КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИНТЕЗИРОВАННЫХ СОЛЕЙ ЧЕТВЕРТИЧНОГО АММОНИЯ

QUANTUM-CHEMICAL PROPERTIES OF SYNTHESIZED SALTS OF QUATERNARY AMMONIUM
Цитировать:
Бурихонов Б.Х., Холиков Т.С., Таджимухамедов Х.С. КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СИНТЕЗИРОВАННЫХ СОЛЕЙ ЧЕТВЕРТИЧНОГО АММОНИЯ // Universum: химия и биология : электрон. научн. журн. 2021. 11(89). URL: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/12514 (дата обращения: 12.08.2022).
Прочитать статью:

 

АННОТАЦИЯ

Квантово-химические свойства новых солей четвертичного аммония, синтезированных на основе N-бутилморфолина, рассчитаны с использованием метода B3LYP и 6-311G (d, p) сет. Были идентифицированы некоторые квантовые свойства молекул, такие как химическая твердость, электроотрицательность, электронный химический потенциал, электрофильность и химическая мягкость. Из результатов видно, что полученные соли четвертичного аммония можно использовать в качестве катализаторов.

ASBTRACT

The quantum-chemical properties of new quaternary ammonium salts synthesized on the basis of N-butylmorpholine were calculated using the B3LYP and 6-311G (d, p) set method. Several quantum properties of molecules have been identified, such as chemical hardness, electronegativity, electronic chemical potential, electrophilicity, and chemical softness. It can be seen from the results obtained that the obtained quaternary ammonium salts can be used as catalysts.

 

Ключевые слова: ион, энтропия, химическая связь, электронная активность, потенциал, ионизация, орбитали, квантово-химические теории.

Keywords: ion, entropy, chemical bond, electronic activity, potential, ionization, orbitals, quantum chemical theories.

 

Соли четвертичного аммония сегодня широко используются во многих областях, включая диамины геминальной структуры. [1; 630-638 с], триамины [2; 506–516 с ], азофенотиазины [2; 774-806с.], тетрагидропиридины [3; 97-106 с ], -карболины [4; 447-461с] показано, что полученные на их основе соли четвертичного аммония могут применяться против различных заболеваний и патогенных микроорганизмов. Полученные четвертичные аммониевые соли бензалкония представляют собой биоциды, детергенты и межфазные катализаторы по Grillitschet et al. [5; 11-118 с.], гидрофобные и гидрофильные агенты [6; 313–320 с.], А Дебрецем и Местян используют эти соли в качестве консервантов, офтальмологических, назальных и внутривенных препаратов [7; С. 313-320].

Результаты и их анализ

Мы пронумеровали соединения, проанализированные квантово-химическими методами, в следующем порядке.

1.4-Бутил-4- (2- (нонилокси) -2оксоэтил) морфолин-4-аммоний хлорид

2.4-(2-(Бензилокси)-2-оксоэтил)-4-бутилморфолин-4-аммоний хлорид

3.4-Бутил-4-(2-оксо-2-(пентан-2-илоксиy)этил)морфолин-4-аммоний хлорид

4.1-(2-(Нонилокси)-2-оксоэтил)пиридин-1-аммоний хлорид

5.1-(2-Оксо-3-фенилпропил)пиридинаммоний хлорид

6.1-(2-Оксо-2-(пентан-2-илокси)этил)пиридин-1-аммоний хлорид

Перед началом квантово-химических расчетов изучаемые вещества были оптимизированы, и значения квантово-химических свойств были найдены с использованием энергий связывания (LUMOs) и разрыхления (HOMOs) орбиталей. Полученные результаты были выражены следующими формулами (1-5) и представлены в таблице 1.1.

Химическая связь, η                         (1)

Электронная активность,χ                                       (2)

Химический электронный потенциал, μ                            (3)

Глобальный индекс электрофильности,  ω (eV) =                                          (4)

Химическая Мягкость, s(eV) =                                                        (5)

В квантово-химических теориях энергия связывающих орбиталей (НUМО) указывает на склонность электронно-склонных молекул.

Энергия релаксирующих орбиталей (HOMOs) объясняет обратное. В результате теоретических расчетов (2-6) было обнаружено, что соединения имеют относительно высокое сродство к электрону по сравнению с другими соединениями и были расположены в порядке 2> 6> 5> 1> 3> 4. (2-6) можно объяснить тем, что сродство к электрону в соединениях увеличивает сродство к электрону за счет групп COO-, -C6H5.

При анализе результатов установлено, что потенциалы ионизации располагались в следующем порядке: 2> 1> 3> 4> 6> 5. Было обнаружено, что соединения (2-1) имеют более высокий потенциал ионизации, чем другие соединения, из-за сильных ионизационных радикалов C4H9, C6H5.

Согласно квантово-химическим теориям, меньшее значение разницы между энергией связывающих орбиталей (LUMO) и энергией высвобождающихся орбиталей (HUMOs) представляет стабильность и нестабильность молекул.То есть, чем меньше разница, тем стабильнее молекула и ниже ее реакционная способность. В противном случае реактивность будет высокой. В целом результаты полученных соединений показали, что все молекулы обладают высокой реакционной способностью, поскольку разница энергий между молекулами оказалась меньше 0,3 эВ, и результаты были расположены в следующем порядке: 2 <1 <3 <5 <6 <4 При связывании с атомом N радикалами CH2 электроноакцепторные группы частично заряжают молекулу отрицательно.Теория связывающих орбиталей (LUMO) и теория свободной орбиты (HOMOs) интерпретируется рисунками 1–10 ниже. Как видно из этих изображений, связывающие орбитали (HUMOs) описывают электроноакцепторные валентные электроны. Химическая твердость и химическая мягкость.

Химическая твердость и химическая мягкость показывают химическую стойкость молекулы к изменению деформации. Химическая мягкость показывает обратное. Из полученных результатов известно, что все синтезированные соли четвертичного аммония являются химически мягкими молекулами, т.е. обладают высокой деформирующей способностью.

Электрофильность. Электрофильность полученных соединений указывает на кислотность по Льюису. Когда он изучал зависимость физико-химических свойств от структуры молекул, то есть, момента депо, поляризационных свойств и растворимости, было обнаружено, что все синтезированные соединения имели значения электрофильности менее 0,3 эВ. Таким образом, эти соединения оказались слабыми литическими кислотами и были расположены в следующем порядке в зависимости от уровня силы 3> 6> 5> 1> 4> 2.

Теоретические термодинамические свойства - в которых полярность дипольного момента определяет тепловую энергию, теплоемкость и энтропию. Результаты показали, что все соли имеют хорошую полярность с дипольным эффектом на молекулу. Мы разместили полярности в следующей последовательности: 6,8 (2)> 3,8 (4)> 3,7 (5)> 3,4 (6)> 2,5 (3)> 2,3 (1)

Теплоемкость и энтропия имеют следующий порядок (103) 1> (85) 3> (77) 4> (61) 2> (59) 6> (56) 5 Результаты показывают, Было обнаружено, что хлорид - (2 - (нонилокси) -2-оксоэтил) морфолин-4-аммония обладает высокой теплоемкостью. Причина - наличие циклического кольца и крупных алифатических радикалов.

Таблица 1.

 Энергетические значения глобальной реакционной способности и термодинамические параметры для хлорида 4-бутил-4-(2-(нонилокси)-2-оксоэтил) морфолин-4-иума (298,150 К)

Параметры

4-бутил-4-(2-(нонилокси)-2-оксоэтил)морфолин-4-иум хлорид

ELUMO, eV

-0.12

EHOMO, eV

-0.19

Eg, eV

0.07

Электронное сродство, eV

-0.12

Потенциал ионизации, eV

-0.19

Потенциал ионизации, η, eV

0.035

Электроотрицательность, χ, eV

-0.035

Электронный химический потенциал,  μ, eV

-0.155

Глобальный индекс электрофильности, ω, eV

0.343

Химическая мягкость,  s, eV

14.285

Дипольный момент, Debye

2.331

Поляризуемость (α), a.u.

217.009

E(UB3LYP), Hartree

-1026.989

E (Thermal), kcal/mol

368.358

Теплоемкость(Cv), cal/mol-kelvin

103.726

Энтропия (S), cal/mol-kelvin

206.171

 

Рисунок 1. LUMO-орбитали 4-бутил-4-(2-(нонилокси)-2-оксоэтил)морфолин-4-иум хлорида

 

Рисунок 2. LUМО-орбитали 4-бутил-4-(2-(нонилокси)-2-оксоэтил)морфолин-4-иум хлорида

 

Таблица 2.

 Энергетические значения глобальной реакционной способности и термодинамические параметры для хлорида 4-(2-(бензилокси)-2-оксоэтил)-4-бутилморфолин-4-иума (298,150 К)

Параметры

4-(2-(бензилокси)-2-оксоэтил)-4-бутилморфолин-4-хлорид иум

ELUMO, eV

0.023

EHOMO, eV

-0.040

Eg, eV

0.063

Электронное сродство, eV

0.023

Потенциал ионизации, eV

-0.040

Потенциал ионизации, η, eV

0.0315

Электроотрицательность, χ, eV

-0.0315

Электронный химический потенциал,  μ, eV

-0.0085

Глобальный индекс электрофильности, ω, eV

0.00114

Химическая мягкость,  s, eV

15.873

Дипольный момент, Debye

6.844

Поляризуемость (α), a.u.

256.624

E(UB3LYP), Hartree

-943.056

E (Thermal), kcal/mol

260.100

Теплоемкость (Cv), cal/mol-kelvin

61.915

Энтропия (S), cal/mol-kelvin

122.084

 

Рисунок 3.Орбитали LUMO хлорида 4-(2-(бензилокси)-2-оксоэтил)-4-бутилморфолин-4-иум

 

Рисунок 4.LUМО-орбитали 4-(2-(бензилокси)-2-оксоэтил)-4-бутилморфолин-4-иум хлорида

 

Таблица 3.

 Энергетические значения глобальной реакционной способности и термодинамические параметры для 4-бутил-4-(2-оксо-2-(пентан-2-илокси) этил)морфолин-4-хлорида алюминия (298,150 К)

Параметры

4-бутил-4-(2-оксо-2-(пентан-2-илокси)этил)морфолин-4-иум хлорид

ELUMO, eV

-0.115

EHOMO, eV

-0.195

Eg, eV

0.08

Электронное сродство, eV

-0.115

Потенциал ионизации, eV

-0.195

Потенциал ионизации, η, eV

0.04

Электроотрицательность, χ, eV

-0.04

Электронный химический потенциал,  μ, eV

-0.155

Глобальный индекс электрофильности, ω, eV

0.3

Химическая мягкость,  s, eV

12.5

Дипольный момент, Debye

2.528

Поляризуемость (α), a.u.

173.706

E(UB3LYP), Hartree

-869.772

E (Thermal), kcal/mol

292.364

Теплоемкость (Cv), cal/mol-kelvin

85.510

Энтропия (S), cal/mol-kelvin

178.488

 

Рисунок 5. LUMO-орбитали 4-бутил-4-(2-оксо-2-(пентан-2-илокси)этил)морфолин-4-иум хлорида

 

Рисунок 6. LUМО-орбитали 4-бутил-4-(2-оксо-2-(пентан-2-илокси) этил) морфолин-4-иум хлорида

 

Таблица 4.

Энергетические значения глобальной реакционной способности и термодинамические параметры для хлорида 1-(2-(бензилокси)-2-оксоэтил) пиридин-1-иума (298, 150 К)

Параметры

Xлорид 1-(2-(бензилокси)-2-оксоэтил)пиридин-1-иума

ELUMO, eV

-0.022

EHOMO, eV

-0.244

Eg, eV

0.222

Электронное сродство, eV

-0.022

Потенциал ионизации, eV

-0.244

Потенциал ионизации, η, eV

0.111

Электроотрицательность, χ, eV

-0.111

Электронный химический потенциал,  μ, eV

-0.133

Глобальный индекс электрофильности, ω, eV

0.16

Химическая мягкость,  s, eV

4.5

Дипольный момент, Debye

3.7

Поляризуемость (α), a.u.

154.83

E(UB3LYP), Hartree

-746.866

E (Thermal), kcal/mol

167.636

Теплоемкость (Cv), cal/mol-kelvin

56.803

Энтропия (S), cal/mol-kelvin

138.503

 

Рисунок 9. LUMO Орбитали хлорида 1 -(2-(бензилокси)-2-оксоэтил)пиридин-1-иума

 

Рисунок 10. LUМО-орбитали хлорида 1-(2-(бензилокси)-2-оксоэтил) пиридин-1-иума

 

Таблица 5.

Энергетические значения глобальной реакционной способности и термодинамические параметры для 1-(2-оксо-2-(пентан-2-илокси)этил)пиридин-1-хлорида (298, 150 К)

Параметры

Хлорид 1-(2-оксо-2-(пентан-2-илокси)этил)пиридин-1-иума

ELUMO, eV

-0.013

EHOMO, eV

-0.243

Eg, eV

0.230

Электронное сродство, eV

-0.013

Потенциал ионизации, eV

-0.243

Потенциал ионизации, η, eV

0.115

Электроотрицательность, χ, eV

-0.115

Электронный химический потенциал,  μ, eV

-0.256

Глобальный индекс электрофильности, ω, eV

0.285

Химическая мягкость,  s, eV

4.347

Дипольный момент, Debye

3.432

Поляризуемость (α), a.u.

134.878

E(UB3LYP), Hartree

-673.092

E (Thermal), kcal/mol

188.553-

Теплоемкость (Cv), cal/mol-kelvin

58.999

Энтропия (S), cal/mol-kelvin

137.442

 

 

Рисунок 11. LUMO Орбитали хлорида  1-(2-оксо-2-(пентан-2-илокси)этил)пиридин-1-иума

 

Рисунок 12. LUМО-орбитали хлорида 1-(2-оксо-2-(пентан-2-илокси)этил)пиридин-1-

 

Заключение

Пиридин, н-бутилморфолин, диэтиланилин, диметиланилин, диэтиленоламин, диметилбензиламины из третичных аминов использовались при образовании четвертичных солей. По результатам экспериментов была сравнена реакционная способность третичных аминов, и мы расположили их в следующем порядке.

(CH3)2NCH2C6H5>(C2H5)2NC6H5>(CH3)2NC6H5>C5H5N>C8H17NO>(C2H5)2NC2H4HO

 

Список литературы:

  1. Elyor Berdimurodov, Abduvali Kholikov, Khamdam Akbarov, Guobao Xu, Aboubakr M. Abdullah, Morteza Hosseini, New anti-corrosion inhibitor (3ar,6ar)-3a,6a-di-ptolyltetrahydroimidazo[4,5-d]imidazole-2,5(1 h,3h)-dithione for carbon steel in 1 M HCl medium: gravimetric, electrochemical, surface and quantum chemical analyses, Arabian Journal of Chemistry (2020) 13, 7504–7523. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2020.08.025
  2. A.R. Shahmoradi, M. Ranjbarghanei, A.A. Javidparvar, L. Guo, E. Berdimurodov, BahramRamezanzadeh, Theoretical (atomic-DFT&molecular-MD), surface/electrochemical investigations of walnut fruit green husk extract as effective-biodegradable corrosion mitigating materials of a steel electrode in 1M HCl electrolyte, Journal of Molecular Liquids 338 (2021) 116550. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.116550
  3. Elyor Berdimurodov, Abduvali Kholikov, Khamdam Akbarov, Lei Guo, Inhibition properties of 4,5-dihydroxy-4,5-di-p-tolylimidazolidine-2-thione for use on carbon steel in an aggressive alkaline medium with chloride ions: Thermodynamic, electrochemical, surface and theoretical analyses, Journal of Molecular Liquids 327 (2021) 114813. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2020.114813
  4. Dakeshwar Kumar Verma, MohsinKazi, Mohammed S. Alqahtani, Rabbani Syed, Elyor Berdimurodov, Savas Kaya, Rajae Salim, Ashish Asatkar, Rajesh Haldhar, N–hydroxybenzothioamide derivatives as green and efficient corrosion inhibitors for mild steel: Experimental, DFT and MC simulation approach, Journal of Molecular Structure 1241 (2021) 130648. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2021.130648
  5. Elyor Berdimurodov, Abduvali Kholikov, Khamdam Akbarov, Lei Guo, Aboubakr M. Abdullah, Mustafa Elik, A gossypol derivative as an efficient corrosion inhibitor for St2 steel in 1 M HCl + 1 M KCl: An experimental and theoretical investigation, Journal of Molecular Liquids 328 (2021) 115475. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.115475
  6. Mohamed Rbaaa, Asmaa Oubihi, Halima Hajji, Burak Tüzünd, Abdelhadi Hichar, El Hassane Anouar, Elyor Berdimurodov, Mohammed Aziz Ajana, Abdelkader Zarrouk, Brahim Lakhrissi, Synthesis, bioinformatics and biological evaluation of novel pyridine based on 8-hydroxyquinoline derivatives as antibacterial agents: DFT, molecular docking and ADME/T studies, Journal of Molecular Structure 1244 (2021) 130934. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2021.130934
  7. Elyor Berdimurodov, Abduvali Kholikov, Khamdam Akbarov, I.B. Obot, Lei Guo, Thioglycoluril derivative as a new and effective corrosion inhibitor for low carbon steel in a 1 M HCl medium: Experimental and theoretical investigation, Journal of Molecular Structure 1234 (2021) 130165. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2021.130165
  8. Dilfuza Nuriddinova, Farkhod Yusupov, Elyor Berdimurodov, Normahmat Yodgorov and Murod Mamanazarov, Adsorption Equilibrium, Kinetics, Thermodynamics and Dynamic Separation of Magnesium and Calcium Ions from Industrial Wastewater by New Strong Acid Cation Resin of SPVC, Pak. J. Anal. Environ. Chem. Vol. 22, No. 1 (2021) 127 – 138. http://doi.org/10.21743/pjaec/2021.06.13
  9. E. Berdimurodov, A. Kholikov, K. Akbarov, L. Guo, Experimental and theoretical assessment of new and eco–friendly thioglycoluril derivative as an effective corrosion inhibitor of St2 steel in the aggressive hydrochloric acid with sulfate ions, Journal of Molecular Liquids 335 (2021) 116168. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2021.116168
  10. Akhror Yarkulov, Bakhrom Umarov, Feruza Rakhmatkarieva, NuritdinKattaev, Khamdam Akbarov, Elyor Berdimurodov, Diacetate Cellulose-Silicon Bionanocomposite Adsorbent for Recovery of Heavy Metal Ions and Benzene Vapours: An Experimental and Theoretical Investigation, Biointerface Res. Appl. Chem., Volume 12, Issue 3, 2022, 2862 – 2880. https://doi.org/10.33263/BRIAC123.28622880
  11. BahgatRadwan, A., Mannah, C.A., Sliem, M.H. et al. Electrospun highly corrosion-resistant polystyrene–nickel oxide superhydrophobicnanocomposite coating. J ApplElectrochem (2021). https://doi.org/10.1007/s10800-021-01603-8
  12. Berdimurodov, E., Akbarov, K., Kholikov, A., 2019. Electrochemical frequency modulation and reactivation investigation of thioglycolurils in strong acid medium. Adv. Mater. Res. 1154, 122–128.
  13. Berdimurodov, Elyor, Wang, J., Kholikov, Abduvali, Akbarov, Khamdam, Burikhonov, Bakhtiyor, Umirov, Nurbik, 2016. Investigation of a new corrosion inhibitor cucurbiturils for mild steel in 10% acidic medium. Adv. Eng. Forum, Trans Tech Publ. 18, 21.
  14. Berdimurodov, Elyor, Kholikov, Abduvali, Akbarov, Khamdam, Nakhatov, Innat, KhJurakulova, Nigora, Umirov, Nurbek, 2017. Adsorption isotherm and SEM investigating of cucurbit [n]urils based corrosion inhibitors with gossypol for mild steel in alkaline media containing chloride ions. Adv. Eng. Forum, Trans Tech Publ. 23, 13.
  15. Berdimurodov, Elyor, Kholikov, Abduvali, Akbarov, Khamdam, Nuriddinova, D., 2018. Polarization resistance parameters of anti-corrosion inhibitor of cucurbit [N] urils and thioglycolurils in aggressive mediums. Adv. Eng. Forum, Trans Tech Publ. 26, 74.
  16. E. N. Khurramov, A. K. Abdushukurov, D. M. Buriyeva, E. T. Berdimurodov, & I. Nakhatov, Synthesis of new amides based on the n-hydroxyacetylation of ptoluidine, International Journal of Mechanical and Production Engineering Research and Development, Vol. 10, Issue 3, Jun 2020, 6001–6016.
  17. Bakhtiyor Burikhonov, Tursinali Kholikov, Elyor Berdimurodov, Habibulla Tajimuhamedov & Shahabuddin Memon, Synthesis of new quaternary ammonium salts based on monochloroacetic acid esters, International Journal of Mechanical and Production Engineering Research and Development, Vol. 10, Issue 3, Jun 2020, 6017–6034. 
Информация об авторах

доктор философии по химии. Каршинский государственный университет, Республика Узбекистана, г. Карши

Doctor of Philosophy in Chemistry Karshi State University, Republic of Uzbekistan, Karshi

доктор. хим. наук, доцент, Национальный университет Узбекистана имени Мирзо Улугбека, 100174, Узбекистан, г. Tашкент

Doctor of Chemical Sciences, Senior Lecturer, National University of Uzbekistan named after Mirzo Ulugbek, Uzbekistan, Tashkent, Tashkent

канд.хим. наук, доцент, Национальный университет Узбекистана им. Мирзо Улугбека, Республика Узбекистана, г. Ташкент

Candidat of chemical Sciences, assistant professor National Uzbekistan named after Mirzo Ulugbek, Republic of Uzbekistan, Tashkent

Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор), регистрационный номер ЭЛ №ФС77-55878 от 17.06.2013
Учредитель журнала - ООО «МЦНО»
Главный редактор - Ларионов Максим Викторович.
Top