（化学工艺专业论文）部分芳香烃衍生物的正辛醇水分配系数测定及估算.pdf

摘要 苯甲酸类化合物的大量生产和使用给水体环境造成了不同程度的污染，为了 更好的评价此类污染物的环境行为，一些重要的基础物理化学参数必不可少。 化合物的正辛醇水分配系数( 1 鲋) 是研究环境污染物的必要性质参数， 而有关的相关性研究也是环境化工中的热点和重点课题。 本研究用摇瓶法测定了3 种取代苯类化合物和1 0 种卤代苯甲酸在常温下的 正辛醇水分配系数。 最常用的正辛醇水分配系数估算方法是碎片常数法，为使正辛醇水分配系 数的估算更准确，更方便，收集已有的3 6 7 种取代苯类化合物的l g k o w 实验数据， 结合本研究的实验数据，通过最小二乘法回归优化得到了套可以专用于取代苯 类化合物的基团值和校正因子。使用新的基团值和校正因子对参与回归的3 8 0 种 化合物的进行估算，l 西，o w 的估算值与文献值的平均绝对误差和的平均 相对误差与k o w w i n 软件的估算结果相比分别减小0 0 2 和9 。 用同样的方法得到了一套用于估算卤代苯甲酸的i 妊w 估算的基团值和校正 因子。使用新的基团值和校正因子对参与回归的化合物的凰。进行估算，其结果 l g 。的平均绝对误差比用前述的方法估算结果低0 0 3 ，比用k o w w i n 软件估算 的结果低0 0 6 ，而且绝对误差较大的化合物数量明显减少；而且校正因子少，使 用方便。 将同样的估算方法推广到非芳香类化合物l 幽。的估算，得到新的基团值和 校正因子。使用新的基团值和校正因子对参与回归的3 1 4 种化合物的k 。进行估 算，l g k o 。的估算值与文献值的平均绝对误差和局。的平均相对误差与k o w w i n 软件的估算结果相比分别减小了0 0 2 和3 。 关键词：正辛醇水分配系数，碎片常数法，摇瓶法，基团贡献法，苯甲酸 a b s t r a c t b e n z o i ca c i dd e r i v a t i v e s ，w h i c ha r el a r g e l yp r o d u c e da n dw i d e l yu s e d , m a yh a v e p o l l u t e dt h ew a t e re n v i r o n m e n tt ov a r i o u sd e g r e e sa n da r ec o n s i d e r e da si m p o r t a n t p r i o r i t y c o n t a m i n a n t s 。i no r d e rt oe v a l u a t et h ee n v i r o n m e n t a lc o n t a m i n a t i o n p e r f o r m a n c eo fb e n z o i ca c i dd e r i v a t i v e s ，b a s i cp h y s i c a l - c h e m i c a l d a t am u s tb e k n o w n t h en - o c t a n o l w a t e rp a r t i t i o nc o e f f i c i e n t ( 1 班0 ) i st h em o s ti m p o r t a n tp h y s i c a l c h e m i c a lp r o p e r t yo fo r g a n i cc o m p o u n d s ，w h i c hi se s s e n t i a lf o ru n d e r s t a n d i n gt h e i r e n v i r o n m e n t a lb e h a v i o ra n dh a sb e c o m et h eh o t s p o ta n de m p h a s e sp r o b l e mi nt h e i n t e m a t i o n a le n v i r o n m e n t t h en o c t a n o l w a t e rp a r t i t i o nc o e f f i c i e n t so f3s u b s t i t u t e db e n z e n ed e r i v a t i v e s c o n t a i n i n gh a l o g e na n d1 0h a l o g e nb e n z o i ca c i d sa tr o o mt e m p e r a t u r ew e r em e a s u r e d b yt h es h a k e f l a s km e t h o d t h ef r a g m e n tm e t h o di st h em o s tu s e dm e t h o dt oe s t i m a t et h el g k o w i no r d e rt o m a k ei tm o r ea c c u r a t ea n dm o r ec o n v e n i e n t , l g o fe x p e r i m e n to f3 6 7s u b s t i t u t e d b e n z e n ed e r i v a t i v e sw e r ec o l l e c t e d , a n dc o m b i n e dw i t l lt h en e wd a t ao ft h i sr e s e a r c h an e ws e to fg r o u pv a l u e sa n df a c t o r sw e r eo b t a i n e dt oe s t i m a t et h el 蚂wo f s u b s t i t u t e db e n z e n ed e r i v a t i v e sb yr e g r e s s i o nw i t hl e a s ts q u a r em e t h o d t h e c o w v a l u e so ft h e s e3 8 0c o m p o u n d sw e r ec a l c u l a t e db yt h ef r a g m e n t a lm e t h o dw i t hn e w g r o u pv a l u e sa n dn e wf a c t o r s c o m p a r e dw i t ht h er e s u l t sc a l c u l a t e db yk o w w i n s o f t w a r e ，t h ea v e r a g ea b s o l u t ee r r o ro fl 舻a n dt h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o ro f b e t w e e nc a l c u l a t e dr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e d u c e0 0 2a n d9 r e s p e c t i v e l y an e ws e to fg r o u pv a l u e sa n df a c t o r sf o re s t i m a t et h e o fh a l o g e nb e n z o i c a c i d sc a na l s ob eo b t a i n e du s i n gt h es a m em e t h o d t h el 酗o fc o m p o u n d s p a r t i c i p a t ei nt h er e g r e s s i v ew e r ee s t i m a t e du s i n gt h en e wg r o u pv a l u e sa n df a c t o r s 。 c o m p a r e dw i t ht h ee s t i m a t e dr e s u l t sb yt h ef o r g o i n gm e t h o da n dt h er e s u l t so f k o w w i ns o f t w a r e ，t h ea v e r a g ea b s o l u t ee r r o ro fl 班0u s i n gt h ef l e wg r o u pv a l u e s a n df a c t o r sr e d u c e so 0 3a n d0 0 6 ，r e s p e c t i v e l y a n dt h en e wm e t h o dh a sj u s t2f a c t o r s s oi ti sv e r yc o n v e n i e n tt ou s e t h ec a l c u l a t em e t h o dw a se x t a n d e dt oe s t i m a t et h el 幽wo f1 1 0 1 1 一a r o m a t i c c o m p o u n d s ，a n dan e w s e to fg r o u pv a l u e sa n df a c t o r sw e r eo b t a i n e d t h ek o wv a l u e s o ft h e s e314c o m p o u n d sw e r ec a l c u l a t e db yt h ef r a g m e n t a lm e t h o dw i t hn e wg r o u p v a l u e sa n dn e wf a c t o r s c o m p a r e dw i 廿lt h er e s u l t sc a l c u l a t e db yk o w w i ns o f t w a r e t h ea v e r a g ea b s o l u t ee r r o rb e t w e e nc a l c u l a t e dl 幽wa n de x p e r i m e n t a ll 鳊wa n dt h e a v e r a g er e l a t i v ee r r o ro f c o wr e d u c e0 0 2a n d3 ，r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：o c t a n o l w a t e rp a r t i t i o nc o e f f i c i e n t , f r a g m e n t a lm e t h o & t h es h a k e f l a s km e t h o d ，g r o u pc o n t r i b u t i o nm e t h o d ，t h eb e n z o i ca c i dd e r i v a t i v e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：开委曼签字日期：刀年f 月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：专热 导师签名： 签字日期：纠年 占月l h 马乡节坐 签字嗍叼；名月f 彦日 第一章前言 第一章前言 随着我国化工、医药和农药行业的迅猛发展，水环境污染和水质恶化问题日 益突出，除了传统的耗氧有机污染、富营养化和重金属类毒物污染以外，还面临 有毒有机物的严峻挑战，尤其是有毒有机废水的排放直接损害渔业资源和农作物 的事故或纠纷屡见不鲜。由于大量苯甲酸类的生产和使用使土壤和地下水体均遭 受不同程度的污染。因此，此类化合物的排放标准的制定迫在眉睫，而标准的制 定依赖于一系列复杂的过程。其中有机物在环境中的迁移行为，及其对水生物的 毒性效应就是非常重要的方面。为了更好地评价此类环境污染物的环境污染行 为，基础的物化参数必不可少。 有机化合物的正辛醇水分配系数反映化学物质在水相和有机体间的迁移能 力，是描述有机化合物在环境中行为的重要物理化学特性参数，它与化合物的水 溶性、土壤吸附常数和生物浓缩因子密切相关【1 1 ，通过对某一化合物分配系数的 测定，可提供该化合物在环境行为方面许多重要的信息。 人们对局w 参数的兴趣，始于对化合物结构活性关系的研究，最早可追溯 到药学研究和定量药物设计研究。许多研究表明与药物的相关结构的变化以 及观察到的某些生物学、生物化学或毒性效应的变化有关，在生态毒理学和结构 一毒性关系研究中，还可利用预测或估算有机污染物的麻醉毒性或基本毒性【2 j 因此可以根据一些药物的k 。的估算值，来预言一种新药的性质。 具有某些内在的意义，因为它表示了化合物分配在有机相和水相之间的 倾向，如凰。值较低的化合物是较亲水的，因此具有较高的水溶性，在土壤沉 积物中的吸附系数以及在水生生物中的富集系数相应较小；相反，如果化合物具 有较大的值，则是非常疏水的。 在生态毒理学和结构毒性关系研究中，一般用凰w 模拟疏水性有机污染物 通过生物膜进入生物体的能力，因此的负对数值与非反应性化合物的毒性 ( 即麻醉性毒性) 之间具有很好的相关关系，可以用化合物的值来预测或估 算有机污染物的麻醉毒性或基本毒性。 在有机污染物的暴露评价和效应评价中，正辛醇水分配系数是一个关键参 数，它代表了一个化合物的疏水性，决定了一种污染物是亲水的还是疏水性的， 因此影响了化合物在环境体系的迁移转化行为和生物体系中的吸收、分布、代谢、 排泄以及毒性。很多研究表明k 。与土壤沉积物的吸附系数和生物富集系数存 在着显著的相关性，因此可以用来估算和衡量很多与疏水性有关的理化性质 第一章前言 和环境行为特性。 本研究采用传统的摇瓶法测定了几种取代苯类化合物的正辛醇水分配系 数，其中包括1 0 中卤代苯甲酸。收集了已报道的3 6 7 中取代苯类化合物的正辛 醇水分配系数，加入实验所测几种化合物，采用最小二乘法回归得到了一套适 用于取代苯类化合物的碎片常数。回归了专用于卤代苯甲酸的正辛醇水分配系 数的估算方法。并将此方法推广到非芳香类化合物的正辛醇水分配系数，得到 了较好的回归结果。 2 第二章文献综述 2 1 概述3 】 第二章文献综述 有机化合物水分配系数定义为分配平衡时某一有机化合物在正辛醇相中的 浓度与其在水相中非离解形式浓度的比值，即k = 量，式中c o 为该化合物在 气 正辛醇相中的平衡浓度；c ，为该化合物在水相中的平衡浓度。分配系数是一种平 衡常数，与自由能成对数线性关系，因此，它通常以对数形式( 1 幽w ) 出现在 o s a r ( 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 yr e l a t i o n s h i p ) 关系式中。 是在很低的溶质浓度下进行测量的，因此与溶质浓度的相关性很小。 一般在常温( 2 5 左右) 下测量的值，温度对影响不大，每度引起的变 动通常在0 0 0 1 0 0 1 1 幽单位之间，其值可正可负。 业已发现有机化合物的测量值低的可达l o 一，高的可达1 07 ，包含了1 0 个数量级的范围，如换算成l 如w 表示，则范围变成了3 到7 。 2 。2 正辛醇水分配系数的应用 有机化合物的正辛醇水分配系数反映化学物质在水相和有机体间的迁移能 力，是描述有机化合物在环境中行为的重要物理化学特性参数。岛参数的发展 最初是研究结构活度关系，主要是药物的关系。许多研究工作均表明凰w 在关 联药物化学品结构变化与某些生物的、生化的或毒性影响方面是有用的 4 1 。 近年来，正辛醇水分配系数变成一项关键参数，用来研究有机化学品的环 境历程。已经发现了水中生命物质与水中溶解度，土壤沉积质吸附系数，生物 浓度因素的关系。此三个参数都可以从出发进行估算。由于估算其他性质的 用途日益增加，所以岛。是一种研究新的或有问题化学品时必要的一种性质。 在分子结构生物活性定量关系的研究中，分配系数( ) 是一个十分重要 的理化性质参数。 值本身也可以看做是有某种意义的量，因为他们代表着化学品在有机组 ( 例如一条鱼，一块土壤) 和水相间分配的一种趋势。值低的化学品( 例如 小于1 0 ) ，可以认为相对来讲是亲水的，在水中趋向于较大的溶解度、较小的土 壤沉积质吸附系数、较小的生物浓度因素( 对水中生物质) ，反过来，具有高 第二章文献综述 值的化学品( 例如大于1 0 4 ) 是非常疏水的。 另外，有机物在简单的有机溶剂一水体系中的分配行为可以为预测它们在水 体环境中的可能行为提供有用的资料。利用分配系数去推测有机物在环境中的分 配，实际上是基于控制水、沉积物和生物之间分配的各种分子反应力，这种反应 力与辛醇一水体系十分相似习。 2 3 正辛醇水分配系数的测定方法 分配系数的测定方法较多，可分为直接测定法和间接测定法 6 1 。 直接法测定时，要求整个测定过程的正辛醇相和水相始终处于相平衡状态， 且实验过程中p h 值和温度要求恒定，样品纯度要求高。但是计算过程中不需要 任何经验参数，结果准确。 间接测定法对样品纯度没有要求，p h 值的要求也不严格( 为某一范围) ，速 度快，但其测定精度直接依赖于相关的经验参数如容量因子等，因此产生的误差 较大，当待测物质与标准物质结构差异较大时，误差会更大。 2 3 1 直接测定法 直接测定法是将被测物质溶解在正辛醇与水的饱和溶液中，当被测物质在两 相中达到液液平衡时，分别测定其在正辛醇相和水相中的浓度，从而计算出该物 质的正辛醇水分配系数，有摇瓶法、慢搅拌法、两相滴定法、萃取法等。 2 3 1 1 摇瓶法( t h es h a k e f l a s km e t h o d ) 摇瓶法是测定水分配系数的传统方法【7 一，是其它测定方法的基础，被广泛 应用于农药、多氯代苯类等大量化合物的l 酉的测定。该方法是取一定体积的 已知浓度的受试物水饱和的正辛醇溶液( 正辛醇相中受试物的初始浓度控制在 0 。0 1 m o l l 以下) 放入密闭容器中，加入一定体积的被正辛醇饱和的蒸馏水，放 入恒温振荡器( 2 5 5 ) 中振荡，使之达到平衡。分离后测定水相中受试物的 浓度，由此求出分配系数为： k = 斧 ( 2 1 ) 其中岛为相中初始浓度，c a 为平衡后水相中浓度，圪和圪分别是辛醇相和水相 的体积。 4 第二章文献综述 摇瓶法测定l 鳊w 简单易行，当受试物的1 幽w 在0 - 4 之间准确度高，重复 性好。但是利用此法相应的限制因素较多，也存在一些弊端：( 1 ) 在一系列的中 间步骤中，器壁吸附相对较严重，不可能实现真正的两相分离；因此，不适用于 超强疏水性化合物l 酗的测定；( 2 ) 当受试物有表面活性作用时，有可能会出 现乳化现象，严重影响测定结果的准确性，不能用此法进行测定；( 3 ) 测量周期 长；( 4 ) 对物质纯度要求高；( 5 ) 当受试物为有机酸碱时，还需加入缓冲剂，使 p h 值至少调节至与未解离成份的p k a 值相差3 个p h 值单位。 2 3 1 2 慢搅拌法( t h es l o w - s t i r r i n gm e t h o d ) 慢搅拌法是摇瓶法的一种改进方法【9 1 ，在摇瓶法中经常会发生乳化现象，严 重影响值的准确性。而该方法克服了乳化问题，测得的实验数据重现性好， 尤其适合高l 醴南值待测物质的测定。通常认为摇瓶法只适用于测定从5n + 5 范围内的1 幽。，而慢搅拌法对于l 鳊w 达到8 3 的化合物都能得到可信的值 【lo 】 o c h e s s e l l s 等人【1 1 】研究发现，若利用摇瓶法和慢搅拌法同时测定多氯代苯类化 合物的l 麟。值，二者的测定结果差异较明显，慢搅拌法的测定值均大于摇瓶法 的测定值。这说明摇瓶法中的乳化现象可能使所测定的l 幽值偏低：当测定 1 酗值较大时，用慢搅拌法测定l 班0 值的标准偏差相对较小。虽然慢搅拌法测 定l 幽w 具有较高的准确性和重现性，但该法非常耗时，对于l 幽w 5 的物质所需时间会更长。当受试物的l 幽。较 高时，平衡时间需要几天，甚至几周。 2 3 1 3 两相滴定法( t h et w o - p h a s et i t r a t i o nm e t h o d ) 两相滴定法是用滴定分析的方法测定正辛醇水相中的被测物质，并采用电 位或吸光度的变化来指示终点。由于正辛醇的存在会影响分配在其中的物质的滴 定终点，根据试剂用量的不同可直接计算出分配系数。 各种自动装置【12 】的出现使这种方法更加方便，但该方法只适用于测定具有酸 碱性的物质。 2 3 1 4 萃取法( t h ee x t r a c t i o nm e t h o d ) 萃取法主要包括液流注入萃取法和微体积液液流萃取法。 液流注入萃取法是将待分析的液流注入到流动的互不相溶的两相液流中，待 被测物质在两相液流中达到平衡后，测出其中一相中的含量，即可求得该物质在 两相中的分配系数。将此方法改进用于测定正辛醇水分配系数，快速，简便， 第二章文献综述 所用试样量少，省时省力：所得结果重现性好，且与文献值能很好的吻合。缺点 是使用范围较窄( - 1 2 i 成。 3 4 ) 。 微体积液液流萃取法【1 3 】( t h el i q u i d l i q u i df l o we x t r a c t i o nm e t h o d ) 是由 c a r l s s o n 等人提出的。其基本操作是将部分空气、含有被测物质的水溶液、有机 溶剂和第二部分空气先后充入毛细管中，毛细管两端用水封住空气，蠕动泵将样 品送入检测器，从而检测平衡后两相中被测物质的浓度。这种方法克服了传统测 定法实验前预冲洗的缺点，试样用量少( 1 此) ，耗时短。但毛细管壁对样品的吸 附会产生误差，实验过程误差为0 1 5 1 9 k o 。 2 3 2 间接测定法 间接测定法是指通过测定与正辛醇水分配系数有关的数值( 如停留指数或 容量因子) 来计算正辛醇水分配系数，主要包括产生柱法、色谱法等。 2 3 2 1 产生拄法( t h eg e n e r a t o r - c o l u m nm e t h o d ) 产生柱法是近年来研究比较活跃的一种测定方法【1 4 】。该方法的测定原理是将 有机溶液放入柱中，将为正辛醇饱和的水相用泵打入柱内，此时溶质在辛醇相中 的浓度会发生很大变化，通过测量离开产生柱的水相中的被测物质的浓度，即可 求出分配系数值。该方法最先由h a w k e r 等人【1 5 】提出，主要应用于超强疏水性有 机化合物的l 妊。的测定。此法包括两种不周的体系形式：g c h p l c ( t h e g e n e r a t o r - c o l u m nh i g h p e r f o r m a n c el i q u i dc h r o m a t o g r a p h y ) 体系和g c e c g c ( e c d ) ( t h eg e n e r a t o r - c o l u m n & e x t r a c t o r c o l u m ng a sc h r o m a t o g r a p h y ) 体系。 利用产生柱法可以克服乳化现象和壁器内吸附，避免溶液体系的挥发，有利于醇、 水两相快速平衡。 在w o o d b u m 等人【16 】的研究工作中，以硅烷化c h r o m s o r bw ( 约3 9 ，6 0 8 0 目) 填充柱( 2 4 c m x 0 4 ) 为产生柱，将一定浓度的受试物正辛醇( 水饱和) 溶 液缓缓吸入干燥的产生柱中，使载体饱和至柱尾有辛醇相溢出，然后将恒温水( 辛 醇饱和) 用泵打入产生柱中，产生柱中流出的水相用固相萃取柱收集。当收集的 量足够时，用适当的溶剂将受试物洗出，利用液相色谱进行定量分析。研究结果 发现，当l 酗的测量值大于6 时，相对偏差较大。针对这一局限性，研究者对 这一方法不断改进，进一步扩大了其测定范围。其中w o o d b u m 等人利用硅烷基 化的色谱吸收填充原双倍长度的产生柱，采用改进的g c 法测定多氯联苯( p c b s ) 的1 幽w 值，可使测量最大值达到8 0 以上，所测l g r o 。的相对标准偏差 1 5 ，远 好于其它测定方法。 m i l l e r 等人【1 7 】利用改进的产生柱法，测定了1 2 种多氯代苯( c b s ) 和1 6 种 6 第二章文献综述 p c b s 的l 幽w ，结果发现，垮与取代基的数目有很好的相关性，随氯取代基 数量的增加，c b s 和1 6 种p c b s 的1 幽w 均增大，但是对于同分异构体的l 值并不能严格区分。针对这一局限性，y e h 等人【1 8 】作了较深入的研究工作，在原 有产生柱法的基础上，又引入了富集萃取柱( 双柱模型) ，此改进极大提高了 l g 瓦w 的测定精度；研究发现，氯取代基的引入增大了p c b s 的疏水性因子，而 不同邻、对、问位的氯基对p c b s 的l 鲋，o w 影响不同。 综合来讲，产生柱法的主要优点有：( 1 ) 产生柱内低速水流可以避免胶体聚 合物的形成，克服乳化现象以及克服器壁内吸附作用；( 2 ) 富集柱的应用，提高 了方法的适用范围，l 鲋，o w 测量值最高值达8 5 ；( 3 ) 整个体系密封性较好，可以 避免溶液体系的挥发。 该方法的缺点是( 1 ) 不能确定水与辛醇间是否真正达到热力学上的平衡； ( 2 ) 被测物质与产生柱问是否有化学反应；( 3 ) 操作步骤繁琐、所需仪器设备 较多、损耗大。 2 3 2 2 色谱法( t h ec h r o m a t o g r a p hm e t h o d ) 色谱法是目前测定正辛醇水分配系数方法中研究最多的。其特点是用色谱 仪分析测量被测物质的容量因子，用化学键合代替物理吸附，增强了静止相的稳 定性。常用的色谱法主要有反相高效液相色谱法、气相色谱法、反相薄层色谱法、 逆流色谱法和离心分配色谱法【1 9 】等。 反相高效液相色谱法( r p - h p l c ) 是色谱法中应用最多最广的一种间接测定 l 酗的方澍2 0 2 。o e c d ( 经济合作和发展组织) 已将h p l c 法列入o e c d 测 试指南。该方法根据色谱的容量因子( 七：) 和正辛醇水分配系数( ) 之间的 相关性，确定正辛醇水分配系数。二者之间的关系为： k k = a l g k ；+ 6 ( 2 2 ) 选用一组与被测化合物结构相似且已有数据的标准物质，用色谱仪测定 这些标准物质的容量因子，作出l 班1 醇。f 的图，得出上式中的两个参数a ，b 。 再用色谱仪测得被测物质的容量因子，然后用方程( 2 2 ) 计算出反配系数。 反向液相色谱法具有省时、重现性好的特点，对受试物纯度无严格要求，在 不影响色谱峰分离的条件下，可以多种受试物混合进样。其适宜的测定范围l g k o 。 为0 - 6 。但它是一种问接方法，需要有一系列的( 已知l 鲋) 其它物质进样来测 得工作曲线。 j a c k 等人【2 2 】研究发现，若利用r p h p l c 法测定化合物的l g 舀w 时由于十 第二章文献综述 八碳系化合物在硅架结构上形成单分子层化学吸附，说明液相色谱柱上c 18 固 定相中的分离机理并不完全相似于正辛醇水体系；同时由于保留因子与色谱柱 内填充柱有关，而流动相的择优程序较复杂；因此实际测定值存在一定偏差。 反相薄层色谱法( r p t l c ) 是一种较为常用的间接测定值的方法【2 3 1 ， 首先需将受试物溶于合适的溶剂中，然后在薄层色谱板上点样，再用合适的溶剂 展开。市售的反相薄层色谱板，常见的是以c 1 8 等长碳氢链为固定相，w h a t m a n k c l 8 fr p 、m e r c kr p 1 8f2 5 4 等预涂布薄层板也是可用的。展开后薄层色谱 板上的斑点可以用化学试剂发色，或在紫外灯下观测，量取溶剂前沿、受试物斑 点的移动距离，计算风和r m 值。其计算公式为： 龟= b d , ，咒= l g ( 1 墨一1 ) ( 2 3 ) 式中d f 为受试物斑点移动距离，d 。为溶剂前沿移动距离。与r p h p l c 一样， l i p t l c 也需要先测定已知的一系列物质在该薄层色谱条件下的r m 值将 l 醋与r m 值进行直线拟合，根据受试物的r m 值求取其l 酪，o w 。 反相薄层色谱发具有快速、简便、设备简单的特点，其l 妊w 测定范围较宽 ( 0 - 1 2 ) 。但该方法的准确度和重现性均不如反相液相色谱。 气相色谱( g c ) 的保留指数，也能用来预测分配系数【2 4 1 。其原理是以如下 假设为基础的：( 被测物) 两种气液分配系数之比等于液液分配系数。由于在 一种固定相上测得的化合物的保留指数，是随该化合物的气液分配系数的对数 变化而变化的，因此，在两固定相上测得的化合物的分配系数的权重差异 ( a 1 b z ) 应该与化合物的l 鲒。值直接相关： k k = 西一址+ c ( 2 - 4 ) 式中，口、b 、c 为回归系数。为了使方程( 2 - 4 ) 适合于l 酪，o w 的实际测定， 在选择g c 固定相时应尽可能模拟正辛醇水分配系统。通过在多种固定相上分 析一组已知l 如。值的化合物的保留指数，再将它们及相应的l 幽。应用于方程 ( 2 - 4 ) ，经回归分析，求得的相关系数，即可当作判断一对固定相是否适合于模 拟正辛醇水系统的量度。 朱秀华等人针对此问题【2 5 】，以氯苯( c b s ) 为目标物，研究了在8 种不同极 性固定相上保留因子，与l 麟。值的关系，结果发现，在各种不同极性固定相上， 二者的线性相关性不同( r = 0 9 2 9 0 - - 0 9 7 7 7 ) ，其中在弱极性固定相s e 一3 0 上， c b s 的l 蛳值与，相关性最好。 第二章文献综述 在一般情况下，应用t l c 和h p l c 测定l 麟。较g c 法要方便得多。当所测 物质在t l c 和h p l c 的流动相中较易水解或难于检测时，g c 可作为一种补充方 法。逆流分配法由于要使用混合溶剂或高离子强度的水相，该方法的测定值可比 性较差。 2 4 正辛醇水分配系数的估算 在q s a r 研究中，尽管分配系数的实验值较计算值更有价值，但对于没有 实验值或很难用实验法来测定的化合物，可靠的估算方法是很必要的。有几种估 算有机物的正辛醇水分配系数的途径【2 6 1 ，这些途径可用图解法表示( 图2 - 1 ) ， 并且在表2 - 1 中作简短的叙述。 表2 - 1估算正辛醇水分配系数的途径 ! 堂! 呈兰：! 堡型型! 鲤曼出望篁塑坠：唑垫型! 垒堕巳型堂婴曼q 宝篁! 曼i 型 蓑耋。 所包含的同系物 说明 9 第二章文献综述 乱g = 基团，碎片和相关结构常数，r = 回归方程，i = 其它指标 当根据碎片常数对分子求和和直接得到值时，有两种方法可用取代常数 法( 途径1 ) 和碎片常数( 途径2 ) 。这两种方法紧密相关，但各自在应用中都有 其独特的优点，方法1 需要一个结构上相似化合物的- 已。测定值，这种方法主要 是对芳香族化合物的。方法2 特别需要结构类似化合物k w 测定值。这两种方法 可用来对很宽范围内的化合物进行直接估算。 通过活度系数中间值的方法( 途径3 _ 4 ) 需要测定化合物在正辛醇和水中的 活度系数，对亲水性化合物来说，需要估算在饱和了正辛醇的水和饱和了水的正 辛醇中的活度系数。 途径3 ，5 ，6 都已计算机化，但实际上只有途径5 由于计算麻烦才需要计算 机。途径5 计算出溶质在正辛醇和水两相中的溶剂化自由能。这可通过溶剂一构 象组成分析程序( s c a p ) 来实现。在一次2 0 个化合物的实验中，s c a p 估算出 的l 鲒，o w 值仅有5 的平均绝对误差。 途径6 需要计算一个中间值x ( 分子连接指数) ，它是一个拓扑结构的指数。 联系x 和恐w 的回归方程仅覆盖很少数量的单一基团的化学品类型。 途径8 ，9 ，1 0 包括了每参数的对数的线性回归方程。途径1 0 是实验室中 较多使用的方法，在一次1 8 个化合物的测定中，h p l c r t 方法估算的l 鲜0 值 仅有 2 3 的平均绝对误差。 途径3 ，4 估算忍w 值使用于任何温度。所有其它方法求出的数据几乎都是 在室温测得的，通常在一定温度范围内( 1 5 3 0 ) 。从许多溶剂系统得到的数据 表明，的温度系数在0 0 0 1 到0 0 1 l g 单位度。 l o 第二章文献综述 靠= ( 取代) 常数； f - - 碎片常数； f = 结构因子： y = 活度系数( 在水和正辛酵中) ； 广= 无限稀释的活度系数( 水和正辛醇) g = 溶液自由能； 肝l c r t ：高压液相色谱保留时间； j 览。= 溶剂水分配系数； j r 0 = 正辛醇水分配系数 s = 在水中的溶解度； 肛分子的连接指数； 通向k o w 的途径( 非直接的) ： h 双向途径； 一常数己表格化： l ，2 ，途径号码( 见表2 1 ) ； a 途径l 需要，途径2 也需要， 尤其对结构复杂的分子更需要。 图2 - 1 估算正辛醇水分配系数的途径 f i g 2 - l t h ew a y st oe s t i m a t en - o e t a n o l w a t e rp a r t i t i o nc o e f f i c i e n t 2 4 1 碎片常数法 分子碎片常数法是一种有很好的应用前景的结构模型方法，它以线性自由能 关系为依据，将化合物的总体参数分解成其基本的碎片贡献法的线性加和，同时 兼顾分子扭曲程度，不饱和性、多卤素原子相互影响、分子分支结构和氢键基团 间相互作用等因素的影响。 在正辛醇水体系中，可以通过常数的加和来近似求得氢原子固有的疏水 性。h a n s c h 和l e o 2 7 于1 9 7 9 年提出了如下模型： 第二章文献综述 n m k - z a y + l + c ll ( 2 5 ) 式中，醌是n 类结构碎片在分子中出现的次数，压是该类结构的碎片常数值，b m 是m 型结构因子在分子中出现的次数，r 是m 型结构因子对l 掣。的贡献，c 是常数项。 碎片常数法的理论基础是结构理论：结构理论的核心是分子结构式，知道了 分子结构式就能够把握化合物化学行为的最基本资料。结构理论把许多附加的重 要概念引入了化学中，例如同分异构体和功能性。功能基团是分子结构的碎片， 它具有可传递性，而且能够携带一些特殊的可传递性质。用分子质量和特殊的原 子组合以及化学键来决定化学性质是化学性质合理化的首要基础。可以把一个有 机化合物的性质看成是由一些功能团( 或取代基) 决定的，每个取代基都对这一 性质具有贡献。 l 醋，o w 是一种基于自由能的性质参数，也应该是以自由能为依托的化合物结 构贡献的加和。因此，本研究的目的就是：建立计算芳香类有机污染物在室温条 件下l g 岛。的碎片常数模型，以期为此类化合物的环境行为评价提供可供选择的 一种l 妊w 估测方法。 w i l l i a m 等人【2 8 】将溶剂接触表面积，氢键数量等参数考虑在内建立碎片常数 估算模型，估算了1 5 0 种有机物的i 鳟，o w ，相关系数达到0 9 以上。朱忠林等人【2 9 】 利用碎片常数法和结构因子法估测了农药的l 西，估测精度良好。韦丽萍等人 3 0 1 对磺酰脲类除草剂的l g k o w 估算方法效果进行了对比研究，利用反相高效液相 色谱法和l e o s 碎片常数法分别预测l 幽，效果令人满意。 碎片常数法不考虑不同基团之间的相互作用对其贡献值的影响以及分子的 空间效应。目前成熟的基团贡献法【3 1 3 2 1 估算k o w 值的方法并不多，并且具有预 测精度普遍不高，基团划分过细等缺点，主要有u n i f a c 基团贡献法【3 3 1 ，m e y l a n 等【3 4 】提出的a f c 基团贡献法，m a r r e r o 等【3 5 1 提出的三水平基团贡献法，陈红萍 等【3 6 】提出的g c k 1 基团贡献法等。与基团贡献法相比分子碎片常数法的比较成 熟，已经有相应的估算的计算机应用软件，如c l o g p ，k o w w i n ，x l o g p 等 3 7 , 3 8 。d e r a w i 等【3 卅研究工作的结果表明，对蜀w 分子碎片常数法的估算结果 要优于基团贡献法。 2 4 2 拓扑指数法 拓扑指数是用来表征分子拓扑图某种特征的不变量，以此实现分子结构信息 1 2 第二章文献综述 的数值化。一个好的拓扑指数不仅包括丰富的分子结构信息，能充分反映分子图 的连接信息和化学环境，而且还具有较低的兼并度和有效的结构性质活性相关 性。在众多的拓扑指数中，比较完备且应用较广的是分子连接指数“x ( n 卸，l ， n ) ，分子连接指数是用点价乘积平方根的倒数来表示1 4 0 1 ；它是根据分子构型计算 出来的常数，反映了分子的连接情况和分枝的多少。但它也还存在着一些缺点： 如指数的物理意义不明确，低阶指数的对异构体的区分性较小，高阶指数的计算 较复杂，并且点阶的取值对有机分子中含有电负性较大的杂原子或杂原子团的结 构性信息很难准确反映等。 分子连接性指数法是以经典的原子结构及价态理论为基础的，该方法假定： 用来表示分子结构和若干性质间的定量关系所需的信息，表征于由非氢原子和键 构成的隐氢式中。分子的性质和由隐氢式计算得到的连接性指数问存在某种函数 关系，这是用分子连接性方法分析结构性质关系的基础。分子连接性指数法预 测极性较小的化合物的。值时精度较高，是预测有机物理化参数的比较好的方 法。但用于估算含极性很强的原子如氧、氮等分子，估算误差较大。 许多种预测方法均是由拓扑指数理论发展而来的。如m e l e r k 等人【4 l 佣特征 根指数模型预测了多氯联苯( p c b s ) 的l 酗( 严0 9 9 8 ) 。z h o u 等人【4 2 】利用理论 线性溶解能量关系( t l s e r ) 和多种理论描述符得到的q s p r 模型预测了p c b s 的l 醋( 产0 9 4 8 4 ) 。p a p a 等人1 4 3 】也将改进后的人工神经网络模型和遗传算法模 型用于该物化参数的估算。赵元力】等人还提出了新的拓扑指数y ：，用它研究 了取代苯化合物的正辛醇水分配系数、醚水分配系数、环己烷水分配系数等与 其结构之间的定量关系，给出了相关方程。 2 4 3 摩尔体积预测法 饱和水溶液中分子的自由能为： 弘= p 。+ k l n s ( 2 6 ) 其中，s 为摩尔溶解度，w 为在给定温度和标准压力下在l m o l l 水溶液中 每分子的标准g i b b s 自由能。当达到平衡时，有机物在纯液体中的化学势应和饱 和水溶液中的化学势相等： 版= + k l n s 式中，口r 为纯液体分子的自由能。 ( 2 7 ) 第二章文献综述 当纯液体溶质向水中溶解时，其v r p w 之值与其同系物的分子表面积呈线性 相关，即： b o ( r ) a , ( r ) = - k l n s c o ( r ) ( 2 8 ) 这里b o ( z ) 和c o ( z ) 在一定温度下为一常数，a w 为分子在水中的表面积，和 摩尔体积( ) 成正比，所以，对于常温下是液体的溶质，可用方程( 2 9 ) 。常 温下是固体的溶质，可用方程( 2 1 0 ) 预测有机物在水中的溶解度和辛醇水分配 系数： 一l g s = 4 ( v m ) + g l g s = 4 ( 圪) + 垦( 瓦一2 5 + c 2 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 为有机物的熔点( ) ，其它参数为常数。 王连生、赵元慧等人【4 5 】用式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 对烷烃、烯烃、炔烃、醇、 酮、卤代烷烃、卤代烯烃、取代芳烃、多环芳烃等2 0 种3 1 7 个化合物的辛醇 水分配系数进行了回归计算。除烷烃外，估算的有机物辛醇水分配系数与测定 值和其他文献值接近。此外，r u c n c 4 6 】提出了用动态有序和无序理论( m o d ) 来估 算分配系数的方法，目的是引入热力学以加强分子法的理论基础。此方法不仅用 合理的热力学理论描述了溶质溶于两互不相溶系统的过程，而且在一定程度上解 释了结构对溶质溶解过程的影响。 2 4 4 活度系数估算法 l y m a nw a , t 4 7 1 详细讨论了活度系数与辛醇水分配系数之间的关系，可用以 下关系式来计算辛醇水分配系数：