nucВестник НЯЦ РКNNC RK Bulletin1729-75161729-7885Национальный ядерный центр Республики Казахстан10.52676/1729-7885-2026-2-151-159nuc-1021Research ArticleСтатьиАТОМНО-УРОВНЕВОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГЛУБОКОЭВТЕКТИЧЕСКОГО РАСТВОРИТЕЛЯ НА ОСНОВЕ МАСЛЯНОЙ КИСЛОТЫ/ТИМОЛА С ГЛИЦЕРИНОМATOMISTIC-SCALE MODELING OF THE INTERACTION OF A BUTANOIC ACID/THYMOL-BASED DEEP EUTECTIC SOLVENT WITH GLYCEROLАқылбековБ. С.AkilbekovA. S.

Астана

АманкелдиеваА. С.AmankeldiyevaA. S.

Астана

Astana

АмреноваЕ. А.AmrenovaYe. A.

Астана

Astana

АбуталипМ.AbutalipM.

Астана

Astana

https://orcid.org/0009-0009-2915-8462СатановаБ. М.SatanovaB. M.

Балжан Сатанова

Астана

 

Astana

satanova_bm_2@enu.kzКерімкуловЖ. К.KerimkulovZh. K.

Kokshetau

КәрібаевМ. М.KaribayevM. M.

Астана

Astana

Лаборатория возобновляемой энергии, Национальная лаборатория Астана, Nazarbayev UniversityКазахстанAstanaKazakhstanЛаборатория возобновляемой энергии, Национальная лаборатория Астана, Nazarbayev UniversityKazakhstanЕвразийский национальный университет имени Л.Н. ГумилеваКазахстанL.N. Gumilyov Eurasian National UniversityKazakhstanAbay Myrzakhmetov Kokshetau UniversityКазахстанAbay Myrzakhmetov Kokshetau UniversityKazakhstanЛаборатория возобновляемой энергии, Национальная лаборатория Астана, Nazarbayev UniversityКазахстанLaboratory of Renewable Energy, National Laboratory Astana, Nazarbayev UniversityKazakhstan20260908202602151159Copyright © Ақылбеков Б.С., Аманкелдиева А.С., Амренова Е.А., Абуталип М., Сатанова Б.М., Керімкулов Ж.К., Кәрібаев М.М., 20262026Ақылбеков Б.С., Аманкелдиева А.С., Амренова Е.А., Абуталип М., Сатанова Б.М., Керімкулов Ж.К., Кәрібаев М.М.Akilbekov A.S., Amankeldiyeva A.S., Amrenova Y.A., Abutalip M., Satanova B.M., Kerimkulov Z.K., Karibayev M.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journals.nnc.kz/jour/article/view/1021

 Экономическая целесообразность биодизеля зависит от надлежащего удаления глицерина, основного побочного продукта, снижающего качество бензина. Существующие процессы очистки могут быть энергоемкими или приводить к образованию вторичных отходов, что требует создания новых эффективных растворителей. В данном исследовании используется теория функционала плотности (DFT) на уровне B3LYP/6-311G++(d,p) с дисперсионной поправкой D3(BJ) для оценки глубокого эвтектического растворителя (DES) на основе масляной кислоты и тимола для экстракции глицерина. Комплекс глицерин-DES был подвергнут квантово-химическим расчетам, которые включали оптимизацию геометрии, анализ естественного распределения зарядов и характеристику граничных орбиталей. Изучение контактных энергий, карт электростатического потенциала и молекулярных орбиталей показывает, что взаимодействие является экзотермическим (ΔH_int = -20,3 кДж/моль). Однако положительное изменение свободной энергии Гиббса (+21,9 кДж/моль) и большое отрицательное изменение энтропии (-142,1 Дж моль⁻¹ К⁻¹) указывают на несамопроизвольный характер взаимодействия в условиях окружающей среды, который преимущественно обусловлен энтальпией. Полученные результаты дают фундаментальное понимание механизмов взаимодействия на атомарном уровне, демонстрируя эффективность DFT для отбора кандидатов на роль DES. Хотя точная комбинация бутановой кислоты и тимола теоретически непригодна для спонтанного удаления глицерина, данное исследование обеспечивает прочную вычислительную основу.

The economic feasibility of biodiesel depends on the proper removal of glycerol, a main byproduct that decreases gasoline quality. Current purification processes can be energy-intensive or produce secondary waste, necessitating the creation of new, efficient solvents. This study uses Density Functional Theory (DFT) at the B3LYP/6-311G++(d,p) level, along with D3(BJ) dispersion correction, to assess a butanoic acid/thymol-based deep eutectic solvent (DES) for glycerol extraction. The glycerol-DES complex underwent quantum-chemical computations, which included geometry optimization, natural population analysis, and frontier orbital characterisation. The examination of contact energies, electrostatic potential maps, and molecular orbitals reveals that the interaction is exothermic (ΔH_int = -20.3 kJ/mol). However, the positive change in Gibbs free energy (+21.9 kJ/mol) and the large negative entropy change (-142.1 J mol⁻¹ K⁻¹) suggest the non-spontaneous character of the interaction at ambient conditions, which is predominantly driven by enthalpy. The findings provide fundamental atomistic-scale insights into the interaction mechanisms, demonstrating the efficacy of DFT for selecting DES candidates. While the exact butanoic acid/thymol combination is theoretically unsuitable for spontaneous glycerol removal, this study provides a strong computational basis.

теория функционала плотностиглубокоэвтектические растворителиочистка биодизелямолекулярные взаимодействияэкстракция глицеринаdensity functional theorydeep eutectic solventsbiodiesel purificationmolecular interactionsglycerol extractionReferencesБулгаков С. В. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА НА ТРАНСПОРТЕ // Прогрессивные технологии и процессы. – 2017. – С. 42-46.Булгаков С. В. ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА НА ТРАНСПОРТЕ // Прогрессивные технологии и процессы. – 2017. – С. 42-46.Систер В. Г. Технология получения биодизельного топлива и грин-дизеля //Труды НАМИ. – 2010. – №. 243. – С. 53-55.Систер В. Г. Технология получения биодизельного топлива и грин-дизеля //Труды НАМИ. – 2010. – №. 243. – С. 53-55.Ткач В. В., Шевцов С. А. Линия производства биодизельного топлива. – 2018.Ткач В. В., Шевцов С. А. Линия производства биодизельного топлива. – 2018.Рогожин А. Е. и др. Анализ рынка биодизельного топлива в мире и Российской Федерации //НАУКА РОССИИ: ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ. – 2017. – С. 25-27.Рогожин А. Е. и др. Анализ рынка биодизельного топлива в мире и Российской Федерации //НАУКА РОССИИ: ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ. – 2017. – С. 25-27.Sander A. et al. Continuous purification of biodiesel with deep eutectic solvent in a laboratory Karr column //Separations. – 2024. – Т. 11. – №. 3. – С. 71.Sander A. et al. Continuous purification of biodiesel with deep eutectic solvent in a laboratory Karr column //Separations. – 2024. – Т. 11. – №. 3. – С. 71.Anđelović S. et al. Deep eutectic solvents for biodiesel purification in a microextractor: solvent preparation, selection and process optimization //Bioengineering. – 2022. – Т. 9. – №. 11. – С. 665.Anđelović S. et al. Deep eutectic solvents for biodiesel purification in a microextractor: solvent preparation, selection and process optimization //Bioengineering. – 2022. – Т. 9. – №. 11. – С. 665.Hayyan A. et al. Application of natural deep eutectic solvents in bulk liquid membrane system for removal of free glycerol from crude fatty acid methyl ester //Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. – 2022. – Т. 650. – С. 129449. 7654Hayyan A. et al. Application of natural deep eutectic solvents in bulk liquid membrane system for removal of free glycerol from crude fatty acid methyl ester //Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. – 2022. – Т. 650. – С. 129449. 7654Karibayev M., Shah D. Comprehensive computational analysis exploring the formation of caprolactam-based deep eutectic solvents and their applications in natural gas desulfurization //Energy & Fuels. – 2020. – Т. 34. – №. 8. – С. 9894-9902.Karibayev M., Shah D. Comprehensive computational analysis exploring the formation of caprolactam-based deep eutectic solvents and their applications in natural gas desulfurization //Energy & Fuels. – 2020. – Т. 34. – №. 8. – С. 9894-9902.Хоанг Н. Д. О Производстве биодизельного топлива // Наука в центральной России. – 2015. – №. 5. – С. 46-52.Хоанг Н. Д. О Производстве биодизельного топлива // Наука в центральной России. – 2015. – №. 5. – С. 46-52.Бальжанова А. Т. Исследование влияния сырья и параметров синтеза на характеристики биодизельного топлива. – 2020.Бальжанова А. Т. Исследование влияния сырья и параметров синтеза на характеристики биодизельного топлива. – 2020.Исаматова Д. Н. и др. ДИНАМИКА ПРОИЗВОДСТВА БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА И МЕТОДЫ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ // Universum: технические науки. – 2025. – Т. 5. – №. 3 (132). – С. 38-41.Исаматова Д. Н. и др. ДИНАМИКА ПРОИЗВОДСТВА БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА И МЕТОДЫ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ // Universum: технические науки. – 2025. – Т. 5. – №. 3 (132). – С. 38-41.Тертычная Т. Н. и др. Способ получения биодизельного топлива и установка для его осуществления. – 2020.Тертычная Т. Н. и др. Способ получения биодизельного топлива и установка для его осуществления. – 2020.Хромова С. М. и др. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА //Нефтепереработка и нефтехимия. – 2025. – №. 9. – С. 39-47.Хромова С. М. и др. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА //Нефтепереработка и нефтехимия. – 2025. – №. 9. – С. 39-47.Smirnov A. et al. Study of the liquid–liquid equilibrium and extraction properties of deep eutectic solvents based on choline chloride for the separation of the ethanol–ethyl formate system for potential use in biofuel production // Industrial & Engineering Chemistry Research. – 2022. – Т. 62. – №. 1. – С. 586-597.Smirnov A. et al. Study of the liquid–liquid equilibrium and extraction properties of deep eutectic solvents based on choline chloride for the separation of the ethanol–ethyl formate system for potential use in biofuel production // Industrial & Engineering Chemistry Research. – 2022. – Т. 62. – №. 1. – С. 586-597.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.