著提高其溶解度[33]至[41]。尽管需要在多种操作条件下获取大量化合物的溶解度数据，但现有文献通常仅提供特定压力和温度下的有限数据集。

实验溶解度测定通常成本高昂且耗费人力[42]至[45]。因此，利用现有数据在不同条件下估算溶解度的预测模型已得到开发以解决这些局限性。研究表明吩嗪具有显著的抗癌活性，导致持续研究开发基于吩嗪的抗癌药物[31]、[46]。由于吩嗪具有重要的治疗潜力及其有限的水溶性带来的制剂挑战，有必要全面表征其在其他重要溶剂如SC-CO?中的溶解度。本研究旨在实验测定吩嗪在SC-CO?中多个压力和温度范围（308–338 K）内的溶解度。采用多种模型和分析方法处理溶解度数据，包括基于密度的关联模型（Chrastil[47]、Mendez-Teja (MT)[48]、Bartle et al.[49]、Kumar-Johnston[50]以及Sodeifian模型[51]）；基于Flory-Huggins理论的正规溶液模型[52]；Hansen[53]、Gidding et al.[54]和Williams et al.[55]提出的溶解度参数；以及高级机器学习（ML）算法，即梯度提升（GB）[56]、随机森林（RF）[57]和AdaBoost（AB）[58]。此外，还估算了吩嗪的总焓、溶剂化焓和汽化焓等热力学性质。

材料

吩嗪及研究中使用的其他物质信息见表1。其中包括化学品的CAS号、纯度、结构、分子式、摩尔质量和供应商。这些化学品在使用前无需额外处理。

吩嗪溶解度测定

使用图1所示的实验室级装置测定吩嗪在SC-CO?中的溶解度。该装置包括CO?钢瓶、针形阀、分子筛过滤器、制冷单元和UV-Vis分光光度计等。

建模

考虑了三种不同的方法来研究吩嗪溶解度数据。首先是五种基于密度的半经验模型：Chrastil[47]、MST[48]、Kumar-Johnston[50]、Bartle[49]和Sodeifian et al.[51]；其次是基于Flory-Huggins理论的正规溶液模型[52]，以及Hansen[53]、Gidding et al.[54]和Williams et al.[55]提出的溶解度参数；第三是机器学习技术，即梯度提升（GB）[56]、随机森林（RF）[57]和AdaBoost（AB）[58]。

实验结果

在308、318、328和338 K下，采用静态法（见图1）测定了吩嗪在SC-CO?中的溶解度。12至30 MPa压力下获得的结果见表5。吩嗪摩尔分数（记为y?）变化范围为0.41×10??至9.97×10??。采用Span-Wagner[63]状态方程估算SC-CO?的密度值。实验重复三次以确定数据的变异性程度。图2表明，独立于……

结论

本研究成功测定了吩嗪在超临界二氧化碳（SC-CO?）中308至338 K温度范围和高达30 MPa压力下的溶解度，获得摩尔分数范围为0.41×10??至9.97×10??。实验测定发现了一个明显的交叉压力点15 MPa，标志着温度依赖溶解度行为发生反转。为关联实验数据，评估了五种基于密度的半经验模型。

符号列表

a-f：基于密度模型参数（表2）
AB：AdaBoost
AARD%：百分均方根偏差，公式（7）
C?：收集瓶中的吩嗪浓度（g/L），公式（2）和公式（4）
A?-A?：正规溶液模型参数，公式（11）
GB：梯度提升
M?：CO?摩尔质量（g/mol），公式（1）
M?：吩嗪摩尔质量（g/mol），公式（2）和公式（5）
MST：Mendez-Santiago-Teja
n?：CO?摩尔数，公式（1）和公式（3）
n?：吩嗪摩尔数，公式（2）和公式（3）
Q：独立变量数量，公式（8）
R：通用气体常数（J/mol·K），公式（8）
RF：随机森林

希腊字母

ΔH?m：熔化热，公式（8）
δh：Hansen溶解度参数——氢键相互作用，公式（12）
δd：Hansen溶解度参数——非极性相互作用，公式（12）
δp：Hansen溶解度参数——极性相互作用，公式（12）

上标

cal：计算结果
exp：实验数据

作者贡献声明

Ratna Surya Alwi：撰写初稿、软件、方法学、调查
Adel Noubigh：撰写初稿、软件、调查
Seyed Ali Sajadian：撰写审阅与编辑、验证、监督、资源、方法学、调查、资金获取、概念化

未引用参考文献[101]、[102]

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢沙特阿拉伯阿拉勒北部边疆大学科学研究处通过项目编号"NBU-FFR-2026-1497-01"对本研究提供的资金支持。

Ratna Surya Alwi | Adel Noubigh | Seyed Ali Sajadian