Molecular Modelling and Prediction of the Physicochemical Properties of Polyols in Aqueous Solution

Modélisation Moléculaire et Prédiction des Propriétés Physicochimiques des Polyols en Solution Aqueuse

¹ Institut Pascal, Université Clermont Auvergne, CNRS, Clermont Auvergne INP, Clermont-Ferrand, France
² Roquette Frères, Carbohydrate & Advanced Process Technologies, Lestrem, France

Abstract

Roquette is a producer of plant-based ingredients. Modelling, simulation, and predictive thermodynamic models are the tools that allow for the characterization of the physicochemical properties of material flows in order to optimize and control their industrial processes. These involve aqueous mixtures of polyols with a high dry matter content. Mannitol and sorbitol are diastereoisomers that have almost identical chemical structures but very different physicochemical properties: for example, the solubility of sorbitol in water is 2.5 kg/kg of water, while mannitol has a solubility of 0.25 kg/kg of water at 25°C. Therefore, predicting liquid-solid equilibrium properties in this case requires sophisticated solution models that cannot be based solely on the contributions of chemical groups, given that the constituent chemical groups of mannitol and sorbitol are the same. Recognizing the importance of solvation phenomena in polyols, the GePEB team at the Institut Pascal has developed the COSMO-UCA model, which has the structural advantage of using quantum mechanics tools to predict formation and phase equilibrium properties. In this work, molecular dynamics simulations are used to elucidate the behaviour of polyols in aqueous solution. Specifically, simulations are applied for evaluating essential parameters such as radial distribution functions and hydrogen bond autocorrelation functions. The results highlight a fundamental contrast: sorbitol and mannitol exhibit disparate hydrogen bond lifetimes, with differing hydrogen bond durations. In addition to these analyses, the solubilities of sorbitol and mannitol in water as function of temperature using the COSMO-UCA model are estimated, providing a comprehensive view of polyol-water interactions.

Résumé

Roquette est un producteur d’ingrédients d’origine végétale. La modélisation, la simulation et les modèles thermodynamiques prédictifs sont les outils qui permettent de caractériser les propriétés physico-chimiques des flux de matière, afin d’optimiser et de contrôler leurs processus industriels. Il s’agit de mélanges aqueux de polyols à haute teneur en matière sèche. Les polyols mannitol et sorbitol sont des diastéréo-isomères qui ont une structure chimique presque identique, mais des propriétés physico-chimiques très différentes : par exemple, la solubilité du sorbitol dans l’eau est de 2,5 kg/kg d’eau, alors que le mannitol a une solubilité de 0,25 kg/kg d’eau à 25°C. Par conséquent, la prévision des propriétés d’équilibre liquide-solide nécessite des modèles de solution sophistiqués qui ne peuvent pas être basés uniquement sur les contributions des groupes chimiques, sachant que, pour le mannitol et le sorbitol, les groupements chimiques constitutifs sont les mêmes. Reconnaissant l’importance des phénomènes de solvatation dans les polyols, l’équipe GePEB de l’Institut Pascal a développé le modèle COSMO-UCA, qui présente l’avantage structurel d’utiliser les outils de la mécanique quantique pour prédire les propriétés de formation et d’équilibre de phase. Dans ce travail, des simulations de dynamique moléculaire sont utilisées pour élucider le comportement des polyols en solution aqueuse. Plus précisément, ces simulations servent à calculer des paramètres essentiels tels que les fonctions de distribution radiale et les fonctions d’autocorrélation des liaisons hydrogène. Les résultats obtenus mettent en lumière un contraste fondamental : les durées de vie des liaisons hydrogène sont très significativement différentes pour le sorbitol et le mannitol. Ces analyses de dynamique moléculaire sont mises en relation avec les évolutions des solubilités du sorbitol et du mannitol dans l’eau en fonction de la température en utilisant le modèle COSMO-UCA, offrant ainsi une vision complète des interactions polyol-eau.