Способ прогнозирования газохроматографических индексов удерживания соединений класса о- алкилалкилфторфосфонатов

Способ прогнозирования газохроматографических индексов удерживания соединений класса о- алкилалкилфторфосфонатов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к исследованию или анализу материалов путем определения их химических или физических свойств, конкретно путем разделения на составные части (компоненты) с использованием адсорбции, абсорбции или подобных процессов, например, хроматографии или масс-спектрометрического детектирования.

Изобретение может быть использовано для хроматографической и хромато-масс-спектрометрической идентификации контролируемых соединений класса O-алкилалкил-фторфосфонатов (ОААФФ) в рамках мероприятий по выполнению Конвенции о запрещении разработки, производства, накопления и применения химического оружия и о его уничтожении (далее Конвенция) /Конвенция о запрещении разработки, производства, накопления и применения химического оружия и о его уничтожении. - М.: Комитет по конвенциальным проблемам химического и биологического оружия при Президенте Российской Федерации, 1994 - 133 с./.

Актуальность разработки обусловлена отсутствием полного массива экспериментальных значений индексов удерживания (ИУ) изомеров класса ОААФФ, включенных в Список 1 перечня Конвенции и подлежащих контролю в разных матрицах объектов окружающей среды.

Известные способы прогнозирования газохроматографических индексов удерживания условно можно разделить на две группы. Способы первой группы основаны на поиске количественных соотношений структура-свойство с применением методов математической статистики и машинного обучения для построения моделей с использованием различных молекулярных фрагментов. Известные параметры характеризуют отдельные фрагменты молекул. В то же время из этих фрагментов можно построить новую молекулу. Основным недостатком этих способов является то, что из фрагментов складывают не реальную, а приближенную геометрическую структуру. В этом случае учесть тонкие внутримолекулярные влияния можно только путем введения специальных, причем достаточно произвольных поправок на разного рода эффекты /Буряк А.К. Применение молекулярно-статистических методов расчета термодинамических характеристик адсорбции при хромато-масс-спектрометрической идентификации органических соединений [Текст] / А.К. Буряк // Журн. «Успех химии». - 2002. - Т.71. - №8.- С.788-800/.

Способы второй группы используют аддитивные схемы на основе классической теории строения молекул. Общий способ аддитивных схем для оценки индексов удерживания может быть описан уравнением (1) /Уколов А.И. Установление структуры изомерных продуктов алкилирования аренов с использованием аддитивных схем оценки газохроматографических индексов удерживания [Текст] / А.И. Уколов, И.Г. Зенкевич // СПб.: Вестник. - 2011. - Сер. 4. - Вып.1. - С.83-93/:

где ИУ₀ - индекс удерживания «базового» соединения, которое берется за основу при дальнейших преобразованиях структуры;

ΔИУ_i, - инкремент газохроматографического индекса удерживания, соответствующий каждому из таких преобразований структуры.

Одной из разновидностей аддитивных схем является модифицированная, или «безын-крементная» схема, которая позволяет максимально точно учесть структурные особенности соединения. Модифицированная аддитивная схема позволяет прогнозировать индексы удерживания предполагаемых структур искомых соединений, а затем сравнивать полученные значения с экспериментальными /Груздев И.В. Газохроматографическая идентификация хлор- и бромзамещенных анилинов по индексам удерживания [Текст] / И.В. Груздев, М.В. Алферова, Б.М. Кондратенок [и др.] // ЖАХ. - 2011. - Т.66. - №5. - С.519-524/.

Данный вариант аддитивных схем основан на аналогии методов расчета со схемами гипотетической «сборки» молекулярных структур характеризуемых соединений из более простых аналогов. Для этого из базы данных выбирают охарактеризованные индексами удерживания структуры (АВС и BCD), максимально полно отражающие структуры искомого соединения (ABCD), и вычитают дублирующие друг друга фрагменты (ВС):

На схеме видно, что изобутан подлежит вычитанию. С числовыми значениями индексов удерживания при этом производят соответствующие арифметические действия. Если ABCD=АВС+BCD-ВС, то ИУ(ABCD)=ИУ(АВС)+ИУ(BCD)-ИУ(ВС). Такой способ исключает необходимость предварительного расчета инкрементов и позволяет оптимизировать выбор исходных структур по критерию их наилучшего соответствия характеризуемым структурам. Он предполагает доступность справочных значений ИУ выбранных простых аналогов, причем следует избегать многостадийных схем «сборки», так как это приводит к снижению надежности получаемых оценок /Zenkevich I.G. New Version of an Additive Scheme for the Prediction of Gas Chromatographic Retention Indices of the 211 Structural Isomers of 4-Nonylphenol [Текст] / I.G. Zenkevich, A.A. Makarov, S. Shrader [и др.] // J. Chromtogr. - 2009. - Vol.1216. - P.4097-4106/.

Недостатком данного способа прогнозирования значений ИУ ОААФФ с использованием предельных углеводородов является то, что одна и та же структура алкана может быть применена для прогнозирования двух разных по типу разветвления соединений. В таком случае невозможно учесть разновидность изомеризации углеродного скелета O-алкильного радикала в молекуле ОААФФ, что, в свою очередь, приводит к серьезным ошибкам при прогнозировании значений ИУ.

К разновидности модифицированной аддитивной схемы можно отнести способ, основанный на преобразовании симметрии структуры молекулы. Если какой-либо атом В молекулы, выбранный в качестве центра симметрии, имеет два разных молекулярных фрагмента А и С, то рассматриваемая молекула представляет собой несимметричную структуру относительно выбранного центра симметрии. При наличии одинаковых молекулярных фрагментов при центре симметрии В имеет место симметричная структура. Несимметричная структура молекулы АВС может быть преобразована в две симметричные молекулы: АВА и СВС. При этом имеет место соотношение: АВС=СВС+АВА-АВС, соответственно АВС=(СВС+АВА)/2. Индексы удерживания несимметрично замещенных соединений могут быть вычислены на основе известных индексов удерживания симметрично замещенных аналогов по уравнению /Вернен Г.А. ЭВМ помогает химии [Текст] / Г.А. Вернен, М.В. Шано. - М.: Наука, 1990. - 362 с./:

где ИУ_(АВС) - индекс удерживания несимметрично замещенного соединения, у.е.;

ИУ_(АВА), ИУ_(СВС) - индексы удерживания симметрично замещенных соединений, у.е.

Этот способ является ближайшим из аналогов настоящего изобретения.

Изомеры ОААФФ содержат в своем составе молекулярные фрагменты различного строения (F, О-Alkil, Alkil) относительно атома фосфора. Если в молекуле ОААФФ атом фосфора рассматривать в качестве центра симметрии, то изомеры ОААФФ можно отнести к несимметричным структурам и для прогнозирования их значений ИУ необходимо будет использовать симметричные соединения, относящиеся к различным фосфорорганическим рядам: дифторалкилфосфонатам (ДФАФ) и O,O-диалкилалкифосфонатам (ООААФ):

Поскольку отсутствуют справочные значения индексов удерживания для указанных соединений, ДФАФ и ООААФ, а их синтез и экспериментальное определение ИУ связаны с большими материальными и трудозатратами, то применение способа прогнозирования значений ИУ по симметрии структуры относительно атома фосфора как центра симметрии для изомеров ОААФФ затруднено.

Задача настоящего изобретения заключается в совершенствовании способа прогнозирования на основе аддитивной схемы газохроматографических индексов удерживания соединений класса ОААФФ в зависимости от строения O-алкильного радикала.

Решение поставленной задачи предполагает технический результат, заключающийся в повышении достоверности и объективности прогнозирования индексов удерживания соединений класса ОААФФ.

Поставленная задача решается тем, что в способе прогнозирования газохроматографических индексов удерживания соединений класса O-алкилалкилфторфосфонатов на основе аддитивной схемы, заключающемся в преобразовании соединения несимметричной структуры в два соединения симметричной структуры относительно выбранного центра симметрии и в определении индекса удерживания как полусуммы индексов удерживания соединений симметричных структур, согласно предлагаемому техническому решению в качестве центра симметрии соединения класса O-алкилалкилфторфосфонатов выбирают такой атом углерода в O-алкильном радикале, в разветвлении которого находятся два различных алкильных фрагмента или алкильный фрагмент и атом водорода; далее производят структурные преобразования соединения в два соединения того же класса, O-алкилалкилфторфосфонатов, симметричной структуры относительно выбранного атома углерода, используя лишь эти фрагменты и не подвергая структурному изменению остальную часть молекулы.

При разработке способа прогнозирования ИУ использовались экспериментальные данные и данные, представленные в справочной базе данных Организации по запрещению химического оружия /OPCW Central Analytical Database, PDF-OCAD v.8, e-OCAD v.6, Technical Secretariat of the Organisation for the Prohibition of Chemical Weapons. December 2004/.

В предлагаемом изобретении при расчете значений ИУ изомеров ряда ОААФФ мы предлагаем считать центром симметрии любой углеродный атом в O-алкильном радикале, относительно которого в разветвлении находятся два молекулярных фрагмента. Тогда симметричными будут называться те изомеры, у которых в разветвлении углеродного скелета в O-алкильном радикале у одного и того же углеродного атома находятся два молекулярных фрагмента с идентичной структурой. Так, например, O-изопропильный радикал будет относиться к симметричным изомерам за счет того, что два метальных радикала (-СН₃) находятся у первого углеродного атома, непосредственного связанного с кислородом. Если же у первого углеродного атома присутствуют разные по структуре алкильные радикалы (-СН₃, -C₂H₅, и т.д.), то исследуемая молекула обладает несимметричным O-алкильным радикалом.

Схема структурных преобразований изомеров ОААФФ для расчета значений ИУ по уравнению (2) представлена на фигуре 1.

Рассматриваемый способ прогнозирования ИУ можно описать следующим образом: если ABCD=АВСС+ABDD-ABCD, и, соответственно, ABCD=(АВСС+ABDD)/2, то ИУ(ABCD)=[ИУ(АВСС)+ИУ(ABDD)]/2, что, в свою очередь, не противоречит уравнению (2). В нашем случае символ «А» в описании молекулы «ABCD» соответствует алкилфторфосфоновому фрагменту, который не меняется, а символ «В» - углеродному атому O-алкильного радикала, находящемуся в α - положении по отношению к кислороду и выбранному в качестве центра симметрии в O-алкильном радикале.

В то же время, преобразовывая уравнение (2), можно решать обратную задачу, когда необходимо рассчитать значение ИУ соединения с симметричной структурой. В этом случае уравнение (2) примет следующий вид:

Применение уравнений (2) и (3) позволяет поэтапно рассчитывать значения ИУ для неизвестных изомеров. Для этого на первом этапе по уравнению (3) рассчитываются данные для новой симметрично замещенной структуры. На следующем этапе по уравнению (2) рассчитываются данные с учетом всех симметричных изомеров.

Пример осуществления способа

В качестве примера прогнозирования ИУ изомеров O-алкилметилфторфосфонатов (ОАМФФ) предлагаемым способом рассмотрим соединения: О-1,2-диметилпропилметил-фторфосфонат (ОМПМФФ) и O-2-метилциклогексилметилфторфосфонат (ОМЦГМФФ).

Согласно предлагаемому техническому решению, первой стадией прогнозирования индексов удерживания рассматриваемых соединений является выбор центра симметрии в O-алкильном радикале. Так, в молекуле ОМПМФФ в качестве центра симметрии в O-алкильном радикале выбирают атом углерода в α-положении по отношению к кислороду, в разветвлении которого содержатся водород и два различных алкильных фрагмента.

Схема структурных преобразований этого соединения приведена на фиг.2, а). Рассчитывают значение прогнозируемого индекса удерживания соединения ОМПМФФ как полусумму индексов удерживания симметричных соединений согласно схеме фиг.2, а).

В молекуле ОМЦГМФФ в качестве центра симметрии в O-алкильном радикале выбирают атом углерода в кольце циклогексана, в разветвлении которого содержатся водород и метильный радикал.

Схема структурных преобразований этого соединения приведена на фиг.2, б). Рассчитывают значение прогнозируемого индекса удерживания соединения ОМЦГМФФ как полусумму индексов удерживания симметричных соединений согласно схеме фиг.2, б).

Рассчитанные значения прогнозируемых ИУ несимметричных соединений ОАМФФ, полученные предлагаемым способом, совпадают с экспериментальными данными литературных источников /OPCW Central Analytical Database, PDF-OCAD v.8, e-OCAD v.6, Technical Secretariat of the Organisation for the Prohibition of Chemical Weapons. December 2004/. Предложенный способ прогнозирования значений ИУ может реализовываться для изомеров ОАМФФ с разными по типу строения O-алкильными радикалами как циклического, так и ациклического строения.

Значения индексов удерживания симметричных ОААФФ, необходимые для определения индекса удерживания рассматриваемого несимметричного соединения этого класса, могут быть найдены согласно предлагаемому техническому решению и рассчитаны по выражению (3) при использовании изомеров с α-разветвлением O-алкильного радикала, для которых известны значения индексов удерживания, в качестве исходной несимметрично замещенной структуры. Пример общих структурных преобразований изомеров O-1-изопропил-2-метилпропилалкилфторфосфонатов представлен на фиг.3.

Результаты прогнозирования значений ИУ и отклонения от справочных данных для изомеров O-1-изопропил-2-метилпропилалкилфторфосфонатов представлены в таблице 1.

Результаты расчетов ИУ соединений ряда O-1-изопропил-2-метил-пропилалкилфторфосфонатов и отклонение расчетных значений от справочных данных, приведенные в таблице 1, показывают высокую сходимость (не более 2 единиц индекса).

Последовательно применяя уравнения (3) и (2) нами были определены значения ИУ для изомеров ОАМФФ, имеющих одно разветвление у первого углеродного атома в O-алкильном радикале. Результаты прогнозирования значений ИУ несимметричных изомеров ОАМФФ представлены в таблице 2.

Средняя ошибка прогнозирования для 20 соединений составляет 0,7 ед. индекса, а максимальное отклонение расчетного значения индексов удерживания от справочного составляет 2,5 ед. индекса.

Предложенный способ прогнозирования значений индексов удерживания позволит повысить надежность проведения изомерспецифической идентификации изомеров O-алкилалкилфторфосфонатов в различных матрицах, в том числе в объектах окружающей среды.

Способ прогнозирования газохроматографических индексов удерживания соединений класса O-алкилалкилфторфосфонатов на основе аддитивной схемы, заключающийся в преобразовании соединения несимметричной структуры в два соединения симметричной структуры относительно выбранного центра симметрии и в определении индекса удерживания как полусуммы индексов удерживания соединений симметричных структур, отличающийся тем, что в качестве центра симметрии соединения класса O-алкилалкилфторфосфонатов выбирают такой атом углерода в O-алкильном радикале, в разветвлении которого находятся два различных алкильных фрагмента или алкильный фрагмент и атом водорода; далее производят структурные преобразования соединения в два соединения того же класса, O-алкилалкилфторфосфонатов, симметричной структуры относительно выбранного атома углерода, используя лишь эти фрагменты и не подвергая структурному изменению остальную часть молекулы.