A multiscale modelling of 2-aminoethanol (MEA) within the Python-ecosystem

Abstract

En multiskala modelleringsmetode har blitt brukt for å studere referansemolekylet, 2-aminoetanol (MEA), i "etter-forbrenning fangst av karbondioksid" (PCC), med håp om å øke innsikten i konformasjonsstabilitet, konformasjonskonnektivitet og tilsvarende reaktivitet. Samtlige beregninger har blitt utført innenfor et Python-økosystem, der kvantekjemi-programvaren "Python Simulations of Chemistry Framework" (PySCF) har vært benyttet for å gjennomføre "tetthetsfunksjonalteori" (DFT) beregninger ved hjelp av den "ikke-restriktive Kohn-Sham" (UKS) tilnærmingen. 25 konformasjoner av MEA har blitt identifisert ved COSMO/B3LYP/aug-cc-pVDZ nivået av teori, hvor fem konformasjoner innehar intramolekylære hydrogenbindinger (HB), hvilket resulterer i økt stabilitet. To av konformasjonene, som imidlertid ikke har blitt påvist i nyere litteratur, kunne ikke fult ut bekreftes. Overgangstilstand-søk (TS) har blitt utført for 23 konformasjoner, og avslørte at interkonverteringsbarrierer som spenner fra 0.66 til 5.15 kcal mol-1. Det fremtrer at interkonverteringer mellom tilstander som innehar HB, hadde den laveste barrieren, mens interkonvertering av den mest stabile tilstanden, hadde den høyeste barrieren på 5.15 og 4.77 kcal mol-1. Hastighetskonstanter har blitt beregnet ved hjelp av "overgangstilstandteori" (TST), og resultatene ga hastighetskonstanter som spenner fra 4.69 · 10^8 til 9.46 · 10^14 s-1. Disse har videre blitt brukt i kinetisk Monte Carlo (kMC) simuleringer, som indikerer at tilstandene med HB var preget av en høyere andel av den totale populasjonen. Det var imidlertid ikke mulig å betrakte samtlige tilstander, dermed gjenspeiler ikke resultatene fra simuleringene hele konformasjonsmangfoldet til det fulle. Til slutt har tre konformasjoner blitt undersøkt for å avgjøre om hvorvidt den reagerende konformasjonen påvirker reaksjonskinetikken ved COSMO/B3LYP/cc-pVDZ nivået av teori. Til tross for at resultatene peker i retning av dette, forhindrer beregningsproblemer faktiske resultater, og ytterligere undersøkelse er nødvendig for å fult ut forstå konformasjonens innvirkning på kinetikken.

A multiscale modelling approach has been employed to investigate the benchmark molecule in "post-combustion carbon dioxide capture" (PCC), 2-aminoethanol (MEA), with the hope to increase the insight in the conformer stability, interconnectivity and corresponding reactivity. All calculations has been carried out within a Python-ecosystem, utilising the quantum chemistry software "Python Simulations of Chemistry Framework" (PySCF) for "Density Functional Theory" (DFT) calculations using the "Unrestricted Kohn-Sham" approach. 25 conformers of MEA has been identified at COSMO/B3LYP/aug-cc-pVDZ level of theory, with five conformers exhibiting intramolecular hydrogen bonding (HB), resulting in increased stability. However, two conformers that has not been determined in resent work, could not be fully ascertained. Transition state searches has been performed for 23 conformers, revealing interconversion barrier ranging from 0.66 to 5.15 kcal mol-1. Notably, interconversions between states exhibiting HB, were found to have the lowest barrier, while interconversion of the most stable state, were found to exhibit the highest barrier of 5.15 and 4.77 kcal mol-1. Rate constants have been calculated using transition state theory (TST), and the result yielded rate constants ranging from 4.69 ·10^8 to 9.46 ·10^14 s-1. These has further been used in kinetic Monte Carlo (kMC) simulations, indicating that the states with HB were most populated. However, not all state were possible to consider, so the results from the simulations does not reflect the entire conformational diversity to its full extent. Lastly, three conformers has been examined at COSMO/B3LYP/cc-pVDZ level of theory, to determine whether the reacting conformer affects the kinetics of the reaction. While the results could point in a direction towards this, computational issues prevent conclusive findings, and further exploration is required to fully understand the impact of conformers on reaction kinetics.