WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

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:

Ляпина Нафиса Кабировна,

доктор химических наук, профессор, главный научный сотрудник

Института органической химии Уфимского НЦ РАН;

Хлебникова Татьяна Дмитриевна,

доктор химических наук, профессор

кафедры «Прикладная экология» ФГБОУ ВПО УГНТУ.

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный университет».

Защита состоится «12» 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 «  » 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;

— 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:

выявлено влияние  более 2000 химических групп, атомов и их сочетаний на селективность растворителей;

сформированы модели и их комплексы для оценки уровня селективности растворителей;

сформирована информационная база данных для оценки селективности, направленного моделирования и синтеза новых растворителей;

определены перспективные направления структурной модификации для направленного синтеза новых селективных растворителей для выделения ароматических углеводородов из продуктов нефтепереработки.

Практическая значимость работы заключается в:

создании базы данных для разработки направлений моделирования и синтеза новых селективных растворителей;

применении сформированной базы данных для направленного моделирования и синтеза селективных растворителей, а также в использовании результатов исследований:

в НОЦ «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;

в ФГБОУ ВПО Уфимской государственной академии экономики и сервиса при изучении закономерностей связи «структура – свойства» химических соединений;

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,…, 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 € А,  RVi , ЭВ < RVi , ЭА,  то Vi € 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  € А, P1 < P2,  то  Vi  € 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  «+»  характеризует "положительное", «–» 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 «или»

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:

определение базовых структур для дизайна;

определение в базовых структурах фрагментов, наиболее благоприятных для замены с позиции необходимости повышения уровня селективности;

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 (–N=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 (–О–)-(>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 –N=O  имеет коэффициент информативности (r=0.127) выше, чем группа -NO2 (r=0.092), кроме того сложный фрагмент (-СН2het-)-(-N-)-(–N=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,N’-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,N’-диметил-N, N’-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,N’-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-имидазолиди­нона 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 =Gs• R • T/Ms • Vу • 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:

— атом кислорода или азота в сочетании с метиленовыми группами при гетероатоме;

— карбонильную группу, связанную с метильным фрагментом и атомом азота;

— 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:

— более 2000 химических фрагментов, влияющих на селективность;

— 21 модель для оценки селективности в интервалах S<10, 10<S<17, S>17;

— базовые структуры, содержащие циклы оксазолидинона, оксазолидина, тиазолидина, циклопентанон-1, морфолина, пирролидинона, которые наиболее  предпочтительны для направленной модификации и синтеза селективных растворителей;

— количественные оценки влияния фрагментов молекул растворителей на селективность и приоритет их модификации.

4. На основе разработанной базы данных:

— оценены интервалы селективности 205 растворителей, при этом расчетные и опытные данные совпадают на уровне 70-100 %;

— 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.–Т.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.

 





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.