苯并咪唑缓蚀剂的三维定量构效关系研究.pdf

1、 摘要 本论文采用比较分子力场分析法（CoMFA）和比较分子相似性指数法（CoMSIA）两种三维定量构效关系（3D-QSAR）方法对苯并咪唑类缓蚀剂分子结构与缓蚀性能之间的关系进行了研究。考察了电荷类型和网格步长大小对模型性能的影响，建立了最优3D-QSAR 模型，并采用训练集和测试集对其稳定性和预测能力进行验证。计算结果表明：所构建的最优 CoMFA 模型（q2=0.745，R2=0.997）和 CoMSIA 模型（q2=0.690，R2=0.994）均具有较好的统计意义和预测能力。根据 3D-QSAR 模型三维等值线图，设计出了 4 种缓蚀性能较好的苯并咪唑分子，为新型缓蚀剂的研发提供了理

2、论参考。此外，为了提高现有 3D-QSAR 模型的性能，采用半经验 AM1 方法计算了训练集分子的最高占有轨道能量 EHOMO和分子总的负电荷之和 TNC，将其作为新场建立 CoMFA 模型，初步实现2D-QSAR 与 3D-QSAR 的结合。验证结果表明将量子化学参量引入 3D-QSAR 模型，有利于现有模型性能的提高。关键词关键词：苯并咪唑；缓蚀剂；CoMFA；CoMSIA；量子化学计算 ABSTRACT In these thesis，three-dimensional quantitative structure-activity relationship(3D-QSAR)studie

3、s were carried out on the structure and the corrosion inhibition efficiency of benzimidazole and its derivates using compare molecular field analysis(CoMFA)and compare molecular similarity index analysis(CoMSIA).First,investigated the effect of different define charges and grid step to the 3D-QSAR m

4、odels,and validated the final models with training set and testing set.The best predictions were obtained with the CoMFA steric、electrostatic fields(leave-one-out cross validation q20.745,no validation R20.997),and with the CoMSIA combined steric,electrostatic,hydrophobic,acceptor fields(leave-one-o

5、ut cross validation q20.690,no validation R20.994).The results show that the obtained CoMFA and CoMSIA models are robust and have good predictive ability.Analyzing the contour maps of the 3D-QSAR and designing 4 derivates of benzimidazole with high corrosion inhibitive efficiency in theory,which can

6、 be used to provide reliable theoretical reference for new and high-efficient corrosion inhibitor design.To improve the models of 3D-QSAR,using the semi-empirical calculation method AM1 to calculate the highest occupied orbital energy EHOMO,the total negative charge TNC.Combined with steric and elec

7、trostatic field to built the best model.Preliminary realized the combination of 2D-QSAR and 3D-QSAR The result indicated that the model is improved.Key words:Benzimidazole;Corrosion inhibitor;CoMFA;CoMSIA;Quantum chemisty calculation 目 录 第一章 前言.1 1.缓蚀剂概述.1 1.1 缓蚀剂的定义.1 1.2 缓蚀剂的分类.1 1.3 缓蚀剂科技发展.2 2.苯

8、并咪唑类缓蚀剂简介.4 2.1 苯并咪唑类缓蚀剂.4 2.2 苯并咪唑类缓蚀剂的研究现状.5 3.缓蚀剂定量构效关系研究现状.6 3.1 二维定量构效关系.6 3.2 三维定量构效关系.8 第二章 计算方法与软件介绍.9 1.二维定量构效关系研究方法.9 2.三维定量构效关系研究方法.11 3.SYBYL软件介绍.12 第三章 苯并咪唑的三维定量构效关系研究.14 1.计算方法.14 1.1 研究对象.14 1.2 分子构象优化.15 1.3 分子叠合.16 1.4 3D-QSAR 模型构建.17 2.结果与讨论.17 2.1 CoMFA 模型的确立.17 2.2 CoMSIA 模型的确立.1

9、8 2.3 CoMFA 和 CoMSIA 模型的验证.19 2.4 新型缓蚀剂分子设计.21 第四章 量子化学参量引入对 3D-QSAR 模型的影响.25 1.计算方法.25 1.1 量子化学参数计算.25 1.2 模型建立.25 2.结果与分析.25 2.1 量子化学参量与缓蚀性能的关系.25 2.2 不同组合模型及验证最佳模型.26 第五章 结论.29 致谢.31 参考文献.32 前言 1 第一章 前言 腐蚀是困扰我国油气工业发展的一个极为突出的问题。特别是近十年，随着我国现有油气田开发进入中、高含水期，含 H2S、CO2、Cl-及水等多种腐蚀介质的出现导致石油工业生产系统的腐蚀越来越严重

10、，给油气田生产带来了巨大的经济损失。据有关部门调查，我国几个油田各种管道因腐蚀穿孔达 2 万次/年，更换管道数量达 400km/年，油田容器腐蚀平均穿孔率 0.14 次/(台 年)，因腐蚀造成的年直接经济损失达数亿元1。粗略估计，腐蚀给我国石油工业造成的经济损失约占行业总产值的 6%，严重阻碍了石油天然气工业的进一步发展2。众多防腐蚀措施中，添加缓蚀剂以其经济、高效、适应性强、操作简便等特点而被广泛用于国内外油气田的腐蚀防护。近年来，随着腐蚀环境的日益恶化以及人们环保意识的增强，研发新型高效、环境友好的缓蚀剂越来越受到重视3,4。但是传统缓蚀剂的研发是建立在猜测和大量探索性实验的基础上的，成本

11、高、周期长且工作带有有一定的盲目性，因此新型缓蚀剂分子设计迫切需要理论指导。定量构效关系研究在药物化学和环境保护领域取得了巨大成功，将定量构效关系研究借鉴到缓蚀剂分子设计思路的提出具有非常重要的理论和现实意义。1.缓蚀剂概述 1.1 缓蚀剂的定义 缓蚀剂的定义有很多，在美国材料与试验协会关于腐蚀和腐蚀试验术语的标准定义中，缓蚀剂是“一种以适当的浓度和形式存在于环境介质中时，可以防止或减缓腐蚀的化学物质或几种化学物质的混合物”。一般来说，缓蚀剂是指那些用在金属表面起防护作用的物质，加入微量或少量这类化学物质可使金属材料在腐蚀介质中的腐蚀速度明显降低，同时还能保持金属材料原来的物理机械性能不变。1

12、.2 缓蚀剂的分类 由于腐蚀环境介质复杂多变，缓蚀剂的种类繁多，缓蚀机理复杂，没有一种统一的方法将其合理分类。通常情况下，从以下几个方面对缓蚀剂进行分类：（1）按缓蚀剂的化学组成分类：缓蚀剂分为无机缓蚀剂和有机缓蚀剂两大类。代表性的无机缓蚀剂有：硝酸盐，亚硝酸盐，铬酸盐，重铬酸盐，磷酸盐、硅酸盐、钼酸前言 2 盐等；代表性的有机缓蚀剂有：带有氮、磷和氧的杂环化合物，高分子醇、醛、胺和酰胺；磺酸、脂肪酸及其衍生物；硫脲及其衍生物；噻唑和硫脲唑类；季铵盐类；磷化物、硫醇、烷基亚砜、噻嗪及其不饱和的链系、环系化合物等。目前，油气田常用的缓蚀剂以新型、高效和环保的有机缓蚀剂为主。（2）按电化学机理分类

13、：分为阳极型缓蚀剂、阴极型缓蚀剂和混合型缓蚀剂。其中阳极型缓蚀剂抑制阳极过程，增大阳极极化，使腐蚀电流下降，但当用量不足时，不能充分覆盖阳极表面，会形成小阳极大阴极的腐蚀电池，加速腐蚀；阴极型缓蚀剂抑制阴极过程，增大阴极极化，使腐蚀电流下降；而混合型缓蚀剂对阳极过程和阴极过程同时具有抑制作用，虽然腐蚀电位变化不大，但可减小腐蚀电流。（3）按物理化学机理分类：缓蚀剂分为氧化膜型缓蚀剂、沉淀膜型缓蚀剂和吸附膜型缓蚀剂。氧化膜型缓蚀剂能直接或间接的氧化金属，使金属表面生成致密而附着性好的氧化物膜，阻止腐蚀反应的进行。由于该类缓蚀剂有钝化作用，因此又称为钝化型缓蚀剂或钝化剂。沉淀膜型缓蚀剂本身虽无氧化

14、性，但它们能与金属的腐蚀产物（如 Fe2+、Fe3+）或共轭阴极反应的产物（一般是 OH-）生成沉淀膜，能够有效地覆盖在金属氧化膜的破损处，从而起到缓蚀作用。吸附型膜缓蚀剂多数是有机缓蚀剂，它们都是具有含 N、S、O 等官能团的极性化合物，在分子结构中具有可吸附在金属表面的亲水基团和遮蔽金属表面的疏水基团。亲水基团定向吸附在金属表面，而疏水基团则阻碍水及溶解氧向金属表面扩散，从而达到缓蚀的目的。（4）按物理性质分类：可将缓蚀剂分为水溶性缓蚀剂、油溶性缓蚀剂和气相缓蚀剂。（5）按应用介质分类：可将缓蚀剂分为酸性介质缓蚀剂、中性介质缓蚀剂、碱性介质缓蚀剂、盐溶液缓蚀剂等。1.3 缓蚀剂科技发展 利

15、用缓蚀剂进行防腐蚀已经有着悠久的历史，并且随着科学技术以及工业的迅猛发展，缓蚀剂的品种和质量都得到了很大的提高。20 世纪 30 年代以前，缓蚀剂的品种只有百余种5，到 80 年代中期，仅酸性环境条件下的缓蚀剂品种就超过了 5000 余种6,7。缓蚀剂的研究、开发与应用经历了不同的阶段。最初由于冶金业的发展，为金属酸洗而研制了酸洗缓蚀剂。随后，因石油工业油井酸化技术的需要研究开发了油井酸化缓前言 3 蚀剂。此后石油化工、电力、交通运输工业的发展，海水、工业用水等冷却系统用的中性介质无机缓蚀剂迅速发展。二次世界大战期间和战后由于武器军械的防锈促进了气相和油溶性缓蚀剂的迅猛发展。50 年代初期，苯

16、并三唑对铜系金属优异的缓蚀性能引起了科技界的广泛关注，迅速发展成为中性及碱性介质中铜及其合金的优良缓蚀剂，接着大量可以抑制酸性介质中铜、铝、钢铁等金属腐蚀的苯并三唑衍生物类缓蚀剂也相继问世。60 年代是腐蚀科学技术发展最活跃的时期，许多重要的腐蚀与防护方面的国际学术会议（世界金属腐蚀会议、欧洲缓蚀剂会议等）均在 60 年代初举行首届会议。一些重要的腐蚀防护类的期刊，如 Corrosion Science、Material Performance 也在 60 年代创刊。这些学术活动的兴起也极大的促进了缓蚀剂研究的发展。1961 年，Hackerman.N 在欧洲第一届缓蚀剂会议上提出：“软硬酸碱理论”，对缓蚀剂分子的设计、筛选和应用有着重要的意义。日本荒牧国次等人对软硬酸碱理论在缓蚀剂研究中的应用做了系统的工作，取得了卓有成效的成绩，推动了缓蚀剂理论发展。进入 6070 年代，国际上缓蚀剂研究迅速发展，其中代表人物是印度的 Desai.M.N教授，其研究小组先后在 Anticorrosion 及其他专业刊物上连续发表论文数十篇，阐述了有关铜、铝及其合金在工业冷却水、盐酸、硫酸、碱液及盐类