Научная статья на тему 'Коэффициенты корреляции по Пирсону как характеристика ингибиторной активности производных орто-алкенилфенолов в водно-солевой среде с развивающимися десульфатирующими бактериями'

Коэффициенты корреляции по Пирсону как характеристика ингибиторной активности производных орто-алкенилфенолов в водно-солевой среде с развивающимися десульфатирующими бактериями Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

CC BY
105
25
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
АЛКЕНИЛФЕНОЛЫ / МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ / ДЕСУЛЬФАТИРУЮЩИЕ БАКТЕРИИ / СТАЛЬ СТ3 / ИНДЕКСЫ РЕАКЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ / КОЭФФИЦИЕНТЫ КОРРЕЛЯЦИИ / AB INITIO / ЭФФЕКТИВНЫЕ ЗАРЯДЫ / ДИПОЛЬНЫЙ МОМЕНТ / ЭНЕРГИИ ГРАНИЧНЫХ ОРБИТАЛЕЙ / ALKENYLPHENOL / MICROBIOLOGICAL CORROSION / DESULFATORING BACTERIA / STEEL ST3 / INDICES OF REACTIVITY / COEFFICIENTS OF CORRELATION / EFFECTIVE CHARGES / DIPOLE MOMENT / ENERGIES OF BOUNDARY ORBITALS

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Сикачина Андрей Анатольевич

В публикуемой статье показана и проанализирована возможность взаимосвязи квантово-химических дескрипторов молекулы и скоростью коррозии стали марки Ст3, выраженной как процент защитного эффекта при микробиологической коррозии в водно-солевой среде с культурой десульфатирующих бактерий, который зависит, в частности, от адсорбционных свойств молекулы, адсорбирующейся на поверхности металла.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Сикачина Андрей Анатольевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

THE COEFFICIENTS OF PEARSON CORRELATION AS A FEATURE IN HIBITORY ACTIVITY OF DERIVATIVES OF ORTHO-ALKENYLPHENOL IN WATER-SALT ENVIRONMENT WITH DEVELOPING DESULFATORING BACTERIA

He article shows and analyzes the possibility of the relationship and quantum-chemical descriptors of molecules and the corrosion rate of steel St3, expressed as a percentage of the protective effect of microbiological corrosion in water-salt medium with culture desulfator-ing bacteria, which depends in particular on the adsorption properties of molecules, adsorbiruyuschee on the metal surface.

Текст научной работы на тему «Коэффициенты корреляции по Пирсону как характеристика ингибиторной активности производных орто-алкенилфенолов в водно-солевой среде с развивающимися десульфатирующими бактериями»

УДК 544.653.2

КОЭФФИЦИЕНТЫ КОРРЕЛЯЦИИ ПО ПИРСОНУ КАК ХАРАКТЕРИСТИКА

ИНГИБИТОРНОЙ АКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДНЫХ ОРТО-АЛКЕНИЛФЕНОЛОВ В ВОДНО-СОЛЕВОЙ СРЕДЕ С РАЗВИВАЮЩИМИСЯ ДЕСУЛЬФАТИРУЮЩИМИ БАКТЕРИЯМИ

THE COEFFICIENTS OF PEARSON CORRELATION AS A FEATURE IN HIBITORY ACTIVITY OF DERIVATIVES OF ORTHO-ALKENYLPHENOL IN WATER-SALT ENVIRONMENT WITH DEVELOPING DESULFATORING

BACTERIA

Сикачина Андрей Анатольевич,

аспирант, e-mail: [email protected] Sikachina Andrey A., postgraduate student

Балтийский Федеральный Университет имени И. Канта, 238750, Россия, г. Калининград, ул. Университетская, 2

Immanuel Kant Baltic Federal University, Kaliningrad-sity, 238750, Russian Federation, 2 Universi-tetskaya str.,

Аннотация. В публикуемой статье показана и проанализирована возможность взаимосвязи кван-тово-химических дескрипторов молекулы и скоростью коррозии стали марки СтЗ, выраженной как процент защитного эффекта при микробиологической коррозии в водно-солевой среде с культурой де-сульфатирующих бактерий, который зависит, в частности, от адсорбционных свойств молекулы, адсорбирующейся на поверхности металла.

Abstract. The article shows and analyzes the possibility of the relationship and quantum-chemical descriptors of molecules and the corrosion rate of steel St3, expressed as a percentage of the protective effect of microbiological corrosion in water-salt medium with culture desulfator-ing bacteria, which depends in particular on the adsorption properties of molecules, adsorbiruyuschee on the metal surface.

Ключевые слова: алкенилфенолы; микробиологическая коррозия; десульфатирующие бактерии; сталь СтЗ; индексы реакционной способности; коэффициенты корреляции; Ab Initio; эффективные заряды; дипольный момент; энергии граничных орбиталей

Keywords: alkenylphenol; microbiological corrosion; desulfatoring bacteria; steel St3; indices of reactivity; coefficients of correlation; Ab Initio; effective charges; dipole moment; energies of boundary orbitals

Список принятых авторских сокращений1

Ед.с.С^с - суммарный заряд атомов углерода, образующих двойную связь

п.п.С^с - заряд атома углерода, образующего пара-положение бензольного кольца Хе^с - суммарный заряд атомов углерода, образующих ароматическое кольцо эОс - заряд атома углерода ароматического кольца, образующего связь С-0

Ет.еХЗс " суммарный заряд атомов углерода, образующих тройную связь С>о - заряд атома кислорода ИМ - исследуемая молекула ККП - коэффициент корреляции Пирсона Введение

1 Все остальные встречающиеся сокращения общеприняты

Систематизация данных об ингибирующем действии различных молекул позволила многим ученым (Белоглазов [2, 3], Колотыркин [4], Антропов [1] и пр.) выявить многие закономерности структуры соединения, которые придают ему свойства, ингибирующие коррозию металла. Прежде всего такое свойство зависит от наличия в структуре молекул гетероатомов, поскольку несение свободных электронных пар позволяет таким соединениям донировать электронную плотность на незаполненные d-пoдypoвни металла, давая поверхностные комплексы, в той или иной мере тормозящие катодную и анодную реакцию любого вида электрохимической коррозии. Как следствие, должно наблюдаться снижение скорости коррозии. В приводимом исследовании такие гетеро-атомы — это азот, кислород, причем первый обладает меньшей электроотрицательностью, что в работах [7-9] расценивается как способствующий признак.

Таблица 1. Задание GAMESS для проведения оптимизации геометрии

Файл .inp Продолжение файла .inp Продолжение файла .inp

! Minimize (Energy/Geometry) RHF/STO-3G POLAR=COMMON METHOD=QA

SCONTRL SEND NSTEP=50

COO RD=UNI QUE SSCF OPTTOL=0.001

ICHARG=1 DAMP=.false. SEND

MAXIT=50 DEM=.false. SFORCE

MULT=1 DIIS=.false. TEMP=298.15

PLTORB=.TRUE. DIRSCF=.true. SEND

RUNTYP=OPTIMIZE EXTRAP=.true. SGUESS

SCFTYP=RHF NPREO(l)=l,9999,1,9999 GUESS=HUCKEL

UNITS=ANGS RSTRCT=.false. SEND

SEND SHIFT=.false. SSYSTEM

SBASIS SOSCF=.true. MWORDS=10

GBASIS=STO SEND SEND

NGAUSS=3 SSTATPT

Таблица 2. Задание GAMESS для проведения собственно расчета в одной точке

Файл .inp Продолжение файла .inp Продолжение файла .inp

! Compute Properties B3LYP/6-21G(d) NGAUSS=6 SEND

SCONTRL POLAR=COMMON SSOLVNT

COORD=UNIQUE SEND IEF=3

ICHARG=0 SSCF S0LVNT=H20

MAXIT=50 DAMP=.false. SEND

MULT=1 DEM=.false. SFORCE

PLTORB=.TRUE. DIIS=.false. TEMP=298.15

RUNTYP=OPTIMIZE DIRSCF=.true. SEND

SCFTYP=RHF EXTRAP=.true. SGUESS

UNITS=ANGS NPREO(l)= 1,9999,1,9999 GUESS=HUCKEL

SEND RSTRCT=. false. SEND

SDFT SHIFT=.false. SSYSTEM

DFTTYP=B3LYP SOSCF=.true. MWORDS=10

METHOD=GRID SEND SEND

SEND SSTATPT SDATA

SBASIS METHOD=QA

GBASIS=N21 NSTEP=50

NDFUNC=1 OPTTOL=0.001

Цель исследования

В тему публикации выносятся 2 аспекта: квантовохимическое определение величин основных индексов реакционной способности молекулы и генерирование на их основе, и на основе ранее вычисленных скоростей коррозии с микробиологическим контентом (точнее их производных: защитных эффектов) коэффициентов корреляции, служащих в целях прогноза.

Методика экспериментального исследования

ИМ имели защитные эффекты при микробиологической коррозии в водно-солевой среде с культурой десульфатирующих бактерий, вычисленные по известным методикам, и представленные в [9].

Первый этап исследования — это численный эксперимент для расчета квантовохимических

дескрипторов электронной структуры (индексов реакционной способности), который был проведен в программе WinGAMESS-2011 силами средств визуализации входной структуры (расширение .inp) программного комплекса Сат-bridgeSoft 2013 и выходных данных (расширение .out) по программе Molekel 4.3 [6]. Входной файл, сгенерированный с целью оптимизации геометрии входной структуры, выглядел следующим образом (здесь и в дальнейших таблицах координаты атомов опускаются) (табл. 1).

Входной файл, сгенерированный с целью расчета оптимизированной структуры, выглядел следующим образом (табл. 2)..

Второй этап исследования состоял в анализе величин ККП смешанных моментов, полученных в программе STATISTIC А 7.0 так, что ККП, выражаемые в долях от единицы, дадут возможность

ИМ1

ИМ2

• -ü.i^l 7 *

0.458 , 1094

_ • -0.368 е.175

#0.16:

• ЪлЯЖ FmHH

А 0.191 * °-024 * °'009 #0.189

\ ш с. flR^jSN^^i^taihi ^йИ

* ^ л • -0.170 -0.583

-0'.125 ^0.202

й I 0.198

Ф 0.194 #0.176

имз

ИМ4

19

Ä^'^ij-o.as Ä 0.186

—;*i 215 Ш 0.186

-0.567 F^, ^Щ/ШЩ^Я . .Ж . -0.183

0.181

0 .179^# (

ИМ5

Условные знаки: сферы зеленого цвета-атомы углерода, красного цвета - кислорода, белого цвета - водорода

Рис. 1. Отображение зарядов на атомах исследуемых соединений в 3D-представлении Molekel 4.3

Полученные величины энергии граничных ор-биталей и дипольного момента представлены в табл. 3.

Полученные величины ККП смешанных моментов представлены в табл. 4.

Представленное на рис. 1 распределение зарядов является в целом сходным между ИМ1 ...ИМ5. В случае ИМ 2 и ИМ 4 заряд n.n.Qc является практически нулевым, что связано с влиянием метальной группы, которая в этих ИМ появляется, В частности, это же дает самые маленькие величины ц у этих ИМ (у ИМ 1 и ИМ 2 радикал пропен-1-ил сопряжен с бензольным кольцом, что дает самый малый ц; этот же эффект сильно уменьшает SÄC.Qc

судить о вкладе расчетного молекулярного параметра ингибитора в его защитный эффект модельного образца [5] указанной марки стали. Были построены ККП между защитным эффектом серии ингибиторов (добавляемых в коррозионную среду в концентрации 10 и 50 мг/л) и следующими дескрипторами, вычисленными указанными (табл. 2) расчетными методами: заряды на гетероатомах по Малликену, значения энергий граничных орбита-лей, дипольным моментом [2].

Результаты и обсуждение

Полученные величины парциальных эффективных зарядов (Ьу МиШкеп) представлены на рис. 1:

в этих ИМ, а также в ИМ 5). Определенную роль в появлении именно такого ц играет метальный радикал. Атомы кислорода имеют сильный отрицательный заряд, но неподеленная 28-электронная плотность имеет +М-эффект по отношению к ароматическому кольцу, поэтому его вклад в ингиби-рование коррозии сомнителен (см. ниже).

Е взмо и Е немо в целом довольно обычны исходя из обзора публикаций. Е немо, согласно многим публикациям, и , в частности, [8], должна быть при примененном уровне теории положительна, но только в ИМЗ и ИМ4 это реализуется. По-видимому, последнее связано с отсутствием сопряжения двойной связи с ароматическим кольцом. В ИМ2 радикал метил в пара-положении бензольного кольца сильно повышает величину ц, но он играет меньшую роль, поскольку при расчете ab initio Е немо должна быть положительна.

При анализе величин ККП, выявляется, что наличествует довольно много высоких положительных величин. Также выявляется практически полная схожесть величин ККП в указанных выше концентрациях, что говорит о независимости ин-гибирующего (и биоцидного, играющего не меньшую роль в достижении крайне высокого защитного эффекта) действия от числа молекул в обьеме раствора.

Благодаря наличию двойной связи, осуществляется сильный вклад ее в защитный эффект ИМ, поскольку двойная связь способна стимулировать хемосорбцию соединения на металле [2, 8].

ККП вида «Z-Евзмо» и «Z-EHCMo» по модулю самые высокие среди всех , что говорит о большей зависимости эффекта применения серии производных алкенилфенолов, добавляемых в коррозионную среду, преимущественно именно от них.

Анализ ККП указывает, что при повышении Евзмо (понижении первого потенциала ионизации) защитный эффект должен увеличиваться, по-

скольку возрастание донорных свойств ИМ влечет за собой все большую склонность к адсорбции такового на поверхности металла.

Анализ ККП указывает, что при повышении Енсмо защитный эффект снижается, поскольку сродство к электрону повышается также, и снижение донорных свойств ИМ влечет за собой все меньшую склонность к адсорбции ИМ на поверхности металла.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Атом углерода с зарядом э(3с способствует электросорбции ИМ на поверхности металла, поскольку, согласно данным рис. 1, он несет высокий положительный заряд, в то время, как обеднение атома кислорода электронной плотностью делает невозможным вклад заряда СЬ в ингибиро-вание коррозии (увеличение защитного эффекта). Поэтому соответствующий ККП равен -0,82. Приток 28-электронной плотности от атома кислорода в бензольное кольцо придает вклад заряда ЕбС>с равную -0,09, т.е. наряду с п.п.0с , £бС>с является нейтральным в смысле вклада в ингибирование микробиологической коррозии, в то время, как в работе [3, 4] последний вносит вклад в ингибирование коррозии. То же можно сказать относительно п.п.Ос •

Таким же образом является нейтральной тройная связь, где величина ККП равна 0,01. Сравнивая ККП вида «защитный эффект-1т.с.(3с» и ККП вида «защитный эффект- ИбРс», можно сказать о нейтральности, но тройная связь более нук-леофильна, и ККП вида «защитный эффект-Етс.СЗс» неотрицателен.

Выводы

Очевидно, что методика вычисления ККП оправдывает себя при характеристике скорости коррозии, ингибируемой производными о-алкенилфенола. Об этом говорит в первую очередь то, что наблюдается большое количество положительных и крупных величин (что закономер-

Таблица 3. Отображение энергии граничных орбиталей и дипольного момента

при помощи Molekel 4.3

Код ингибитора Е взмо , а.е.э. Енемо, а.е.э. H,D

ИМ1 -0,197 -0,016 1,466

ИМ2 -0,195 -0,008 1,324

ИМЗ -0,220 0,014 1,480

ИМ4 -0,203 0,005 1,343

ИМ5 -0,200 -0,023 1,782

Таблица 4. Величины ККП смешанных моментов, сгенерированных STATISTICA 7.0

Защитный эффект,% ККП «структура молекулы-антикоррозионные свойства», доли от единицы В концентрации 10 мг/л

Z Iic.Qt n.n.Qc leQc 3Qc Qo Евзмо Енсмо Д

0.99 -0.12 -0.09 0.71 0.01 -0.82 0.81 -0.90 0.31

Защитный эффект, % ККП «структура молекулы-антикоррозионные свойства», доли от единицы В концентрации 50 мг/л

Z 0.99 -0.10 -0.05 0.72 0.05 -0.80 0.83 -0.90 0.28

но, поскольку скорость коррозии в присутствии их в водно-солевой среде с десульфатирующими бактериями как ингибиторов очень резко снижается), несмотря на то, что такие ККП, как «защитный

эффект-С^о» и «защитный эффект-ЕВЗмо» взаимно исключают действие друг друга, имея взаимно обратные величины.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия: Учеб. для хим. -технолог, спец. вузов. - 4-е изд., пе-рераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1984. - 519 е., ил.

2. Белоглазое С.М. Распределение в стали водорода, поглощенного при катодной обработке в кислоте, его влияние на микротвердость // ФММ. 1963. Т. 15. С. 885—889.

3. Белоглазое С.М., Балеочене И.И. Наводороживание приповерхностных слоёв стали // ФХММ. 1987. Т. 23, №4. С. 113—115.

4. Колотыркин Я.М. Коррозионная усталость металлов.: Тр. I сов.-англ. семинара .— Киев: Наук, думка, 1983. 372 с.

5. Сикачина А. А. Моделирование ингибирующих свойств уреидов и ацетилидов в отношении коррозии стали [Текст] / А. А. Сикачина, Г. С. Белоглазов, С. М. Белоглазов // XII Международная научная конференция. - Калининград, 2014. - Ч. 1. - С. 126-130

6. Сикачина A.A. Комплексоны-полиаминополикарбоновые кислоты: квантовохимическое и статистическое исследование молекул и их серий // Естественные и технические науки. —2015 — № 6 —С. 120-126

7. Сикачина A.A. Краткие материалы по конкретному аспекту исследования ингибиторной активности органических соединений // Тезисы докладов 69-ой Международной молодежной научной конференции «Нефть и газ - 2015» - г. Москва, Россия -2015 - Том 2-е. 235

8. Терюшееа С.А. Исследование производных гидрохинона и 1,4-бензохинона как ингибиторов коррозии, наводороживания стали и биоцидов на СРБ : диссертация ... кандидата химических наук : 05.17.03 /Терюшева Светлана Александровна;.- Калининград, 2011.- 221 е.: ил.

9. Функциональнозамещенные производные алкенилфенолов в качестве ингибиторов коррозии стали СтЗ [Текст] / Г. М. Аскарова [и др.] // Молодой ученый. — 2015. — №9. — С. 70-71.

REFERENCES

1. Antropov L.I. Teoreticheskaja jelektrohimija: Ucheb. dlja him. -tehnolog. spec, vuzov. - 4-e izd., pere-rab. i dop. - M.: Vyssh. shk., 1984. - 519 s., il.

2. Beloglazov S.M. Raspredelenie v stali vodoroda, pogloshhennogo pri katodnoj ob-rabotke v kislote, ego vlijanie na mikrotverdost' // FMM. 1963. T. 15. S. 885—889.

3. Beloglazov S.M., Balvochene I.I. Navodorozhivanie pripoverhnostnyh slojov stali // FHMM. 1987. T. 23, №4. s. 113—115.

4. Kolotyrkin Ja.M. Korrozionnaja ustalost1 metallov.: Tr. I sov.-angl. seminara .— Kiev: Nauk, dumka, 1983.372 s.

5. Sikachina A. A. Modelirovanie ingibirujushhih svojstv ureidov i acetilidov v otnoshenii korrozii stali [Tekst] / A. A. Sikachina, G. S. Beloglazov, S. M. Beloglazov // XII Mezhdunarodnaja nauchnaja konfereneija. -Kaliningrad, 2014. - Ch. 1. - S. 126-130

6. Sikachina A.A. Kompleksony-poliaminopolikarbonovye kisloty: kvantovohimi-cheskoe i statisticheskoe issledovanie molekul i ih serij // Estestvennye i tehnicheskie nauki. —2015 — № 6 —s. 120-126

7. Sikachina A.A. Kratkie materialy po konkretnomu aspektu issledovanija ingibi-tornoj aktivnosti or-ganicheskih soedinenij // Tezisy dokladov 69-oj Mezhduna-rodnoj molodezhnoj nauchnoj konferencii «Neft' i gaz - 2015» - g. Moskva, Rossija - 2015 - Tom 2 - s. 235

8. Terjusheva S.A. Issledovanie proizvodnyh gidrohinona i 1,4-benzohinona kak ingibitorov korrozii, na-vodorozhivanija stali i biocidov na SRB : dissertaeija ... kandidata himicheskih nauk : 05.17.03 / Terjusheva Svetlana Aleksandrovna;.- Kaliningrad, 2011.- 221 s.: il.

9. Funkcional'nozameshhennye proizvodnye alkenilfenolov v kachestve ingibitorov korrozii stali St3 [Tekst] / G. M. Askarova [i dr.] // Molodoj uchenyj. — 2015. — №9. — S. 70-71.

Поступило в редакцию 27.03.2016 Received 26 March 2016

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.