Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по химии
На правах рукописи
МЕЛЬНИЦКАЯ ЕЛЕНА ИГОРЕВНА
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ПРОГНОЗ СВОЙСТВ СЕЛЕКТИВНЫХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДНОЙ СИСТЕМЫ ГЕКСАН-БЕНЗОЛ
Специальности: 02.00.13 - Нефтехимия
02.00.03 - Органическая химия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата химических наук
Уфа - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет (УГНТУ)
Научные руководители: | доктор химических наук, профессор Кантор Евгений Абрамович;
доктор химических наук, Кирлан Светлана Анатольевна. |
Официальные оппоненты: | япина Нафиса Кабировна, доктор химических наук, профессор, главный научный сотрудник Института органической химии Уфимского Н - РАН; Хлебникова Татьяна Дмитриевна, доктор химических наук, профессор кафедры Прикладная экология ФГБОУ ВПО УГНТУ. |
Ведущая организация | ФГБОУ ВПО Башкирский государственный университет. |
Защита состоится л12 апреля 2012 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.289.01 при ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет по адресу: 450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Автореферат разослан л марта 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Сыркин А.М.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Исследование на основе теоретической доэкспериментальной оценки разнообразных свойств химических соединений и моделирование их конкретных структур, которые могут оказаться носителями изучаемых свойств, активно используются в последнее время. Такие подходы позволяют существенно сократить трудоемкость и финансовые издержки исследований, и особо интенсивно используются при оценке связи структуры соединений с их биологической активностью. В тоже время известные подходы прогнозных расчетных методов могут быть использованы и при выявлении молекулярных фрагментов, играющих ключевую роль в проявлении самых разнообразных свойств органических молекул. Экстракционные процессы очистки углеводородного сырья селективными растворителями имеют большое значение для нефтехимии и нефтепереработки. Поэтому актуальным является проведение исследований в области доэкспериментальной оценки, моделирования и синтеза селективных растворителей для экстракции ароматических углеводородов из продуктов нефтепереработки на основе закономерности связи структура - свойство.
Цель работы. Разработка селективных растворителей для экстракционного выделения ароматических углеводородов из продуктов нефтепереработки на примере углеводородной системы гексан - бензол.
Задачи исследования:
- определение влияния функциональных групп и их сочетаний на селективность растворителей для системы гексан - бензол на основе компьютерной системы SARD-21;
- разработка моделей оценки уровня селективности растворителей;
- формирование базы данных для разработки направлений моделирования и синтеза новых селективных растворителей;
Ч направленный синтез и испытание селективных растворителей.
Научная новизна. Впервые метод теории распознавания образов в рамках системы SARD-21 применен для исследования селективных свойств растворителей для разделения углеводородной системы гексан - бензол.
На основе системы SARD-21:
Ч выявлено влияние более 2000 химических групп, атомов и их сочетаний на селективность растворителей;
Ч сформированы модели и их комплексы для оценки уровня селективности растворителей;
Ч сформирована информационная база данных для оценки селективности, направленного моделирования и синтеза новых растворителей;
Ч определены перспективные направления структурной модификации для направленного синтеза новых селективных растворителей для выделения ароматических углеводородов из продуктов нефтепереработки.
Практическая значимость работы заключается в:
Ч создании базы данных для разработки направлений моделирования и синтеза новых селективных растворителей;
Ч применении сформированной базы данных для направленного моделирования и синтеза селективных растворителей, а также в использовании результатов исследований:
Ч в НО - Перспективные биологически активные соединения. Получение и свойства ФГБОУ ВПО Уфимского государственного нефтяного технического университета при исследовании связи структура - свойства и теоретической оценке селективных свойств растворителей;
Ч в ФГБОУ ВПО Уфимской государственной академии экономики и сервиса при изучении закономерностей связи структура - свойства химических соединений;
Ч в ГУ Научно-исследовательский технологический институт гербицидов и регуляторов роста растений с опытно-экспериментальным производством АН РБ при изучении закономерностей связи структура - свойства и разработке направлений синтеза химических соединений.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены и обсуждены на XXII Международной научно-технической конференции Химические реактивы, реагенты и процессы малотоннажной химии Реактив-2009 (г. Уфа, 2009 г.), XLVIII Международной научной студенческой конференции Студент и научно-технический прогресс (г. Новосибирск, 2010 г.), II Международной научно-практической конференции молодых ученых Актуальные проблемы науки и техники (г. Уфа, 2010 г.), XV Международной экологической студенческой конференции Экология России и сопредельных территорий (г. Новосибирск, 2010 г.), VIII Республиканской конференции молодых ученых Научное и экологическое обеспечение современных технологий (г. Уфа, 2011 г.), VIII Международной научно-технической конференции, 7 декабря 2011. Ч. V (Уфа, 2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях из перечня российских рецензируемых научных журналов, публикующих результаты диссертаций на соискание ученой степени.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, обсуждения результатов, экспериментальной части, выводов, списка литературы и приложения. Материал диссертации изложен на 136 страницах, содержит 26 таблиц и 24 рисунка. Список литературы включает 129 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1 Методические и методологические аспекты исследования
Для исследования закономерности связи структура - селективность растворителей, применяемых для разделения системы гексан - бензол использована компьютерная система SARD-21. Исходной информацией являются фрагменты структурных формул и экспериментально полученные значения селективностей исследуемых соединений. Сформированные модели распознавания и прогноза представляют собой уравнения логического вида: A = F(S), где A - активность; (S) - решающий набор признаков (РНП) - комплекс фрагментов структурных формул и их логических сочетаний типа конъюнкций, дизъюнкций, строгих дизъюнкций; F - алгоритм распознавания образов, по которому производится классификация исследуемых соединений по их активности: геометрический подход и метод голосования. По геометрическому подходу отнесение исследуемой структуры Vi (i = 1,Е, k) к группе активных (группа А) или неактивных (группа В) соединений происходит после определения расстояния этой структуры в евклидовой метрике до расчетных эталонов активного и неактивного соединений:
где Vi, j - это реализация j-того признака из РНП в анализируемой (i - той) структуре в элементах булевой алгебры (j = 1, если признак присутствует в структуре, в противном случае j = 0). Если RVi , ЭА < RVi , ЭВ, то Vi И А, RVi , ЭВ < RVi , ЭА, то Vi И В. Эталоны рассчитаны при реализации признаков РНП в структурах соответственно групп А и В: ЭАj = Vi j / mA., Э B j = Vi j / mB, где mA и mB - число структур обучения групп А и В. По методу голосования подсчитываются числа (P1 и P2) признаков групп l1 и l2 из РНП (в группе l1 r >0, в l2 r < 0), совпадающие со значениями признаков структуры Vi. Если P1 > P2, то Vi И А, P1 < P2, то Vi И В. При оценке влияния функциональных групп и их сочетаний на селективность растворителей использовали коэффициент информативности r, который изменяется в пределах от -1 до +1. Знак л+ характеризует "положительное", Ц характеризует "отрицательное" влияние.
Исследование проведено на трех массивах, содержащих 496 структур, относящихся к различным классам органических соединений циклического и ациклического строения: производных пирролидина, пирролидона, пиперидина, пиперазина, оксазолидина, азиридина, оксирана, диоксана, тиетана, тиазана, тиазолидона, тиофена, фурана, кетонов и спиртов и имеющих данные по селективности при определенной температуре (таблица 1).
Все химические соединения представляют собой растворители, использовавшиеся для разделения углеводородной системы гексан - бензол, данные об их селективности при определенной температуре взяты из справочников.
Таблица 1 - Циклические соединения, включенные в массивы
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
Х=O, N, R1=CH2OH, -С(О)СН3 | X=O, Y=N, C R1= NO2, CH2O(CH2)2CN R2=CH3 | R1=F, NH2, CHSF2, CH2O(CH2)2CN R2=NO2, CHF2, NH2 R3=SO2CF3 | X=N, S, O Y= S, O R1=NO, (CH2)2CN CH2O(CH2)2CN, (=O), -C(O)H, C(O)CH3, -C(O)C2H5 R2=(=O), R3,4=CH3 | X=O, N, C Y=N, S, C Z=O R1=NO2, CN, CH2CN, CH3, -H (CH2)2CN, -C(O)C2H5, (=O), -C(O)CH3, -C(O)H R2=(=O), -O-CH3, -H, C(O)CH3, -O(CH2)2CN |
Селективность соединений оценивалась величиной отношения предельных коэффициентов активности (ог/об). Весь диапазон значений селективности был разбит на три интервала: низкая селективность (S<10); средняя селективность (10<S<17); высокая селективность (S>17). К активным растворителям относились те, которые обладали более высокой селективностью, к неактивным - меньшей селективностью.
2 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
2.1 Влияние химических фрагментов на селективность растворителей
В процессе исследования оценено более 2000 сочетаний молекулярных фрагментов (дескрипторов), оказывающих как положительное, так и отрицательное влияние на величину селективности. Установлено, что наибольшее положительное влияние на селективность растворителей оказывает сочетания двух метиленовых групп при гетероатоме, двух метиленовых групп с третичным атомом азота и двух метиленовых групп при гетероатоме с оксагруппой. Также оказывают положительное влияние на селективные свойства следующие химические фрагменты: (>N-)-(-N=O), (>C=O)-(>N-)-(>C=O), (>C=O)-(>N-)-(-CH2het-), (>N-)-(>С=O), (>N-)-(-CH2het-)-(-O-), где (-CH2het-) - метиленовая группа при гетероатоме или при циклическом фрагменте. Цианогруппа с двумя метиленовыми группами при гетероатоме вносит положительный вклад в селективность растворителей (таблица 2). Положительно влияет на селективность вторичная аминогруппа в сочетании с карбонильной и метиленовой группой при гетероатоме. При анализе сложного признакового пространства определено, что влияние отдельных функциональных групп на селективность неоднозначно и зависит от окружения. Например, карбонильная группа в сочетании с атомом кислорода и метиленовым фрагментом при гетероатоме значительно повышает уровень селективности (S>17). Сочетание этой группы с атомом азота характерно растворителям с уровнем селективности от 10 до 17, а в сочетании с атомом кислорода - менее 10. Также на уровень селективности оказывает влияние последовательность связи функциональных групп, например, фрагмент (CH2het)-(-O-)-(>C=O) оказывает большее влияние, чем фрагмент (CH2het)-(>C=O)-(-O-).
Таблица 2 - Информативность (r) некоторых групп и их сочетаний для выбранных интервалов селективности растворителей | |||
Группы и их сочетания | r | Группы и их сочетания | r |
Интервал селективности: менее 10 | |||
-(CH2)2- | -0,053 | (>C=O)-(>C=C<) | -0,200 |
(-O-)-(>C=O) | -0,101 | (-CH3)-(-(CH2)2-)-(-CH2het-) | -0,205 |
(>C<)-(Cl) | -0,117 | (-CH3)-(-O-)-(>C=O) | -0,290 |
(-OH)-(>C=C<) | -0,117 | (-CH3)-(-CH2het-) | -0,296 |
(-CH3)-(-O-)-(-CH2het-) | -0,117 | (>C=C<)-(>C=C<)-(>C=C<) | -0,347 |
(Cl)-(>C<)-(Cl) | -0,117 | -CH3 | -0,437 |
Интервал селективности: от 10 до 17 | |||
(-CH2het-)-(-CH2het-)-(>N-) | 0,281 | (-CH2het-)-(>S=O) | 0,159 |
(-CH2het-)-(-CH2het-)-(-CN) | 0,242 | (-CH2het-)-(>C=O)-(-O-) | 0,151 |
(>N-)-(>C=O) | 0,234 | (-CH2het-)-(>C=O)-(-NH-) | 0,137 |
(-(CH2)2-)-(-O-) | 0,212 | (-CH3)-(>C=O) | 0,137 |
(-CH2het-)-(>N-)-(>C=O) | 0,195 | (>C=O)-(>N-)-(>C=O) | 0,112 |
(-(CH2)2-)-(-CN) | 0,178 | (>C=O)-(-CH2het-)-(-S-) | 0,112 |
Интервал селективности: более 17 | |||
(-CH2het-)-(-CH2het-) | 0,371 | (-CH2het-)-(-CN) | 0,226 |
(-CH2het-)-(-CH2het-)-(-O-) | 0,330 | (-CH2het-)-(-O-)-(>C=O) | 0,188 |
(-CH2het-)-(>C=O) | 0,250 | (>N-)-(-CH2het-)-(-O-) | 0,138 |
(-CH2het-)-(>N-) | 0,244 | (>N-)-(-N=O) | 0,127 |
Среди серосодержащих фрагментов наибольшее положительное влияние оказывает сульфоксидная группа с метиленовой группой при гетероатоме и сульфидная группа с карбонильной группой и метиленовой группой при гетероатоме. Оксагруппа положительно влияет на селективность в сочетаниях с двумя метиленовыми группами.
Все молекулярные фрагменты, содержащие атомы брома и хлора, вносят отрицательный вклад в селективность растворителей. Четвертичный атом углерода в сочетании с атомом хлора, а также в окружении двух атомов хлора имеет отрицательный коэффициент информативности. Понижают селективность растворителей сочетания этиленовой с гидроксильной, карбонильной и трех этиленовых групп. Отрицательное влияние на селективность оказывает метильная группа практически во всех сочетаниях. Так происходит в сочетании метильной группы с оксагруппой и карбонильной группой, оксагруппой и метиленовой группой при гетероатоме, с метиленовой группой при гетероатоме.
2.2 Формирование математических моделей прогноза селективности растворителей
Исследование проведено в рамках трех массивов, содержащих 496 химических структур, распределенных по группам активных (группа А) и неактивных (группа В) соединений согласно экспериментальным значениям селективности (таблица 3).
Таблица 3 - Характеристики сформированных массивов
Массив | Интервал селективности | Температура, оС | Количество соединений в массиве | ||||
А | В | А | В | А | В | Всего | |
1 | S>17 | S<10 | 30 | 30 | 40 | 38 | 78 |
2 | S>10 | S<10 | 30 | 25-30 | 91 | 118 | 209 |
3 | S>17 | S<17 | 30 | 25-30 | 40 | 169 | 209 |
Выбор интервалов определен исходя из достоверности информации о значениях селективности для необходимого количества соединений. Известно, что в большинстве случаев с изменением температуры, селективность растворителя существенно изменяется. Поэтому в исследовании нами использованы значения селективностей в температурном интервале 25-30 оС.
В результате исследования сформировано 27 моделей. Из них в качестве рабочих для доэкспериментальной оценки, моделирования и разработки направлений синтеза селективных растворителей в соответствии с критериями теории распознавания образов отобрана 21 модель.
Модели отличаются числом признаков в решающем наборе, числом структур обучающего массива, эвристическими порогами на этапе формирования и распознаванием по двум алгоритмам геометрия и голосование. Достоверность распознавания структур трех массивов составляет 71-97 %. РНП моделей содержат логические признаки, участвующие в распознавании по трем массивам (таблица 4).
Таблица 4 - Решающие наборы признаков для оценки интервалов селективности (S) растворителей и их информативность (r)
№ | Фрагментные признаки, входящие в РНП | r |
массив 1, интервалы оценки: S>17 (группа A), S<10 ( группа B) | ||
1 | (-CH2het-)-(-CH2het-)-(-O-) ! (-CH2het-)-(-CH2-)-(-CH2het-) ! (-CH3)-(>C=O)-(-CH2het-) | 0.644 |
2 | (-CH2het-)-(-CN) ! {(>N-)-(-N=O) ! (-CH2het-)-(-NO2) | 0.456 |
3 | (-CH3) ! (-(CH2)4..10-) ! (>C=C<) | -0.635 |
4 | (-CH3)-(-O-) ! (>CH-)-(-(CH2)4..10-) ! (-CH3)-(-CH2het-) | -0.544 |
массив 2, интервалы оценки: S>10 (A), S<10 (B) | ||
5 | (-CH2het-)-(-CH2het-) ! (-CH2het-)-(>C=O) ! (-(CH2)2-)-(-O-) | 0.504 |
6 | (-(CH2)2-)-(-CN) ! {(-CH2het-)-(-NH-) ! (-CH2het-)-(-NO2) | 0.279 |
7 | (>C=C<) ! (-(CH2)4..10-) ! (Cl) | -0.511 |
8 | (>C=O)-(>C=C<) ! (-CN)-(>C=C<) ! (>C=C<)-(F) | -0.269 |
массив 3, интервалы оценки: S>17 (A), S<17 (B) | ||
9 | (-CH2het-)-(-CH2-)-(-CH2het-) ! (-CH2het-)-(-CH2het-)-(-O-) ! (-CH2het-)-(-CH2het-)-(-CN) | 0.448 |
10 | (-CH2het-)-(>N-) ! (-O-)-(>C=O) ! (-CH3)-(>C=O) | 0.147 |
11 | (>C=C<) ! (-CH3) ! (Cl) | -0.370 |
12 | (-S-) ! (-N=C<) ! (-NH2) | -0.177 |
где ! - обозначение логической операции лили | ||
Апробация сформированных моделей проведена на серии из 25, 17 и 17 соединений (экзаменационных) для каждого из трех массивов соответственно. В ряд экзаменационных соединений вошли структуры, не включенные в обучающую выборку (таблица 5). Для массива 1 отобраны 25 экзаменационных соединений со значениями селективности от 4 до 8 при температуре 25 оС. Для второго и третьего массивов по 17 соединений с селективностью от 10 до 17 при температуре 25 оС.
Таблица 5 - Результаты оценки селективности экзаменационных соединений
Результаты распознавания | Массив 1, структуры | Массив 2, структуры | Массив 3, структуры |
верно | 6-14, 16, 21, 22-24, 28-32 | 20, 33-35, 37, 39-41, 43-45, 47 | 20, 26, 33-47 |
неверно | 15, 17-19, 25, 27 | 26, 36, 38, 42, 46 | нет |
| 6: X=N, R1,2=Н 7: Х=СН, R1=NO2, R2=H 8: Х=CH, R1=OH, R2=H 9: Х=CH, R1=CN R2=H 10: Х=CH, R1= CH2OH, R2=H 11: Х=CH, R1=CH2NH2, R2=H 12: Х=CH, R1= CH2CN, R2=H 13: Х=CH, R1=(CH2)2OH, R2=H 14: Х=CH, R1=(CH2)2C(O)CH3, R2=H 15: Х=CH, R1=CH2OC(O)CH3, R2=H 16: Х=CH, R1,2=C(O)OC2H5 | 17: X=O, Y=O 18: Х=CH2, Y=CH2, R=(=O) | 19: X=O, R1=CH2OH, R2=H 20: X=N, R1=CH3 R2=(=O) | |
CH3R 21: R=-CH-Cl2 22: R=-COOH 23: R=-CH2-NO2 24: R=-CH2CN 25: R=-(CH2)2-NO2 26: R=-NO2 27: R=-O-(CH2)2-OH | |||
28: Cl2-CH-COOH 29: Cl2-(CH)2-Cl2 30: Cl-(CH2)2-OH 31: [(CH3)2N]2P=O | СN-(CH2)n-CN 32: n=6 33: n=1 34: n=2 35: n=3 36: n=5 41: | 42: SO2 43: HS-(CH2)2-OH 44: HO-(CH2)2-OH 45: HO-(CH2)2-CN 46: (CH3O)3P=O 47: O-(CH2CH2OH)2 | |
37: CN-CH(CH3)-(CH2)2-CN 38: CN-C(CH2)-(CH2)2-CN 39: H-(OCH2CH2)3-OH 40: HN-(CH2CH2CN)2 | |||
Распознавание экзаменационных соединений проведено по двум алгоритмам: геометрия и голосование. В результате апробации моделей, сформированных на основе массива 1, выявлено, что правильному распознаванию уровня селективности 72-76 % по алгоритму геометрия отвечает 10 моделей. Из 12 моделей массива 2 хороший результат оценки селективности показали 6 моделей: 4 - по алгоритму геометрия 71%, 2 - по двум алгоритмам 71%. Пять моделей, сформированные на основе массива 3, показали 100 % распознавания экзаменационных соединений по двум алгоритмам.
Сформированная база данных о соединениях, обладающих различной селективностью, и моделей для определения влияния фрагментных признаков молекул могут быть применены для доэкспериментальной оценки селективных свойств и оптимизации поиска и направленного синтеза новых растворителей.
2.3 Определение направлений моделирования и синтеза селективных растворителей
Модели, полученные в результате исследования, могут быть использованы для молекулярного дизайна селективных растворителей.
Основными процедурами молекулярного дизайна являются:
Ч определение базовых структур для дизайна;
Ч определение в базовых структурах фрагментов, наиболее благоприятных для замены с позиции необходимости повышения уровня селективности;
Ч выявление фрагментов, вводимых в структуру, повышающих селективность.
В целях моделирования, которое приводит к повышению ранга, характеризующего близость относительно расчетного эталона активных соединений, выбраны базовые структуры, принадлежащие к группе активных соединений одного из сформированных массивов - 1-метил-2-оксазолидинон (48), 3-ацетил-оксазолидин (51), 3-ацетил-тиазолидин (53), 4-нитроморфолин (58) из группы неактивных соединений - циклопентанон (55) и 1-метил-3-пирролидинон (60).
При модификации базовой структуры 1-метил-2-оксазолидинона (48) проведена замена группы СН3, которая имеет низкое значение информативности (r= -0.077), на группу (ЦN=O) и атома кислорода на метиленовую группу при гетероатоме. В результате образуется соединение 1-нитрозо-2-пирролидинон (49). Диады (-CH2het-)-(>C=O) и (>N-)-(-N=O) (соединение 49) имеют более высокие информативности (соответственно 0.250 и 0.127), чем диады (ЦОЦ)-(>C=O) и (>N-)-(-СН3) (соединение 48), соответственно 0.067 и 0.035 (таблица 6).
Таблица 6 - Информативность фрагментов молекул для 1-метил-2-оксазолидинона и 1-нитрозо-2-пирролидинона
1-метил-2-оксазолидинон (48), расчетный ранг 6, расстояние до эталона активного соединения 0.736 | |||
фрагменты | r | фрагменты | r |
>N- | 0.253 | >C=O | 0.187 |
-CH2het- | 0.340 | -CH3 | -0.077 |
-O- | 0.179 | -1-R-2-оксазолидинон | 0.079 |
(-CH2het-)-(>N-) | 0.244 | (-CH2het-)-(-O-) | 0.296 |
(-CH3)-(>N-) | 0.035 | (-O-)-(>C=O) | 0.067 |
(-CH2het-)-(-CH2het-) | 0.371 | (>N-)-(>C=O) | 0.234 |
(-CH2het-)-(-CH2het-)-(>N-) | 0.281 | (-CH2het-)-(-O-)-(>C=O) | 0.188 |
(>N-)-(>C=O)-(-O-) | -0.093 | (-CH2het-)-(>N-)-(>C=O) | 0.195 |
(-CH2het-)-(-CH2het-)-(-O-) | 0.330 | (-CH3)-(>N-)-(>C=O) | 0.115 |
(-CH3)-(>N-)-(-CH2het-) | 0.026 | ||
1-нитрозо-2-пирролидинон (49) расчетный ранг 6, расстояние до эталона активного соединения 0.673 | |||
фрагменты | r | фрагменты | r |
>N- | 0.253 | -CH2- | 0.027 |
-CH2het- | 0.340 | -N=O | 0.127 |
>C=O | 0.187 | -1-R-2-пирролидинон | 0.137 |
(-CH2het-)-(>N-) | 0.244 | (-CH2het-)-(>C=O) | 0.250 |
(>N-)-(-N=O) | 0.127 | (>N-)-(>C=O) | 0.234 |
(-CH2)-(-CH2het-) | 0.056 | ||
(-N=O)-(>N-)-(>C=O) | 0.079 | (-CH2het-)-(>C=O)-(>N-) | 0.158 |
(-CH2het-)-(>N-)-(-N=O) | 0.105 | (-CH2-)-(-CH2het-)-(>N-) | 0.137 |
(-CH2-)-(-CH2het-)-(>C=O) | 0.178 | (-CH2het-)-(>N-)-(>C=O) | 0.195 |
В результате молекулярного дизайна из молекулы 48, обладающей высоким рангом (6) и селективностью (S=20.1), получается соединение 49 с более высоким рангом (2) и значением селективности S=21.5 (рисунок 1).
49 | ||
48 | ||
50 | ||
Рисунок 1 - Структурная модификация 1-метил-2-оксазолидинона | ||
Возможен и другой вариант молекулярного дизайна соединения 48. Так, в результате структурной модификации 1-метил-2-оксазолидинона (48) при замене метильной группы на циано- группу, которая имеет значение информативности r=0.175, может быть получен 1-циано-2-оксазолидинон (50). Химический фрагмент (>N-)-(CN) имеет коэффициент информативности выше, чем фрагмент (>N-)-(CH3) (r=0.079 и r=0.035 соответственно).
Аналогичным образом осуществлена структурная модификация соединения 51 (расчетный ранг 8, S=17.8). При замене химического фрагмента (>C=O)-(CH3) на группу -H-C=O получается соединение 3-формил-оксазолидин (52), которое по расчету показало 4 ранг и значение селективности при 30 оС равное 20.7 (рисунок 2).
| ||
51 52 | ||
Рисунок 2 - Структурная модификация 3-ацетил-оксазолидина | ||
Возможно проведение модификации соединения, имеющего низкий расчетный ранг, на основе изменения циклической части молекулы и упрощения заместителя с целью получения структуры более высокого ранга. Моделирование осуществлено на примере соединения 53 (рисунок 3). Предложена замена метиленовой группы циклической системы, связанной с атомами азота и серы, на карбонильную группу, имеющую высокий коэффициент информативности (r=0,252), в сочетании с атомом азота. Упрощение заместителя проведено заменой ацетильного фрагмента при атоме азота на метильную группу, имеющую высокую информативность (r=0,155), в сочетании азотным и карбонильным фрагментами.
|
| |
53 54 Рисунок 3 - Структурная модификация 3-ацетил-тиазолидина | ||
Следует отметить, что селективность соединения 54 по справочным данным составляет 11.2, что ниже, чем у соединения 53. Однако необходимо подчеркнуть, что селективность соединения 54 измерена при 60 оС, в то время как для молекулы 53 - при 30 оС.
Экспериментальная оценка зависимости селективности от температуры показывает, что понижение температуры на 10 оС приводит к повышению селективности на 2-3 единицы. Таким образом, значение селективности соединения 54 при 30 оС возможно находится в интервале 17 - 20.
Циклопентанон (55) при 30 оС характеризуется низкой селективностью (S=5.9), его расчетный ранг в рамках системы SARD-21 составляет 42. Для получения соединения, обладающего высокой селективностью, представляется возможным ввести в молекулу 55 гетероатомы, что обеспечит высокую информативность химических фрагментов в новом соединении. В качестве такого гетероатома может быть использован атом азота (рисунок 4).
Соединения 56 и 57 получены на основе модификации цикла базовой структуры путем замены метиленовых групп при гетероатоме на третичные атомы азота.
|
| ||
56 | ||
55 | ||
| 57 | |
Рисунок 4 - Структурная модификация циклопентанона-1 | ||
В результате фрагмент (>N-)-(-CH2het-)-(-CH2het-) более информативен (r=0.281), чем триада (-CH2het-)-((-CH2)2-)-(-CH2het-) (r=0.105). В 1,3-диметил-2-имидазолидиноне (57) метильные группы, хотя и имеют отрицательные информативности (r= -0.077), но не оказывают существенного влияния на селективность, что так же подтверждается более высоким расчетным рангом соединения 57 (17) по сравнению с рангом базовой структуры 55 (42). Полученный 1,3-диметил-2-имидазолидинон по системе распознается как активное соединение с теоретической оценкой селективности в пределах от 10 до 17. В полученных соединениях 56 и 57 циклические системы содержат атомы азота, имеющие высокую информативность (r=0.253). При моделировании новых селективных растворителей необходимо учитывать химическую природу и физико-химические свойства, которые определяются вводимыми функциональными группами. Соединение 56 содержит вторичную аминогруппу, способную вступать в химическое взаимодействие, что снижает химическую стабильность растворителя. Соединение 57 содержит метильные группы в качестве заместителей при атоме азота и это повышает химическую стабильность молекулы растворителя.
При модификации базовой структуры 4-нитроморфолина (58) проведена замена нитро- группы на нитрозо- группу. В результате получена структура 4-нитрозоморфолина (59, рисунок 5). Группа ЦN=O имеет коэффициент информативности (r=0.127) выше, чем группа -NO2 (r=0.092), кроме того сложный фрагмент (-СН2het-)-(-N-)-(ЦN=O) оказывает большее влияние на селективность растворителей, чем фрагмент (-СН2het-)-(-N-)-(-NO2), что подтверждается значениями информативностей (r=0.105 и r=0.013, соответственно). В результате модификации базовой структуры 58, имеющей расчетный ранг 10 и селективность S=15.4, образуется соединение 59 с более высоким рангом 3 и селективностью S=17.5.
| ||
58 | 59 | |
Рисунок 5 - Структурная модификация 4-нитроморфолина | ||
Проведена модификация базовой структуры 1-метил-3-пирролидинона (60), с целью получения селективных растворителей на основе неактивных соединений (рисунок 6). Соединение имеет 9 ранг и невысокую селективность при температуре 30 оС (S=5.4). На основе соединения 60 могут быть получены 1-метил-2-пирролидинон (61) и 1-ацетил-2-пирролидинон (62).
|
| ||
61 | ||
60 | ||
| 62 | |
Рисунок 6 - Структурная модификация 1-метил-3-пирролидинона | ||
Соединение 61 получено путем замены цикла 3-пирролидинона на 2-пирролидинон. В результате химический фрагмент (-N-)-(>C=O)-(-СН2het-) является более информативным, чем (-N-)-(-СН2het-)-(>C=O) (r=0.158 и r=0.052, соответственно). Соединение 61 широко используется как растворитель для разделения углеводородных систем и имеет экспериментальное значение селективности 13.1. Теоретическая оценка 1-метил-2-пирролидинона (61) показала уровень селективности в интервале от 10 до 17. При модификации базовой структуры 60 так же получен 1-ацетил-2-пирролидинон (62). В данном случае, кроме модификации цикла на 2-пирролидинон, предложена замена метильной группы на ацетильный фрагмент. При этом наблюдается значительное повышение коэффициента информативности фрагмента (-N-)-(>C=O)-(-СН3) в соединении 62 по отношению к фрагменту (-N-)-(-СН3) в соединении 60 (0.227 и 0.035 соответственно). Целесообразность подобной замены подтверждается повышением экспериментального значения селективности полученного 1-ацетил-2-пирролидинона (S=19.1) по отношению к 1-метил-3-пирролидинону (S=5.4).
Приведенные примеры молекулярного дизайна показывают, что вне зависимости от активности исходного соединения в его структуре могут быть найдены фрагменты, замена которых позволит добиться повышения ранга и удовлетворительного уровня селективности. Однако, при выборе селективного растворителя с позиции возможности его использования, необходимо учитывать и такие факторы как химическая и физическая стабильность, температуры фазовых переходов, доступность сырьевых источников, простота получения и др.
Следует отметить, что все примеры молекулярного дизайна осуществлены на соединениях, которые содержатся в сформированной нами базе данных о селективных растворителях, за исключением 1-циано-2-оксазолидинона (50) и 1,3-имидазолидинона-2 (56). Значительные перспективы составляет также анализ возможности обладания свойствами селективных растворителей соединений, не включенных в базу. В том числе и тех, которые в настоящее время не синтезированы.
Из числа смоделированных соединений, наибольший практический интерес представляет 1,3-диметил-2-имидазолидинон, который в настоящее время производится в промышленных масштабах за рубежом. В нашей стране не разработаны доступные технологические схемы его получения и не получены экспериментальные данные о его селективности для разделения углеводородной системы гексан - бензол при температуре 30 оС. В этой связи представляется целесообразным отработка доступного метода синтеза 1,3-диметил-2-имидазолидинона и экспериментальное определение его селективности.
2.4 Синтез и определение селективности 1,3-диметил-2-имидазолидинона
В промышленности 1,3-диметил-2-имидазолидинон получают взаимодействием N,N-диметилэтилендиамина c фосгеном в одну стадию, с окисью углерода и кислородом в присутствии селенового катализатора или с мочевиной в полярном растворителе. Нами в лабораторных условиях синтез 1,3-диметил-2-имидазолидинона осуществлен в четыре стадии (рисунок 7).
63 | 64 | 65 | |
66 | 67 | 57 | |
Рисунок 7 - Схема синтеза 1,3-диметил-2-имидазолидинона | |||
а. 1 моль этилендиамина, 4 моль воды, 2 моль бензосульфохлорида, 100 мл 10 % - раствора гидроксида натрия. Сушка на воздухе. Выход - 94 %.
b. 0.5 моль N,NТ-дибензолсульфанилэтилендиамина, смесь 300 мл этилового спирта и 60 мл 30 % - раствора гидроксида натрия, 1.1 моль диметилсульфата нагревание в течении 4 часов. Промывка спиртом и сушка на воздухе. Выход - 82 %.
c. 0.5 моль N,NТ-диметил-N, NТ-дибензолсульфанилэтилендиамина, 0.5 моль 80 %-серной кислоты, 7 часов, Т=145-155 оС, нейтрализация гидроксидом натрия, подкисление соляной кислотой. Декантация и перегонка. Выход - 45 %.
d. 0.5 моль N,NТ-диметилэтилдиамина, 0.7 моль мочевины, нагревание. Очистка на колонке четкой ректификации под вакуумом, Т=100 оС и Р=13 мм рт. ст. Выход - 74 %.
Экспериментальная оценка селективности 1,3-диметил-2-имидазолидиннона проведена методом газо-жидкостной хроматографии. Метод основан на газохроматографическом разделении компонентов на колонке, заполненной твердым носителем на который наносится испытуемый селективный растворитель, с последующей регистрацией пламенно-ионизационным детектором.
Работа проведена на хроматографе марки Хром 5 при следующих условиях: колонка стеклянная, длина 2.5 м, внутренний диаметром 3 мм;
твердый носитель - хромотон N-AW-HMDS зернением 0.16-0.20 мм;
жидкая фаза - исследуемый растворитель (15 % от массы носителя);
газ-носитель - азот, 1 л/час;
температура колонки 30, 40, 60 оС 0.1 оС
температура термостата детектора - 140 оС,
температура испарителя - 140 оС.
Времена удерживания гексана и бензола определяли как среднее арифметическое между параллельными опытами, с помощью них рассчитывали объемы удерживания (таблица 7).
Предельные коэффициенты активности гексана и бензола рассчитывали по формуле:
о =GsХ R Х T/Ms Х Vу Х Р,
где - предельный коэффициент активности углеводорода;
Gs - количество растворителя в колонке, кг;
R - газовая постоянная, Дж/К*моль;
T - температура, К;
Ms - молекулярный вес растворителя, кг/моль;
Vу - исправленный удерживаемый объем углеводорода, л;
Р - упругость пара чистого углеводорода при температуре Т, Па.
По полученным предельным коэффициентам активности гексана и бензола рассчитывали селективность по формуле:
S= oгексана/oбензола
Таблица 7 - Условия и результаты определения селективности 1,3-диметил-2-имидазолидинона
Т, оС | Показатели | ||||||||
время удерживания, мин | объем удерживания, 10-3 л | упругость паров, мм рт. ст | предельный коэффициент активности, o | S | |||||
гексан | бензол | гексан | бензол | гексан | бензол | гексан | бензол | ||
30 | 2.04 | 35.92 | 0.034 | 0.599 | 185 | 125 | 26.15 | 2.20 | 11.9 |
40 | 1.85 | 25.25 | 0.031 | 0.422 | 260 | 175 | 21.19 | 2.31 | 9.2 |
60 | 1.49 | 13.39 | 0.025 | 0.224 | 525 | 365 | 13.85 | 2.34 | 6.0 |
Теоретическое значение уровня селективности S = 10 17 удовлетворительно совпадает с экспериментально определенным значением этого показателя при температуре 30 оС S = 11.9, что подтверждает возможность применения используемых расчетно-прогнозных схем SARD-21 для оценки свойств селективных растворителей.
Выводы
1. Впервые на основе теории распознавания образов исследованы закономерности связи структура-селективность. Установлено, что значительно повышают селективность растворителей фрагменты, содержащие:
Ч атом кислорода или азота в сочетании с метиленовыми группами при гетероатоме;
Ч карбонильную группу, связанную с метильным фрагментом и атомом азота;
Ч цианогруппу или вторичную аминогруппу в сочетании с метиленовыми группами при гетероатоме.
2. Предложена доэкспериментальная оценка интервалов селективности растворителей для экстракционного выделения ароматических углеводородов из продуктов нефтепереработки в рамках комплекса из 21 модели с уровнем правильного распознавания 70-100 %: низкая селективность (S<10); средняя селективность (10<S<17); высокая селективность (S>17).
3. Разработана база данных, на основе более чем 450 соединений, для целенаправленного моделирования и оценки интервалов селективности растворителей, содержащая:
Ч более 2000 химических фрагментов, влияющих на селективность;
Ч 21 модель для оценки селективности в интервалах S<10, 10<S<17, S>17;
Ч базовые структуры, содержащие циклы оксазолидинона, оксазолидина, тиазолидина, циклопентанон-1, морфолина, пирролидинона, которые наиболее предпочтительны для направленной модификации и синтеза селективных растворителей;
Ч количественные оценки влияния фрагментов молекул растворителей на селективность и приоритет их модификации.
4. На основе разработанной базы данных:
Ч оценены интервалы селективности 205 растворителей, при этом расчетные и опытные данные совпадают на уровне 70-100 %;
Ч выявлены направления моделирования более 200 соединений, подтвержденные экспериментальными данными на примере молекул селективных растворителей 1-метил-2-оксазолидинона, 1-нитрозо-2-пирролидинона, 1-циано-2-оксазолидинона, 3-ацетил-оксазолидина, 3-формил-оксазолидина, 3-ацетил-тиазолидина, 3-метил-2-тиазолидинона, циклопентанона-1, 1,3-диметил-2-имидазолидинона, 1,3-имидазолидинона-2, 4-нитро-морфолина, 4-нитрозо-морфолина, 1-метил-3-пирролидинона, 1-метил-2-пирролидинона и 1-ацетил-2-пирролидинона.
5. Осуществлены моделирование, синтез и оценка селективности 1,3-диметил-2-имидазолидинона. Получено экспериментальное подтверждение (S=11.9) теоретической оценки уровня селективности (10<S<17) 1,3-диметил-2-имидазолидинона при температуре 30 оС по отношению к системе гексан - бензол.
Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях
1. Мельницкая Е.И. Влияние строения растворителей на селективность при разделении углеводородной системы гексан-бензол / Мельницкая Е.И., Кирлан С.А., Сементеева Л.Ш., Димогло А.С., Кантор Е.А. // Баш. хим. ж. - 2010.ЦТ.17, №2, С.96-99
2. Мельницкая Е.И. Закономерности связи структура-активность селективных растворителей / Мельницкая Е.И., Кирлан С.А., Кантор Е.А. // Известия вузов. Химия и химическая технология. - 2011. - Т. 54, № 8, С.87-89.
3. Мельницкая Е.И. Влияние строения растворителей на активность по отношению к углеводородной системе гексан-бензол / Мельницкая Е.И., Матвеева М.В., Кирлан С.А., Кантор Е.А. // Материалы XXII Международной научно-технической конференции Реактив-2009. - Уфа. - 2009. - С. 47-48.
4. Мельницкая Е.И. Закономерности связи структура-селективность растворителей по отношению к системе гексан-бензол / Мельницкая Е.И, Шорникова Е.Д., Кирлан С.А., Кантор Е.А. // Материалы XLVIII Международной научной студенческой конференции Студент и научно-технический прогресс: Химия. - Новосибирск. - 2010. - С. 60.
5. Мельницкая Е.И. Математические модели прогноза селективных растворителей для углеводородной системы гексан-бензол / Мельницкая Е.И., Кирлан С.А., Шорникова Е.Д. Вовденко М.К.Кантор Е.А. // Материалы II Международной научно-практической конференции молодых ученых Актуальные проблемы науки и техники. - 9 дек. 2010 / УГНТУ. - Уфа: Нефтегазовое дело. - Т. 1. - С. 145-146.
6. Мельницкая Е.И. Математические модели оценки селективности растворителей углеводородной системы гексан-бензол / Мельницкая Е.И., Кантор Е.А. // Материалы XV Международной экологической студенческой конференции Экология России и сопредельных территорий. - Новосибирск. - 2010. С. 222-223.
7. Мельницкая Е.И. Комплекс моделей оценки селективных растворителей для углеводородной системы гексан-бензол / Мельницкая Е.И., Вовденко М.К., Кирлан С.А., Кантор Е.А. // Материалы VIII Республиканской конференции молодых ученых Научное и экологическое обеспечение современных технологий. - Уфа. - 2011. С.76.
8. Мельницкая Е.И. Влияние заместителей в пиперазинах и морфолинах на селективность растворителей при разделении системы гексан-бензол / Мельницкая Е.И., Вовденко М.К., Кирлан С.А., Кантор Е.А. // Сборник научных статей VIII Международной научно-технической конференции Инновации и перспективы сервиса, 7 декабря 2011. Ч. V. - Уфа: Уфимская государственная академия экономики и сервиса, 2011. - С. 100-101.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по химии