多溴聯(lián)苯醚氣相色譜相對(duì)保留時(shí)間的定量結(jié)構(gòu)－活性關(guān)系

吳志淵，薛秀玲，邱其俊

（華僑大學(xué) 化工學(xué)院，福建 廈門(mén)361021）

多溴聯(lián)苯醚（PBDEs）是一組溴原子數(shù)不同的聯(lián)苯醚混合物，有209種同系物.因其阻燃率高、熱穩(wěn)定性好，常被作為溴系阻燃劑，廣泛應(yīng)用于化工、電器電子設(shè)備、家具等產(chǎn)品中［1－3］.目前，PBDEs已在各種基質(zhì)，如沉積物、空氣、水、哺乳動(dòng)物、人血漿和母乳中被檢出，引起人們廣泛的關(guān)注［4－5］.PBDEs的分析方法主要為氣相色譜法和氣相色譜－質(zhì)譜法聯(lián)用.相對(duì)色譜保留時(shí)間（RRT）是色譜定性非常重要的熱力學(xué)參數(shù).在一定溫度下，RRT 為常數(shù)，與色譜柱長(zhǎng)度及內(nèi)徑等無(wú)關(guān)，由化合物和固定相之間的弱作用力決定.PBDEs屬弱極性分子，主要作用力表現(xiàn)為色散力.影響色散力的主要結(jié)構(gòu)因素是分子大小和空間形狀.分子的體積越大，其變形性越大，相應(yīng)瞬間偶極越強(qiáng)，其與固定相之間的色散力越大［6］，即RRT值越大.色散力主要由溶質(zhì)分子中原子的凈電荷、分子偶極矩、分子前線軌道能量等結(jié)構(gòu)參數(shù)決定［7］.目前，已有眾多學(xué)者對(duì)PBDEs的分子結(jié)構(gòu)與其RRT 值的關(guān)系進(jìn)行研究［8－11］.本文擬采用密度泛函理論算法中的B3LYP方法，運(yùn)用Gaussian 03W 及偏最小二乘法（PLS）建立PBDEs與其RRT 的分子結(jié)構(gòu)參數(shù)的定量結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系（QSAR），并對(duì)126種已知PBDEs和83種未知PBDEs的RRT 值進(jìn)行預(yù)測(cè).

1 材料與方法

1.1 RRT文獻(xiàn)值的選取

209種PBDEs的RRT 數(shù)據(jù)，如表1所示.表1中：126種PBDEs的RRT 實(shí)驗(yàn)值取自Peter等［8］的實(shí)驗(yàn)工作；其他83種為待測(cè)RRT 值的PBDEs.

1.2 量子化學(xué)參數(shù)選取

采用Hyper Chem 軟件構(gòu)圖，應(yīng)用量子化學(xué)軟件包Gaussian 03W 在B3LYP／6－31＊G（d）理論水平下對(duì)209種PBDEs分子進(jìn)行無(wú)對(duì)稱(chēng)性限制幾何全優(yōu)化，獲得建模參數(shù).以RRT 為因變量，選擇考察了22個(gè)量子化學(xué)參數(shù)在內(nèi)的23個(gè)自變量：次高占有軌道能量（ENHOMO）；最高占有軌道能量（EHOMO）；最低空軌道能量（ELUMO）；次低空軌道能量（ENLUMO）；電子空間廣度（Re）；分子偶極矩（μ）；分子總能量（ET）；1，1′號(hào)碳原子與氧原子的鍵長(zhǎng)（RC1－O，RO－C1′）；原子的帶電量（QC1，QC2，QC3，QC4，QC5，QC6，QO，QC1′，QC2′，QC3′，QC4′，QC5′，QC6′）.此外，還考察了ELUMO－EHOMO前線軌道能量組合.

1.3 模型的優(yōu)化建立

應(yīng)用Simca－P（version 11.5）進(jìn)行PLS分析建模，采用外部樣本預(yù)測(cè)檢驗(yàn)法對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)，即將126個(gè)已知RRT 的PBDEs樣本數(shù)按5∶1分為模型訓(xùn)練組（105個(gè)）和模型檢驗(yàn)組（21個(gè)）.采用偏最小二乘法進(jìn)行回歸分析，采用截尾的方式選用前h個(gè)成分建立回歸模型，h通過(guò)交叉有效性判別Q2h來(lái)確定.當(dāng)Q2＞0.097 5，該主成分有意義；當(dāng)累計(jì)交叉有效性判別系數(shù)＞0.5，模型預(yù)測(cè)可靠性較好.綜合采用Q2cum與擬合相關(guān)系數(shù)平方R2cum來(lái)評(píng)價(jià)模型的優(yōu)劣，在建模過(guò)程中剔除對(duì)建模無(wú)貢獻(xiàn)作用的變量，以提高QSAR 模型的預(yù)測(cè)能力和擬合效果.PBDEs的RRT 實(shí)驗(yàn)值（RRTexp）和預(yù)測(cè)值（RRTth），如表1所示.表1中：＊為模型訓(xùn)練組的樣本；＃為模型檢驗(yàn)組的樣本；未標(biāo)符號(hào)的為待預(yù)測(cè)樣本；殘差為實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值之差.

表1 PBDEs的RRT 實(shí)驗(yàn)值和預(yù)測(cè)值Tab.1 Experimental and predicted values of the RRT of PBDEs

續(xù)表Continue table

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續(xù)表Continue table

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2 結(jié)果與分析

2.1 模型的建立

模型擬合參數(shù)，如表2所示.表2中：實(shí)驗(yàn)樣本與有效成分的比例為5∶1，105個(gè)樣本選取第3個(gè)有效成分，即h3.由表2可知：該模型的Q2cum為0.931，遠(yuǎn)大于0.5，包含了48.7%自變量R2X（cum）的變異信息，對(duì)因變量R2Y（cum）的解釋能力高達(dá)96.0%；模型的均方根誤差RMSEE 為0.044（RMSEE 越接近0，模型的準(zhǔn)確性越高），說(shuō)明模型具有較好的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性.

表2 模型擬合參數(shù)Tab.2 Fitting results of the model

2.2 模型的驗(yàn)證

將模型檢驗(yàn)組帶入模型，實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的殘差范圍為－0.060～0.166，說(shuō)明所建模型預(yù)測(cè)能力較強(qiáng).將126個(gè)已知樣本的自變量帶入模型，比較其預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值，結(jié)果如表1，圖1（a）所示.

由表1，圖1（a）可知：126種PBDEs的RRT 實(shí)驗(yàn)值（RRTexp）與預(yù)測(cè)值（RRTth）均分布在直線y＝x的兩側(cè)，溴取代數(shù)為2～9時(shí)，殘差范圍為－0.083～0.090，預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性較好.但一溴和十溴取代的PBDEs，例如，BDE－1，BDE－2，BDE－3和BDE－209的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值偏離較大，殘差范圍為0.153～0.168.文獻(xiàn)［10］研究表明：一溴和十溴取代的PBDEs的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的殘差較大（0.093～0.134），如圖1（b）所示.這可能是模型所含一溴和十溴的樣本個(gè)數(shù)較少（3個(gè)和1個(gè)），從而影響模型的預(yù)測(cè)結(jié)果［12］.

將83種未知的PBDEs的量子化學(xué)參數(shù)帶入文中模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，其與文獻(xiàn)［10］的對(duì)比結(jié)果，如表1，圖1（c）所示.由圖1（c）可知：除BDE－54的預(yù)測(cè)值偏差較大，兩種模型對(duì)82種PBDEs的RRT 預(yù)測(cè)值相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)R2為0.970.BDE－54為2，2′，6，6′位Br對(duì)稱(chēng)取代的PBDEs，由于溴的取代可能會(huì)使PBDEs分子平面發(fā)生扭轉(zhuǎn)，2，2′或6，6′位處于兩個(gè)苯環(huán)平面的中間，該位置是否被溴原子取代對(duì)PBDEs分子的平面結(jié)構(gòu)影響較大，從而影響B(tài)DE－54的色譜行為，可能導(dǎo)致兩種模型預(yù)測(cè)結(jié)果具有一定的偏差.BDE－54準(zhǔn)確的RRT 值還有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

圖1 PBDEs的RRT 預(yù)測(cè)與驗(yàn)證Fig.1 Predicted and verified values of the RRT of PBDEs

2.3 RRT影響因素的分析

以RRT 為因變量建立的模型，如表3所示.表3列出了該模型的自變量（x）在方程中對(duì)應(yīng)的系數(shù)（a）及相應(yīng)的變量投影性指標(biāo)值（VIP）.所得回歸模型為

式（1）中：x對(duì)應(yīng)表3中的自變量；a為各自變量對(duì)應(yīng)的系數(shù)；C為常數(shù).

表3 自變量在模型方程中的系數(shù)及其VIP值Tab.3 Variable importance in projection and variable coefficient in the model equation

在PLS建模中，VIP是一個(gè)反應(yīng)自變量重要性相對(duì)大小的參數(shù)，自變量的VIP值越大，該自變量對(duì)因變量的影響越大.由表3可知：ET，ENLUMO，Re，ELUMO的VIP值分別為1.858，1.741，1.719，1.712，遠(yuǎn)高于其他自變量的VIP值，說(shuō)明這4個(gè)自變量對(duì)PBDEs的RRT 有著重要的控制作用.

在色譜分配過(guò)程中，溶質(zhì)在流動(dòng)相和固定相間的分配，是溶質(zhì)分子和兩個(gè)相中分子間的作用力所致，會(huì)影響其RRT 值.這些作用力包括偶極間定向作用，誘導(dǎo)，氫鍵和電子對(duì)供體－電子對(duì)受體作用等.

ET在一定程度上可以反映分子的體積，體積越大，越趨向于弱極性的有機(jī)相中［13］，在有機(jī)相中的停留時(shí)間越長(zhǎng)，其RRT 值越大.一溴取代至十溴取代的PBDEs的ET（平均值）分別為－3 109，－5 680，－8 251，－10 822，－13 394，－15 965，－18 536，－21 107，－23 678，－26 249eV·mol－1，其RRT（平均值）分別為0.097，0.135，0.205，0.307，0.437，0.581，0.718，0.858，1.005，1.171.由此可知：隨著溴取代數(shù)的增多，ET越低，分子體積越大，溶質(zhì)同固定相的作用力增大，RRT 呈上升趨勢(shì).

Re是算式∫r2ρ（r）d（3r）中算符ρ的特征值，在同系物中可用于表征不同分子間分子體積的大小關(guān)系.分子體積越大，分子與分子間的非反應(yīng)性色散作用越強(qiáng)，從而導(dǎo)致其在色譜固定相中的保留時(shí)間延長(zhǎng)［10］，即RRT 增大.由表1可知：PBDEs的同分異構(gòu)體中，溴在醚鍵的鄰位取代（即取代位置為2，2′，6或6′）時(shí)，其相應(yīng)的RRT 較小，且鄰位取代數(shù)越多，其Re，RRT 越小.如二溴取代同系物中BDE－10（2，6），BDE－4（2，2′），BDE－11（2，3′），BDE－13（3，4′）的Re分別約為5 017，5 306，9 754，10 848，RRT 分別約為0.123，0.133，0.137，0.142.Sierra等［12］用46種PBDEs的鄰位（o－）、間位（m－）、對(duì)位（p－）的取代基及偶極距（μ）和分子量的自然對(duì)數(shù)（ln MW）等分子描述符建立其RRT 的模型，其結(jié)果表明：同系物中鄰位取代數(shù)越多，其RRT 越小.曾小蘭等［14］的研究表明：PBDEs同類(lèi)物中溴在醚鍵的鄰位取代，會(huì)引起2個(gè)苯環(huán)之間的扭轉(zhuǎn)，減弱它們的共平面性，引起不同PBDEs分子的體積差異，即所謂的“鄰位效應(yīng)”.這說(shuō)明PBDEs的同分異構(gòu)體中，Br的鄰位取代數(shù)越多，分子的體積越小，其變形性越大，相應(yīng)瞬間偶極越強(qiáng)，其與固定相之間的色散力越弱，其RRT 越小.

氫鍵是由價(jià)鍵和靜電的貢獻(xiàn)組成.EHOMO反映分子與其他分子作用時(shí)給出電子的能力，ELUMO反映分子在形成氫鍵時(shí)給出質(zhì)子或接受電子的能力，ENLUMO反映分子進(jìn)一步接受電子形成氫鍵的能力.ELUMO越低時(shí)，PBDEs通過(guò)色譜柱時(shí)氫鍵和電荷轉(zhuǎn)移的作用越大，RRT 值越大［15］.分子的色散力隨分子間的距離增大而減小，ELUMO－EHOMO與分子的半徑有關(guān)，其值越大，分子間的距離越大，色散力越?。?3］，RRT 越小.BDE－54為2，2′，6，6′取代，其ELUMO值（－0.153 71）最小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他208種PBDEs的ELUMO值（最小為－0.080 52），其形成氫鍵的能力最強(qiáng)，即分子之間有很強(qiáng)的氫鍵作用.因此，RRT 值（1.036）較大.

表2中：ELUMO－EHOMO，Re，EHOMO的系數(shù)為負(fù)，ET，ENLUMO，ELUMO的系數(shù)為正，說(shuō)明PBDEs同系物隨著ET，ENLUMO，ELUMO的增大，或隨著ELUMO－EHOMO，Re，EHOMO的減小，PBDEs的RRT 隨之增大.

3 結(jié)束語(yǔ)

文中所建模型的累計(jì)交叉有效判別系數(shù)Q2cum為0.931，擬合相關(guān)系數(shù)平方R2Y（cum）為0.960，具有較強(qiáng)的預(yù)測(cè)能力.研究發(fā)現(xiàn)，ET，ENLUMO，ELUMO，Re對(duì)PBDEs的RRT 有著重要的影響.隨著ET的減小，Re的增大，分子的體積也隨之增大，分子與分子間的非反應(yīng)性色散作用越強(qiáng)，RRT 也越大；ENLUMO，ELUMO越低，分子在形成氫鍵時(shí)接受電子的能力越強(qiáng)，色散力越強(qiáng)，故RRT 越大.

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