CC BY
2
ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ УДК 547.722.3:51-74 https://doi.org/10.24412/2071-8268-2023-3-4-3-6
моделирование биологической активности хлорпроизводных тетрагидрофурана на основе
эпоксисоединений
Логинова М.Е.1, Колчина Г.Ю.2, Мовсумзаде Э.М.34 1АО НПФ Геофизика, 450097, г. Уфа, Россия 2Стерлитамакский филиал Уфимского университета науки и технологий,
453103, г. Стерлитамак, Россия 3Уфимский государственный нефтяной технический университет,
450062, г. Уфа, Россия 4Российский государственный университет им. А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство), 117997, Москва, Россия
В работе для автоматизации расчета прогнозирования антимикробной и фунгицидной активностей хлорпроизводных тетрагидрофурана построена математическая модель проявления антимикробной активности. Данная зависимость представляет собой функции взаимосвязи биологической активности от значений х1 энергий высшей занятой (ВЗМО) и нижней свободной (НСМО) орбиталей х2, где Y (функция отклика) — зона подавления роста микроорганизмов, R2 — коэффициент детерминации (достоверности). Зона подавления достигает до 3 см. Функциональные возможности построения данной модели заключаются в прогнозировании зоны подавления, получении адекватной математической модели и графическом представлении функции отклика.
Ключевые слова: моделирование, тетрагидрофуран, реакционная способность, хлорпроизводные тетрагидрофурана, антимикробная активность.
Для цитирования: Логинова М.Е., Колчина Г.Ю., Мовсумзаде Э.М. Моделирование биологической активности хлорпроизводных тетрагидрофурана на основе эпоксисоединений // Промышленное производство и использование эластомеров, 2023, № 3-4, С. 3-6. DOI: 10.24412/2071-8268-2023-3-4-3-6.
modeling of biological activity of chlorine derivatives
of tetrahydrofuran based on epoxy compounds
Loginova Marianna E.1, Kolchina Galina Yu.2, Movsumzade Eldar M.3,4 JSC NPF Geophysics, 450097, Ufa, Russia 2Sterlitamak branch of the Ufa University of Science and Technology,
453103, Sterlitamak, Russia 3Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia 4Kosygin Russian State University (Technology. Design. Art)117997, Moscow, Russia
Abstract. In this work, to automate the calculation of predicting the antimicrobial and fungicidal activities of chlorinated derivatives of tetrahydrofuran, a mathematical model of the manifestation of antimicrobial activity was built. This dependence is a function of the relationship of biological activity on the x1 values of the energies of the highest occupied (HOMO) and lowest free (LUMO) orbitals x2, where Y (response function) is the zone of suppression of the growth of microorganisms, R2 is the coefficient of determination (reliability). The suppression zone reaches up to 3 cm. The functionality of constructing this model consists in predicting the suppression zone, obtaining an adequate mathematical model and graphical representation of the response function.
Key words: modeling, tetrahydrofuran, reactivity, chlorinated derivatives of tetrahydrofuran, antimicrobial activity.
For citation: Loginova M.E., Kolchina G.Yu., Movsumzade E.M. Modeling of biological activity of chlorine derivatives of tetrahydrofuran based on epoxy compounds. Prom. Proizvod. Ispol'z. Elastomerov, 2023, no. 3-4, pp. 3-6. DOI: 10.24412/2071-8268-2023-3-4-3-6. (In Russ.).
Образцы хлорпроизводных тетрагадрофура-на, как известно [1-5], способны проявлять высокие антисептические свойства. В настоящее время производные тетрагидрофурана приме-
няются в качестве фунгицидных препаратов для защиты газопроводов от биоповреждений в составе различных антикоррозионных покрытий.
Целью данной работы стало получение зависимости, характеризующей структурные особенности и проявляемые биологические свойства исследуемых веществ. Объектом исследования были выбраны хлорпроизводные тетрагидрофу-рана, ранее полученные на основе эпоксидных соединений (схема 1, 1-8), с использованием дескрипторов реакционной способности. Методом теории планирования эксперимента (ТПЭ) получена модель проявления антимикробной активности хлорпроизводных тетрагидрофурана, с помощью которой можно предсказать возможную зону поражения микроорганизмами.
Схема 1
С1 С1
+ СХс-
С1
R ,
где R = СзН7 (1), ьСзН7 (2), С4Н9 (3), 1-С4Н9 (4), СН2С6Н5 (5), С6Н11 (6), СН2С=СН (7), СН2СН=СН2 (8).
В любых модельных экспериментах объект исследования заменяется его моделью — некоторым подобием оригинала (функцией отклика), сохраняющим его особенности, существенные для данного исследования. Моделирование (построение модели) выполняется на базе теории подобия [6]. Вид функции отклика у = F(x1, х2, ..., хп) заранее неизвестен. Для нахождения этой неизвестной функции авторами использована не сама функция, а ее разложение в степенной ряд.
На практике ограничивались конечным числом членов разложения ряда, аппроксимируя функцию F полиномами первой или второй степени. Коэффициенты разложения находили по результатам экспериментов, а критерием оптимизации служил коэффициент детерминации, который может достигать 100%.
ТПЭ позволил при минимальном числе опытов получить математическую модель процесса и определить оптимальные пути его протекания.
В работе исследуемые молекулы — хлорпро-изводные тетрагидрофурана были полностью оптимизированы в рамках метода гибридного функционала плотности с обменно-корреля-ционным функционалом B3PW91 в базисе 6-3Ш^,р). Все расчеты выполнены с использованием программы FireFly [7]. Определены основные структурные и энергетические параметры для данных соединений. Для проведения дальнейшей обработки структурных особенностей и проявляемых свойств на рис. 1 приведена оптимизированная структура о-(бензилокси-в-хлорпропокси)-м-хлор-тетрагидрофурана (5).
Для выявления зависимости антимикробной активности хлорзамещенных тетрагидрофурана
Рис. 1. Оптимизированная структура о^бензилокси-ß-хлорпропокси)-м-хлор-тетрагидрофурана (5)
рассчитаны некоторые молекулярные индексы реакционной способности, представленные в табл. 1. Таблица 1
Рассчитанные индексы реакционной способности хлорпроизводных тетрагидрофурана* (1-8)
Соединение ВЗМО, эВ НСМО, эВ ю, эВ
1 -7,105 0,801 0,628
2 -7,035 0,805 0,619
3 -7,148 0,493 0,725
4 -7,017 0,512 0,703
5 -6,642 -0,098 0,868
6 -7,140 0,494 0,723
7 -7,252 0,426 0,759
8 -7,129 0,142 0,839
*ВЗМО и НСМО — высшая занятая и низшая свободная молекулярные орбитали (граничные орбитали); ю — глобальный индекс электрофильности.
Полученные ранее соединения были исследованы на антимикробную активность с позиции антисептирования изоляционных покрытий с помощью добавления хлорпроизводных тетрагидрофурана в их состав. Испытания проводили на грибах рода Penicillum, Trichoderma, Aspergillus, которые были выделены из почв и грунтов биокоррозионноопасных участков газопровода разного вида [5]. На грибостойкость исследования проводили при 29°С и относительной влажности 90±5% на среде агар-агар. На бакте-риостойкость исследования проводили на ага-ризованной среде МПА (мясопептонный агар) при 29°С и относительной влажности 90±5%. Последующий рост микроорганизмов оценивали на образцах по шестибалльной системе (табл. 2).
От значений потенциала ионизации и сродства к электрону молекулы зависят проявляемые свойства реагента [8]. Данная зависимость представляет собой функцию взаимосвязи антимикробной активности от значений энергий высшей занятой и низшей свободной орбиталей и представлена уравнением (1):
АМА = a + bxf + cx^ - dxfx^ + const (1)
ЮОГОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Таблица 2
Значения антимикробной активности хлорпроизводных тетрагидрофурана (1-8)
Соединение Степень Зона угнетения микроорганизмов
разведения Смесь бактерий Смесь грибов
1 1:100 1:200 1:400 1:800 1,4-1,6 1,0-1,2 0,8-1,0 ++ 2,4-2,6 2,0-2,2 1,6-1,8 1,4-1,6
2 1:100 1:200 1:400 1:800 1,4-1,6 1,0-1,0 0,8-1,0 ++ 2,0-2,2 1,6-1,6 1,2-1,2 ++
3 1:100 1:200 1:400 1:800 2,0-2,2 1,8-2,0 1,6-1,8 1,6-1,6 2,6-2,8 2,2-2,4 1,6-1,6 1,4-1,4
4 1:100 1:200 1:400 1:800 2,0-2,2 1,4-1,6 1,2-1,4 1,2-1,2 2,0-2,2 1,6-1,6 1,2-1,2 1,2-1,2
5 1:100 1:200 1:400 1:800 2,6-2,8 2,4-2,6 1,9-2,0 1,8-2,0 3,2-3,2 3,0-3,0 2,0-2,2 1,8-1,9
6 1:100 1:200 1:400 1:800 2,0-2,2 1,8-2,0 1,6-1,8 1,4-1,6 2,4-2,6 2,0-2,2 1,4-1,6 1,4-1,4
7 1:100 1:200 1:400 1:800 2,0-2,2 1,6-1,8 1,4-1,6 1,4-1,4 2,4-2,6 1,8-2,0 1,6-1,8 1,4-1,6
8 1:100 1:200 1:400 1:800 2,4-2,4 2,4-2,6 1,8-2,0 1,6-1,8 3,0-3,0 2,4-2,8 1,8-2,0 1,6-1,8
Контроль 1:100 + + + +
+ + — сплошной рост бактерий.
где АМА — зона подавления роста микроорганизмов (антимикробная активность); x1 — энергия высшей занятой молекулярной орбита-ли (ВЗМО), X2 — энергия нижней свободной молекулярной орбитали (НСМО).
Используя данные из табл. 1 и 2, методом множественной регрессии были определены коэффициенты для уравнения (1): a, Ь, с, d. Выведенные уравнения для предсказания антимикробной активности у хлорпроизводных тетрагидрофурана имеют следующие виды (2 — для бактерий, 3 — для грибов):
АМА = -0,00000383x7 + 5,33x1 + 0,863х1х2. (2) АМА = -0,85х1+ 2,913х2+ 0,702х1х2 -3,31 . (3)
Исходя из полученных уравнений, построены трехмерные графики функций (соединения 2, 3) (рис. 2).
Как видно из выведенных уравнений, с возрастанием значения энергии НСМО биологическая активность соединения возрастает (знак перед коэффициентом х2). Полученная модель позволяет спрогнозировать зону угнетения для соединений представленного класса гидрокси-производных фурана. Например, если х1 = -6,85; х2 = 0,237; то для бактерий Y = 2,07 см, а для грибов Y = 1,61 см.
Таким образом, методом ТПЭ получена математическая модель проявления антимикробной активности хлорпроизводных тетрагидрофура-на, с помощью которой можно предсказать возможную зону биопоражения [9-12], зная значения граничных орбиталей, и в дальнейшем определить оптимальные пути её протекания. Установлено, что хлорпроизводные тетрагидрофурана проявляют высокую биологическую активность и могут применяться в качестве бактерицидных и фунги-цидных препаратов в нефтепромысловой химии.
Рис. 2. Графики зависимостей бактерицидных = 0,996) (1) и фунгицидных = 0,94) (2) свойств от значений энергий граничных орбиталей (2, 3)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мовсумзаде Э.М., Гатами И.Г., Байрамов А.Х. Производные хлортетрагидрофурана - ингибиторы коррозии алюминиевого сплава Д16Т. // Азерб. нефт. хоз. — 1982. — № 9. — С. 50-52.
2. Кобраков И.К., Дюмаева И.В., Мовсумзаде Э.М. Тет-рагидрофурановые производные (синтезы и свойства) // Известия высших учебных заведений: Химия и химическая технология. — 2007. — Том 50. — Вып. 12. — С. 3-9.
3. Мовсумзаде Э.М. Синтез и реакции хлорпроизводных нитрилов // Успехи химии. — 1979. — Т. 48. — С. 520-532.
4. Мовсумзаде Э.М., Алиев С.Г., Гатами И.Г., Алиев Г.Р. Взаимодействие 2,3-дихлортетрагидрофурана с глици-диловыми эфирами диолов // ЖОрХ. — 1990. — Т. 26. — С. 1335-1339.
5. Гатами И.Г. Синтез и превращения непредельных производных хлортетрагидрофурана. Дис. на соиск. уч. ст. канд. хим. наук. Баку, 1984. — 139 с.
6. Логинова М.Е., Мовсумзаде Э.М., Фаттахов М.М., Ахтямов Э.К., Четвертнев С.С. Развитие теорий подобия для физико-химических процессов //История и педагогика естествознания. — 2022. — № 4. — С. 39-42. D0I:10.24412/2226-2296-2022-4-39-42.
7. Колчина Г.Ю., Бахтина А.Ю., Мухаметзянов И.З., Мовсумзаде Э.М. Квантово-химические расчеты гетероциклических систем в нефтехимии. М.: ОБРАКАДЕМНАУКА, 2020. — 106 с.
8. Колчина Г.Ю. Закономерности «структура-свойство» для анализа функциональных свойств S,N,O-гетеро-органических систем. / Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. ФГБОУ ВО «Уфимский государственный нефтяной технический университет». — 2023. — 318 с.
9. Логинова М.Е., Четвертнева ИА., Колчина Г.Ю., Мовсумзаде Э.М., Тивас Н.С. Синтез и свойства производных фурана из пентозансодержащей фракции нейтральных лигносульфонатов // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. — 2024. — Т. 67. — № 3. — С. 94-102.
10. Loginova M.E., Kolchina G.Yu., Babaev E.R., Movsumzade E.M. Reactivity of bis[n-a-methylbenzyl-m-methyl-2-hydroxyphenyl]disulfides and selenides // Российский химический журнал. — 2023. — Т. 67. — № 3. — С. 51-56.
11. Логинова М.Е., Колчина Г.Ю., Бабаев Э.Р., Каримов О.Х., Мовсумзаде Э.М. Использование математического моделирования для оценки антиокислительной активности S-, Se-содержащих пространственно затрудненных фенолов // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. — 2024. — Т. 67. — № 1. — С. 89-96.
12. Мовсумзаде Э.М., Колчина Г.Ю., Гусейнова С.Н., Каримов Э.Х., Бахтина А.Ю., Логинова М.Е., Колчин А.В. Взаимосвязь биологической активности и расчетных параметров нитрилсиланов и нитрилсилоксанов // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. — 2023. — Т. 66. — № 5. — С. 120-127.
информация об авторах/information about the authors
Логинова Марианна Евгеньевна, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры «Бурение нефтяных и газовых скважин» ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет (450062, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1). Россия.
ORCID: http://orcid.org/0000-0001-7077-8705.
E-mail: [email protected]
Колчина Галина Юрьевна, д.х.н., Стерлитамакский филиал Башкирского государственного университета, Стерлитамак, Россия.
ORCID: http://orcid.org/0000-0003-2808-4827.
E-mail: [email protected]
Мовсумзаде Эльдар Мирсамедович, д.х.н., проф., чл.-корр. РАО, советник ректора, Уфимский государственный нефтяной технический университет, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство), Россия.
ORCID: http://orcid.org/ 0000-0002-7267-1351.
E-mail: [email protected]
Loginova Marianna E., Cand.Sci.(Phys. and Math.), Ufa State Petroleum Technological University, Faculty of Mining and Petroleum, docent at the Department of Oil and Gas Well Drilling (450062, Ufa, Cosmonavtov street, bld. 1). Russia.
ORCID: http://orcid.org/0000-0001-7077-8705.
E-mail: [email protected]
Kolchina Galina Yu., Dr. Sci. (Tech.), Sterlitamak branch of the Bashkir State University, Sterlitamak, Russia.
ORCID: http://orcid.org/0000-0003-2808-4827.
E-mail: [email protected]
Movsumzade Eldar M., Corresponding Member Russian Academy of education, Dr. Sci. (Chem.), Prof., Adviser to the Rector, Ufa State Petroleum Technological University, Kosygin Russian State University (Technology. Design. Art), Russia.
ORCID: http://orcid.org/ 0000-0002-7267-1351.
E-mail: [email protected]
