1、 毕 业 设 计(论文)题 目：苯并咪唑类缓蚀剂的定量构效关系研究专业 ：材料物理 毕业设计(论文)摘 要采用 2D-QSAR 和 3D-QSAR 相结合的方法研究苯并咪唑类缓蚀剂分子结构与缓蚀性能之间的关系。首先，采用量子化学密度泛函理论( DFT ) 对 15 种苯并咪唑类缓蚀剂的量子化学参数进行计算，并利用遗传函数近似算法( GA ) 建立量化参数与缓蚀效率之间的二维定量构效关系( 2D-QSAR ) 模型；其次，采用比较分子力场分析法( CoMFA ) 建立缓蚀剂分子的最优三维定量构效关系 ( 3D-QSAR ) 模型；最后基于 3D-QSAR 结果设计出了 14 种新型苯并咪唑类缓蚀
2、剂分子，并利用 2D-QSAR 模型进行验证。结果表明：苯并咪唑类缓蚀剂的缓蚀性能与其分子总能量 ET、最高占据轨道能量EHOMO 以及自旋极化 a( Spin polarization ) 正相关；立体场和静电场对缓蚀剂活性的贡献分别为 52.1%和 47.9%，在 R1 位置引入体积大小适中且具有一定电负性的基团可提高缓蚀效率；设计缓蚀剂分子均具有较高的理论缓蚀效率，最优 2D-QSAR 模型对所设计分子的活性预测结果与 3D-QSAR 模型预测结果相吻合。 关键词：苯并咪唑；缓蚀剂；定量构效关系；分子设计毕业设计(论文)ABSTRACTIn this thesis, studied th
3、e relationship between the benzimidazole inhibitor structure and corrosion inhibition performance of combined 2D-QSAR and 3D-QSAR method. Firstly, quantum chemical density functional theory ( DFT ) was used to calculate the quantum chemical parameters of 15 kinds of benzimidazole corrosion inhibitor
4、. Than the genetic function approximation algorithm ( GA ) was used to study of two dimension quantitative structure-activity relationship(2D-QSAR) between quantum chemical parameters and their inhibition efficiency. Comparative molecular field analysis ( CoMFA ) method was used to establish the opt
5、imal 3D-QSAR model. Finally, based on the deeply reach of relationship between structure and inhibition efficiency of inhibitor molecules, design 14 kinds of new inhibitor molecules. The 2D-QSAR results show that the corrosion performance of benzimidazole inhibitors positive correlate with molecular
6、 total energy ET 、the highest occupied orbital energies ( EHOMO ) and the Spin polarization of atomic energy; negative correlate with the first carbon atom nucleophilic attack index. 3D-QSAR study results show that the proportion of steric field and electrostatic field contribution to the inhibitor
7、activity were 52.1% and 47.9% , introduce a functional group with moderate volume size, and certain electronegativity in the R1 position will improve the inhibition efficiency of corrosion inhibitor. The 3D-QSAR model prediction of designed molecular show high theoretical inhibition efficiency. The
8、inhibitor molecules active forecast results by optimal 2D-QSAR model for the design molecules consistent with the 3D-QSAR model predictionsKeywords: Benzimidazole; Corrosion Inhibitor; Quantitative Structure Activity Relationship; Molecular Design毕业设计(论文)目 录第 1 章 绪 论.11.1 引言.11.2 苯并咪唑类缓蚀剂.21.2.1 苯并咪
9、唑类缓蚀剂简介.21.2.2 苯并咪唑类缓蚀剂研究现状.21.3 二维定量构效关系方法.51.3.1 二维定量构效关系方法简介.51.3.2 二维定量构效关系方法研究现状.61.4 三维定量构效关系方法.61.4.1 三维定量构效关系方法简介.61.4.2 三维定量构效关系方法研究现状.71.5 本文研究内容.7第 2 章 理论计算方法和软件简介.92.1 软件简介.92.1.1 Materials Studio 软件简介 .92.1.2 SYBYL 软件简介 .92.2 理论计算方法.102.2.1 量子化学计算方法.102.2.2 遗传算法.102.2.3 PLS 算法 .11第 3 章
10、苯并咪唑类缓蚀剂的二维定量构效关系研究.133.1 引言.133.2 研究对象.143.3 计算方法.143.3.1 量子化学计算.143.3.2 2D-QSAR 模型的建立 .153.4 结果与讨论.163.4.1 2D-QSAR 模型 .163.4.2 2D-QSAR 模型验证 .18毕业设计(论文)3.5 本章小结.22第 4 章 苯并咪唑类缓蚀剂的三维定量构效关系研究.234.1 引言.234.2 计算方法.234.2.1 分子活性构象的确定.234.2.2 分子叠合.244.2.3 比较分子场分析法(CoMFA)模型构建 .254.3 结果与讨论.254.3.1 CoMFA 模型 .
11、254.3.2 CoMFA 等势图 .264.3.3 CoMFA 模型验证 .27表 4-3 3D-QSAR 模型模型预测的缓蚀效率值及其标准偏差 .274.5 本章小结.28第 5 章 新型苯并咪唑类缓蚀剂的分子设计.305.1 引言.305.2 基于 CoMFA 结果的分子设计 .305.3 基于 2D-QSAR 结果的活性预测 .325.4 本章小结.32结 论.34致 谢.35参考文献.36附 录.42毕业设计(论文)1第 1 章 绪 论1.1 引言酸性溶液广泛应用于油气井酸化及酸洗过程中，而酸液对油井金属设备和油气管线的腐蚀非常严重 1-3，因腐蚀导致的管壁爆裂、管线失效和原油大量流
12、失等问题给石油化工行业带来了巨大的经济损失，并造成了严重的环境污染甚至生态灾难。近年来，向环境介质中添加合理的缓蚀剂来防止金属及其合金发生腐蚀成为各大油田比较推崇的一种经济有效的防腐蚀措施 4。目前针对特定环境的高效缓蚀剂还比较缺乏，而传统缓蚀剂的研制大多建立在猜测和大量探索性实验的基础之上，具有极大的随机性和盲目性，并缺乏理论指导。随着各种理论计算方法和分子图形技术的发展，计算机辅助缓蚀剂分子设计，尤其是定量构效关系( Quantitative structure-activity relationship，QSAR ) 方法 5的出现，为油气田缓蚀剂的分子设计提供了新思路。相比定量构效关系
13、方法在药物分子设计、环境化学和毒理学等领域取得的丰硕成果，其在缓蚀剂方面的研究还处于起步阶段。缓蚀剂的二维定量构效关系( 2D-QSAR ) 研究，可以探讨各种量子化学参量与缓蚀效率之间的定量关系，建立简单有效的回归模型 6-10，但其与从分子层面实现缓蚀剂的合理设计还有一定的距离。三维定量构效关系( 3D-QSAR ) 11方法考虑到了配体与受体作用时的空间取向，在不了解受体结构的情况下，将分子周围的力场分布与活性定量地联系起来，明确给出对现有分子进行修饰的建议，弥补了 2D-QSAR 在分子设计中的不足。利用 3D-QSAR 方法进行缓蚀剂分子设计相当于在一种受体未知情况下的小分子药物设计
14、 12-15，将该方法引入缓蚀剂领域，对实现缓蚀剂的定向化设计具有重要的理论指导意义。苯并咪唑类化合物对碳钢在盐酸环境中的腐蚀具有较好的抑制作用，是一类优良的酸性缓蚀剂 3, 16-19。本文以苯并咪唑类缓蚀剂为研究对象，采用 DFT 理论计算了研究对象的各种量子化学参数，并利用遗传函数近似算法建立了苯并咪唑类缓蚀剂的2D-QSAR 模型。然后采用比较分子场分析( Comparative molecular field analysis，CoMFA ) 方法，对其分子结构与缓蚀性能的三维定量关系进行研究，建立了稳定且预测能力较强的模型，并以此为基础设计出一系列新型高效缓蚀剂分子，再利用最优 3
15、D-QSAR 模型预测所设计分子的活性。为了更加深入的研究新型缓蚀剂分子的缓蚀性能，计算所设计分子的量子化学参数，用最优 2D-QSAR 模型预测其活性，为新毕业设计(论文)2型缓蚀剂的合成提供可靠的理论指导。1.2 苯并咪唑类缓蚀剂1.2.1 苯并咪唑类缓蚀剂简介苯并咪唑衍生物是一类含有两个 N 原子的苯并杂环化合物，由于其 1、3 位上的两个 N 原子的高活性而极易在金属表面附着 20。作为一种新型的缓蚀剂，苯并咪唑衍生物在酸性溶液中对于碳钢、铝、铜等金属的具有优良的缓蚀性 21，且其具有热稳定性、无特殊刺激性气味、毒性低等特点，是一种绿色的环境友好型缓蚀剂。文中研究苯并咪唑类缓蚀剂主要由
16、以下四部分组成：苯并咪唑母环、苯并咪唑上含有官能团的 R1、R 2、R 3 以及 R4 取代基，如图 1-1 所示。苯并咪唑类缓蚀剂由于取代基官能团的在金属表面不同的吸附性质，从而具有不同的缓蚀性能 22。常见的取代基包括烷基、芳香基及含 N、O 和 S 等原子的官能团。NN R1R2R3R4图 1-1 研究对象基本结构苯并咪唑类缓蚀剂通过在金属表面吸附成膜而起到缓蚀保护作用的。其苯并咪唑基是配位能力比较强的配体，取代基中 N、O 和 S 原子中未成键的孤对电子，容易和金属中的空 d 轨道形成配位键，从而能够在金属表面形成化学吸附和物理吸附。研究表明，苯并咪唑衍生物在金属表面吸附规律遵循 La
17、ngmuir 吸附等温式 3, 18, 23-27或Frumkin 吸附等温式 23, 28。电化学研究指出，苯并咪唑衍生物为混合型缓蚀剂，由于缓蚀剂吸附在金属表面导致电极表面的部分闭塞效应和能量效应，金属表面氢离子浓度降低，氢过电位提高，从而同时抑制钢和铜在酸性溶液中的阳极和阴极过程 16, 29。 1.2.2 苯并咪唑类缓蚀剂研究现状近年来，国内外学者针对苯并咪唑类缓蚀剂，主要依靠传统的重量法和电化学方毕业设计(论文)3法研究其缓蚀性能及缓蚀规律，也有部分学者从苯并咪唑类衍生物本身结构性质出发，利用量子化学方法试图从原子层次揭示其缓蚀机理。Popova. A16等人在 2003 年采用交流
18、阻抗法、极化曲线法以及重量法研究了 5 种苯并咪唑林类缓蚀剂( BI、 2-NH2-BI、2-SH-BI、1-BBI、1,2-DBBI ) 对于碳钢的缓蚀性能。在 1 mol/L 的 HCl 溶液中，1-BBI 在金属表面产生特殊形式的吸附，活活能随温度的升高而降低，缓蚀效率随之增大。2-SH-BI 在金属表面发生化学吸附，其余缓蚀剂发生静电吸附。缓蚀性能是由于缓蚀剂在金属表面的空间位阻效应和能量效应导致表面氢离子浓度的减小和氢过电位的增大而产生。Popova. A23等人在 2004 年采用重量法和极化曲线法研究了 8 种苯并咪唑类缓蚀剂在 1 mol/L 的 HCl 中的缓蚀性能，结果表明
19、，缓蚀剂缓蚀效率随其溶解度的增大而增大，5(6)-COOH-BI 吸附等温式符合 Langmuir 吸附等温式，其余均符合 Frumkin 吸附等温式，物理吸附为该类缓蚀剂具有缓蚀性能的根本原因。Popova. A30等人在 2006 年报道的文献中同样采用交流阻抗法、极化曲线法研究了 5 中杂环化合物在 1 mol/L 的 HCl 溶液中对于碳钢的缓蚀性能，结果表明苯并咪唑( BI )缓蚀性能低于一唑( I ) 、三唑( BTA ) 和噻唑 ( BNS ) ，高于苯并噻二唑( BTD ) ，苯并噻二唑会加重碳钢的腐蚀。Khaled K. F. 3采用相同的方法研究了 6 种苯并咪唑类缓蚀剂在
20、 1 mol/L 的 HCl 溶液中对于纯铁的缓蚀效率，结果表明，该类缓蚀剂的在浓度为 0.001-0.010 mol/L 之间，缓蚀效率随浓度的增大而增大，其吸附服从 Langmuir 吸附等温式，在铁表面的吸附同时抑制了铁腐蚀的阴极过程和阳极过程，为混合型缓蚀剂。通过分析 EIS 等效电路，发现缓蚀效率与最高占据轨道能量( EHOMO ) 有关，缓蚀效率随分子供电子能力的提高而增大。Damin A. Lpez31等人利用交流阻抗谱和线性极化法研究了苯并咪唑类缓蚀剂在CO2 饱和的 NaCl 溶液中对于调质钢和退火钢的缓蚀性能，研究表明，苯并咪唑类缓蚀剂的加入可以抑制退火钢的腐蚀，加重调质钢
21、的腐蚀，碳钢的微观机构会对该类缓蚀剂的缓蚀性能具有影响。苯并咪唑类缓蚀剂的缓蚀作用与其对阴极质子化的抑制作用有关，缓蚀剂分子在金属表面的吸附阻滞了 FeCO3 的沉淀。Zhang Da-Quan32等人采用类似手段研究了 2-巯基苯并咪唑在 0.5 mol/L 的 HCl 溶液中对于铜的缓蚀性能。结果表明该缓蚀剂为阴极型缓蚀剂，量子化学计算结果显示该缓蚀剂具有较高的最高未占据轨道能量( EHOMO ) 、最低空轨道能量( ELUMO ) 及 电毕业设计(论文)4子密度。巯基的引入改变了电子的扰动和能量配置，从而提高了缓蚀性能。Subramanian R.24等人采用循环伏安法和交流阻抗法研究了
22、 4 种苯并咪唑类缓蚀剂和苯并三唑以及四唑的吸附性质对于碱性溶液中铜表面氧化膜形成的影响。结果表明，吸附服从 Langmuir 吸附等温式，有 95%的缓蚀剂膜在加入缓蚀剂 800 s 之内形成。当唑环与电极表面平行时可增大电极表面覆盖范围，环上 电子与铜表面 d 轨道的相互作用可促进吸附，屏蔽溶液中的电极，从而发挥缓蚀性能。Aljorani .J18等人采用电化学方法研究了 2-巯基苯并咪唑、2-甲基苯并咪唑和苯并咪唑在 1 mol/L 的 HCl 溶液中对于碳钢的缓蚀性能。提出该类缓蚀剂在碳钢表面的吸附符合 Langmuir 吸附等温式，其在碳钢表面的吸附为一个自发、放热的物理吸附过程。M
23、orales-Gil P25等人利用电化学测试手段以及 SEM 分析研究了 4 种杂环化合物对于钢管试样在 1 mol/L 的 H2SO4 溶液中的缓蚀作用，同样提出该类缓蚀剂属于混合型缓蚀剂，其吸附服从 Langmuir 吸附等温式。2- 巯基苯并咪唑在铁表面的吸附可以抑制的硫化物的形成。Abboud Y26等人合成了一种新型苯并咪唑类缓蚀剂 2, 2-双苯并咪唑，并利用失重法和动电位极化曲线法研究了其在 1 mol/L 的 HCl 溶液中对于碳钢的缓蚀性能。结果表明，该缓蚀剂为一种混合型缓蚀剂，但其对于阴极的抑制作用强于阳极。其缓蚀效率随着浓度的增大而增大，在 0.0001 mol/L 时
24、达到最高。缓蚀剂分子的缓蚀性来源于其在碳钢表面的吸附，其吸附符合 Langmuir 吸附等温式。Jacinto Morales Roque33等人采用密度泛函理论和交流阻抗法研究了 3( 苯并咪唑-2-亚甲基 ) 胺对于碳钢的缓蚀性能。结果表明， N=C=N 离域环通过其最高占据轨道( HOMO ) 为金属表面的最低未占据轨道( LUMO ) 提供电子，从而在金属表面吸附成膜，抑制金属腐蚀。EIS 研究结果表面缓蚀剂的加入使得电极和缓蚀剂溶液界面的电容减小，充放电效应增强，使得缓蚀剂易于在金属表面吸附成膜。Christov M28等人采用失重法测量了 4 种苯并咪唑类缓蚀剂的缓蚀效率，并利用测
25、量结果确定了碳钢/酸性溶液/缓蚀剂体系的 Frumkin 吸附等温式参数。并计算了最大吸附量、相互作用参数以及平衡常数，理论计算结果与实际吸附行为相吻合。Obot I. O. 34等人采用 DFT 理论对苯并咪唑啉及其衍生物的缓蚀性能进行了理论研究。结果表明巯基在杂环化合物中的引入促进了电子和轨道能量配置的多样性，从而促进了缓蚀作用，这与 Da-Quan Zhang32等人的研究结果相类似。甲基作为供电子毕业设计(论文)5体的引入导致电子密度的增加，同样可增强缓蚀作用。Mieczyslaw Scendo35等人研究了苯并咪唑和 2-巯基苯并咪唑在 Cu2+还原为 Cu1+过程中的抑制作用。结果
26、表明，两种缓蚀剂均可在 Pt 电极表面形成可以抑制 Cu2+还原为 Cu1+的缓蚀剂膜，该膜还起到抑制极限电流波对流扩散的作用。论文指出缓蚀剂的缓蚀性能依赖于电场作用下的物质传输，采用 EQCN 技术可以探测到 Cu2+进入缓蚀剂膜，在缓蚀剂膜中被还原为 Cu1+之后滞留其中，多以 CuCl 的形式存在，在缓蚀性强的膜中，CuCl 的量较小。Benabdellah M. 27等人采用失重法、交流阻抗谱法、动电位极化法研究了 2-巯基苯并咪唑在 1 mol/L 的 HCl 溶液中温度和缓蚀剂浓度对其缓蚀性能的影响。结果表明，缓蚀效率随缓蚀剂浓度的增大而增大，在 0.001 mol/L 时达到最高
27、，为 98%。该缓蚀剂为一种混合型缓蚀剂，且随着缓蚀剂浓度的升高，传输阻力增大。在 308K-353K 温度范围内，缓蚀剂在金属表面的吸附符合 Langumuir 吸附等温式，为一个自发的放热过程。张军 36等人采用量子化学计算和分子动力学模拟相结合的方法，对 4 种苯并咪唑类缓蚀剂抗 HCl 腐蚀的性能进行了理论评价，并对其缓蚀机理进行分析。全局活性指数的计算表明，四种分子中，2-巯基苯并咪唑分子具有最强的反应活性；对于其他三种分子，Fukui 指数和全电子密度分布指出，2-氨基苯并咪唑具有两个亲电攻击中心，可在金属表面形成双中心吸附，其缓蚀性能应优于 2-甲基苯并咪唑和苯并咪唑；缓蚀剂分子
28、与三层铁原子表面相互作用的分子动力学模拟进一步确认 2-甲基苯并咪唑比苯并咪唑在金属表面吸附更稳定。相比于传统的重量法、极化曲线法和交流阻抗谱法等实验方法，对于苯并咪唑衍生物类缓蚀剂进行计算机分子模拟和量子化学计算研究的报道并不太多，其定量构效关系的研究更是少之又少，苯并咪唑类缓蚀剂缓蚀机理也并没有统一说法，所以有待于在这些方面开展更加深入的研究。1.3 二维定量构效关系方法1.3.1 二维定量构效关系方法简介所谓定量构效关系，就是定量的研究和描述有机物结构与活性之间的相互关系 5。传统的二维定量构效关系方法主要由有 Hansch 法、基团贡献法和分子连接性指数法等37。其中应用最广泛的是 Hansch 法。该方法假设同系列化合物某些生物活性的变化与
