CC BY
3
СТАТЬИ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ И КВАНТОВАЯ ХИМИЯ
DOI - 10.32 743/UniChem.2024.115.1.16555
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ СИНТЕЗА ПУТЕМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СИНТЕЗА МЭЭ-1
Махсумов Абдухамид Гафурович
д-р хим. наук, проф., кафедра "Химическая технология переработки нефти ", Ташкентский химико-технологический институт, Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: maxsumovag@bk. ru
Мухиддинов Баходир Фахриддинович
д-р хим. наук, проф., кафедра "Химическая технология", Навоийский государственный горно-технологический университет,
Республика Узбекистан, г. Навои
Машаев Элдор Эргашвой угли
докторант, ст. преп., кафедра "Химическая технология переработки нефти", Ташкентский химико-технологический институт, Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: eldor. [email protected]
Исмаилов Бобурбек Махмуджанович
д-р филос. в обл. техн. наук, PhD, кафедра "Химическая технология переработки газа", Ташкентский химико-технологический институт, Республика Узбекистан, г. Ташкент E-mail: [email protected]
Хакимова Гузал Рахматовна
ст. преподаватель кафедры «Общая химия» Ташкентского химико-технологического института, Республика Узбекистан, г. Ташкент
DETERMINATION OF OPTIMAL SYNTHESIS CONDITIONS BY MATHEMATICAL
MODELING OF SYNTHESIS MEE-1
Abduhamid Makhsumov
Doctor of Chemical Sciences, professor of the department of Chemical technology of Oil refining, Tashkent Institute of Chemical Technology, Republic of Uzbekistan, Tashkent
Библиографическое описание: ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ СИНТЕЗА ПУТЕМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ СИНТЕЗА МЭЭ-1 // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. Махсумов А.Г. [и др.]. 2023. 1(115). URL: https://7universum. com/ru/nature/archive/item/16555
Bakhodir Mukhiddinov
Doctor of Chemical Sciences, professor of the department of Chemical technology, Navoi State Mining and Technology University, Republic of Uzbekistan, Navoi
Eldor Mashaev
PhD student, senior lecturer, Department of Chemical Technology of Oil Refining, Tashkent Institute of Chemical Technology, Republic of Uzbekistan, Tashkent
Boburbek Ismailov
Doctor of Philosophy in Technical Sciences, PhD, department of Chemical technology of gas refining, Tashkent Institute of Chemical Technology, Republic of Uzbekistan, Tashkent
Guzal Khakimova
Senior teacher of the department of General Chemistry, Tashkent Institute of Chemical Technology, Republic of Uzbekistan, Tashkent
АННОТАЦИЯ
В данной статье с целью дальнейшей оптимизации процесса синтеза вещества ^№-гексаметилен-бис-[(о-крезо-лило)-карбамата] т.е. МЭЭ-1 были проведены математические расчеты путем объединения двух программ как Maple 2023.0 и MATLAB R2021A. В результате определены оптимальные требования, необходимые для реакции, включая температуру, время, скорость реакции и условия оптимального выхода. Также было выявлено, что, МЭЭ-1 и его производные получаются с наибольшим выходом при проведении реакции в диметилформамидном растворителе при температуре 35-40 °С и в течение 4-6 часов времени.
ABSTRACT
In this article, in order to further optimize the process of synthesis of the substance N,N'-hexamethylene-bis-[(o-cresolyl)-carbamate], i.e. MEE-1 mathematical calculations were carried out by combining two programs like Maple 2023.0 and MATLAB R2021A. In doing so, the optimal conditions required for the reaction, including temperature, time, reaction rate, and conditions for optimal yield are determined. As a result, it is revealed that MEE-1 and its derivatives are obtained with the highest yield when the reaction is carried out in a dimethylformamide solvent at a temperature of 35-40 °C and for 4-6 hours.
Ключевые слова: бис-карбамат, синтез, реакция, скорость, выход продукта, математическое моделирование, отимизация, наименьшие квадраты, алгоритм.
Keywords: bis-carbamate, synthesis, reaction, rate, product yield, mathematical modeling, optimization, least squares, algorithm.
Введение. В настоящее время понятия «Компьютерная химия» или «Математическая химия» быстро развиваются. В компьютерной химии вещества (молекулы) моделируются по молекулярным графам, с формальными операциями по изменению веществ (химическими реакциями). В химии такой подход существенно упрощает алгоритмизацию химических задач, сводит их к типичным задачам комбинаторики и дискретной математики, позволяет искать решения с помощью компьютерных программ [3; 7; 8; 11]. Авторами данной работы были синтезированы более трех бис-карбаматов, а также, более пятнадцати их производных [2; 4; 5; 6; 9; 10]. Но им предстоит получить ещё больше производных. В связи с этим, авторы с помощью программ как Maple 2023.0 и MATLAB R2021A, провели математические расчеты ^№-гексаметилен-бис-[(о-крезолило)-карбамата]
т.е. МЭЭ-1, чтобы сократить количество реакций, найти оптимальные условия синтеза, получить продукты с высокой эффективностью и тем самым добиться экономической эффективности.
Материалы и методы исследования. Для проведения исследования мы использовали программы Maple 2023.0 и MATLAB R2021A. На основе процесса синтеза МЭЭ-1 и результатов эксперимента было проведено математическое моделирование в программе Maple 2023.0 методом наименьших квадратов f(x, а1, а2,..., ак). С помощью компонента Curve fitting tool программы MATLAB R2021A исследована зависимость выхода реакции от времени и температуры.
Результаты исследования и их обсуждение. Как
упоминалось выше, мы использовали программы Maple 2023.0 и MATLAB R2021A, чтобы сократить количество реакций, найти оптимальные условия синтеза, получить продукты с высокой эффективностью и тем самым добиться экономической эффективности [10]. На основе процесса синтеза МЭЭ-1 и результатов эксперимента было проведено математическое моделирование в программе Maple 2023.0 методом наименьших квадратов f(x,a1,a2,... ,ак) и построены следующие зависимости [1; 2]. Смещения квадратов результата у= f(x,a1,a2,... ,ак) в размере единицы должны быть меньше смещений в Yi = f(x,ai,a2,...,ak).
Поскольку теоретическая часть математического моделирования занимает много места, была отведена расчетная часть. На основе приведенной выше
системы были рассчитаны параметры зависимости Y = а1 + а2х + а3х2 + —+ ак+1хк.
t25e1 [1] t25e1 [2] t25e1 [3] t25e1 [4]
= 1
= 2 = 4 = 6
y25e1 [1] y25e1 [2] y25e1 [3] y25e1 [4]
= 45.6 = 61.6 = 71.5 = 72.4
Здесь; 125е1- время, у25е1 - производительность.
Математические расчеты проведены на основании результатов таблицы 1, с учетом того, что продолжительность реакции образования МЭЭ-1 в присутствии крезолов и гексаметилендиизоцианата 1-6 часов с высоким выходом.
Таблица 1.
Влияние природы растворителей и продолжительности реакции на выход МЭЭ-1
№ Температура °С Выход продукта, %
Растворитель ДМФА Растворитель ДМСО
Продолжительность реакции, 1 час
1. 25 45,6 41,8
2. 35 58,5 52,4
3. 40 61,3 58,7
4. 45 53,7 49,9
Продолжительность реакции, 2 часа
1. 25 61,6 57,7
2. 35 73,2 69,9
3. 40 80,1 75,8
4. 45 72,3 66,4
Продолжительность реакции, 4 часа
1. 25 71,5 66,8
2. 35 90,1 84,7
3. 40 97,6 89,9
4. 45 83,4 75,2
Продолжительность реакции, 6 часов
1. 25 72,4 67,5
2. 35 91,7 86,3
3. 40 98,3 90,1
4. 45 84,6 79,2
При синтезе МЭЭ-1 результаты зависимости Здесь: ^ - продолжительность реакции, щ -
продолжительности реакции и выхода продукта выход МЭЭ-1.
обрабатывали следующим образом: ^ - 2, 4, 6, 7; и^ - После введенных значений генерируются
45.6, 61.6, 71.5, 72.4. следующие уравнения:
4
S(a1,a2, ...,ак) = - Ut]2 = "^[щ - f(ti,a1,a2,a3,a.4)]2 ^ min
i=1 i=1
f{th 0.1,0.2,0.3,0.4) = Ol+ Ü2ti + a3ti2 + 04ti3
Выполним расчет приведенной выше системы линейных уравнений (А, В, С) матричным методом.
A25e1:=Matrix([[sum(t25e1[i]6, i=1..4), sum(t25e1[i]5, i=1..4), sum(t25e1[i]4, i=1..4), sum(t25e1[i]3, i=1..4)], [sum(t25e1[i]5, i=1..4), sum(t25e1[i]4, i=1..4), sum(t25e1[i]3, i=1..4), sum(t25e1[i]2, i=1..4)], [sum(t25e1[i]4, i=1..4), sum(t25e1[i]3, i=1..4), sum(t25e1[i]2, i=1..4), sum(t25e1[i], i=1..4)], [sum(t25e1[i]3, i=1..4), sum(t25e1[i]2, i=1..4), sum(t25e1[i], i=1..4),4]])
4
А25&1 :=
50817 8833 1569 289
8833 1569 289 57
1569 289 57 13
289 57 13 4
Находится А* С = В:
В25е1:=МаМх([^ит(у25е1[ф ^25е1[^3)Л=1..4)],^ит(у25е1[ф ^25е1[^2), i = 1.. 4)], ^т(у25е1[ф25е1р], i = 1.. 4)], [sum(y25e1[i], i = 1 .. 4)]])
С := Ма1пх([[а], [Ь], [с], [а]]) C25e1 :=A25e1-1 • В25е1 позволяет найти значение матрицы С по формуле:
С25е1 : =
0.511666666666867 -7.26500000000121 34.2133333335339 18.1399999999978
рШ(С25е1[1][1] • ^ + С25е1[2][1] • ^ + С25е1[3][1] • t + С25е1[4][1], t = 1 .. 6) plot([[t25e1[1], y25e1[1]], [t25e1[2], y25e1[2]], [t25e1[3], y25e1[3]], [t25e1[4], y25e1[4]]])
1 : \ + ? 6
(а) график математического моделирования
Рисунок 1.
Вышеуказанные этапы были рассчитаны на 1-6 часов, температура 25-45 °С, растворители ДМФА и ДМСО для влияния на выход продукта. Остальные значения не вошли в модельную часть
12 3 + 5 6
(б) график результатов эксперимента ки выхода
этих расчетов из-за их большого размера. Математические уравнения для растворителей ДМФА и ДМСО были рассчитаны путем анализа изменения выхода реакции с течением времени.
plot([t3•C25e1[1][1]+^С25е1[2][1]+^С25е1[3][1]+С25е1[4][1],^С35е1[1][1]+t2•C35e1[2][1]+^С35е1[3][1 ]+C35e1[4][1]Л3С40е1[1][1]+^С40е1[2][1]+РС40е1[3][1]+С40е1[4][1]/С45е1[1][1]+^С45е1[2][1 ]+РС45е1 [3][1]+C45e1[4][1]], t = 1.. 6)
plot([t3•C25e2[1][1]+^С25е2[2][1]+РС25е2[3][1]+С25е2[4][1],?С35е2[1][1]+^С35е2[2][1]+РС35е2[3][1 ]+C35e2[4][1]Л3С40е2[1][1]+t2•C40e2[2][1]+РС40е2[3][1]+С40е2[4][1]Л3С45е2[1][1]+t2•C45e2[2][1 ]+РС45е2 [3][1]+ C45e2[4][1]], t = 1.. 6)
Выше мы привели уравнение для наиболее оптимальной ситуации по условиям реакции.
(а) График для ДМФА (б) График для DMСО
Рисунок 2. Обобщенные графики для всех температур
В результате вышеописанных действий были определены скорости реакций для растворителей ДМФА и ДМСО (см. табл. 2).
Таблица 2.
Влияние температуры, продолжительности и скорости реакции на выход МЭЭ-1
№ Температура °С Выход продукта,% Скорость реакции,%/час
Растворитель ДМФА Растворитель ДМСО Растворитель ДМФА Растворитель ДМСО
Продолжительность реакции, 1 час
1. 25 45,6 41,8 21.218 21.323
2. 35 58,5 52,4 16.885 21.896
3. 40 61,3 58,7 22.900 21.417
4. 45 53,7 49,9 24.817 22.593
Продолжительность реакции, 2 часа
1. 25 61,6 57,7 11.293 11.023
2. 35 73,2 69,9 12.548 13.446
3. 40 80,1 75,8 14.950 13.105
4. 45 72,3 66,4 13.005 11.093
Продолжительность реакции, 4 часа
1. 25 71,5 66,8 0.653 0.263
2. 35 90,1 84,7 4.488 2.726
3. 40 97,6 89,9 3.550 2.285
4. 45 83,4 75,2 0.585 0.453
Продолжительность реакции, 6 часов
1. 25 72,4 67,5 2.293 2.623
2. 35 91,7 86,3 -2.751 0.246
3. 40 98,3 90,1 -1.849 -0.794
4. 45 84,6 79,2 3.105 6.293
С помощью компонента Curve fitting tool программы MATLAB R2021A исследована зависимость выхода реакции от времени и температуры. На основании полученных результатов дано математическое выражение зависимости для растворителей ДМФА и ДМСО раздельно.
Для определения зависимости выхода МЭЭ-1 от времени и температуры при проведении реакции в растворителе ДМФА были последовательно проведены следующие математические операции (см. табл. 3).
Таблица 3.
Математические операции зависимости выхода МЭЭ-1 от времени и температуры
при проведении реакции в ДМФА
Линейная модель Poly 33: Коэффициенты (с доверительной границей 95 %): Степень соответствия:
f(x,y) = p00 + p10*x + p01*y + p20*xA2 + p11*x*y + p02*yA2 + p30*xA3 + p21*xA2*y + p12*x*yA2 +p03*yA3 p00= 569.4 (264, 874.9) p10= -51.68 (-78.73, -24.63) p01= 7.709 (-15.21, 30.63) p20= 1.58 (0.8021, 2.359) p11= 1.239 (0.3033, 2.174) p02= -5.119 (-9.305, -0.9319) p30= -0.01556 (-0.02287, -0.008256) p21= -0.01496 (-0.02723, -0.002679) p12= -0.02058 (-0.07497, 0.03382) p03 = 0.3559 (0.00846, 0.7033) SSE: 17.5 R - квадрат: 0.9953 Скорректированный R - квадрат: 0.9883 RMSE: 1.708
Математическое представление уравнения времени реакции и температурной зависимости выхода продукта реакции при проведении реакции в растворителе ДМФА:
f(T,t) = 569.4 - 51.68-T + 7.7091 + 1.58-T2 + 1.239-T-t - 5.119 t2 - 0.01556Т3 - 0.01496-T4 -0.02058-T-t2 + 0.355913
(а) 3D-график для ДМФА
(б) Контурный график для ДМФА
Рисунок 3. Иконограммы времени реакции и температурной зависимости выхода продукта образования в ДМФА
Для определения зависимости от времени и температуры выхода МЭЭ-1 при проведении реакции в растворителе ДМСО были проведены выше
представленные математические операции в таблице 3. В результате получены следующие значения (см. рис. 4).
(а) 3D-график для ДМСО
(б) Контурный график для ДМСО
Рисунок 4. Иконограммы времени реакции и температурной зависимости выхода продукта образования в ДМСО
Заключение. Выявлено, что результаты, полученные при объединении двух математических программ поиска и изучения оптимальных условий синтеза МЭЭ-1, полностью соответствуют результатам изучения процесса синтеза в лаборатории.
Установлено, что МЭЭ-1 и его производные получаются с наибольшим выходом при проведении в растворителе ДМФА при температуре 35-40 °С и в течение 4-6 часов.
Список литературы:
1. Абдуллаев Д.У. [и др.]. Математическое моделирование процесса синтеза изо-бутанола // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. - 2021. -2(80). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/11203 (дата обращения: 10.12.2023).
2. Блинов А.О. Приложение метода наименьших квадратов к задачам моделирования и оптимизации // Вестник российских университетов. Математика. - 2007. - №4. - С. 412-414.
3. Клопман Г. Реакционная способность и пути реакций. - М.: Мир, 1977. - 341 с.
4. Махсумов А.Г., Абдукаримова С.А., Машаев Э.Э., Азаматов У.Р. Синтез и свойства производного -^№-гексаметилен бис- [(орто-крезолило)-карбамата] и его применение // Universum: химия и биология. 2020. № 10 (76). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/10783 (дата обращения: 10.12.2023).
5. Махсумов А.Г., Жагфаров Ф.Г., Арипджанов О.Ю., Азаматов У.Р. Синтез и свойства производных мета-кре-золило-карбаматов, их биологическая активность // НефтеГазоХимия. - 2022. - №3.
6. Махсумов А.Г., Машаев Э.Э., Холбоев Ю.Х., Уразов Ф.Б., Зохиджонов С.А. ^№-гексаметилен бис [(м-крезо-лило) -карбамат] и его физико-химические свойства // Life Sciences and Agriculture. - 2022. - № 1 (9).
7. Нейланд О.Я. Органическая химия : учебник. - М.: Высшая школа, 1990. - 751 с.
8. Karimov K., Turahodjaev N., Akhmedov A., Tashbulatov Sh. A mathematical model of the technology of extraction of copper from industrial slag // E3S Web of Conferences. 2021. - Vol. 264. - 04077. doi: 10.1051/e3sconf/202126404077.
9. Mashayev E., Ismailov B., Ergashev J., Omonov Sh., Makhsumov A. Research of N,N'-hexamethylene bis-[(o-cresolyl)-carbamate] in international chemicals databases // International bulletin of applied science and technology -2023. - Vol. 11 (3) - P. 397-401). https://doi.org/10.5281/zenodo.10209951
10. Shu Y, McCauley J. GISAID: Global initiative on sharing all influenza data-from vision to reality // Eurosurveillance. -2017. - Vol. 22. Р. 30494. doi: 10.2807/1560-7917.ES.2017.22.13.30494.
11. Sutoris V., Sunak J., Cipinova H. Получение этиниловых эфиров и карбаматов и изучение их пестицидного действия // Chemistry vesti. - 1969. - № 11 (23). - С. 47-48.
