（分析化学专业论文）不同分析方法在气相色谱定量结构保留研究中的应用.pdf

山东人学硕十学待论文 摘要 气液色谱分离是溶质在固定液和载气两相之间的分配行为，由组分与 固定液分子间的作用力所决定，这种作用力是一种较弱的分子帕j 吸引力。 在气相色谱中，当固定相一定时，溶质的保留行为可以用相应的结构参数 进行描述。研究分子定量结构一色谱保留( q s r r ) 的变化规律，实现色谱 过程中保留值的预测，是色谱研究中的重要课题。有意义的q s r r 模型能有 效地预测色谱保留值，为选择最佳分离条件提供理论依据。 工作中计算了有关的结构参数，优选出影响化合物保留行为的主要结 构参数，运用多种数理统计方法，建立了烷基苯类、烷基硝基苯酚类、硫 醇类化合物的结构与色谱保留之间的定量关系。利用各q s r r 方程得到与实 验值较为一致的保留值，并且根据方程确定的参数探讨有关色谱保留的机 理。 整个工作分为四个章节。 第一章为文献综述。通过所引用的1 4 1 篇文献，论述7 q s r r 的发展概 况，q s r r 的研究中常用的结构参数、研究方法和应用，并在此基础上提出 了本工作的基本思路。 第二章研究了烷基苯类化合物的定量结构一色谱保留关系，选择m s 软 件的d i s c o v e r 模块中的c o m p a s s 力场优化4 7 种炕基苯类化合物分子 的几何构型，采用多元线性逐步回归方法将优选出的分子结杠j 参数与烷基 苯类化合物的色谱保留指数进行相关性分析，并与因子分析法得到的描述 符进行对比，最终得到相关性显著的保留模型。在不同极性的固定相上， 所建回归模型选取的参数基本一致说明，对于不同的极性，影响烷基苯类 化合物分离的主要因素也是一致的。 第三章选取3 2 种烷基硝基苯酚类化合物作为研究对象，利用v a m p 模块中的a m i 方法优化分子的几何构型，采用遗传算法将优选出的分子结 构参数与烷基硝基苯酚类化合物的色谱保留指数进行相关性分析，并与多 元线性回归分析得到的结果进行对比，由于遗传算法更适合大样本变量的 拟和，对于烷基硝基苯酚类化合物，使用遗传算法构建的q s r r 方程线性 山承人坝t 彳l q 化义 拟和，对于烷基硝基苯酚类化合物，使用遗传算法构建的q s r r 方程线性 关系更好。 第四章以2 6 种烷基硫醇类化合物作为研究对象，选择m s 软件的 d i s c o v e r 模块中的c o m p a s s 力场优化分子的几何构型，采用多元线性 回归方法将优选出的分子结构参数分为量化参数两类和拓扑指数两类，分 、 别与烷基硫醇类化合物的色谱保留指数进行相关性分析，并与遗传算法得 到的量化参数表示的q s r r 方程的结果进行对比，由遗传算法得到的模型， 虽然相关性较好，误差小，但是所需参数多，对于小样本分析来说计算复 杂，实际应用时较为困难。使用多元线性回归方法建立的两类q s r r 方程 所需参数少，且能反映出分子有关结构信息，在预测其保留值时具有较好 的准确性和稳定性。 通过建立参数物理意义明确，计算简便，相关性显著的q s r r 模型，可 以有效地预测各类化合物的色谱保留值，为选择物质的最佳分离条件提供 理论依据，从而减少实验者的盲目性，节省大量的人力物力。 关键词：气液色谱；定量结构保留关系；多元线性回归：遗传算法： 因子分析 i i 山东人学硕i 学位论文 t h e a p p l i c a t i o n o fd i f f e r e n t a n a l y s i sm e t h o d s i nt h es t u d y o fq u a n t i t a t i v es t r u c t u r e r e t e n t i o nr e l a t i o n s h i p ( q s r r ) i n g a sc h r o m a t o g r a p h y a b s t r a c t c h r o m a t o g r a p h yi sa ne f f e c t i v ea n a l y t i c a lm e t h o df o rt h es e p a r a t i o no fc o m p l e x m i x t u r e s ，q u a n t i t a t i v es t r u c t u r e r e t e n t i o nr e l a t i o n s h i p ( q s r r ) o fc o m p o u n d si sa n i m p o r t a n ts u b j e c ti nc h r o m a t o g r a p h i cs t u d y i tb a s e so nt h ew e a k l yi n t e r m o t e c u l a r a c t i o nt h a tc a nb ed e s c r i b e db yt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so fs o l u t e s a f t e rc a l c u l a t i n gt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，t h eq u a n t i t a t i v es t r u c t u r e - r e t e n t i o n r e l a t i o n s h i p so ft h es e r i e so fa l k y l b e n z e n e s ，a l k y l n i t r o p h e n o l sa n ds u l f u ra l c o h o l c o m p o u n da r es t u d i e d t h ew o r ki sd i v i d e di n t of o u rs e c t i o n s ， b ys u m m a r i z i n gt h e1 4 1r e f e r e n c e dl i t e r a t u r e s ，i nt h ef i r s tc h a p t e r ，w ed i s c u s s e d t h ed e v e l o p m e n t ，s t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，a n a l y z em e t h o d sa n da p p l i c a t i o n so fq s r r b a s e do nt h i s ，w ep r o p o s e dt h et a s ko f t h i sd i s s e r t a t i o n i nc h a p t e r2 ，c h e m i c a ls t r u c t u r e so f a l k y l b e n z e n e sw e r ee s t a b l i s h e db ym a t e r i a l s s t u d i o4 0 ( m s ) s o f t w a r e o p t i m i z a t i o no ft h es t r u c t u r e sw a sp e r f o r m e dw i t ht h e c o m p a s sf o r c ef i e l d i nd i s c o v e rm o d u l ei nm s s t r u c t u r ep a r a m e t e r sc a nb e c a l c u l a t e di nq s a rm o d u l e t h eo p t i m i z e dp a r a m e t e r so fc o m p o u n d sw e r ec o r r e l a t e d w i t ha l k y l b e n z e n er e t e n t i o ni n d e xb ym u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o nm e t h o d r e l a t e dt ot h e c o m p a r i s o no ff a c t o ra n a l y s i s ，t h ee f f i c i e n tq s r rm o d e l so nd i f f e r e n tp o l a rs t a t i o n a r y p h a s ew e r ef o u n d t h er e g r e s s i o nm o d e ls h o wt h a tt h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n ga l k y l b e n z e n ec o m p o u n d si s o l a t e di st h es a m e a l k y l n i t r o p h e n o l sa r es t u d i e di nc h a p t e r3 o p t i m i z a t i o no ft h es t r u c t u r e sw a s p e r f o r m e dw i t ht h ea m lm e t h o di nv a m pm o d u l e t h ed i f f e r e n tq s r re q u a t i o n s w e r eb u i l tw i t hg e n e t i ca l g o r i t h ma n dm u l t i p l el i n e a r r e g r e s s i o nm e t h o db e c a u s e i i i u j 界人于 叭1 干阻叱 a l k y l n i t r o p h e n o l sa r es t u d i e di nc h a p t e r3 o p t i m i z a t i o no ft h es t r u c t u r e s w a sp e r f o r m e dw i t ht h ea m im e t h o di nv a m pm o d u l e t h ed i f f e r e n tq s r r e q u a t i o n sw e r eb u i l tw i t hg e n e t i ca l g o r i t h ma n dm u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o n m e t h o d b e c a u s eg e n e t i ca l g o r i t h mi ss u i t a b l ef o rl a r g es a m p l e sa n dv a r i a b l e s ， t h ef o r e c a s ta c c u r a c ya n ds t a b i l i t yo fq s p a m o d e la r eb e t t e rt h a nt h er e s u l ti n m u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o n s i n c h a p t e ri v , q s r u m o d e l so f s u l f u ra l c o h o l c o m p o u n d s w e r e e s t a b l i s h e d o p t i m i z a t i o no ft h es t r u c t u r e sw a sp e r f o r m e dw i t ht h ec o m p a s s f o r c ef i e l d i nd i s c o v e rm o d u l e o p t i m i z e dp a r a m e t e r so ft h em o l e c u l a r s t r u c t u r ea r ed i v i d e di n t ot w ot y p e so fq u a n t u mp a r a m e t e r sa n dt o p o l o g i c a l i n d e x r e g r e s s i o ne q u a t i o n sw e r eb u i l tw i t hd i f f e r e n tt y p e so fp a r a m e t e r sw i t h m u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o n m e t h o d f u r t h e rm o r eq u a n t u mp a r a m e t e r sw e r e c o r r e l a t e dw i t hr e t e n t i o ni n d e xb yg e n e t i ca l g o r i t h m a l t h o u g ht h eq s g r m o d e l so fg e n e t i ca l g o r i t h mh a v eg o o dl i n e a rr e l a t i o n s h i p ，b u ti tn e e d sm o r e s t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n di ti sm o r ed i f f i c u l tt oc a l c u l a t ef o rs m a l ls a m p l e s q s g re q u a t i o n so fm u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o nm e t h o dh a v ef e w e rp a r a m e t e r s a n da b l et or e f l e c te l e m e n t so ft h es t r u c t u r a li n f o r m a t i o n t h e s ee q u a t i o n sa l s o r e t a i nt h eb e t t e ra c c u r a c ya n ds t a b i l i t y t h eq s f a m o d e l sb u i l tc a l lb eu s e dt o p r e d i c tt h ec h r o m a t o g r a p h i c r e t e n t i o nv a l u e sa n ds e l e c tt h eb e s ts e p a r a t i o nc o n d i t i o n s i ti se f f i c i e n tt or e d u c e t h ee x p e r i m e n t e rb l i n d n e s sa n ds a v eal o to f m a n p o w e r k e y w o r d s ：q s r r ；g l c ；m u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o n ；g e n e t i ca l g o r i t h m ； f a c t o ra n a l y s i s i v 山东大学硕1 j 学位论文 主要符号说明 前言 q s a r ： 定量结构一活性相关 q s r r ： 定量结构一保留相关 r i ：保留指数，或称k o v 如指数 分子描述符 t e ( t o t a le n e r g y ) ：分子总能量 b e ( b i n d i n ge n e r g y ) ：键能 l u m o ：最低分予空轨道的能量 h o m o ；最高分子占有轨道的能量 l u m o h o m o ：能星差 a l o g p ：疏水性参数 m a ( m o l e c u l a ra r e a ) ：分子面积 d m ( d i p o l em o m e n t ) ：偶极矩 m m ( t o t a lm o l e c u l a rm a s s ) ：分子质量 m y ( m o t e c u l a rv o l u m e ) ：分子体积 s a ( s o l v e n ts u r f a c ea r e a ) ：表面积 m r ( m o l e c u l a rr e f r a c t i v i t y ) ：分子折光率 h r ( h e a to f f o r m a t i o n ) ：生成热 e e ( e l e c t r o n i ce n e r g y ) ：电子能量 t d ( t o m ld i p o l e ) ：总偶极 d x ( d i p o l e x ) ：x 轴偶极 d y ( d i p o l e y ) ：y 轴偶极 d z ( d i p o l ez ) ：z 轴偶极 w ( w i e n e ri n d e x ) ：w i e n e r 指数 v 山东大学硕卜学位论义 ：0 阶分子连接性指数 ：1 阶连接性指数 2 阶分子连接性指数 3 如：3 阶路径指数 数据处理 r ，r ：回归直线的相关系数 r ：交叉验证系数平方 r e ：相对误差 r e f ( r e f e r e n c e ) ：参考文献值 p r e ( p r e d i c t ) ：预测值 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方 式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：刊加日期： n口朋： 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印 刷件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：主鱼竺导师签名：在 习望日期： 山东人学硕i j 学位论文 第一章前言 色谱是石油化工、医药卫生、地质勘探、天然产物、轻工食品、能源 保护等各个领域对复杂混合物分离所不可缺少的分析手段。研究分子结构 与色谱保留性质的变化规律，实现色谱过程中保留值的预测，是色谱研究 中的重要课题。 定量结构保留相互关系( q u a n t i t a t i v es t r u c t u r e ，r e t e n t i o nr e l a t i o n s h i p q s r r ) 就是对色谱保留值与溶质分子结构间定量关系进行研究的一门课 题，是色谱科学基础理论的重要组成部分。目前，q s r r 作为色谱科学的 一个研究分支领域，受到国内外学者广泛关注，并取得了大量的研究成果。 1 1q s r r 方法概述 q s r r 的研究最早可以追溯到1 9 5 0 年，m a r t i n i l l 在他的研究论文中提 出，取代基对溶质分配系数的影响主要取决于取代基的特性以及所使用的 流动相和固定相，而与分子的其他部分没有多少关系。 1 9 6 3 年，g r e e n t 2 1 发现某些苯环型化合物中取代基的数目使簿层色谱参 数r m = 1 9 0 r r l ) 的增量具有加和性这一现象之后，1 9 6 5 年1 w a s a d 首次建议 将色谱数据应用于定量结构一生物活性关系( q u a n t i t a t i v es t r u c t u r e a c t i v i t y r e l a t i o n s h i p ，q s a r ) 的研究。从此，色谱保留被广泛地采纳并应用于生物 活性的疏水性的定量分析m 】。 1 9 7 7 年，在k a l i s z a n s , 9 并l m i c h o t t e 1 0 】发表的论文中，定量结构一生物 活性关系方法开始被应用于一系列溶质的色谱保留数据分析。随着计算机 的普及和相应的统计计算程序的应用，有关的论文数目开始与同俱增。 从根本上来说，q s r g 研究方法即来源于定量结构活性关系。所不同 的是，q s r r 更注重色谱参数与结构和性质的关系。 q s r r 在气相色谱( g c ) ，高效液相色谱( h p l c ) 和薄层色谱( t l c ) 中都有研究，而气相色谱法具有高效能、高选择性、高灵敏度、分析速度 快和应用范围广等特点，因此，本文重点对气相色谱中q s r r 的研究进行 综述。 山东大学硕 + 学位论义 1 2q s r r 中的结构参数 色谱理论认为，分离过程中溶质的保留与色谱流动相、固定相两相分 子间相互作用力的大小有关。在一定的色谱体系和特定色谱条件下，相互 作用的差别取决于溶质的分子结构。因此在q s r r 研究中，需要得到两种 数据。一是足够多的溶质的定量保留数据，作为非独立变量；二是能够反 映溶质结构特征的定量数据。作为独立变量。建立和选择适当的结构参数 是进行q s r r 研究的基础，用于q s r r 研究的结构参数可以经实验测定或 者计算得到。 常见的、应用较多的表示溶质结构特征的参数有物化参数、电子量化 参数、拓扑参数、几何参数等。 1 2 1 物化参数 在q s r r 研究中，可以采用化合物沸点、溶解度、折射率、范德华体积、 蒸气压、疏水性参数等可以测量的各种物理化学参数作为描述符，与保留 值关联，并用于预测。 1 9 6 9 年保加利亚的d i m o v 等人【l l 】预测了烷烃的保留指数： i = 1 0 0 z + 1 0 0 1 9 ( p o z 1v m 。l , z - l p i ov m o l , i ) i g ( p o z 1v m o l 2 1 p 0 zv m oj , z ) 其中p o 代表蒸气压；v 。l 代表克分子体积。他们用此式计算了3 9 种异 构烷烃与环烷烃在角鲨烷上的保留指数，结果大多产生负偏差，平均偏差 为5 8 i u 。 随后，d i m o v 等人对此方法做了改进与补充，把上式计算出的i 值改为 物理化学指数( p c i ) 。他们认为物质的实际保留指数应该等于p c i 自h 上一 个与分子结构有关的修币量。用这个方法计算了烷烃在乙酰基柠橡酸三丁 醋，二甲基硅酯及硅胶( s e 3 0 ) 上的保留指数，平均偏差分别为0 9 1 i u 和0 8 9 i u 1 2 - 1 4 。d i m o v 还把这一方法推广至烯烃、芳烃保留指数的计算| 1 5 1 。 1 9 7 1 年新西兰的r o b i n s o n 等人1 提出了类似于d i m o v 方法的概念他们 定义了物质的标准保留指数： i , t d 。1 0 0 n + 1 0 0 ( 1 9 b p x - l g b ”) “l g b 般+ l g b p n ) 其中b 。表示沸点。r o b i n s o n 等人认为在各种固定相上各类化合物的实 际保留指数与i s t d 之差大致为常数，建议用公式i = i 。d + a t 末预测保留值。 山东丈学硕f 学位论义 第四次全国色谱学术报告会上吴烈钧用公式预测了直链烷烃在角鲨 烷上的保留指数： i 一1 0 0 n + 1 0 0 ( t b 。x + t b m + m ) ( t b 。”l t b ，n ) 其 t b 为沸点，m 为与结构有关的修丁f 量。 1 9 7 4 年中国科学院大连化学物理研究所色谱组利用非极性指数i 。和 t b 沸点差计算十二种烷烃在八种固定相上的保留值，公式为 1 n v g - 2 1 7 6 + 0 3 7 5 ( n 7 + a t d a t b o ) ( 1 0 0 i n p ) 1 0 0 】 【1 1 7 2 + 0 6 7 ( n 一7 + a t d a t b o ) 】 依此式计算出来的7 1 个比保留体积( v | ) 数据有8 5 与实验值的偏差 在2 m l g 以内。 n o v a k 等人【1 7 】根据吸附态的标准吉氏函数g o 。有如下关系 g o s 尹一2 3 r t l o g ( k o v g ) = h o , p - t o i p 他们假定分子吸附的标准焓h o s p 与标准熵s o s p 为分子中各基团贡献的总 和，从而导出了对同系物则有 l g v 9 2 e ( r e t ) + q t + n r + s 其中p 、q 、r j c i s 为常数，n 表示碳原子数，t 表示温度。 n o v a k 的公式即同系物比保留体积对数的碳数规律和温度规律的联合 形式。n o v a k 用这个公式计算了c 5 c 8 f 构烷烃以及伯醇的比保留体积。其 中j 下构烷烃计算结果平均相对偏差为1 0 7 9 。 应用这些数据推导的预测关系式束预测保留值可以收到较好的效果， 缺点在于所得到的关系式只对特定的色谱系统有效。n o v a k 公式仅限于同系 物保留值的计算。在分子异构化对溶质与溶剂相互作用的焓、熵影响未知 之前，方法难于进一步推广。d i m o v 的方法对直链烷烃保留指数的预测很 准确，但计算所需的各种物质饱和蒸气压p o 的数值并不都是容易得到的。 此夕b d i m o v 对公式中修f 项的意义解释不能令人满意，理论上不能提供较 多的信息。 目i j 在q s r r 的研究中，已经很少单独使用物理化学参数。 1 2 2 电子量化参数 在电子参数中，常用于q s r r 研究的有偶极矩( “) 超离域度( s e , , sn i ) 最高占掘轨道( h o m o ) 能级、最低空轨道( l u m o ) 能级、前线轨道电 山东大学硕f ? 学位论文 予密度、极化率( p ) 、原子过剩电荷等。 偶极矩在很早以前就被应用于结构一保留关系的研究早在1 9 5 6 年， j a m e s 就对一系歹l j x i l i d i n e 异构体的色谱行为与它们的偶极矩建立了相关关 系。a i n s h t e i n 和s h u l y a t i e v a 对建立一系列烷基和芳基氯硅烷的g c 保留指数 与偶极矩的关系进行了尝试。另一有关系列碳。硅取代s i l a t r a n e 的相关关 系是s h a t z f 博l 报道的。该作者利用一线性方程通过色谱数据估算偶极短 的精度可达到5 。 同偶极矩相似，有人尝试应用溶质的介电常数作为g c 中分子参与偶极 取向作用能力的描述符”q 。 g a s s i o t 等人1 9 1 认为溶质分子的保留值与电子云结构有关。具体来既： i - a e + e e q i + b 其中e 为总的电子能量，q i 为第i 个原子的电荷，a 、b 、c 为系数。 g a s s i o t 计算了5 9 种乙酸胆甾烷醇酯的总能量与定域电荷并以此推求其 在s e 3 0 和q f 1 上的保留指数。采用了1 3 个系数后，其计算值与实验值的平 均偏差为5 6 8 i u 和1 9 2 2 i u 。 由于电子参数的计算比较复杂、繁琐，最初采用电子参数预测保留值 的研究者不多。随着计算机的发展。有关量子化学计算程序出现之后，计 算变得十分方便。目前，许多已发表的q s r r 文章中，以量子化学方法计算 的电子参数是常用的参数。 1 9 8 3 年，m a s s a r t 等人【2 0 1 发表了由脂肪族醚、酯、醇、酮和醛组成的 包括了4 3 个单官能团和多官能团分子在四个不同极性的固定相上的g c 保 留指数预测的研究结果，研究者在多元回归分析中使用了下列由c n d o 2 计算的电子参数：偶极矩大小( m d ) ，给定分子中电荷绝对值之和( q t ) ， 组成功能基团的原子和这种功能基团上原子的电荷绝对值之和( q a ) ；由 于在偶极一偶极作用中，过程的能量与偶极矩平方成讵比，因此，回归分 析时，各个结构参数的平方项也包括在其中。 s a u r a 等人【2 1 1 研究了一系列同系酯的o c 保留值之后认为，分子的总能 量( b ) 以及键合能( e b ) 和它们在非极性和极性气相色谱上的保留指数 之间有很好的线性关系，是酯类同系物色谱保留值的决定因素。e t 和e b 用 c n d o 2 方法计算，而且随着固定相极性的增大，酯有更大的分离。而羰基 4 山东大学硕 学位论文 的相对位置对保留值的影响可用酯的最高占据分子轨道与固定相最低空分 子轨道的相互作用束解释。 o s m i a l o w s k i 和h a l k i e w i c z 【2 2 i 提出了一个二参数回归方程，很好地描述 了不同极性的化合物在非极性固定相上分离的保留行为。这个方程涉及 c n d o 2 计算的总能量( e t ) 和最初提出的局部极性参数( a ) ： i o v i 0 1 = 3 0 1 8 8 11 6 6 e p l 0 1 6 8 0 其中总能量代表了溶质与固定相非明确作用，局部极性代表了溶质参 与极性溶质一固定相之间作用能力的度量。 g a r c i a r a s o 使用由溶质的l u m o 能量和系数及固定相的h o m o 作用因 子a e ，对在非极性相( 角鲨烷) 上测得的烯烃的k o v a t s 指数进行了q s r r 研究，a e 项和e t 及e h o m o - - 起构成了一个三参数方程。研究者没有结出统 计量，但a e 项对k o v 矗t s 指数的贡献相对于e t 来说似乎并不明显【1 8 1 国内近年来也有学者把量子化学计算得到的电子参数用于q s r r 方程。 王亚伟等2 3 1 在计算了6 1 个单硫醚的各种量化参数之后，将生成热 ( h o f ) ，核一核作用能( c c i a ) ，最低来占用轨道能量( l u m o ) 和最 大负净电荷( q m a x ) 作为输入参数，预测了单硫醚在4 种极性固定相的气 相色谱保留值。 施介华等人【2 4 1 提出了酯类化合物在聚硅氧烷类固定相上的分子结构与 色谱保留关系的q s r r 模型。结果表明，酯类化合物的保留指数与溶质的分 子折射率( m r ) 、最高分子占有轨道的能量( h o m o ) 、电子能量( e i c e ) 和分子总体偶极矩( d p l ) 之间有很好的线性相关性。 他们还建立了烃类化合物( 包括饱和烷烃、烯烃和二烯烃) 在各种固 定相上的色谱保留值的q s r r 模型 ”1 。分子折射率( m r )、最低分予空 轨道的能量( l u m o ) 、最高分子占有轨道的能量( h o m o ) 和电子能量 ( e i c e ) 分别与各保留指数间有较好的相关性。 电子参数可以提供大量涉及溶质电子结构的信息，能够较好地表征溶 质与固定相之间的极性作用，具有物理意义明确的优点。而且这些参数可 以通过量子化学计算得到，较为准确。 1 2 3 拓扑参数 拓扑参数可以分为两类，即拓扑指数和结构片段特征。 山东人学硕l ：学位论文 1 2 3 1 拓扑指数 拓扑指数是来自分子结构图的图论指数，通常根据某种矩阵的表达形 式，实施一定的运算而得到的一种数学的量。在q s r r q p 经常使用的拓扑指 数有：w i e n e r 指 数( w ) b a l a b a n 指数( j ) ，r a n d i c 指数( ) c ) 、分子连接 性指数( 【j l 缸，) 、m t i 指数、广义a n 指数( g a d 等。 1 9 4 7 年，w i e n e r 提出直链烷烃的沸点、异构化热、汽化热等均可由分 子骨架中各碳原予间距离之总和( 即w i e n e 对旨数) 与三步数束表征，并首 次提出了分子拓扑的概念。 保加利亚的b o n c h e v i 2 6 1 等人计算了一取代的烷基苯及邻位二取代基的 烷基苯在角鲨烷上的保留指数，他们认为： i = ( 2 4 4 士4 ) w ( g ) ( 0 , 2 9 7 ：1 - 0 蝴) 其中w ( g ) ，& f l w i e n e r 指数。b o n c h e v 等人用这个公式计算了3 0 种烷基 苯的保留指数，其平均偏差为7 3 i u ，在当时用分子拓扑法预测保留值文献 中是不多见的。但是b o n e h e v 公式具有不确定性。依照公式计算的3 0 个烷基 苯的保留指数上下限之差在5 5 1 11 7 i u 之间。在这样大的区间确定实际数 值显然十分困难。 由于w i e n e r 指数所含信息较少，应用仅限于碳氢化合物，限制了其在 更广泛领域的应用。国内王振东等人2 7 1 采用原子的拓扑能量定义矩阵的矩 阵元，将杂原子的信息引入指数中，重新定义指数为w + ，并利用w + 指数研 究含杂原子胺、硫醚、卤代烷类化合物的气相色谱保留指数。 法国的d u b o i s 和i c h r e t i e n 擅长d a r c p e l c o 拓扑，他们在这种拓扑法中 把分子的官能团作为拓扑系统的焦点，而把其余部分称为“环境” ( e n v i r o n m e n t ) ，将所研究的分子结构与一事先给定十几个系数的拓扑图 相对照，取其系数而加和。对于无官能团的烷烃分子则采用多焦点作图取 其权重因子计算保留指数数值。d u b o i s 和c h r e t i e n 用1 8 个系数计算了c l o 以内 1 5 0 种直链烷烃的保留指数，平均偏差为7 0 i u 他们也根掘烯烃在角鲨烷 上的保留指数用了2 2 个系数换算出7 0 种烯烃在乙酰基柠檬酸三丁酯上的保 留指数，平均偏差为0 9 i u 【2 8 3 2 1 。 1 9 7 5 年，r a n d i c 3 3 , 3 4 1 提出连接指数的概念，他认为色谱保留指数与分 子的连接指数之间存在着线性关系，提议用连接指数来预测色谱保留值。 6 山东人学硕i 学位论义 他给出保留指数与连接指数( x ) 分子中间隔三个键的甲基对数( t 3 ) 的 关系为： l = 2 0 0 ( z _ 1 4 1 4 ) + 3 0 0 + ( b ) 2 但是r a n d i c 并没有给出他计算的结果。 西班牙的g a s s i o t l 3 5 1 等人认为保留指数不但与连接指数有关，而且还与 分子的偶极矩“有关进而提出公式： i = 2 0 0 1 3 x + 2 1 7 4 5 p 2 + 1 6 8 9 用来计算了2 0 种币构烷烃、异构烷烃同系物以及烯烃的保留指数。计 算值与实测值平均偏差1 8 3 i | u ，。 他们还用公式 i 。2 0 0 0 6 x + 4 1 2 4 9 z + 1 6 9 5 。 计算了1 4 种诈构烷烃、伯醇、仲醇同系物在角鲨烷上的保留指数，其 平均偏差为0 4 i u 。 波兰的k a l i s z a n t 3 6 】用公式 1 2a z + b l g i = a 。f + b x + c 计算t 3 6 种多环醇甲酯在s e 一3 0 ，c a r b o w a x 2 0 m ； 0 e g s s x 上的保留指数i 及1 9 i ，得到的标准偏差分别为3 2 2 7 7 7 ，7 4 ，4 4 9 4 j 0 7 3 2 8 8 3 。 t 均m e g r e g e r 3 7 认为： i = a + b ( o 囝+ c ( x ) 十d ( 2 x ) + e ( 1 ) c ) 2 + f ( 2 x ) 2 及 i = a + 1 3 ( 1 x ) + y ( 1 x ) 2 + ( ) d3 十( 1 x ) 4 式中；c 左上标的阿拉伯数字为连接指数的级数。m c g r e g e r 用这两个公式 计算了烷烃、苯在十八烷、十八醇1 、1 氯代十八烷上的保留指数与比保留 体积。保留指数的标准偏差在3 7 0 0 4 7 6 3 i u 之间。 近年来，k a l i s z a n 等人p 8 1 在应用连接指数计算保留指数同时，还考虑到 分子形态参数n 对保留值的影响。他们用公式 i = 3 1 0 3 1 + 6 0 ) 【- 1 7 1 0 计算多环芳烃在液晶( b m b t ) 上的保留指数，平均偏差8 3 4 i u 左右。 目前应用最广泛的是k i e r 和h a l l 所建议的分子连接性指数，因为该指数 能反映化合物结构中杂原子的作用【3 9 - 4 1 1 。据统计，在c a s 登录的化合物目 前己超过一千万种，其中有百分之八十以上含有杂原子。拓扑指数能否适 山东大学硕1 掣位论文 用于具有杂原子、多重键及环的化合物分子，是目前这一领域中人们十分 关注的问题。寻找能适用于较复杂的分子体系的拓扑量是人们一直期待解 决的问题。 虱9 b v i l m ae f 和h e i n z e n 等人【4 2 】考虑了电子效应和空间位阻效应对色 谱保留值的影响，提出了种新的拓扑指数r 2 。，用r 2 。，可以有效的预测有顺 反异构的烯烃和带直链的烷烃的色谱保留值。 国内，许禄等人提出了广义a n 指数能很好的区分丌化合物的同分异构 体和顺反异构体 4 3 】，但是由于广义a n 指数的算法比较复杂，为了寻找能用 于杂原子而且算法简单的拓扑指数，他们又通过增广矩阵提出了能表征杂 原子、多重键及环的化合物的分子结构的拓扑指数a m i 删。 冯长君等人f 4 5 1 根据影响k o v f i t s 指数的本质因素，构建了一种新的连接 性指数”q ，它注重考虑了成键原子的化学行为与其价电子数和孤对电子数， 偏向于揭示分子间取向力、诱导力的拓扑指数。用q 与胺类化合物的k o v j t t s 指数进行相关，相关系数达0 9 7 3 以上。 分子拓扑指数是由分子结构式的二维分子平面拓扑围中提取出来的， 具有客观、简便、指数丰富等优点，但由于它表达的是分子的二维平面拓 扑结构信息，在处理分子的立体结构和电子结构信息时则明显存在不足。 量子化学指数是从分子的三维构象中提取的，分子轨道方法原则上可以反 映分子的全部信息，尤其在处理分子立体结构和电子结构上具有很强的优 势但它也存在着量化参数不易提取和与分子活性关联性差等不足。因此 量子化学与分子拓扑学相结合是建立定量结构一活性关系的一条重要途径 ，b a d e r 等人系统地建立了量子拓扑理论【4 7 】。 量子拓扑理论的提出迄今只有2 0 多年的历史，但这一领域的研究十分 活跃。国内学者江元生、许禄等人提出了自己的量子拓扑指数【4 引。其他学 者也相继提出了一些改进的分子连接性指数。 堵锡华等人在邻接矩阵的基础上，利用原子点价6 i 建立了一系列新的拓 扑指数。他们将连结性指数”l 与烷烃、芳烃、醇、醚的气相色谱保留指数 r i 进行了关联【4 ”，并用改进后的”l 研究了氯代苯、醇、酯的气相色谱保留 指数【50 1 。此外，还研究y 6 1 种醇和酸的连结性指数”t ，与气相色谱保留指 数砒关联【 j 。在考察了文献 5 2 】中的1 5 个酚分子的气相色谱保留指数，与 8 山东大学硕 擘位论文 其组成原子结构的关系后，提出了新的连接性指数x 和定位基指数n 与气相 色谱保留指数r i 的关联陋”，建立t q s r r 方程，对另p b 2 7 个酚分子i 值进行 了估算。通过考察文献 5 4 1 q u 的2 5 种醇在6 种固定相上的保留指数( r i ) ， 先后提出了改进的新连接指数“y ，”q 1 5 6 1 。 秦证龙【5 7 】根据取代苯类化合物活性性质与其组成原子结构特征的关 系，定义了原子结构参数e i ，以分子图的邻接矩阵为基础，由e l 建构新的 拓扑指数”f ，并用“f 研究了取代苯类化合物的气相色谱保留指数等，得到了 相关的方程。还与冯长君【5 8 】一起在分子图的邻接矩阵基础上构建了一个化 合物均价连接性指数l 及定位基参数d ，与文献 5 4 1 0 e 的2 5 种醇在6 种固定 相上的保留指数( r i ) 进行了关联。 周享春【5 9 】定义了原子的价点价6 7 。并由6 7 构建了新的价连接性指数 z ? ，将改进的价连接性指数用于链烷烃气相色谱保留指数研究。 余训民i 删根据分子中成键原子i 的结构特征和所处的化学环境，定义了 原子i 的价点价6 7 ，以价连接矩阵为基础构建了1 4 新的结构信息价连接性 指数”y 。分别建立了2 2 个烷氧氯硅烷、6 1 个单硫醚化合物的y 与气相色谱 保留指数的q s r r 模型。 聂长明( 6 1 1 定义了分子中原予的平循电负性，并用原子的平衡电负性对 分子图进行了着色，在距离矩阵基础上结合分子中各原子的支化度构建了 种新的拓扑指数n i 、n 2 、n 3 ，与烷烃在固定相角鲨烷和s e 3 0 上的气相 色谱保留指数进行了拟舍。 寇建仁【6 2 】在堵锡华提出的点价值6 i 的基础上，为了更好地描述成键原予 的化学行为及其所处化学环境，对其进行了改进，将式中价电子数m i 改为 成键电子数b i ，并引入了可以全面反映分子中原子。周固化学环境的参数， 由此定义了成键原子化学特性的新的点价6 i 。以分子图的邻接矩阵为基础， 由6 建构新的拓