典型缓蚀阻垢剂分子的定量构效关系研究

• 作 者: 庄柯
• 机 构: 南京工业大学
• 出 处: 南京工业大学
• 发表日期: 2007年期
• 关键词: 水处理剂 定量构效关系 从头计算法 溶剂效应 缓蚀阻垢剂分子

定量构效关系(Quantitative Structure-Activity Relationship，QSAR)是通过量子化学数理统计学方法建立针对一系列化合物的活性或其它性质与其物理化学参数之间的定量关系。通过这些定量关系，可以预测化合物在特定环境下的活性或性质，指导我们改进或设计出具有某些特征和特定性能的化合物。不同的QSAR方法对应于不同研究体系所表现出的计算精度和应用程度有较大差别。针对特定体系，理想的QSAR方法应该具有理论意义明确、计算时间短、计算精度符合要求、预测能力强等特点。　　
缓蚀阻垢剂作为循环冷却水能够稳定运行的关键因素已被广泛应用。缓蚀阻垢剂的存在能够增大水环境中沉淀构晶离子的饱和容量，延长换热器的使用寿命。不同的缓蚀阻垢剂适用于不同类型的换热器表面和不同的水质及工况环境，不同的应用环境又在要求我们设计并合成具有新特性的缓蚀阻垢剂，从而推动缓蚀阻垢剂的发展。由于人们对缓蚀阻垢机理的不甚了解以及应用环境中影响因素的多变，使得新缓蚀阻垢剂的设计变得十分困难，往往是根据实际的使用记录和经验对旧的缓蚀阻垢剂分子进行改进。因此对缓蚀阻垢机理的深入研究变得越发重要。　　
本文利用分子动力学计算方法，在分子空间稳定构型的基础上讨论分子在水溶液中与水分子形成的弱范德华力，得到水溶液中水处理剂分子的稳定构型与空间稳定构型的差别，并计算出其空间结构参数。从空间位阻理论的角度总结出磷系阻垢剂分子与碳酸钙晶体临近钙原子间距相匹配的特征原子种类和数目。HF算法(Hartree-Fock，HF)是从头计算方法(ab initio)中较为成熟且计算效率非常高的计算方法。本文采用Ground State/Hartree-Fock/6-31G基组计算了7种膦酸盐系阻垢剂分子考虑水的溶剂效应后的量化、结构参数，从中得出具有特征性质的电负性原子占外层电子云密度的比例。结合上述两种理论分析方法，总结得到各个阻垢剂分子针对碳酸钙晶体的活性作用点，并计算了其与碳酸钙晶体上相应钙原子之间的稳定能。　　
由于水溶液中水分子与阻垢剂分子之间的弱范德华力作用，阻垢剂分子在溶剂中的空间构型发生变化，氧原子的空间距离趋于接近，空间二面角均减小，这对电负性较强的氧原子与碳酸钙晶体相互作用产生不利影响，也将会改变电负性原子所占电子云密度的比例。通过以上模型总结出7种膦酸盐系阻垢剂分子与碳酸钙晶体吸附的趋势与程度，结果与实际应用情况吻合。