摘 ? ? ?要:尋找生物毒性低而又緩蝕效果強(qiáng)的艦船鋼筋綠色有機(jī)緩蝕劑依然是一個(gè)還未解決的難題。通過(guò)密度泛函方法結(jié)合信息理論對(duì)苯磺酸(BHS)及其22種取代衍生物建模優(yōu)化,通過(guò)計(jì)算4種常用的原子信息指數(shù)如申農(nóng)熵、費(fèi)歇爾熵、二級(jí)費(fèi)歇爾熵、Parr熵值,得到了22種衍生物中S原子信息熵和緩蝕率(EI,%)以及生物半致死量(LD50)之間相關(guān)性方程,從兩條線性方程的交點(diǎn)篩選出生物毒性低而又緩蝕效果強(qiáng)的綠色有機(jī)緩蝕劑3-胺基苯磺酸。同時(shí)還通過(guò)模擬交點(diǎn)處3-胺基苯磺酸分子的紅外光譜(IR)、拉曼光譜(Raman)、紫外-可見(jiàn)光譜 (UV-Vis)、核磁譜圖(1H-NMR,13C-NMR)對(duì)篩選出的最佳取代3-胺基苯磺酸進(jìn)行了光譜學(xué)指認(rèn)。結(jié)果顯示,苯磺酸及其22種衍生物的S原子的申農(nóng)熵(Ss)、費(fèi)歇爾熵(IF)、Parr熵(Gs)對(duì)其生物毒性和緩蝕效果變化不敏感,而S原子的二級(jí)費(fèi)歇爾熵(IF)變化則較為明顯,其中S原子的二級(jí)費(fèi)歇爾熵與其LD50值和EI值的線性關(guān)系最好(R2=0.98)。這對(duì)綠色緩蝕劑篩選苯磺酸衍生物的光譜以及構(gòu)效關(guān)系提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。也為武警海警學(xué)院依靠先進(jìn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)提供了豐富靈活的教學(xué)素材。
關(guān) ?鍵 ?詞:綠色緩蝕劑;信息理論;苯磺酸;半致死量(LD50);緩蝕劑效果(EI);譜學(xué)分析
中圖分類號(hào):G822.8 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A ? ? ? 文章編號(hào): 1671-0460(2020)02-0380-04
Abstract: It is still an unsolved problem to find green organic corrosion inhibitors with low biological toxicity and strong corrosion inhibition effect. Based on the density functional method and information theory,the model of benzenesulfonic acid (BHS) and its 22 substituted derivatives was optimized. By calculating four kinds of commonly used atomic information indexes,including Shennong entropy,F(xiàn)isher entropy,second-order Fisher entropy and Parr entropy,the correlation equations of S atom information entropy,inhibition rate(EI) and biological half lethal dose (LD50) in 22 kinds of derivatives were obtained.The green organic corrosion inhibitor with low biological toxicity and strong corrosion inhibition effect was screened out. At the same time,IR,Raman,UV-Vis,1H-NMR and 13C-NMR were used to identify the best substituted 3-aminobenzenesulfonic acid. The results showed that the S ?atoms of benzenesulfonic acid and its 22 derivatives were not sensitive to the changes of its biological toxicity and corrosion inhibition effect, but the S atoms were more sensitive to the changes of their second-order Fischer entropy, and the S atoms had the best linear relationship with their LD50 and EI values(R2=0.98). This provides basic data for the screening of benzenesulfonic acid derivatives by green inhibitors.It also provides rich and flexible teaching materials for the armed police college to rely on the advanced virtual simulation experiment teaching platform.
Key words: Green inhibitor; Information theory; Benzenesulfonic acid; Half lethal dose (LD50); Inhibitor effect (EI); Spectral analysis
緩蝕劑是一種能以少的量加入腐蝕性介質(zhì)中就可有效抑制金屬腐蝕的化學(xué)物質(zhì)。含有不飽和鍵、含有S(N; O)等原子雜原子有機(jī)物易與在鐵金屬表面發(fā)生化學(xué)配位鍵吸附,形成一具有防護(hù)作用的保護(hù)薄膜,是其抑制鋼鐵金屬腐蝕的潛在緩蝕劑。推廣發(fā)展綠色有機(jī)緩蝕劑符合當(dāng)今綠色發(fā)展的理念,是當(dāng)前緩蝕劑研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。苯磺酸 (benzenesulfonic acid,BHS,圖1)含雜原子S的平面分子是一種優(yōu)良的有機(jī)緩蝕劑,但是在環(huán)境上有一定的生物毒性。合成生物毒性低而又緩蝕效果強(qiáng)的綠色有機(jī)緩蝕劑依然是一個(gè)還未解決的難題。
程俊和蔡曉霞[1]對(duì)無(wú)機(jī)類緩蝕劑、有機(jī)類緩蝕劑以及復(fù)配型緩蝕劑的特點(diǎn),指出無(wú)機(jī)類緩蝕劑緩蝕性能較好,但需要投加量較大;有機(jī)類緩蝕劑可低濃度使用但穩(wěn)定性差;而復(fù)配型緩蝕劑能夠解決單一緩蝕劑的不足,具有投加量少、緩蝕性能好、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn),是緩蝕劑發(fā)展的新方向。李曉鴻[2]等就有機(jī)緩蝕劑來(lái)源、緩蝕性能與緩蝕機(jī)理等方面做了一定的歸納總結(jié),并對(duì)其發(fā)展前景做了展望。孫思思[3]等敘述了緩蝕劑的研究現(xiàn)狀和分類,重點(diǎn)介紹了腐蝕機(jī)理和緩蝕機(jī)理,韓躍飛[4]等簡(jiǎn)述了傳統(tǒng)緩蝕劑不足,重點(diǎn)概述了環(huán)境友好型有機(jī)、無(wú)機(jī)緩蝕劑的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,強(qiáng)調(diào)了環(huán)境友好型緩蝕劑廣泛的發(fā)展前景。程偉[5]等介紹了環(huán)境友好型緩蝕劑的基本情況以及有機(jī)緩蝕機(jī)、無(wú)機(jī)緩蝕劑和聚合物緩蝕劑現(xiàn)階段的研究進(jìn)展,并從這3個(gè)方面對(duì)環(huán)境友好型緩蝕劑的研究進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)闡述。蔡國(guó)偉[6]等回顧了近年來(lái)海水環(huán)境中碳鋼緩蝕劑的國(guó)內(nèi)外研究,闡述了不同類型的緩蝕劑的性能和緩蝕機(jī)理,并對(duì)海水中碳鋼緩蝕劑的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。杜磊[7]等介紹了分子模擬作為一門新興的綜合性計(jì)算化學(xué)技術(shù)在緩蝕劑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和化學(xué)分析中的作用,重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了分子模擬輔助開(kāi)發(fā)緩蝕劑的應(yīng)用。馬莉[8]團(tuán)隊(duì)分析了緩蝕機(jī)理,介紹了將吸附理論和電化學(xué)理論用于分析緩蝕機(jī)理的研究現(xiàn)狀,闡述了評(píng)價(jià)緩蝕性能的常用方法,并對(duì)這些方法做簡(jiǎn)單總結(jié)和分析??涤繹9-11]及其合作者總結(jié)了有機(jī)高分子緩蝕劑的性能研究進(jìn)展,指出緩蝕劑已成為防腐蝕技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的方法之一。段永鋒[12]及其合作者概述了近年來(lái)油氣田集輸系統(tǒng)緩蝕劑的研究進(jìn)展,并提出了今后油氣田集輸系統(tǒng)緩蝕劑的發(fā)展趨勢(shì)。朱玉巧[13]等介紹了緩蝕劑在酸性介質(zhì)中的應(yīng)用,概述了有機(jī)緩蝕劑緩蝕機(jī)制研究的現(xiàn)狀。余志強(qiáng)[14]及其合作者簡(jiǎn)述了幾種常見(jiàn)的電化學(xué)測(cè)試方法及量子化學(xué)法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、激光拉曼光譜等高新手段在腐蝕領(lǐng)域中的應(yīng)用,最后對(duì)緩蝕劑的發(fā)展作了展望。李園[15]團(tuán)隊(duì)著重介紹了有機(jī)緩蝕劑的研究進(jìn)展,并展望其在鐵質(zhì)文物保護(hù)中的發(fā)展趨勢(shì)。黃麗娟[16]等敘述了含鹽體系中各種有機(jī)類銅緩蝕劑的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展,闡述了有機(jī)類銅緩蝕劑的緩蝕機(jī)理和協(xié)同作用機(jī)理,并展望了銅緩蝕劑新的研究和發(fā)展方向。柳鑫華[17]團(tuán)隊(duì)詳述了國(guó)內(nèi)外自20世紀(jì)80年代以來(lái)海水介質(zhì)中綠色緩蝕劑的研究進(jìn)展。付占達(dá)[18]等闡述了有機(jī)類銅緩蝕劑的緩蝕機(jī)理和協(xié)同作用機(jī)理,并展望了銅緩蝕劑新的研究和發(fā)展方向。鞠虹[19]等對(duì)比了它們的腐蝕行為,以及緩蝕劑研究進(jìn)展,總結(jié)了規(guī)律,展望了發(fā)展方向。王慧[20]發(fā)表了緩蝕劑在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀,綜述了緩蝕劑的種類及在石油、化工領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀,并探討了緩蝕劑的進(jìn)展方向。蔣金芝[21]等在發(fā)表了金屬鋅有機(jī)緩蝕劑研究進(jìn)展,評(píng)述金屬鋅有機(jī)緩蝕劑的研究狀況,分析不同種類鋅有機(jī)緩蝕劑的緩蝕效率及緩蝕機(jī)理,探討緩蝕劑分子官能團(tuán)、鏈長(zhǎng)及緩蝕劑和金屬的電荷性質(zhì)對(duì)緩蝕效率的影響規(guī)律。王新龍[22]發(fā)表了有機(jī)磷緩蝕劑研究進(jìn)展文章,論述了有機(jī)磷緩蝕劑的種類、合成方法及應(yīng)用,對(duì)有機(jī)磷緩蝕劑的發(fā)展作了展望。曾兆民[23]綜述了有機(jī)雜環(huán)類緩蝕劑(包括苯駢三氮唑及其衍生物、吲唑、咪唑鹽、哌啶鹽、嗎啉鹽和喹啉衍生物等)的研究與應(yīng)用概況。我們?cè)?jīng)用密度泛函理論與方法針對(duì)苯胺及其衍生物緩蝕劑進(jìn)行了三參數(shù)虛擬篩選[24]。本文用高斯軟件等軟件系統(tǒng)對(duì)苯磺酸等22種取代衍生物體系建模優(yōu)化,并判斷取代基對(duì)其半致死量系數(shù)(LD50)和抑制金屬鐵的緩蝕劑緩蝕率(EI,%)值是否影響,尋找并預(yù)測(cè)苯磺酸及其衍生物的折中最佳分子。還將通過(guò)軟件模擬預(yù)測(cè)了最佳取代分子的紅外(拉曼)光譜、紫外-可見(jiàn)光譜、核磁譜圖來(lái)描述苯磺酸及其一元衍生物。本文試圖從波譜學(xué)和分子屬性兩個(gè)角度分析其特征,所得結(jié)果為苯磺酸及其衍生物檢測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
1 ?計(jì)算方法
儀器已安裝 Chem3D、GaussView 5.0.9、Gaussian 09 W、SPSS 6.0、ChemDraw 8.0、Multiwfn 3.5、Origin 8.5 等軟件、PC電腦一臺(tái)。苯磺酸的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,通過(guò)改變椅式結(jié)構(gòu)上的取代基以及其位置獲得其衍生物圖1(b),通過(guò) Multiwfn 3.5軟件來(lái)計(jì)算23種苯磺酸分子的4種信息熵值(申農(nóng)熵Ss、費(fèi)歇爾熵IF)、二級(jí)費(fèi)歇爾熵IF')、Parr熵Gs) 的變化與采用SPSS6.0 軟件查得的生物半致死量(LD50)和有機(jī)緩蝕劑的緩蝕率(EI,%)的線性關(guān)系。本文用?CH3、?Cl、?F、?OH、?CN、?NO2、?CH2CH3、?NH2 作為取代基在 R1、R2、R3上進(jìn)行一元取代,共得到22種苯磺酸的衍生物。
2 ?結(jié)果與討論
2.1 ?苯磺酸及其衍生物S原子信息熵與性能關(guān)系
記錄苯磺酸的紅外光譜、核磁光譜、紫外光譜和拉曼光譜的頻率數(shù)據(jù)值并用Origin 8.5 作出光譜圖;運(yùn)用SPSS6.0軟件,得到22個(gè)苯磺酸及其衍生物相對(duì)應(yīng)的酸度系數(shù)預(yù)測(cè)值;再用 Multiwfn3.5分別計(jì)算12個(gè)苯磺酸及其衍生物的信息分子熵,記錄其所需S原子的熵值。最后用 Origin 8.5將22個(gè)苯磺酸及其衍生物S原子的4種不同信息熵值和對(duì)應(yīng)計(jì)算獲得的EI,LD50分別對(duì)應(yīng)作圖,處理獲得相應(yīng)的線性回歸方程。比較相關(guān)系數(shù)(R 值)大小來(lái)篩選取舍,得出相關(guān)性系數(shù)折中的即為預(yù)測(cè)方程。通過(guò) GaussView 5.0.9計(jì)算所得的苯磺酸及其22種衍生物S原子的申農(nóng)熵(Ss)、費(fèi)歇爾熵(IF)、二級(jí)費(fèi)歇爾熵(IF)、Parr熵(Gs)和通過(guò)SPSS6.0預(yù)測(cè)得到的相應(yīng)衍生物L(fēng)D50和EI值如表1所示。
為了更明顯地表達(dá)出分子信息熵值變化與其生物半致死量系數(shù)(LD50)和緩蝕率(EI)的線性關(guān)系,分別用苯磺酸及其22 種衍生物的申農(nóng)熵(Ss)、費(fèi)歇爾熵(IF)、二級(jí)費(fèi)歇爾熵(IF)、Parr熵(Gs)的熵值與LD50值進(jìn)行Origin 作圖分析,得出相關(guān)性系數(shù)。在作圖分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)R1取代位以及某些取代基對(duì)結(jié)果干擾性較大,通過(guò)篩選最終選擇 ?CH3、?Cl、?F、?OH、?CN、?NO2 作為取代基在R2、R3上進(jìn)行一元取代后的衍生物及苯磺酸共22種的熵值與EI進(jìn)行相關(guān)性系數(shù)作圖。得出苯磺酸及其22 種衍生物S原子的申農(nóng)熵等與LD50值和EI值(表1最底一列括號(hào)內(nèi)數(shù))關(guān)系表1所示。綜上根據(jù)比較可以得出苯磺酸及其 22種衍生物的熵值與系數(shù)相關(guān)性最好的是S原子的二級(jí)費(fèi)歇爾熵值(R2=0.98),即兩者處理得到的緩蝕劑3-胺基苯磺酸的EI值49.08最大,而且半生物致死量13.01 mg/kg值也是最大。由此通過(guò)利用S原子的二級(jí)費(fèi)歇爾熵(IF)與LD50值得到線性方程(y1=17.82-1.6x1)和S原子的二級(jí)費(fèi)歇爾熵(IF)與EI值得到的線性方程(y2= 31.85+1.23x2),來(lái)尋找與合成兼具抑制腐蝕與低毒苯磺酸衍生物性能目的。
2.2 ?3-胺基苯磺酸的核磁共振光譜
本文使用 GaussView 5.0.9 軟件進(jìn)行建模、計(jì)算,采用 NMR 方法分別計(jì)算得到22種苯磺酸及其衍生物頻率,使用Origin 8.5進(jìn)行譜圖處理。使用軟件ChemDraw 8.0打開(kāi)物質(zhì)模型,用Predict 1H-NMR和13C-NMR shifts方法計(jì)算得到3-胺基苯磺酸1H(圖2a)和13C(圖2b)核磁共振吸收光譜圖,如圖2所示。其與實(shí)驗(yàn)核磁共振圖譜顯示相似。
2.3 ?3-胺基苯磺酸的紅外和拉曼吸收光譜
將通過(guò) GaussView 5.0.9實(shí)現(xiàn)建模并計(jì)算,要得到22種苯磺酸和它的衍生物的譜圖頻率則通過(guò)利用Frequency計(jì)算得到,用 Origin8.5 進(jìn)行譜圖處理(圖3)。
通過(guò)GaussView 5.0.9實(shí)現(xiàn)建模,對(duì)3-胺基苯磺酸結(jié)構(gòu)優(yōu)化,紅外光譜圖頻率則通過(guò)利用 Frequency 計(jì)算得到,最后用 Origin 8.5進(jìn)行譜圖處理分析如圖3(a)所示。紅外光譜圖的吸收峰如下:在776 cm-1處的吸收峰是苯環(huán)上的一取代特征峰;在1 352 cm-1處的吸收峰為 R-SO2-OH的反對(duì)稱伸縮振動(dòng);1 504 cm-1處的吸收峰為C-C的伸縮振動(dòng);在3 960 cm-1處的吸收峰為C=O的伸縮振動(dòng)。在譜圖中還存著某些吸收頻率較小基團(tuán)的吸收峰。通過(guò)GaussView 5.0.9 實(shí)現(xiàn)建模,結(jié)構(gòu)優(yōu)化,拉曼光譜圖頻率則通過(guò)利用Frequency計(jì)算得到,最后用Origin8.5 進(jìn)行譜圖處理分析如圖3(b)所示。拉曼光譜圖的吸收峰如下:在1 024 cm-1處的吸收峰為單取代苯C-H 的變形振動(dòng);在3 360 cm-1處的吸收峰為C-H對(duì)稱伸縮振動(dòng);在3 960 cm-1處的吸收峰為O-H的對(duì)稱伸縮振動(dòng)。與實(shí)驗(yàn)數(shù)值波峰值和實(shí)驗(yàn)數(shù)值之間有所差異,但這對(duì)基本官能團(tuán)判斷不會(huì)受到影響。
2.4 ?3-胺基苯磺酸的紫外光譜(UV-VIS)
通過(guò)高斯 09 軟件實(shí)現(xiàn)建模結(jié)構(gòu)優(yōu)化,苯磺酸紫外光譜圖頻率則通過(guò)信息指數(shù)方法計(jì)算得到,再借助Origin 8.5作圖分析顯示了苯磺酸在239.24 nm處有最大吸收波長(zhǎng),且在近紫外區(qū)范圍內(nèi)。有較短的吸收波長(zhǎng)的原因是發(fā)生了電子n→σ* 的躍遷。通過(guò)高斯軟件實(shí)現(xiàn)建模,結(jié)構(gòu)優(yōu)化一元取代R3=NH2的3-胺基苯磺酸衍生物譜圖頻率則通過(guò)關(guān)鍵詞Energy方法計(jì)算得到,再借助Origin8.5作圖分析如圖4所示。圖4顯示了一元取代R3=NH2 的3-胺基苯磺酸與苯磺酸的相似,238.40 nm 處有最大吸收波長(zhǎng),且在近紫外區(qū)范圍內(nèi),與實(shí)驗(yàn)紫外吸收?qǐng)D譜相似。
3 ?結(jié) 論
通過(guò)高斯軟件模塊,系統(tǒng)構(gòu)建了苯磺酸衍生物模型,再經(jīng)過(guò)分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化,篩選之后決定采用其中的苯磺酸和它的22種衍生物模型作為研究對(duì)象,利用密度泛函理論和信息理論,計(jì)算了苯磺酸S原子的信息熵和3-胺基苯磺酸分子光譜,得出2點(diǎn)結(jié)論:(1)苯磺酸及其22種衍生物的 S原子的申農(nóng)熵(Ss)、費(fèi)歇爾熵(IF)、Parr熵(Gs)變化較小,而S原子的二級(jí)費(fèi)歇爾熵(IF)變化較為明顯,其中S原子的二級(jí)費(fèi)歇爾熵與EI和LD50的線性關(guān)系最好。通過(guò)篩選選用的苯磺酸及其衍生物共 22 種衍生物模型作為研究對(duì)象進(jìn)行熵值計(jì)算,來(lái)得到EI和LD50相關(guān)性線性方程,并選出其中相關(guān)性最高的關(guān)于預(yù)測(cè)系數(shù)的線性方程。得出苯磺酸及其22種衍生物的熵值與系數(shù)相關(guān)性最好的是S原子的二級(jí)費(fèi)歇爾熵值(R2=0.98),即兩直線相交得到的緩蝕劑3-胺基苯磺酸的EI值49.08最大,而且半生物致死量13.01 mg/kg值也是最大。由此通過(guò)利用S原子的二級(jí)費(fèi)歇爾熵(IF)與LD50值得到線性方程(y1= 17.82-1.6x1)和S原子的二級(jí)費(fèi)歇爾熵(IF)與EI值得到的線性方程(y2=31.85+1.23x2),來(lái)尋找與合成兼具抑制腐蝕與低毒苯磺酸衍生物性能目的。(2)通過(guò)紅外光譜(IR)、拉曼光譜(Raman)、紫外-可見(jiàn)光譜(UV-VIS)、核磁譜圖(1H-NMR, 13C-NMR) 對(duì)3-胺基苯磺酸進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)和描述,并指認(rèn)了譜圖中的特征峰,這為其他人對(duì)苯磺酸衍生物的檢測(cè)水溶液中腐蝕抑制劑光譜分析提供了極大方便。也對(duì)我院學(xué)生開(kāi)展虛擬科研訓(xùn)練,學(xué)習(xí)綠色胺基苯磺酸衍生物檢測(cè)提供基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)。
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