有机缓蚀剂的QSAR研究

摘 要本文以量子化学理论为基础，利用半经验算法（VAMP）中的AM1方法，计算了20种苯并咪唑类缓蚀剂的6种量子化学参数，取其中的16种缓蚀剂分子作为样本集对缓蚀剂效率进行单变量和多变量分析，得到最佳方程。应用所建立的QSAR模型验证了苯并咪唑类缓蚀剂的缓蚀效率值，并通过逐一抽取法进行模型检验，验证了该模型具有良好的稳定性。经过4个预测集缓蚀剂分子对该模型的预测能力进行验证，结果表明该模型具有良好的预测能力。关键词：量化参数；缓蚀性能；半经验方法；预测能力 ABSTRACTIn this paper, based on the theory of quantum chemistry, using semi-empirical (VAMP) of the AM1 method in calculating the 20 kinds of benzimidazole inhibitor of the six kinds of quantum chemistry parameters, from which 16 kinds of corrosion agent as a sample set of molecular efficiency of corrosion inhibitors univariate and multivariate analysis, the best equation. Application of QSAR model built Benzimidazole verified the corrosion inhibitor efficiency values, and through them one by one extraction method for model checking, verification of the model has a good stability. After four sets inhibitor molecules predict the predictive capability of the model to verify the results show that the model has good predictive capability.Keywords: quantum chemistry parameter；corrosion performance；semi-empirical method；predictive capability目 录第一章 前 言11. 缓蚀剂概述11.1 缓蚀剂的定义11.2 缓蚀剂的发展历史21.3 缓蚀剂的分类方法41.4 缓蚀剂作用机理52. 缓蚀剂构效关系研究意义63. 研究现状6第二章 理论基础和计算方法81. 量子化学81.1 半经验方法82. 定量构效关系(QSAR)92.1 建模方法102.1.1 多元线性回归法102.1.2 定量构效关系的研究程序11第三章 苯并咪唑类缓蚀剂量化参数计算121. 软件及其QSAR模块使用简介121.1 Material Studio软件简介121.2 QSAR模块简介121.3 定量构效关系研究的一般步骤132. 所选用的缓蚀剂分子结构133. 计算方法144. 计算结果154.1 缓蚀剂分子的优化结构154.2 量子化学参量与全局参数184.3 量子化学参量与全局参数计算结果19第四章 苯并咪唑类缓蚀剂定量构效关系分析221. 结构与性能关系的单变量分析221.1 最高占用分子轨道能量EHOMO与缓蚀效率Eexp的关系221.2 最低分子空余轨道能量ELUMO与缓蚀效率Eexp的关系221.3 分子偶极矩与缓蚀效率Eexp的关系241.4 化学势u与缓蚀效率Eexp的关系241.5 硬度、软度S与缓蚀效率Eexp的关系251.6 亲电指数与缓蚀效率Eexp的关系261.7 缓蚀剂分子总负电荷TNC与缓蚀效率Eexp的关系272. 缓蚀性能预测的QSAR模型282.1量子化学参数的确定和模型的建立282.2模型检验292.3模型预测能力的检验31第五章 结 论33致 谢33参考文献35前言第一章 前言腐蚀是困扰世界工业发展的一个极为突出的问题。美国标准局（NBS）调查表明，美国1975年各种腐蚀损失为700亿美元，1989年损失为2000亿美元，而1995年损失达3000亿美元；澳大利亚、英国、日本和其他发达国家的腐蚀损失约占国民经济净产值的3-4%；据我国1995年统计，因腐蚀造成的经济损失高达1500亿元人民币，约占国民生产总值的4%。因此，做好腐蚀防护工作关系到节约资源、保护环境、保证正常生产和人身安全等一系列重大的社会问题和经济问题。在大量的实践中，人们根据被腐蚀材质的特点及腐蚀介质的不同，发现了许多实用而有效的防腐方法，对于流体而言，采用缓蚀剂进行防腐处理一直倍受关注。通过在腐蚀环境中加入少量缓蚀剂，使其和金属表面发生物理化学作用，从而显著改变金属表面的特性以达到减缓腐蚀的目的。由于缓蚀剂在使用过程中无须专门设备，无须改变金属构件的性质，因而具有经济、适应性强等优点。目前被广泛应用在化工、石油、电力、机械、金属加工、交通运输、核能及航天等领域中, 起着极其重要的作用。1. 缓蚀剂概述1.1 缓蚀剂的定义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。具有操作简单、见效快和能保护整个系统的优点。采用缓蚀剂后由于缓蚀效果突出，常常可以用廉价金属材料代替昂贵的耐腐蚀金属材料，在一定程度上节约了资源，减少了投资成本。缓蚀剂对环境具有较高的选择性，不同的介质有不同的缓蚀剂，即使在同一介质中，如果操作条件不同(如温度、浓度、流速等)，所用的缓蚀剂1也会不同。在工业上使用的缓蚀剂通常是复合配方，即由两种或多种缓蚀剂复合组成，其组分之间具有协同作用。1.2 缓蚀剂的发展历史世界上第一个缓蚀剂专利，公认是英国1860年Baldwin的专利(B.P-23701860)。这份专利提供的缓蚀剂组成是糖浆与植物油的混合物。19世纪70年代用糠、骨胶、明胶、糊精等作为酸洗缓蚀剂。早期使用的酸性介质缓蚀剂较多使用动植物原料及其加工产品。美国石油开发公司于1885年曾提出油井酸化技术增产原油的构想，并于1895年在一批油井中实施了盐酸酸化采油技术。然而，由于盐酸对油井设备的严重腐蚀使得这项技术被迫暂停使用，未能实现工业化。直到20世纪30年代前后，油井酸化缓蚀剂问世以后，酸化采油技术才得以应用。20世纪初，缓蚀剂的研究和应用开始活跃起来。缓蚀剂的有效组分逐渐从天然植物转向矿物原料加工产品(如煤焦油)，从而使缓蚀剂的品种有了进一步增加。20世纪30年代，各国科技人员注意了有机缓蚀剂的开发研究，并开始从煤焦油中分离含氮、硫、氧有机化合物的试验，并论证作为工业缓蚀剂的可能性。1923年，美国的Chemical& Paint Co.成功地开发了以硫脲为主要组分的Rodine系列缓蚀剂，同一时期，美国的Dow Chem Co.选用了无机化合物砷酸作为盐酸酸化缓蚀剂，也获得成功。美国海湾石油公司于1932年，将Rodine-2用于油井盐酸酸化工艺中，解决了油井设备腐蚀的难题之后，酸化工艺迅速在采油工业中推广开来。人工合成有机缓蚀剂获得成功，被认为是缓蚀剂技术的一次重大突破，与此同时，无机缓蚀剂在海水、工业用水等中性介质中，也表现出优异的缓蚀性能。随着缓蚀剂的应用，有关缓蚀剂的缓蚀机理问题，也逐渐为人们所重视。Mann.C.A.于20世纪30年代在几篇论文中对此作了重要的论述，认为：含氮、硫、氧有机化合物在酸性溶液中于金属表面上的成膜过程属于物理吸附。Hackerman. N在第一届欧洲缓蚀剂会议(1961)上宣读了关于“软硬酸碱(HSAB) 原则”的论文，对缓蚀剂分子设计、筛选和应用有重要意义，引起与会各国代表的重视和兴趣。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，取得了卓有成效的进展，推动了缓蚀剂理论发展。我国缓蚀剂研究始于1953年，而缓蚀剂的开发工作在20世纪70年代末到80年代中期进展较快，涌现出大批研究单位，开发了许多新的缓蚀剂品种。据不完全统计，仅酸洗缓蚀剂就有两百余种，有四项成果获国家科技发明奖:兰州化工机械研究院：兰5、兰826；华中理工大学：7701复合缓蚀剂；四川天然气研究所：川天1-2缓蚀剂。我国缓蚀剂的研究和应用取得了很多成果，某些产品性能达到国际先进水平。在注重开发和应用技术的同时，还注意加强缓蚀剂机理和测试方法的研究，由于理论研究的深入，也促进了缓蚀剂新产品的开发。从化工、医药副产物下脚料和植物、水生植物中提取缓蚀剂，是我国缓蚀剂研究的又一个特点。随着可持续性发展战略已成为世界各国的共识，缓蚀剂的开发和运用越来越重视环境保护的要求，今后缓蚀剂的研究向高效、低毒或无毒的产品方向发展。目前研究开发的环境友好缓蚀剂主要包括由聚胺制成的酰胺、咪唑啉及聚酰胺等化合物2、应用于中性水介质的脂肪族取代羧酸以及在自然环境中能够全部分解的氨基酸类化合物7。1981年，中国腐蚀和防护学会缓蚀剂专业委员会成立，到目前为止，先后召开过11届全国缓蚀剂学术会议，共交流学术论文800余篇，对提高我国这一领域的学术水平和应用技术，起到了积极的推动作用。近年来，分子模拟和量子化学方法在缓蚀剂理论研究中体现出巨大的优势，并逐渐成为该领域理论研究的重要手段。Singh8提出采用化学计算确定缓蚀剂分子的结构特征，然后运用QSAR关系模型筛选出所需要的环境友好缓蚀剂。随着工业和科学技术的进步,缓蚀剂技术也得到了发展，缓蚀剂的实验研究,使人们对缓蚀剂性能和缓蚀机理有了一定的认识；各种现代检测技术的发展，如电子自旋共振技术、扫描隧道显微镜技术、表面化增强激光拉曼光谱等,为科学工作者合成、评价新的缓蚀剂提供了可靠的研究手段；计算机硬件水平的提高和计算方法的进步，使量子化学方法和分子模拟技术逐步成为进行缓蚀机理研究和缓蚀剂分子设计的重要工具。将实验、理论和现代检测技术相结合，扬长避短，深入研究缓蚀剂的缓蚀机理，设计开发经济、高效和环保型缓蚀剂，将会巨大促进缓蚀剂科技的进步，也是未来缓蚀剂研究的发展趋势。1.3 缓蚀剂的分类方法缓蚀剂的应用广泛，种类繁多，分类方法也较多。人们常常从不同的角度对缓蚀剂进行分类，常见的分类方法有：(1)根据化学组成分类：按照构成缓蚀剂的物质是无机化合物还是有机化合物可分为无机缓蚀剂和有机缓蚀剂。(2)根据所抑制的电极过程分类：按照缓蚀剂在电化学腐蚀过程中抑制的电极反应是阳极反应还是阴极反应或两者兼有之，Evans把缓蚀剂分为阳极型缓蚀剂、阴极型缓蚀剂和混合型缓蚀剂。一般来说，阳极型缓蚀剂使金属的腐蚀电位Ec向正的方向移动，阴极型缓蚀剂使金属的腐蚀电位Ec向负的方向移动，混合型缓蚀剂则对腐蚀电位Ec的影响较小，故腐蚀电位的移动很小或没有移动。(3)根据所生成保护膜的类型分类9-10：按照缓蚀剂在保护金属过程中所形成的保护膜的类型，缓蚀剂可以分为钝化膜型缓蚀剂、沉淀膜型缓蚀剂和吸附膜型缓蚀剂。其中沉淀膜缓蚀剂又分为水中离子型和金属离子型两种。钝化膜型缓蚀剂能使金属表面形成致密、附着力强的钝化膜(图1-a)，所形成的钝化膜一般较薄，这类缓蚀剂用量不足会加速局部腐蚀。水中离子型缓蚀剂能与介质中的有关离子反应并在金属表面形成防腐的沉淀膜(图1-b)，其所形成的沉淀膜一般较厚，且多孔，与金属结合不太紧密。金属离子型缓蚀剂能与金属腐蚀产物反应并在金属表面形成防腐蚀的沉淀膜(图1-c)，其所形成的沉淀膜厚度介于钝化膜和水中离子型沉淀膜之间，其致密度及附着力也介于两者之间。吸附膜型缓蚀剂能吸附在金属表面，改变金属表面性质，从而防止腐蚀(图1-d)。为了能形成良好的吸附膜，金属必须有洁净的表面。(a) (b) (c) (d)1.4 缓蚀剂作用机理对于缓蚀理论来说，成膜观点、吸附机制和酸碱理论都用于解释缓蚀剂在金属界面的作用7,8。成膜理论的要点在于金属与介质两相之间，由于缓蚀剂的作用而存在界面膜的独立相。上面已经介绍，通常根据保护膜的性质将缓蚀剂膜分为:氧化膜型、沉淀膜型和吸附膜型。吸附膜理论认为，某些缓蚀剂通过其分子或离子在金属表面的物理吸附或化学吸附形成吸附保护膜而抑制介质对金属的腐蚀11。有的缓蚀剂分子或离子与金属表面由于静电引力和分子间作用力而发生物理吸附。另一些缓蚀剂可以与金属表面形成配位键而发生化学吸附。缓蚀剂以其亲水基团吸附于金属表面，疏水基远离金属表面，形成吸附层把金属活性中心援盖，阻止介质对金属的侵蚀。此类缓蚀剂主要是有机缓蚀剂。酸碱理论认为酸碱反应的本质是电子在两个分子之间共享。一个分子的最低空轨道LUMO接受一对电子成为Lewis酸，而另一个分子的最高占有轨道HOMO给出一对电子成为Lewis碱。因此，阻止电子转移，就可以阻止金属的腐蚀。采用缓蚀剂将金属的电子转移过程变为电子共享过程。酸性溶液中，裸露的金属表面存在配位中心，缓蚀过程就是缓蚀剂分子的孤对电子向配位中心配位的过程，所形成配位键的强度服从软硬酸碱规则。有机缓蚀剂缓蚀机理的研究始终是腐蚀科学的重要课题之一。研究缓蚀机理，搞清分子结构、吸附特性和缓蚀性能之间的关系，对设计开发高效缓蚀剂具有重要意义12-13。目前实验研究还不能揭示缓蚀过程的详细信息，如缓蚀剂分子-金属离子结合的定量描述、反应缓蚀剂吸附特性的电子转移与分布等。量子化学计算等理论方法可与实验研究互补，通过获取缓蚀剂分子在金属表面物理和化学行为的详细信息，借以阐释缓蚀剂在金属表面吸附、缓蚀的微观过程，为深入认识缓蚀过程的本质和规律创造了条件，是未来缓蚀剂研究领域的发展趋势。2. 缓蚀剂构效关系研究意义有机化合物是酸性环境中金属和合金的有效缓蚀剂。它们能够降低酸性介质中金属腐蚀的速率。然而选择高效的缓蚀剂是如今面临的又一大难题，通过试验的方法逐一筛选，试验周期太长，并且耗费巨大的人力和物力；因此急需一种选择高效缓蚀剂的方法。缓蚀剂的合成和筛选目前仍以大量实验为基础,直接根据腐蚀环境设计和合成的例子还不多。因此研究缓蚀作用机理为缓蚀剂的设计提供理论指导具有重要的意义14。量子化学近似计算方法用于缓蚀剂研究, 使人们对缓蚀机理的认识深入到微观层次。量子化学计算已经非常广泛地用于研究反应机制，解释实验结果，也用于解释不明确的化学反应。分子结构和电子参量可以通过应用量子化学计算方法论的理论计算得到。通过QSAR研究苯并咪唑缓蚀剂及其衍生物的分子机构及其内部特征，可以从根本上了解其缓蚀机理，并能有效的评价其缓蚀性能。同时，通过建立有机缓蚀剂的QSAR模型，然后利用这些关系去预测一些相关结构的缓蚀剂的缓蚀效率，可以从化合物库大量的化合物中选择最可能用来做缓蚀剂的化合物做测试；因此，可以节省时间，从经济观点也是有很大的促进作用。还可以利用这些关系来设计缓蚀剂分子。3. 研究现状 量子化学近似计算方法用于缓蚀剂研究, 使人们对缓蚀机理的认识深入到微观层次。Abdu用CNDO/ 2方法计算对位取代苯胺等的结构参数与实验结果有较好的一致性15。Vasta用HMO方法研究了量子化学参数与缓蚀剂缓蚀效率之间的关系,认为HOMO 轨道是缓蚀剂分子中电子的最高占据轨道,轨道能量越高,电子越易失去；LUMO 轨道是最低空轨道, 能量越低,越易接受外来电子,缓蚀效率随缓蚀剂功能团的电子密度增加而增加16。宁世光等研究了咪唑啉衍生物对碳钢在氢氟酸中的缓蚀作用, 其缓蚀效率与HOMO能量、LUMO 能量有密切关系17。Costa等人用半经验的MINO/3SCF方法解释了脂肪醇等化合物的缓蚀作用18。张敬畅等用HMO方法计算了含N化合物的分子结构,发现活性基团的电荷密度、HOMO能级与缓蚀效率相关。王大喜等用量子化学方法计算了6个咪唑啉型化合物及其与铁原子的化学吸附作用能, 探讨了这种作用能与缓蚀性能的关系19。目前,定量结构-活性-性质相关(Quantitative Structure-Activity and Structure-Property Relationship. 简称QSAR/QSPR ) 在国际上是一个相当活跃的研究领域,同时也是环境化学、生物化学、计算机化学以及药物化学中的一个前沿课题。QSAR 法起始于药物和杀虫剂研究,通过研究生物活性和理化参数之间的相关性预测新化学品的活性，指导新药和杀虫剂的合成。 在环境化学领域QSAR主要应用于危险化学品的评价,它既可对化学品在环境中的暴露水平做出预测,又可对化学品生物活性做出评价。为化学品的危险评价提供了一种简便、实用的途径20-21。QSAR的起步较晚,但发展较快。在缓蚀剂领域内，还很少有人通过QSAR研究缓蚀剂的性能与活性。利用QSAR对苯并咪唑缓蚀剂进行分析，可以有效的了解该分子的活性并预测其缓蚀性能。5理论基础和计算方法第二章 理论基础和计算方法有机缓蚀剂缓蚀机理的研究始终是腐蚀科学的重要课题之一。研究缓蚀机理，搞清分子结构、吸附特性和缓蚀性能之间的关系，对设计开发高效缓蚀剂具有重要意义。目前实验研究还不能揭示缓蚀过程的详细信息，如缓蚀剂分子-金属离子结合的定量描述、反应缓蚀剂吸附特性的电子转移与分布等。量子化学计算等理论方法可与实验研究互补，通过获取缓蚀剂分子在金属表面物理和化学行为的详细信息，借以阐释缓蚀剂在金属表面吸附、缓蚀的微观过程，为深入认识缓蚀过程的本质和规律创造了条件，是未来缓蚀剂研究领域的发展趋势22-23。1. 量子化学量子化学计算方法（QM）是通过求解体系Schrodinger方程研究原子、分子和晶体的电子层结构，化学键理论以及它们的各种光谱、波谱和电子能谱的特征。早期腐蚀工作者常用的方法是半经验算法，包括Huckel、CNDO/2、MINDO/3方法，近年来越来越多的研究者使用密度泛函理论方法，该方法不仅能得到相当准确的体系能量以及其它性质，而且耗时比传统的超HF从头算方法要少可观的1-2个数量级24。1.1 半经验方法(1) 半经验方法的由来虽然在理论上，无论分子中有多少电子，都可用全电子从头计算方法严格求解Roothaan方程 但是实际上， 由于单电子积分， 特别是双电子积分数目极多， 再加上多中心积分的计算又非常麻烦， 所以从头计算的工作量整极其巨大和困难的 对于多原子的大分子实行从头计算就更加艰巨， 往往需要高速电子计算机连续工作几小时 正因如此，便产生了SCFM0理论的各种近似方法-SCF 半经验MO 理论及其计算方法， 即所谓半经验方法25-26(2) 半经验方法的实质半经验方法的提出，就是为了克服从头计算方法的缺点，避免或简化某些积分(特别是复杂积分)的计算，使Roothaan方程求解大为简化，或另寻方案解决，从而节省计算机时间，并用于大分子的计算和更广的范围。例如，对于分子，用从头计算方法的431G方案要1小时上，用半经验的MINDO8方案只要l2秒钟。目前，国际上已经出现许多半经验方法和计算机程序。各种方法在近似程度上的差别，主要表现在处理单电子和双电子积分上。有的令其为零，有的利用半经验的参数代替。当然近似不可能是任意的，应该保留从头计算方法的一些基本内容，如分子的总波函数和计算性质满足不变性(不依赖于基集合的正交变换)等。(3) 参数化问题用半经验参数代替某些积分的计算时，要精心选取，以达到与从头计算或实验比较符合的结果。但是这些经验参数的选取往往不是直接的，要求予先计算。不同的半经验方法通常选用不同的参数， 即使同一参数，选法也随人而异。各种参数化方案一般都要使用原子和分子的不同原始资料，如原子光谱，分子成键能或从头计箕的数据等。2. 定量构效关系(QSAR)人们在长期的实践过程中认识到，分子的结构与其性质密切相关。分子结构一经确定，其性质也随之而定。分子的性质包括内在性质(如分子体积、分子连接性和电荷分布)、化学性质(如pKa和稳定性)和生物性质(如活性、毒性和代谢动力学性质)等各种性质。结构-性质相关(Structure-property relationship,SRP)主要是研究它们之间的规律。其中研究分子结构特征与其活性之间的关系，即所谓构效关系(Structure-activity relationship,SAR)，已成为现代化学研究与应用的重要领域，并得到了生物学、药学、环境及材料研究者的高度重视27。定量构效关系(quantitative structure-activity relationship，QSAR)由SAR发展而来，是采用数学模型来描述分子生物学活性与结构间的定量依赖关系。从理论上来说，QSAR的目的是架设化学与生物学之间的桥梁；从应用的观点来看，QSAR研究是从一系列己知活性的化合物中找出结构和活性之间的定量关系，进而预测新化合物的活性，并指导新的高活性化合物的设计及合成。定量构效关系最初作为定量药物设计的一个研究分支领域，是为了适应合理设计生物活性分子的需要发展起来的15,16。现在定量构效关系的内涵得到了迅速的延伸，其研究内容还包括定量结构-毒性相关(QSTR)、定量结构热力学函数相关(QSTR)、定量结构谱学性质相关(QSR)、定量结构药代动力学相关(QSKR)等诸多方面。随着研究的不断深入和扩展，如今QSAR研究己经成为化学、环境化学、计算化学、生物学、生物信息学、药学、材料学研究的重要手段28。2.1 建模方法QSAR模型的建立需要对描述符进行筛选，常用的方法有：多元线性回归法（MLR）、偏最小二乘法（PLS）、遗传算法（GA）和人工神经网络（ANN）等29。2.1.1 多元线性回归法多元线性回归分为逐步回归法、向前选择法、自后淘汰法等，大致思想为根据相关系数的绝对值由大到小，得到全部子变量对因变量影响程度由大到小的排序，把相关系数绝对值最大的那个自变量作一元线性回归，并作回归方程显著性检验，若不显著，则可认为所选的全部自变量均不是影响因变量的主要因素；若回归效果显著，再从对因变量影响由大到小依次逐个引入回归方程，每引入一个新的自变量，对算得的新回归方程中所含的每一个自变量都要进行显著性检验，将那个在新的回归方程中称为不显著且对因变量影响最小的自变量剔除，对所得的新的回归方程中的每个自变量仍然要作显著型检验、剔除，直到所得的回归方程中所含的每一个自变量都显著为止，再引入那些未引入的自变量中对因变量有最大影响的一个变量，把上述步骤不断进行，直到既无法剔除已引入的自变量，也无法再入选新的自变量为止。整个多元逐步回归过程分三大部分：自变量的筛选、回归系数的求解、回归方程显著性检验。2.1.2 定量构效关系的研究程序QSAR的研究程序如下图所示，主要包括五个主要步步骤：(1)选择合适的待试数据资料(即研究样本)，建立待试数据库。要求数据准确、可靠；(2)从数据库中选择合适的分子结构参数及欲研究的活性参数；(3)选择合适的方法建立结构参数与活性参数间的定量关系模型；(4)模型检验。选择更好的结构参数或建模方法，使模型最优化，同时给出模型的约束条件和误差范围；(5)实际应用。预测、预报新化合物的活性。下面就将QSAR研究中的主要部分详细介绍一下。图2-1 QSAR的研究程序3苯并咪唑类缓释剂量化参数计算第三章 苯并咪唑类缓蚀剂量化参数计算1. 软件及其QSAR模块使用简介1.1 Material Studio软件简介Materials Studio是Accelrys公司专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在PC上的模拟软件，它可以解决当今化学、材料工业中的一系列重要问题。研究者可以通过Materials Studio操作平台方便地建立三维结构模型，并对各种晶体、无定型以及高分子材料的性质及相关过程进行深入的研究30。 多种先进算法的综合应用使Materials Studio成为一个强有力的模拟工具。无论构型优化、性质预测和X射线衍射分析，以及复杂的动力学模拟和量子力学计算，都可以通过一些简单易学的操作来得到切实可靠的数据。Materials Studio软件采用灵活的Client-Server结构。其核心模块Visualizer运行于客户端PC，支持的操作系统包括Windows 98、2000、NT；计算模块（如Discover，Amorphous，Equilibria，DMol3，CASTEP等）运行于服务器端，支持的系统包括Windows2000、NT、SGIIRIX以及Red Hat Linux31。浮动许可（Floating License）机制允许用户将计算作业提交到网络上的任何一台服务器上，并将结果返回到客户端进行分析，从而最大限度地利用了网络资源。Materials Studio软件能使任何研究者达到与世界一流研究部门相一致的材料模拟的能力。模拟的内容包括了催化剂、聚合物、固体及表面、晶体与衍射、化学反应等材料和化学研究领域的主要课题。1.2 QSAR模块简介在化学和材料研究领域中QSAR是一种不可或缺的研究手段，它能使研究人员找到具有最佳物化性质的材料。整合在MS软件环境中的QSAR模块提供了许多描述符，并且具有强大的分析能力。QSAR模块的使用，可以仅通过一张数据表格就能处理工作。在这张数据表格中分子和它们的特性结合在一起。软件所带的描述符可以用来计算各类物理化学性质，再结合独特的遗传算法，可以更有效地得到高质量的QSAR模型32。1.3 定量构效关系研究的一般步骤通常由化合物的分子结构以及相关的实验数据开始，然后进行结构的优化以及描述符的计算，接下来使用一个初步的数据分析，例如一个基本的相关性研究。通过这个初始的数据分析，可能就已经指出了分子特性和实验数据间的联系。当然还可以使用一些特殊的分析方法，例如遗传算法，来进行QSAR模型的搭建。还可以在QSAR模型建立之前先进行数据简约。最后使用这个QSAR模型来预测新建立的候选分子。根据预测性质的好坏，可以决定哪些化合物值得合成。接下来可通过各类实验测试数据来验证这个QSAR模型的适应性。如果需要，还可以使用这些实验数据，按照上面的流程来修正模型，直至这个模型可以更快、更准确地预测所要的性质为止。2. 所选用的缓蚀剂分子结构本文中所选用的缓蚀剂分子结构和实验数据均来自于文献33。缓蚀剂分子结构如表1所示。 表3-1苯并咪唑及其衍生物结构分子结构缓蚀剂命名分子结构缓蚀剂命名(1) benzimidazole(2) 2-hydroxybenzimidazole(3) 2-amino benzimidazole(4) 2-(2-amino)benzimidazole(5) 2-(1-pyridyl)-benzimidazole(6) 2-mercaptobenzimidazole(7)1-methyl-2-(methylmercapto)-benzimidazole(8)2-hydroxymethyl-benzimidazole(9)2-(mercapomethyl)-benzimidazole(10)2-(chloricmethyl)benzimidazole(11)1-methyl-2-aminobenzimidazole(12) 2-chloricbenzimidazole(13)2-amino-9-(2-methyl)-amino benzimidazole(14)2-amino-8-(2-methyl)-aminobenzimidazole(15)2-amino-9-nitro-benzimidazole(16)2-amino-8-nitro-benzimidazole(17)9-(2-methyl)amino-benzimidazole(18) 9-nitrobenzimidazole(19) 8-nitrobenzimidazole(20) 2-aminomethylbenzimidazole3. 计算方法所有的计算在RHF水平上使用Material Studio软件中QSAR模块中的AM1半经验VAMP方法来完成。计算在Intel 酷睿E2140 1.60GHz的DELL计算机上执行。计算以“Task type（任务类型）设置为Energy（单点能计算），Hamiltonian（哈密尔顿函数）设置为AM1，Formalism（约束形式）设置为RHF开始。4. 计算结果4.1 缓蚀剂分子的优化结构本文所选用的20种缓蚀剂的分子结构经MS优化后如图2所示。（1）benzimidazole （2）2-hydroxy benzimidazole （3）2-amino benzimidazole （4）2-(2-amino) benzimidazole（5） 2-(1-pyridyl)-benzimidazole （6）2-mercapto benzimidazole （7）1-methyl-2-(methylmercapto) -benzimidazole （8）2-hydroxymethyl-benzimidazole （9）2-(mercapomethyl)-benzimidazole （10）2-(chloricmethyl) benzimidazole （11）1-methyl-2-amino benzimidazole （12）2-chloric benzimidazole （13）2-amino-9-(2-methyl) （14）2-amino-8-(2-methyl)-amino benzimidazole-amino Benzimidazole （15）2-amino-9-nitro-benzimidazole（16）2-amino-8-nitro-benzimidazole （17）9-(2-methyl)amino-benzimidazole （18）9-nitro benzimidazole（19）8-nitrobenzimidazole （20）2-aminomethyl benzimidazole图3-1 20种缓蚀剂分子的优化结构4.2 量子化学参量与全局参数根据前人对缓蚀剂缓蚀效率与量子化学参量的定性、定量研究，选择如下参量进行计算，并且研究其与缓蚀效率的定量关系。1) 疏水指数LogP：亲脂性或疏水性键合的量度参数。2) 偶极矩：原子自极化率和原子原子极化率同样被用于表示反应活性。这些量化参数反映同一原子或不同原子的负电荷受分子内微扰影响的信息。其中最常用的是偶极矩，它只能反映整个分子的极性，局部的极性则用局部的偶极指数表示。除此之外，原子净电荷之差和拓扑电子指数也被用于表示极性。3) 轨道参数：根据前线分子轨道理论，电子的跃迁是由反应物分子前线轨道之间的相互作用引起的前线轨道对化学反应起决定性作用。EHOMO和ELUMO是应用最广的量化参数，它们可以反映出前线轨道在许多反应中的重要程度，并决定生成物分子化学键的强弱。EHOMO与分子的电离势相关，可作为分子给电子能力的量度，EHOMO越小，该轨道中的电子越稳定，分子给电子能力越小。ELUMO与分子的电子亲和能直接相关，其值越小，电子进入该轨道后体系能量降低得越多，该分子接受电子的能力越强。EHOMO与ELUMO之差是非常重要的稳定性指标，其差越大稳定性越好，在化学反应中的活性越差。4) 硬度（）34：硬度即是化学物种阻止电子逃逸的能力，也可以认为硬度是化学物种的电负性或化学势随电子数或密度变化的速率，是内在性质的表现。硬度（）定义为一定时，对的二阶导数： 式中：为电子总能量；为电子势能；为电子个数。5) 软度 (S)：软度可以确定分子的活性部位，其定义为： 6) 电负性() 35：用来度量原子吸引电子能量的强弱。由于原子吸引电子的能力只能相对而言，所以一般选定某原子的电负性为参考值。化学势u： 另外，还有平均极化率，总能量等。4.3 量子化学参量与全局参数计算结果其中疏水指数AlogP，总能量Total Energy，最高占用分子轨道EHOMO，最低分子空余轨道ELUMO，偶极矩Total Diaople，平均极化率Mean Polarizability如表2所示。 其余参量是由EHOMO、ELUMO通过公式转化计算得到的，所得数据如表3-3。计算公式如下：电离能： I p= | EHOMO |电子亲和能： EA= | ELUMO |化学势： u= 硬 度： = 软 度： S = 亲电指数： = 表3-2 所选用缓蚀剂分子的量子化学参量数据表缓蚀剂序号Log pEHOMO/eVELUMO/eVE/eV/DebyeTNCEexp /%11.35-8.9790.1359.1143.091-1.00051.121.41-8.9920.0949.0871.849-1.23658.130.99-8.5260.3328.8583.302-1.28078.340.52-8.933-0.0178.9162.693-1.33468.252.01-8.625-0.7427.8834.166-1.49469.862.46-9.118-0.2758.8431.921-1.07372.371.99-8.2390.0098.2482.233-1.45872.680.91-8.8430.0598.9022.385-1.27764.691.75-8.927-0.2228.7052.757-1.13056.5102.21-9.018-0.1078.9114.011-1.04342.1111.23-8.4950.1218.6163.348-1.30375.8121.99-9.074-0.2018.8733.146-0.90345.2131.24-7.8030.2548.0571.120-1.70797.8141.22-8.2020.1038.3052.115-1.64189.4151.12-9.171-1.0308.1418.254-1.85472.9161.11-9.281-0.9078.3748.372-1.86762.8表3-3所选用缓蚀剂分子的硬度、软度、化学势、亲电指数数据表缓蚀剂序号I pEAuS18.9790.135-4.5574.4220.2262.34828.9920.094-4.5434.4490.2262.31938.5260.332-4.4294.0970.2252.39448.9330.017-4.4754.4580.2442.24658.6250.742-4.6833.9410.2242.78369.1180.275-4.6964.4210.2542.49478.2390.009-4.1244.1150.2262.06688.8430.059-4.4514.3920.2432.25598.9270.222-4.5744.3520.2282.404109.0180.107-4.5624.4550.2302.336118.4950.121-4.3084.1870.2242.216129.0740.201-4.6374.4360.2392.424137.8030.254-4.0283.7740.2252.150148.2020.103-4.1524.0490.2652.129159.1711.03-5.1004.0700.2473.195169.2810.907-5.0944.1870.2463.09926苯并咪唑类缓释剂定量构效关系分析第四章 苯并咪唑类缓蚀剂定量构效关系分析1 结构与性能关系的单变量分析1.1 最高占用分子轨道能量EHOMO与缓蚀效率Eexp的关系根据表3-2作缓蚀剂分子的最高占据轨道能量EHOMO和缓蚀效率Eexp之间的关系曲线如图4-1。图4-1 Eexp与EHOMO的相关性曲线由图4-1可以看出，缓蚀效率Eexp随着缓蚀剂分子的最高占据轨道能量EHOMO的增加而增加，并且由图可知，缓释性能Eexp与分子的最高占据轨道的能量EHOMO有非常好的相关性(R为0.761)。量子化学的前线轨道理论认为，分子的最高占据轨道的能量EHOMO是分子给电子能力的量度， EHOMO越低该轨道中的电子越稳定，分子给电子的能力越小；反之，若分子的EHOMO越高，则该分子越易提供电子参与亲核反应。EHOMO越高，给电子能力越强，与金属越容易形成配位键，吸附越牢固， 从而缓释性能越好36。1.2 最低分子空余轨道能量ELUMO与缓蚀效率Eexp的关系根据表2作缓蚀剂分子的最低空余轨道能量ELUMO和缓蚀效率Eexp之间的关系曲线如图4-2。分子的最低空余轨道的能量ELUMO与分子的电子亲和能有关，其值越低，该分子则有较强的接受电子的能力。由图4-3很明显可以看出，缓蚀剂分子的缓蚀效率Eexp与其最低空余轨道能量ELUMO的相关性差，相关系数R为：0.311。缓蚀剂分子的最低空余轨道的能量ELUMO对缓蚀剂的缓蚀性能的影响很小，因此考虑缓释性能与量化参量的定量构效关系时，可以不考虑分子的最低空余轨道能量ELUMO，但最低空轨道能量与最高占有轨道能量差E(ELUMO-EHOMO)是分子稳定性的重要指标，其差值越大，则分子稳定性越强。反之，则分子越不稳定，易参与化学反应。而E/2与分子的化学硬度相等，根据HSAB理论37，能够提供分子的缓蚀性能信息，其值越小，分子的可极化性越强，容易吸附在金属表面，以达到缓蚀的作用。因此本文将在后面讨论硬度与缓释性能的关系，在此处对缓蚀剂分子的E与其缓释性能Eexp便不予以研究。图4-2 Eexp与ELUMO的相关性曲线1.3 分子偶极矩与缓蚀效率Eexp的关系分子偶极距也是影响分子缓蚀性的因素，因为对于多数有机缓蚀剂在电解质表面溶液中对腐蚀的抑制，是由于缓蚀剂吸附于金属表面的结果，在物理吸附中，分子的极性越大则分子与金属的极化作用越强，根据表3-2作不同计算方法得到的缓蚀剂分子的偶极矩和缓蚀效率Eexp之间的关系曲线如图4-3。在物理吸附中，当缓蚀剂分子的极性增大时，分子与金属表面的原子应有较强的激化作用，缓蚀剂的缓蚀效率应有所增加。缓蚀剂的缓蚀效率与分子的偶极矩相关系数R=0.468，相关性并不好，表明分子的偶极矩对其缓蚀性能影响不大，故本文研究的分子在金属表面的吸附应为化学吸附。图4-3 Eexp与偶极矩的相关性曲线1.4 化学势u与缓蚀效率Eexp的关系根据表3-2作不同计算方法得到的缓蚀剂分子的化学势u和缓蚀效率Eexp之间的关系曲线如图4-4。图4-4Eexp与化学势u的相关性曲线由图4-4观察出：缓蚀剂的缓释效率Eexp随着缓蚀剂分子的化学势u的增高而逐渐增大，缓释性能与缓蚀剂分子的化学势u具有良好的相关性(相关系数R为0.465) 。1.5 硬度、软度S与缓蚀效率Eexp的关系1963年美国化学家皮尔逊以路易斯酸碱为基础，把路易斯酸碱分为软 、硬两大类38。把得电子原子体积小 、正电荷高 、极化力差的，也就是外层电子控制的紧的称为硬酸；而得电子体积大、正电荷低或等于零、 极化性高的，也就是外层电子控制的松的称为软酸。给电子原子极化性低 、电负性高、 难被氧化，外层电子控制得紧，外层电子难失去的称为硬碱；软碱具有相反的性质，极化性高 、电负性低、 难被氧化外层电子容易失去。介于软硬酸碱之间的酸碱称为交界酸碱。根据表3-3作不同计算方法得到的缓蚀剂分子的化学势u和缓蚀效率Eexp之间的相关性关系曲线如图4-5。由于软度S是硬度的倒数，在此作出硬度与缓蚀效率Eexp的相关性关系