芳香化合物在纖維素衍生物/離子液體毛細(xì)管色譜柱上的定量結(jié)構(gòu)-色譜保留相關(guān)性研究

徐水興，施介華,2

（1.浙江工業(yè)大學(xué)藥學(xué)院，浙江 杭州 310014;2.浙江工業(yè)大學(xué)綠色化學(xué)合成技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，浙江 杭州 310014）

定量結(jié)構(gòu)-色譜保留相關(guān)關(guān)系（Quantitative structure-Retention relationship,QSRR）是一種研究溶質(zhì)分子結(jié)構(gòu)與色譜保留數(shù)值間定量關(guān)系的方法，是建立在化合物結(jié)構(gòu)與其色譜保留參數(shù)之間具有相關(guān)性，經(jīng)統(tǒng)計(jì)擬合方法建立分子結(jié)構(gòu)描述參數(shù)與其性質(zhì)之間的定量關(guān)系，從而研究色譜保留機(jī)理和預(yù)測色譜分離可能性。它已逐漸成為色譜學(xué)的一個(gè)分支領(lǐng)域，在色譜基礎(chǔ)理論研究中占有重要地位，已引起廣大學(xué)者的關(guān)注[1-2]。

QSRR 研究中，常用于表征分子結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)有：物理化學(xué)參數(shù)、拓?fù)渲笖?shù)和量子化學(xué)參數(shù)等[3-5]。建立相關(guān)模型的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法有：多元線性回歸（multiple linear regression,MLR）、逐步回歸（stepwise multiple regression,SMR）、偏最小二乘法（partial least squares,PLS）等[6-8]。本文研究芳香化合物在CTPC/[OcMIM]BF4毛細(xì)管色譜柱上保留機(jī)理，運(yùn)用量子化學(xué)中密度泛函理論（DFT）在B3lyp 6-311G 基組水平上計(jì)算芳香化合物分子結(jié)構(gòu)描述參數(shù)，運(yùn)用逐步回歸的分析方法建立化合物定量結(jié)構(gòu)-色譜保留之間的QSRR模型，并從超熱力學(xué)角度討論芳香化合物的保留機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與材料

GC7890F 氣相色譜儀（上海天美科學(xué)儀器有限公司）；超越2000P 色譜工作站（浙江省科學(xué)器材公司）；石英毛細(xì)管（河北永年銳灃色譜器件有限公司）。

CTPC 和[OcMIM]BF4由浙江工業(yè)大學(xué)催化加氫研發(fā)基地提供。

其他有機(jī)試劑均為分析純。

1.2 色譜柱的制備

采用靜態(tài)涂漬法[9]制備了CTPC/[OcMIM]BF4毛細(xì)管柱（15 m× 0.25 mm i.d.,0.28 m），以萘為標(biāo)準(zhǔn)品，在120 ℃下測得其理論塔板數(shù)為1973塊/m。

1.3 保留參數(shù)的測定

芳香化合物保留參數(shù)測定的色譜條件為：柱溫110 ℃，載氣（N2），流速0.5 mL/min（分流比為90:1），氣化溫度和檢測溫度均為300 ℃。在此色譜條件下，測定各芳香化合物的保留時(shí)間（tR），并按下式計(jì)算其容量因子（k）。式中，tM為死時(shí)間，通過Peterson-Hirsch 方法測定。其結(jié)果如表1 所示。

1.4 分子結(jié)構(gòu)描述參數(shù)

運(yùn)用Chemoffice 軟件完成芳香化合物分子結(jié)構(gòu)構(gòu)建和構(gòu)象，并用MOPAC 6.0 對(duì)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行初優(yōu)化，然后用Gaussian 09 軟件包中DFT 程序（B3lyp6-311G 基組）進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，至Hessian 矩陣分析無虛頻率。獲取分子結(jié)構(gòu)描述參數(shù)：DIP（分子總體偶極距）、EHOMO（最高分子占有軌道能量）、ELUMO（最低分子空軌道能量）、ElcE（電子總能量）、TE（分子總能量）、GE（吉布斯自由能）、HF（生成熱）、logP（疏水性參數(shù)）、MR（摩爾折射率）。獲取各溶質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)描述參數(shù)列于表1。

表1 探針分子的結(jié)構(gòu)描述參數(shù)及其保留數(shù)值Table 1 Molecular structure description parameters and retention values for the selected probe molecules

2 結(jié)果與討論

2.1 QSRR 模型的建立

為了評(píng)價(jià)所選擇的分子結(jié)構(gòu)描述參數(shù)的適用性，對(duì)所有分子結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行皮爾遜相關(guān)分析，其結(jié)果如表2 所示。從表2 中可以得知，ELUMO、ElcE、TE、HF 與其他參數(shù)之間存在著顯著相關(guān)性。因此，在擬合分析時(shí)可舍去這些參數(shù)。

表2 分子結(jié)構(gòu)描述參數(shù)的相關(guān)系數(shù)矩陣Table 2 Correlation coefficient matrix of molecular structure description parameters for the selected probe molecules

根據(jù)色譜分離原理，溶質(zhì)在色譜柱上的保留行為主要是由溶質(zhì)和固定相之間的相互作用力所決定。將28 個(gè)芳香化合物的容量因子對(duì)數(shù)與其余分子結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行逐步多元線性回歸分析，得芳香化合物在CTPC/[OcMIM]BF4毛細(xì)管色譜柱上的QSRR 模型，即：

式中，n 為樣本個(gè)數(shù)，R 為方程相關(guān)系數(shù)，F(xiàn) 為費(fèi)舍爾系數(shù)。

從QSRR 模型可知，芳香化合物在CTPC/[OcMIM]BF4毛細(xì)管色譜柱上保留主要與溶質(zhì)分子的MR、logP、EHOMO、GE 和DIP 參數(shù)有關(guān)。MR 反映了溶質(zhì)分子參與分子色散力的能力，logP 體現(xiàn)了溶質(zhì)分子與固定相之間的疏水作用，EHOMO與GE 表示電荷傳遞作用，DIP 表示誘導(dǎo)力大小[10]。這表明芳香化合物在CTPC/[OcMIM]BF4毛細(xì)管色譜柱上的作用力主要有分子色散力、誘導(dǎo)力、氫鍵作用及疏水作用。此外，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，各參數(shù)項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)絕對(duì)值大小順序?yàn)镸R（0.600）>logP（0.576）>DIP（0.452）>EHOMO（0.439）>GE（0.277），表明相互作用力順序?yàn)樯⒘?疏水作用>誘導(dǎo)力>氫鍵作用。

同時(shí)，為了評(píng)估QSRR 模型的穩(wěn)定性與可靠性，對(duì)參與回歸樣本的色譜保留值進(jìn)行了留一法交叉檢驗(yàn)（leave one out）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)沒有出現(xiàn)異常值，表明此QSRR 模型具有較好的穩(wěn)定性。

2.2 色譜保留值的預(yù)測

為了評(píng)估QSRR 模型的適用性，將通過所建立的QSRR 模型計(jì)算得到的預(yù)測值logkpred 與實(shí)驗(yàn)值logkex 進(jìn)行相關(guān)分析，其結(jié)果如圖1 所示。從圖1 可知，兩者間具有良好的線性相關(guān)性，這表明預(yù)測結(jié)果能較好地反映實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以用于未知物保留數(shù)值的預(yù)測。進(jìn)一步說明所建立的QSRR 模型是一個(gè)合適的模型。

圖1 實(shí)驗(yàn)值logkex 與預(yù)測值logkpred 關(guān)聯(lián)圖Fig.1 Plot of the logkex versus the logkpred

3 結(jié)論

以系列芳香化合物為研究對(duì)象，運(yùn)用量子化學(xué)中的MOPAC 和B3lyp6-311G 進(jìn)行了分子結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而獲取溶質(zhì)分子結(jié)構(gòu)描述參數(shù)，建立了芳香化合物在CTPC/[OcMIM]BF4毛細(xì)管氣相色譜柱上的容量因子對(duì)數(shù)與溶質(zhì)分子結(jié)構(gòu)描述參數(shù)之間的QSRR 模型。結(jié)果表明，芳香化合物在兩色譜柱上的保留與溶質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)描述參數(shù)MR、logP、EHOMO、GE 和DIP 具有良好的多元線性關(guān)系。溶質(zhì)分子與固定相間的相互作用力主要有色散力、誘導(dǎo)力、氫鍵作用及疏水作用。而且所建立的QSRR 模型具有良好的穩(wěn)定性和預(yù)測能力。

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