（环境科学专业论文）苯酚、苯胺类化合物定量结构与毒性的qsar研究.pdf

丫浙江大掌硬士掌位论文 a b s t r a c t t h em o l e c u l a rd e s c r i p t o r so f3 6p h e n o l sa n da n i l i n e sw e r ec a l c u l a t e db ya m l q u a n t u mc h e m i c a lc o m p u t a t i o nw i t hs o f t w a r ec h e m o f f i c e 6 0 ，w h i c hi n c l u d i n gs u c h e l e c t i r i cp a r a m e t e r sa sl o g k o w , m r ，h o f , t e ，e l e ee ta 1 a n dt h eo r b i te n e r g y p a r a m e t e r s a se l u m o ，e h o m o a n di tw a sd i s c u s s e dw i t ht h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h e 2 4 h e c 5 0 t od a p h a i a m a g n a w i t h t h ee a c hp a r a m e t e r t h eq s a rm o d e lw a sb u i l tw i t ht h e m u l t i p l el i n e a rs t e pr e g r e s s i o n m e t h o d a n di t w a st e s t e df o r t h es t a b i l i t yw i t l lo t h e rs a m p l ec o m p o u n d s t os h o wi t su n - l i n e a r i t y b e t w e e nt h e s ep a r a m e t e r s ，t h eq s a rm o d e lh a sb e e ng o tb yb pa r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k sw i t hi t ss u i t a b l en e ts t r u c t u r e ( 8 ：8 ：1 ) b a s e do nt h ed i f f e r e n tm e t h o d s ，t h e c o m p a r e b e t w e e nt h ed i f f e r e n tm o d e l sh a sb e e nt a k e n , t h er e s u l tw a ss h o w nt h a tt h e q s a r m o d e lw i t ha n no w n e db e t t e rp r e d i c t i o na b i l i t yt h a nn ，r o t h e r w i s et h e t o x i c i t ym e c h a n i s m t ot h e p h e n o l sa n d a n i l i n e sw a sd i s c u s s e di nd e t a i l s k e y w o r d s ：p h e n o l sa n da n i l i n e s ；q s a r ；q u a n t u m lc h e m i c a lp a r a m e t e r s ；m l r ； a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s 节浙江大掌硕士掌位论文 第一章绪论 生态毒理学( e c o t o x i c o l o g y ) 是7 0 年代初期发展起来的一个毒理学分支， 是生态学与毒理学之间相互渗透的一个边缘学科，它的出现在很大程度上是由于 l ， 环境污染促使传统的毒理学从研究个体效应扩大到群体效应而产生的。我国生态 毒理学的研究相对起步较晚，但到8 0 年代中期，随着环境保护事业的迅速发展， 我国许多高等院校和科研机构逐步开展了生态毒理学的研究n 5 1 。 有机化合物对生物的毒性研究，在植物方面，大部分研究有机化台物对藻类 的毒性研究。大量有机化合物或新型有机物仍不断地生产、研制和使用，其对环 境的危害也越来越引起了人们的关注。人们已不满足于对毒物危害的被动响应， 要求从“污染控制与治理为主”向“预防为主”的方向发展。随着这一发展趋势， 分析研究化台物的定量结构与其对生物毒性的关系，即定量构效关系也越来越受 到人们的重视，一方面可以用于科学地解释有机化合物的毒性机理，另一方面通 过化合物的定量构效关系研究可以加强其对生物毒性的预测和预报【6 - ”。 1 1 q s a r 概述 结构活性关系( s 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 s ) 即构效关系简称s a r 。化合 物的分子结构与其生物活性( 药理作用，毒性作用) 之间的关系，目前已从个别 的、定性的描述方式发展到一般的、定量的数学模型表达，称为定量结构一活性 关系，即q s a r ( q 忸a n t i t a t i v es t r u c t u r e a c t i v 姆r e l a t i o n s h i p ) ，它可以通过测定一 部分类似化合物的毒性，然后利用它们结构和毒性之间的关系来预测另一些化合 物的毒性。h a n s c h n 和f r e e w i l s o n 等用统计方法。借助计算机技术建立的结构一 活性关系表达式，标志着q s a r 时代的开始。此后，q s a r 方法被广泛地应用于 各个领域，并日趋成熟，其具有重要的理论和应用价值。1 9 6 4 年，h a n s c h 等从 取代基与活性的关系出发，建立了线性自由能关系模型( l f e r ) ，从而使s a r 研 究定量化为q s a r 研究。h m n s c h 是q s a r 领域一系列概念和方法的提出者，对 q s a r 研究的发展做出了重要贡献。 随着计算机的发展，q s a r 研究从方法上得到了很大的提高，b p 人工神经 4 丫浙江大掌硕士学位论文 算法在q s a r 研究上也得到了广泛的应用 1 0 - 1 3 i 。 ( 1 ) o s a r 研究特点 目前的q s a r 研究呈现出以下几个特点：综合性：q s a r 主要研究化合物 结构与生物活性之间的定量函数关系，它是一个覆盖了化学与生命科学的交叉学 科点，研究至今越来越多地借助数理统计方法和计算机技术的最新发展。理论 性：早期的q s a r 研究往往比较注重定量结构活性相关模型的预测功能，人们 习惯于采用一些经验数来定量描述化合物的结构，只要能获得良好的数值概念效 果就令人满意了。最近q s a r 研究则更侧重于定量模型的理论性，从本质上揭 ： 示和描述生物活性的作用机制，从而达到控制有害生物毒性，提高有用的生物活 性的根本目的。从理论上讲，通过量子力学方法能够对每一种化合物的电子结构 和立体结构做出计算。相比于传统的经验参数，量子化学参数对化合物结构的描 述更加全面。细致，物理意义更加明晰，理论性更强，因而越来越多的q s a r 模型引入了量子化学参数。智能化：化合物生物活性作用是一个复杂的作用过 程，受到诸多因素的影响，比如化合物的富集、转运、代谢及降解等等，化合物 的结构因素也是多种多样的，包括电子结构，立体结构和理化性质等等。要在化 合物结构与生物活性作用之间建立满意的运算关系必须借助于更为先进的多变 量分析方法和计算机的自适应功能。因i 比，笋岘捌行、聚盼析、模式识别、人工 神经网络等善于处理复杂问题的多变量分析方法最近被越来越多地应用于 q s a r 研究。计算机的自适应功能，促使q s a r 向智能化方向发展。程序化： 一个q s a r 模型的建立往往是基于对大量化合物的各种参数分析，包括化合物 生物活性参数、化合物结构参数等等，还需从诸多参数中筛选对生物活性具有 显著影响的变量。实用化：随着工业发展，越来越多的人工合成化 合物进入生物环境，这些化合物经过复杂的迁移，转化，归趋过程，最终达 到一定的暴露浓度，对生物圈包括人类产生各种各样的毒性效应。通过实验方法 对化合物进行全面的危险性评价是一个费钱耗时的过程，而q s a r 既对化学品 的暴露水平做出预测，又可对化学品的生物效应作出评价，为化学品危险性评价 提供了一种简便实用的途径。 各国政府越来越重视q s a r 的预测和评价功能，比如按照美国毒 物控制法案( t s c a ) 和第5 ( e ) 部分的规定，美国e p a 在化学品评价中承认 丫浙江大掌硕士学位论文 并接受q s a r 的预测结果。其次，由于通过q s a r 研究可以确定对化合物活性 起关键影响作用的化合物结构因素，因而对于定向q s a r 合成高效低毒的新化 合物具有指导意义。另外，q s a r 是建立化学品性质、毒性数据库的一个必要组 成部分，建立q s a r 模型有助于从已经测定的数据中最大限度她获取有用信息。 模型的建立不仅使得数据库具有预测功能，而且可以发现数据中偏离定量模型的 “q s a r 可疑数据”。而这些可疑数据的发现往往启示一些更为重要的规律f 。 ( 2 ) q s a r 的研究方法 t ， q s a r 的概念模式示意图见图l 一1 中。 i 图1 1q s a r 概念模式示意图 由q s a r 的概念模式可见，其研究程序包括以下4 个主要步骤： 选择合适的待试数据资料，要求准确、可信： ， 从中选择合适的结构参数及欲研究的活性参数i 选择合适的方法建立活性参数与结构参数的定量关系模型； 模型检验，选择更优的分子结构参数或更佳的建模方法，优化模型，给 出模型的适用约束和误差范围。 其中第三步即采用有效的算法建立q s a r 模型是q s a r 研究的核心步骤。 自h a n s c h 于1 9 6 4 年构筑定量的线性自由能模型形成q s a r 学科以来，经过许多 6 丫浙江大掌硕士学位论文 。 研究者的努力，目前已经有多种q s a r 模型，大致可分为两种：( 1 ) 数值模型f 包 括多元线性回归分析等传统的数值模型和新近发展起来的人工神经网络模型) ； ( 2 ) 推理模型( 即专家系统模型) 。不同的q s a r 模型的效果是有区别的，而且 适用于不同的情况。 目前q s a r 研究的核心仍然是方法学问题，其中包括化合物结构的描述方 法，理论模型的推导方法，q s a r 函数关系的建立方法等等，一些既具有较高理 论价值又具有较强应用价值的方法主要有： 量子化学法陋1 9 + r 在有机污染物的研究中，q s a r 量子化学计算是获取分子结构参数的重要手 段。与h a n s c h 模型中超热力学参数及分子连接性指数相比，量子化学参数有如 下突出优点：首先，应用量子化学参数，可在新化合物未投入使用之前，对其毒 性及理化性质进行预测，因而有利于有毒有害化学品的化学风险性评价与管理， 从而实现“污染预防”；其次，量子化学参数具有明确的物理化学意义，有利于 应用q s a r 方程探讨毒物与受体的作用方式，也有利于应用定量结构性质相关 方程研究影响有机污染物理化学性质的分子结构特征；此外，量子化学参数可以 快速而准确地通过计算获得不需要实验测定，从而节省大量的实验费用，实验 设备和时间 2 0 1 。如应用量子化学参数预测部分取代芳烃生物活性，应用量子化学 参数预测苯砜基环烷酸酯类化合物对大型蚤和发光菌的急性毒性均获得成功。 人工神经网络( a n n ) 2 1 - 2 3 1 六十年代早期，h a n s e h 及合作者对q s a r 研究作出了创造性贡献，他们提 出的研究方法至今仍广泛应用于药物设计、环境化学等领域中。h a n s c h 的构效 方程是以多元线性回归分析( m l r ) 为基础的，因而构建一个方程必须满足两 个条件：( 1 ) 描述变量必须相互正交；( 2 ) 化合物的数目犬于描述变量数，一般 至少4 5 倍。除了回归问题外，q s a r 研究中还存在着模式识别的问题。基于自 适应最小二乘法( a l s ) 的判别分析解决有机物活性分类问题最为成功。然而， 有机化合物的环境行为十分复杂，生物活性机理不明，规则也不清楚，因此上述 两种方法在处理q s a r 时有不尽如人意的地方。人工神经网络技术完全不同于 m l r 和a l s ，它具有强大的非线性问题处理能力，能自动逼近那些最佳样本数 据规律的函数，不需任何领域专家的明确指导，为q s a r 研究开拓了一片新天 丫浙江大掌硕士学位论文 地。a n n 在q s a r 研究中的应用，与实验结果拟合较好，同时还发现网络具有 发现奇异样本的能力。 作为新型的q s a r 数据分析手段，a n n 不同于回归分析等传统方法，它没 有明确的模型，一切有关的结构一活性信息均储存在网络内部的权重矩阵中，完 全属于黑箱系统。a n n 的外推能力较弱，在没有或远离训练样本的自变量空间 区域，网络的输出是不可靠的，所以在运用a n n 处理q s a r 数据时，须进行严 谨的可行性研究，正确设置网络的各种参数，使网络处于良好的工作状态，防止 严重病态的出现。 + 拓扑学方法 2 4 0 5 】 拓扑学参数直接产生于化合物的分子结构，它是从化合物分子结构的直观概 念出发采用图论的方法以数量来表征分子结构，如w i e n e r 指数【2 6 ，分子连接性 指数田】，h o s o y a 指数哪】和，指数1 2 9 1 等。这些拓扑指数可以反应分子链的性质， 原子间的结合顺序，分支的多少及分子的形状等拓扑信息，根据这些信息，就可 能推测出分子的某些性质、活性。在拓扑学方法中，最为常用的是i c i e r 等人提 出的分子连接性指数( m c i ) 方法 3 0 , 3 1 l 。m c i 方法是在r a n d i c 分子分支指数基 础上提出和发展起来的，它通过对分子中各原子点价( 的计算得到m c i 指 数。d i p a o t o 等应用分子连接性指数和一个表示弱酸性的c h 键相对极性的描述 符旦h ，对一系列氯代烃的麻醉活性数据进行了q s a r 分析：王连生等将分子连 接性指数引入双区理论公式，用于估算多环芳烃的致癌性获得了较好的结果。随 着m c i 指数在实践应用中暴露的弱点，不少研究者又致力于开发新的拓扑指数， 许禄等基于增广邻接矩阵提出了一种新的a m 指数，并成功应用于有机物q s a r 研究中f 3 2 。 基团贡献法p 驯 基团贡献法假定不同分子或混合物中同一基团的贡献完全相同，把纯物质或 混合物的陛质看成是构成它们的基团对此性质的贡献的加和。常见的基团贡献法 是预测化合物活度系数的u n i f a c 基团贡献法，此法由f r e d e n s l u n d p 4 等于1 9 7 5 年以g u g g e n h e i r n 的液体溶液似晶格理论与w i l s o n 的局部组成概念为理论基础， 由a s o g 模型和u n i q u a c 模型口5 1 结合而导出。在环境化学研究中，通过 u n i f a c 法可用来预测有机物在环境中的重要性质，如辛醇水分配系数，水溶 丫浙江大学硕士学位论文 解度，亨利定律常数等。 反相液相色谱保留| 3 6 - 3 7 从7 0 年代初期以来，反相高效液相色谱( r p h p l c ) 已被应用于q s a r 分 析中加以研究，同经典的“摇瓶”法相比较，r p h p l c 对测定化合物的疏水性 具有阻下优点：首先方法快速，其次是适用于含有杂质的物质或混合物，该方法 不需定量测定，且可应用于挥发性物质，方法的重现性好，测量范围为6 个 l o g k o w 单位。主要缺点是不适用于有机金属化合物，且仅对范围有限的表面活 性物质和离子化合物有效。 。 r 在q s a r 研究中的应用，如应用r p h p l c 保留参数对一组苯砜基环烷酸酯 化合物对大型蚤的急性毒性进行q s a r 分析。最近，k a l i s z a n 等人采用种可模 拟天然生物膜，名为“非流动人工膜”( i a m ) 的新型r p h p l c 固定相来研究它 预测生物活性的能力【3 7 1 。 l s e r 法p 卅 l s e r 法最早是由k a m l e t 等人提出的，他们认为化合物的性质及毒性和溶 质、溶剂反应有关，分子的特征可以用四个参数来描述，称为溶剂化色散参数 ( s o l v a t o c h r o m i cp a r a m e t e r s ) ，它们是：v 溶质的分子体积； 秆- 分子的极 性；a 质子给予体的能力；口质子接受体的能力。k a m l e t 回归分析了 3 2 个化合物的四种参数与( g o l d o r 力) 鱼毒性数据，得到了较好的结果。但l s e r 的局限性是化台物的四种参数难以获得。v 可以用结构参数及键长、键角通过计 算得到，也可以用m c g o w a n 法进行估算，其他参数可用紫外及可见光谱测得， 也可用与其他参数相关得到。 1 2 q s a r 的国内外研究现状 q s a r 的研究促进分子结构的研究，先后引出了很多新的结构参数，同时又 促进了q s a r 的发展口9 1 。在过去的1 0 年间，化合物的结构参数在预测有机污染 物的物理、药理和毒性性质等方面得到了广泛的应用。m i h a l i e 和t f i n 旬s f i c 报道 4 0 种烷烃的沸点同j 指数和w 指数具有很好的相关性，其相关性达o 8 8 2 4 以上； b a s a k 应用信息论指数同脂肪醇对呆鲦鱼( f a t h e a dm i n n o w s ) 的急性毒性9 6 h l c 5 0 值回归；另外，b a s a l i o ，表示回归方程不稳定，需要重新检验“。 此外，采用“j a c k n l y e 法”对模型进行验证，判断模型的稳定性【6 。 丫浙江大学硕士掌位论文 第三章 各量子化学结构参数与p e c 5 。之间的探讨 本章节探讨苯酚、苯胺类化合物的量子化学参数与其对大型蚤2 4 h e c 5 0 值之 间的关系。从表征化合物分配能力的l o g k o w 脂溶性参数、表征化合物极性m r 、 表征化台物结构性能的h o f 、t e 、e l e e 、t o r s i o ne 等电性参数以及反映化合物 分子轨道能的e l u m o 、e h 。m 。的轨道能参数与3 6 苯酚、苯胺化合物的2 4 h e c 5 0 之间的关系进行详细探讨。 。 t ： 3 1 p e c 5 0 值与l o g k o w 、m r 之间的关系探讨 按照前一章节中提到的利用c h e m o f f i c e 6 0 软件a m l 一m o p a c 算法计算了各 化合物的l o g k o w 值，其结果见表3 1 。 表3 1 苯酚、苯胺类化合物l o g l ( w 值与e c 值 鬈化台物i 。m r 丽p e g s 0 霉化合物i 啪wm r 丽p e c s o 1 苯胺1 0 53 0 5 731 71 92 ，6 - 二甲基苯酚2 3 037 6 94 2 3 2对甲基苯胺1 4 73 5 2 134 22 0间苯二酚l 0 92 9 9 43 7 1 3对氰苯胺1 , 6 73 5 4 83 “2 1 对硝基苯酚i “3 5 4 13 9 7 4 2 ，4 - 二氯苯胺2 2 940 4 04 2 62 2邻甲基苯酚18 93 3 0 53 8 2 5 2 ，5 - 二氰苯胺 2 2 94 0 4 04 4 72 3邻氯苯酚2 1 033 3 34 ，0 3 6 2 ，4 6 _ 三氯苯胺 z 9 14 5 3 l电8 62 42 ，4 - 二氯苯酚2 7 23 8 2 44 6 9 7 对溴苯胺 l9 438 3 03 8 12 5五氯苯酚4 5 75 2 9 86 2 1 82 ，4 ，6 _ 三硝基苯胺3 7 25 1 5 75 4 82 62 ，4 - 二硝基苯酚1 4 04 2 4 2 51 7 93 - 氯4 _ 氟荤胺1 8 13 5 6 44 2 32 74 _ 氨基苯甲酸0 4 l 37 0 93 ，4 6 1 0 邻硝基苯胺 i 叭3 7 5 739 12 8对氨基苯乙酮0 514 0 2 03 3 4 1 1间硝基苯胺1 0 13 7 5 73 8 72 9 邻氨基对氯苯酚1 2 8 4 0 3 33 9 5 1 22 4 - 二硝基苯胺0 9 744 5 75 2 43 0 对氯邻硝基苯酚2 0 63 7 0 1 4 4 1 1 3 2 氯4 硝基苯胺 1 6 342 4 84 1 33 i3 ，4 二氯苯胺2 2 94 0 4 0 4 4 5 1 4 4 氨基苯酚 o 6 632 1 032 83 2对硝基苯胺1 0 13 7 5 7 3 9 8 1 5邻荤二胺o 2 43 4 2 63 1 43 3对苯二胺0 2 4 3 4 2 63 0 6 1 6问苯二胺0 2 434 2 63 o l3 42 萘胺 2 、1 74 7 4 54 3 6 1 7i 萘胺2 1 747 4 54 2 53 5对氯苯酚 2 1 03 3 3 34 1 4 1 8苯酚1 4 828 4 i3 6 2 3 63 氨基苯甲酸0 4 i37 0 9 3 6 7 注：表中的p e c s o 表示- l o g e c s o 辛醇水分配系数l o g k o w 实际上表征的是化合物的亲脂性。一个化合物要对 有机体产生毒害作用，首先就必须通过有机体细胞膜才能与有机体中的目标分子 2 2 亨浙江大掌硕士掌位论文 i 作用，而细胞膜是由磷脂双分子层组成的，所以亲脂性的化合物比亲水性的化合 物更容易通过这一层细胞膜，即l o g k o w 的值越大，该化合物就越容易通过细胞 膜，就可能对有机体造成更大的危害i “朋l 。 6 _ 5 6 5 5 5 钆4 5 4 3 _ 5 3 012 345 l o g k o w 图3 - - 1i o g k 。与p e c 值之间关系图 由图3 1 可以看出，p e c 5 0 与l o g k o w 之间的相关系数月卸8 0 4 1 ，两者的相 关性比较高，说明l o g k o w 值越大，p e c 5 0 值越大，即化合物的毒性越大。如表 3 - 1 中的2 ，4 ，6 一三硝基苯胺和五氯苯酚为非极性化台物，亲脂能力较高，毒性 也很大，这与理论分析结果完全一致。 2 0 03 0 0 4 0 0 m r 5 0 0 虱3 - - 2pe c 5 0 与眦阃的关系图 m r 表征化台物的分子折射率，描述分子的极化性质，与分子的体积有关， 反映分子的整体结构性质6 6 1 。 丫浙江大学硕士学位论文 从表3 1 可以看出，2 ，4 ，6 - 三硝基苯胺、五氯苯酚的m r 值分剐为5 1 5 7 、 5 2 9 8 ，其相应的p e c 5 0 为5 4 8 和6 2 1 ，是所选化合物中为毒性较大的2 个化合 物，这也表明摩尔折射率m r 值越大，其毒性也越大。此外由图3 2 也可咀看 出，p e c s o 与m r 之间的相关系数g = - 0 7 7 6 ，两者的相关性比较高，可以得出p e c s o 与l o g k o w 呈正相关。说明m r 值越大，p z c 5 0 值越大，即化合物的毒性越大。 3 2 p e c 舳值与h o f 、t e 、e i e e 、t o r s i o ne 之间的关系探讨 利用c h e m o f f i c e 6 0 中a m l 一m o p a c 算法计算了各化合物的h o f 、t e 、e l e e 、t o r s i o ne 等量子化学参数，其结果见表3 2 。 h o f 是化合物的标准生成热，即在2 5 。c 时，由标准状态下最稳定的单质生 成l m o l 标准状态下的化合物的等压热效应。它在一定程度上反映了化合物键的 强弱，结构的稳定性。h o f 值越高，分子越不稳定【6 7 1 。 t e 、e l e e 、t o r s i o ne 值分别表征化合物的总能、总电子能及扭转能，在一 定程度上反映化合物的活跃程度。 r一旱_ - +6 r 1 5 01 0 05 00 5 01 1 ) 1 31 5 0 ，hof(kcalrn01) 图3 0 圃c 5 0 与肿跎间的关系图 从图3 - 3 中可以看出h o f 与p e c 5 0 并不是线性相关，这说明h o f 并不是影 响p e c s 0 的主要影响因子。 。0 衄臣 一 一 浙江大学硕士掌位论文 表3 2 苯酚、苯胺类化合物h o f 、t e 、e k e 、t o r s i o ne 值与e c 5 0 值 序 。 化台物hoft e e l e et o r s i o n e p e c 5 d l苯胺3 74 81 0 7 0 6 - 4 3 0 5 69 6 5 73 1 7 2 对甲基苯胺2 9 9 01 2 2 6 5- 5 4 0 17 89 3 734 2 3 对氯苯胺3 0 1 31 4 3 07 ，5 4 7 6 89 6 5 836 4 4 2 ，4 - 氯苯胺2 37 i 1 7 9 0 8，6 8 t 34 i o 7 1 s 42 6 52r 5 - 二氯苯胺2 35 8- 17 9 08 ， 6 8 1 3 51 0 7 1 84 4 7 62 ，4 r6 - 三氯苯胺2 0 8 2 t 1 5 0 7- 8 2 4 5 81 4 6 948 6 7 对溴苯胺4 l7 7 1 4 1 0 2，5 4 1 479 6 5 8 8 2 ，4 ，“三硝基苯胺1 0 85 83 5 6 061 7 5 3 225 3 1 2 9 3 - 氯4 - 氟苯胺，。1 2 0 91 9 0 207 0 6 473 5 6 4 1 0 郜硝基苯胺5 75 91 9 0 0 78 1 6 6 9 1 7 5 6 2 1i 问硝基苯胺5 28 91 9 0 0 9- 6 0 9 2 663 5 3 1 2 2 ，4 一二硝基苯胺7 9 7 72 7 3 0 81 2 4 4 22 82 8 6 1 3 2 - 氯4 - 硝基苯胺4 94 2- 2 2 6 09，9 4 4 7 2- 2 0 9 1 44 氩基苯酚4 4 1 、1 3 9 1 1- 5 5 9 5 21 22 0 2 j j 邻苯二胺4 6 2 2、1 2 9 1 25 5 4 557 9 4 9 1 6间苯二胺4 5 5 11 2 9 1 25 4 8 1 4 7 9 9 3 1 7 i 荣胺6 0 2 51 6 0 98- 8 1 7 7 224 5 7 1 8苯酚1 6 8 0 ，11 7 0 7 “3 02a 0 2 2 1 9 2 ，6 - 二甲基苯酚3 0 8i1 4 8 2 46 8 7 5 16 8 6 2 2 0 问苯二酚6 08 91 4 9 135 7 3 7 73 0 2 1 2 1 对硝基苯酚1 5 5- 2 0 0 0 98 0 9 8 9- 3 们1 2 2 邻甲基苯酚2 4 0 61 3 2 6 65 6 0 8 74 9 4 2 2 3邻氯苯酚2 2 7 61 5 3 07- 5 6 8 5 33 5 2 1 2 42 ，4 - 二氯苯酚- 2 9 1 21 8 9 d 8- 6 9 5 0 。63 5 2 2 5五氯苯酚3 6 9 2- 2 9 7 0 51 1 6 2 8- 6 5 7 5 2 62 4 - 二硝基苯酚2 53 32 8 3 0 9 ，1 2 5 9 6 4- 30 2 4 2 74 氨基苯甲酸- 4 03 81 8 3 96- 7 9 3 0 51 6 5 7 2 8对氮基苯乙酮2 2 91 6 7 4 67 6 1 731 6 0 2 6 2 9邻氨基对氯苯酚1 54 6- 2 3 6 099 7 2 4 23 , 0 1 2 3 0对氯邻硝基苯酚1 0 1 3 71 7 5 1 4- 6 9 4 6 54 0 6 9 3 13 ，4 二氧苯胺2 4 6 61 7 9 0 76 8 1 4 ，38 0 5 9 3 2对硝基苯胺5 6 4 51 9 0 0 87 9 5 9 2i 7 8 8 3 3对苯二胺4 99 91 2 9 i 15 4 6 7 22 2 6 0 1 3 42 - 萘胺5 89 81 6 0 9 98 0 7 9 400 3 6 3 5对氯苯酚- 2 3 。8 21 5 3 0s5 6 0 4 7 - 30 2 l 3 63 氨基苯甲酸4 4 0 2 71 8 3 9 77 8 6 7 1 2 3 0 2箸；舯“瑚“川笛m慰口u蝣“蝣们耶鳃拍h酊 3 5 4 3 3 i t 王王土重1 t王1土乱t缸i王量土重屯王i重t 亨浙江大掌硕士学位论文 y = - - 0 0 0 1 1 x + 2 1 3 9 7 r = 0 8 2 0 舶0 0- 3 0 0 0 图3 4 6 。 一一一一o - 2 0 0 0- 1 0 0 00 t e ( e v ) ，e c s o 与t r & 阉的关系图 l 一一一一，一土二一，子_ 2 1 ) o o o1 5 0 0 0 1 0 0 0 0- 5 0 0 0 0 e l e e ( e 圈3 - - 5p e c 与e l e e 之间的关系图 0 乱 从图3 - - 4 、图3 - - 5 中可以看出，t e 、e l e e 与p e c s o 之间呈正相关，其中 t e 与p e c 5 0 之间的相关系数r = o 8 2 0 ；e l e e 与p e c 5 0 之间的相关系数足5 0 - 7 4 7 a 因此，从图中可以得出t e 、e l e e 越大，其相应的p e c 5 0 值也越大，即化合物在 水中对大型蚤的毒性也就越大。 从图3 6 可以看出，p e c 5 0 与扭转能t o r s i o n e 之间的关系为线性无关，但 这并不意味着p e c 5 0 与t o r s i o n e 之间不存在互相影响的关系。 。0 啕q hl一1 0 5 4 3 2 l 亨浙江大掌硕士学位论文 ，。6 一 y2 - 0 0 2 0 8 x + 4 , 1 5 5 5 。 鼍 嗲卜 ! 、 3 、 l 。+ 。 j |2 一 - - 1 j j l e l 一一一一l 一 一1 001 0 2 03 04 0 圈3 6p e c s o 上j t o t s i o ne 之间的关系图 3 3 p e c s o 值与e l u m o 、e h o m o 之间的关系探讨 利用c h e m o f f i c c 6 0 计算了各化合物的、e l u m o 、e h o m o 值，其结果见表3 3 。 表3 - - 3 苯酚、苯胺类化合物e l u m o 、g a o m o 值与e c 值 雩化台物e h o m 。哳。丽p e c s o霉化合物b 。耽帆蛊 1 苯胺8 6 9 90 5 6 23 1 71 92 ，6 - 二甲基苯酚9 0 4 803 3 84 2 3 2 对甲基苯胺8 5 5 10 5 8 33 4 22 0间苯二酚9 0 5 2o 1 4 73 7 1 3 对氯苯胺8 8 1 3o 2 1 43 6 42 1对硝基苯酚- 1 0 3 0 7 12 5 93 9 7 4 2 ，4 - 二氯苯胺一8 9 5 7 0 0 9 14 2 62 2邻甲基苯酚- 9 1 3 90 2 9 639 2 5 2 ，5 - 二氯苯胺9 0 3 7o 1 64 4 72 3邻氯苯酚9 4 0 2 - 00 7 14 0 3 6 2 ，4 6 - 三氯苯胺- 9 0 8 3- 0 4 4 54 8 62 42 ，4 - 二氯苯酚- 9 4 4 8 0 3 7 746 9 7 对溴苯胺8 8 6 5o 1 3 1 )3 8 12 5五氯苯酚- 9 8 1 2 - 1 1 1 962 1 8 2 ，4 6 - 三硝基苯胺1 0 9 7 - 2 5 3 45 4 82 62 ，4 二硝基苯酚1 1 1 0 1 - 2 、1 1 8 5 ，1 7 93 - 氧4 - 氟苯胺8 9 2 9 - 0 1 1 24 2 32 7 4 - 氨基苯甲酸 - 9 2 0 8 - 0 ，3 5 43 4 6 1 0邻硝基苯胺- 9 4 6 5 - o 9 9 939 12 s对氨基苯乙酮培9 8 70 0 3 633 4 1 l问硝基苯胺- 9 0 8 2 - 0 9 9 039 72 9 邻氨基对氯苯酚1 0 1 0 4 1 , 4 9 839 5 1 2 2 ，4 - 二硝基苯胺 1 02 9 1 - 8 4 052 4 3 0 对氯邻硝基苯酚8 5 4 6 00 5 544 1 1 32 氯舡硝基苯胺，9 7 0 6l 2 3 04 1 33 13 ，4 - 二氯苯胺8 9 9 2 0 0 9 24 4 5 1 44 - 氧基苯酚8 , 6 1 603 7 63 ，2 83 2对硝基苯胺- 9 6 2 0 - 08 9 4 3 9 8 l s郫苯二胺- 8 、0 0 40 6 7 83 1 43 3对苯二胺 2 7 20 6 1 830 6 1 6 同苯二胺 - 81 6 10 7 0 23 o j3 4 2 萘胺 - 8 2 0 2- 0 3 9 143 6 1 71 萘胺8 0 8 1- 0 3 5 84 2 53 5对氰苯酚- 9 2 8 3- 0 0 7 9 41 4 1 8苯酚9 2 50 2 8 83 ，6 23 63 氨基苯甲酸一8 7 0 4 - 0 3 5 8 3 6 7 最低空轨道能量e l u m o 表征了化合物接受电子的能力，即该化合物的亲电能 2 7 丫浙江大掌硕士学位论文 ! ! 自目! ! ! ! ! 自! ! s ! ! 自! ! ! ! e e ! e ! ! ! ! 自! ! ! ! ! 自目目! ! ! 自! ! ! ! ! 力或氧化能力，化合物的e l u m o 降低，其亲电能力则会增加，反应活性也会随之 增加，化合物的毒性也变大f 6 s 】。 最高占据轨道能量e h o m o 表征了一个化台物提供电子的能力，即该化合物的 亲核能力或还原能力。e h o m o 的绝对值越大，则该化合物的还原能力越强1 6 9 。 6 6 昌 u 幽4 轧 r 3 2 i o ly = 一0 5 9 5 1 x + 3 8 9 3 6 lr = 0 6 7， 0 一一一_ 一j 3 2 10 e l u m 0 ( e v ) 叫 臣 图3 7 p e c s o 与e l u m o 之间的关系图 1 21 11 09876 e h o m o ( e v ) 图3 - - 8 p e c 5 0 与e h o m o 之间的关系图 从图3 7 、图3 8 中可以看出，p e c 5 0 与e l u m o 、e u o m o 之间呈负相关，即 说明e l u m o 、e h o m o 值越大，化台物的毒性反而越小。 苯酚、苯胺类化合物对大型蚤的急性毒性随l o g k o w 值的增大和e l u m o 值的 减小而增强，说明苯酚、苯胺类化合物的毒性与有机物透过细胞膜进入细胞内， 并与细胞内分子发生作用这两个过程有关。 ￥浙江大掌硕士掌位论文 对于含有硝基或两个卤原予以上的苯酚、苯胺类化合物，e l u m o 为负值，对 毒性的贡献较大。从表3 3 中可以发现含有硝基或两个卤原子以上的化合物， 其e l u m o 值很低( 大部分为负值) ，其p e c 5 0 值较大。 对硝基苯酚的l o g k o w 值与苯酚的接近，但其e l 【j m o 值很低，为一1 2 5 9 e v ( 苯 酚的e l u m o 为o 2 8 8 e v ) ，而它对大型蚤的毒性( p e c s o 为3 9 7 ) 明显高于苯酚 ( p e c 5 0 为3 6 2 ) 。硝基苯胺类化合物与苯胺对比同样存在着这种现象，这也表明 化合物进入生物体内后，具有强吸电子能力的硝基获得电子发生反应是致毒的重 要因素。 r 对于多卤代的苯酚和苯胺，如表3 3 中的五氯苯酚、2 ，4 - 二氯苯酚其l o g k o w 值高于相应的一卤代物( 邻氯苯酚) ，且e l u m o 值低于邻氯苯酚( 五氯苯酚、2 ， 4 一二氯苯酚、邻氯苯酚的e l u m o 值分别为1 1 1 9 e v ，o 3 7 7e v ，- 0 0 7 1e v ，它们 相应的毒性也高很多，分别为6 2 1 ，4 6 9 ，4 0 3 ，表明对于多卤代苯酚、苯胺化 台物的分配过程和分子在生物体内获得电子发生反应的过程同样重要。而对于苯 酚、苯胺及邻甲基苯酚等，由于不舍强吸电子的硝基和卤原子，它们进入生物体 后获得电子的能力相对较弱，因而反应活性降低，分配过程对毒性的贡献就显得 更为重要。 亨浙江大掌硕士学位论文 第四章q s a r 模型的建立及验证 本研究对于模型建立的主要思路是运用统计学原理，用s p s s l 0 0 统计软件 对数据进行统计分析以及用多元逐步回归建立q s a r 模型；应用d p s 2 0 0 0 软件进 行b p 人工神经网络算法建立相关的q s a r 模型；此外对以上2 种方法建立的 q s a r 模型进行稳定性及预测能力的验证。 4 1 多元逐步回归法 r 采用多元回归方法对表2 1 中前3 0 个苯酚、苯胺类化合物的数据运用s p s s 统计软件进行逐步回归分析，实现q s a r 模型的建立。 对上述化合物的p e c 5 0 与选取的量子化学参数进行多元逐步回归分析，结果 表明回归方程的相关系数r 随引入的各项参数的变化而变化。用l o g k o w 、t e 、 h o f 能较好的对p e c 5 0 进行估计，而其他参数的加入对模型的精确度影响可以忽 略不计。采取逐步回归获得如下方程： p e c 22 1 3 2 ( 0 2 5 ) 一0 0 0 1 0 7 ( 0 0 0 0 1 ) 。t e ( 1 ) n = 3 0 ，r = 0 8 3 9 ，f = 6 6 4 ，艇= 0 4 1 2 1 ，p o 0 0 0 p e c 5 2 0 8 6 ( o 1 5 9 ) + 0 3 7 9 ( 0 - 0 5 7 ) 。l o g k 一一0 0 0 0 7 4 7 ( o 0 0 1 ) 。t e ( 2 ) ”= 3 0 ，r = 0 9 4 2 ，f - 1 0 6 1 ，s e = 0 2 5 8 9 ，p o 0 0 0 p e c 5 0 = 2 0 1 7 ( 0 1 4 1 ) + 0 3 6 3 ( 0 0 5 9 ) x l o g k 。一o 0 0 1 9 ( 0 0 0 1 ) x h o f 一0 0 0 7 8 ( 0 0 0 0 1 ) x t e ( 3 ) n = 3 0 ，丑= 0 9 6 4 ，f = 7 1 3 ，s e = 0 2 5 8 4 ，p 0 0 0 0 - 其中，n 表示化合物的数目，r 表示经自由度校正的相关系数，s e 表示标准 误差，表示f 检验值，p 表示显著性水平，括号内的数字表示偏差。 从以上三个方程可以看出，方程( 3 ) 具有较高的r ，且艇明显小于其他两 个方程。方程( 1 ) 主要是根据t e 作为参数建立的模型，在模型中加入了其他 量子化学参数之后，在方程( 2 ) 、( 3 ) 中就可以看出其舾大大减小，相关系 数也达0 9 6 4 。这表明用量子化学参数建立的模型能更好地预测该类化台物的 e c 5 0 值。用方程( 3 ) 计算p e c 5 0 计算值值和残差见表4 - - 1 。其计算值和文献 值吻合性很好，最大残差为0 7 8 4 个对数单位( 其化合物为2 ，4 - 二硝基苯胺) 。 节浙江大学硕士学位论文 表4 1 样本集中苯酚、苯胺类化合物的计算值及残差 序 化台物 p e c 5 。 字号化台物 p e c 5 。 号 文献值计算值残差文献值计算值残差 i 苯胺 31 7 3 2 3 00 6 41 6 间苯二胺3 0 i3 1 0- 0 0 9 3 2对甲摹苯