（环境工程专业论文）部分除草剂正辛醇水分配系数的qspr研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 有机化合物的正辛酵，水分配系数( k o w ) 是一个重要的物理化学参数，表征有机化合 物的疏水性和环境归趋。由于c o w 的实验测定方法比较繁琐，费时费力，不能满足有机 化合物生态风险评价的需要。研究可以预测k o w 的理论方法具有重要意义。而定量结构 一性质关系( q s p r ) 在预测有机污染物的环境行为参数、解释有机污染物在环境中迁移、 转化行为机理等方面发挥了重要作用。因此本论文以部分三嗪类和苯基脲类除草剂为研 究对象，建立部分选择性除草剂k o w 值的q s p r 模型，并对模型进行机理解释，使其更 好应用子其他有机化合物的c o w 值的预测。 本研究采用半经验分子轨道p m 3 算法计算了三嗪类和苯基脲类共5 5 种除草剂的分 子量等1 8 种理论分子结构描述符，利用偏最小二乘法( p l s ) 进行回归分析建立了k o w 的q s p r 模型。在交叉验证条件下，模型所提取的p l s 主成分所能解释的因变量方差的 比例( q ) 为o 7 2 6 ，表明其具有一定的预测能力和稳健性。结果显示：c o n n o l l y 分子 排除体积( c s e d 、c o n n o l l y 分子面积( c m a ) 、c o n n o l l y 分子可及面积c a a 、分子量c 撕) 、 电子能( e d 、总能量f i e ) 、偶极距) 、最低未占据分子轨道能( e l t r m o ) 是影响三嗪类和苯 基脲类除草剂除草剂的k o w 值大小的主要分子结构参数。分子的体积大小是影响这两类 除草剂在水相和正辛醇相问分配的最主要因素，体积越大，化合物越容易分配到正辛醇 相中，k o w 值越大；分子的极化能力和电荷转移作用也对化合物在两相之间的分配有一 定影响。 为更进一步分析两类除草剂分配机理的差异，进行了分类建模。分类模型的性能 较单一模型有较大提高，三嗪类除草剂模型的醵。达到o 8 7 1 ，影响分配的主要因素是 分子的体积大小方面的信息，苯基脲类除草剂模型的娥。为0 8 3 2 ，分子大小和电荷转 移均是主要作用因素。 关键词：除草剂；正辛醇水分配系数；定量结构一性质关系；偏最小二乘 部分除草剂正辛酶，水分配系数的q s p r 研究 q s p r o l lo 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 o fs e l e c t e dh e r b i c i d e s a b s t r a c t 1 1 n - o c t a n o y w a t e rp a r t i t i o nc o e f f i c i e n t ( k o w ) o fo r g a n i cc h e m i c a l si sa n i m p o r t a n t p a r a m e t e rt oc h a r a c t e r i z et h e i re n v i r o n m e n t a lb e h a v i o ra n db i o l o g i c a la c t i v i t y , w h i c hc a n r e f l e c th y d r o p h o b i ca b i l i t ya n de n v i r o n m e n t a lf a t e b e c a u s et h ee x p e r i m e n t a ld e t e r m i n a t i o n m e t h o di se n n s u n l i l l ga n dc a n tm e e tt h en e e do f e c o l o g i c a lr i s ka s s e s s m e n t , m a n yr e s e a r c h e r s f o c u s e do nt h ed e v e l o p m e n to fe s t i m a t i n gm e t h o db a s e do nc a l c u l a t e dv a l u e s q u a n t i t a t i v e s l r u c t u r e - p r o p e r t yr e l a t i o n s h i pp l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo np r e d i c t i n ge n v i r o n m e n t a lb e h a v i o r p a r a m e t e ra n de x p l a i n i n gt h et r a n s f e ra n dt r a n s f o r mo fo r g a n i cp o l l u t a n t s t 拉ss t u d y e s t a b l i s h e dq s p rm o d e lo f k o wv a l u e sf o rs e l e c t e dh e r b i c i d e sa n d e x p l a i n e dt h ep a r t i t i o n i n g m e c h a n i s mf o rt h ef l m e ra p p l i c a t i o no f p r e d i c t i n g c o wv a l u e s ， t i i i ss t u d yc a l c u l a t e d1 8k i n d so ft h e o r e t i c a lm o l e c u l a rs t r u c t u r a l d e s c r i p t o r so f5 5 s - t r i a z i n eh e r b i c i d e sa n dp h e n y l u r e ：ah e r b i c i d e su s i n gp m 3a r i t h m e t i ca n de s t a b l i s h e dq s p r m o d e lo fi c o wu s i n gp a r t i a ll e a s ts q u a r e ( p l s ) r e g r e s s i o mq z ( t h ev a r i a n c et h a t 啪b e i n t e r p r e t e db yt h es e l e c t e dp l sc o m p o n e n t s ) i s0 7 2 6 i n d i c a t i n gg o o dp r e d i c t i n ga b i l i t ya n d r o b u s t n e s so f t h em o d e l c o n n o l l ys o l v e n t - e x c l u d e dv o l u m e ( c s e nc o n n o l l ym o l e c u l a ra r e a ( c 纠) ，c o n n o l l ya c c e s s i b l ea r e a ( 删彳) ，m o l e c u l a rw e i g h t ( m w ) ，e l e c t r o n i ce n e r g y ( e d ，t o t a l e n e r g y ( 四，d i p o l em o m e n t a n dt h ee n e r g yo ft h el o w e s t - a n o c c u p i e dm o l e c u l a ro r b i t a l ( 既u m 0 ) a r et h ep r i m a r ym o l e c u l a rs t r u c t u r a lp a r a m e t e r sd e t e r m i n i n gl o g k o wv a l u e s m o l e c u l ev o l u m ei st h ep r i i n a r yf a c t o ra f f e c t i n gt h ep a r t i t i o nb e t w 溉n - o e t a n o la n dw a t e ro f o r g a n i cc h e m i c a l s 1 k1 a r g e ri st h em o l e c u l ev o l u m e ；t h ee a s i e ri st h ep a r t i t i o nt ot h e n - o e t a n o lp h a s e p o l a r i t ya n dc h a r g et r a n s f e ra b i l i t yo f t h em o l e c u l e sa r eo t h e ra c t i n gf a c t o r s t of t l l t h c ra n a l y z et h ed i f f e r e n c eo ft h ep a r t i t i o nm e c h a n i s m , m o d e l sf o rt w og r o u p so f h e r b i c i d e sw e r ea l s od e v e l o p e dr e s p e c t i v e l ya n dt h ep e r f o r m a n c eo fe a c hm o d e lh a sb e e n i m p r o v e d o f 龇s - t r i a z i n eh e r b i c i d e sm o d e li s0 8 7 1 ，a n dt h ep r i m a r yf a c t o ri s m o l e c u l ev o l u m e f o rt h ep h e n y l u r e ah e r b i c i d e sm o d e l ，i s0 8 3 2 ，a n dm o l e c u l es i z ea n d c h a r g et r a n s f e ra b i l i t ya r ed o m i n a t i n gf a c t o r s k 呵w o r d s ：h e r b i c i d e 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 ；q s p r ； 一i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：亟丝叠e l j l l ：洫z 。笸：丛 大连理工大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 逮亟叠 整塞盍 俎年上月笪日 大连理工大学硕士学位论文 引言 三嗪类除草剂和苯基脲类除草剂广泛地应用于农作物田间杂草的防治，由于农药流 失和代谢物的产生，常在地表水、地下水和农作物中检出。其中三嗪类化合物具有“三 致”效应，并具有潜在的内分泌干扰活性。苯脲类除草剂化合物结构比较相似，降解速 度较慢，对人类也有不同程度的毒性，甚至有致癌作用。 正辛醇水分配系数( r o w ) 是衡量有机污染物脂溶性大小的重要参数。研究表明，有 机物的c o w 值与其水溶解度、生物富集系数以及沉积物、土壤的吸附系数都有很好的 相关性，这使得k o w 成为评价有机污染物环境行为和生物活性的一个重要的理化参数。 但由于实验测定费时费力，不能满足化合物生态风险评价的标准，因此本研究通过定量 结构一性质相关( q s p r ) 建立三嗪类除草剂和苯基脲类除草剂k o w 值的预测模型，并对 分配机理进行解释。 q s p r 的一个核心问题是如何选择合适的分结构描述符以充分反映分子的理化性 质，而量子化学描述符具有相对明确的物理化学意义，便于进行机理解释，所以本研究 采用半经验轨道p m 3 算法计算1 8 种量子化学描述符做为建立模型的自变量参数。合适 的统计分析方法也是建立模型的重要基础，偏最小二乘( p l s ) 回归分析由于在处理自变 量之间的复杂相关性问题上的优越性而被用于模型的回归分析。 部分除草剂正辛醇水分配系数的q s p r 研究 1 除草剂正辛醇水分配系数的研究进展 农田杂草是农业生产的一大害。它一方面与农作物争夺阳光、水分和肥料，影响农 作物的正常生长，甚至导致作物的死亡，造成减产；另一方面又是传播病虫害的媒介。 而且农田杂草的适应性比一般农作物的适应性大，繁殖能力也极强。因此，防除田间杂 草成了科学种田的一项重要内容。但是，人工除草不仅耗时量大，而且效率也较低。随 着农业现代化的实现，要求有高效率的农田除草技术，因而除草剂这一最有效、最节省 劳力的化学药剂就应运而生了。 近年来，随着农村劳动力不断向第二、三产业转移，少耕、免耕技术的推广力度不 断加大，农田化学除草技术日益为广大农民所接受，我国农田杂草化除面积大幅度增加。 在发达国家除草剂市场饱和的情况下，印度、巴西和我国被认为是世界上具有最大潜力 的市场。我国目前除草剂每年使用面积达0 4 亿h i n 2 ( 多次累计的面积) ，近年来以每年 2 0 0 万l a n 2 递增，这充分说明除草剂的市场空间还很大。随着农业改制的进一步发展， 退耕还林、水土保持以及规模化经营与少耕免耕的实施，对除草剂的需求将会进一步增 加。 1 1 除草剂的介绍 除草剂就是指一大类杀死杂草或控制杂草生长的化学药剂，其中也包括一些常用的 植物生长调节剂。人工合成的植物生长调节剂，在用量稍高时，就会严重破坏植物的生 理过程，使植物死亡。因而，有些生长调节剂也可作除草剂。除草剂主要用于农田，也 用于牧场、河道、公路、公园、森林防火道等处。除草剂的应用可节省劳力，提高除草 效率，减少因杂草造成的经济损失，并为改变栽培方式，发展免耕、少耕和飞机播种创 造了条件1 1 1 。 农田化学除草的开端可以上溯到1 9 世纪末期，在防治欧洲葡萄霜霉病时，偶尔发 现波尔多液能伤害一些十字花科杂草而不伤害禾谷类作物；法国、德国、美国同时发现 硫酸和硫酸铜等的除草作用，并用于小麦等的除草。有机化学除草剂时期始于1 9 3 2 年 选择性除草剂二硝酚的发现。2 0 世纪4 0 年代2 , 4 d 的出现，大大促进了有机除草剂工 业的迅速发展。1 9 7 1 年合成的草甘磷，具有杀草谱广、对环境无污染的特点，是有机磷 除草剂的重大突破。加之多种新剂型和新使用技术的出现，使除草效果大为提高。1 9 8 0 年时世界除草剂已占农药总销售额的4 1 ，超过杀虫剂而跃居第一位。之后，世界除草 剂发展渐趋平稳，主要发展高效、低毒、广谱、低用量的品种，对环境污染小的一次性 处理剂逐渐成为主流。 大连理工大学硕士学位论文 随着社会生产力的不断发展，机械化耕作制度的大力推进，除草剂已成为人类在与 杂草危害斗争中发明仓u 造出来的一种强有力的法宝，不仅节省了大量繁重的除草体力劳 动和机械除草作业，更重要的是减少和挽回了巨额的因草害造成的粮、棉、果、菜等农 产品的产量和品质的损失及其可观的经济社会效益。但事物都是一分为二的，除草剂都 含有不同程度的毒性，在生产过程也产生一些“三废”问题，产生的废渣、废水、废气对 周围环境会造成一定危害，有的对农作物有害，有的对土壤、地下水、空气有污染，这 些影响最终将不同程度的危害人类本身生存的环境。6 0 年代美国作家卡逊写了题为“寂 静的春天”报告文学，告诫人们如不重视农药等化学品生产应用中存在的对生态环境污 染，那么将会有一天，江河中不再有鱼的生长，树林中再听不到鸟儿歌唱，动物将逐渐 绝灭，人类的生存也将面临严重的威胁1 2 】。 除草剂的确能在增产农作物的大目标中起到巨大的除草增产作用，以致人们不得不 继续使甩下去。本文对选择性除草剂正辛醇，水分配系数k o w 的q s p r 进行研究，其结 果可为科学家研制更高效、低毒、短残留、特别是对环境污染少的除草剂提供理论依据。 1 1 ，l 除草剂分类 随着科技的进步，化学除草剂已经越来越广泛地应用于农业生产之中。除草剂的种 类也日益繁多，目前，世界各国使用的除草剂已有1 0 0 多种，这些除草剂的结构和性质 各不相同，可按作用方式、施药部位、化合物来源等多方面分类【3 棚。 ( 1 ) 根据除草剂对植物的作用方式不同，可把除草剂分为非选择性除草剂和选择性 除草剂两大类。非选择性除草剂属灭生型的，除草剂对所有植物都有毒性，只要接触 绿色部分，不分苗木和杂草，都会受害或被杀死。主要在播种前、播种后出苗前、苗圃 主副道上使用。如草甘膦等。如五氯酚钠、氯酸钠等。非选择性除草剂可用来消灭路旁、 工厂厂地、森林防火带等处的杂草。因这类除草剂草、苗不分，所以一般不用于田间除 草，但如果巧妙安排使用，同样也可用于杀除田间杂草，而不伤害作物。氯苯胺灵能杀 死棉田或豆地的单子叶杂草，而不伤害棉花、豆类。敌稗可杀死水稻秧田的稗草，而不 伤害稻秧。五氯酚钠，可杀死一切植物。它们使植物致死的原因因种类而不同。西玛津、 敌草隆是抑制光合电子的传递，而阻碍光合作用进行，五氯酚钠则是干扰线粒体电子传 递和三磷酸腺营的形成，抑制了呼吸作用。所以在选择施用时期和用药量时，要注意选 择既对杂草杀效大，又对作物安全的时间及剂量。选择性除草剂：除草剂对不同种类 的苗木，抗性程度也不同，此药剂可以杀死杂草，而对苗木无害。如盖草能、氟乐灵、 扑草净、西玛津、果尔等。例如2 , 4 - d ，可杀死双子叶植物，对单子叶植物较安全，故 可在禾谷类作物田间使用。这是由于单子叶植物叶表面角质和蜡质较厚，叶子狭窄而斜 3 一 部分除草帮正辛酵，水分配系数的q s p r 研究 立，药液不易沾附，其幼叶及生长点处于几层叶片的保护下，不易与药液接触，因而不 易受伤害，而双子叶植物的形态结构恰好相反，因而受害严重。 ( 2 ) 根据除草剂接触植物后，在植物体内传导方式的不同，又可将其分为内吸传导 型除草剂、接触型除草剂及内吸传导、触杀综合型除草剂三种。内吸传导型除草剂被 植物根系或叶片、芽鞘或茎部吸收后，随着植物体内物质运输传导到全身各部位，连根 杀死，从而彻底杀除杂草。如草甘膦、扑草净等。接触型除草剂，又叫触杀型除草剂， 药剂与杂草接触时，不能在植物体内传导，只杀死与药剂接触的植物地上部分，起到局 部杀伤作用，对杂革的地下部分或有地下茎的多年生深根性杂草，则效果较差。如除草 醚、百草枯等。这类除草剂喷施一定要均匀，药效才会明显。内吸传导、触杀综合性 除草剂，具有内吸传导、触杀型双重功能，如杀草胺等。 ( 3 ) 除草剂根据化学结构分类为无机化合物除草剂和有机物化合物除草剂。无机 除草荆由天然矿物原料组成，不含有碳素的化合物，如亚砷酸钠、氯酸钠、氯酸钾、硫 酸铜等。因选择性差，用量大而逐渐被取代。有机化合物除草剂：主要由苯、醇、脂 肪酸、有机胺等有机化合物合成。有机除草剂选择性强、用量少、除草活性大。 ( 4 ) 除草剂按照使用方法分类可分为茎叶处理剂、土壤处理剂及茎叶、土壤处理剂。 茎叶处理剂：将除草剂溶液兑水，以细小的雾滴均匀的喷洒在植株上，这种喷洒法使 用的除草剂叫茎叶处理剂，如盖草能、草甘膦等。士壤处理剂：将除草剂均匀地喷洒 到土壤上形在一定厚度的药层，当杂草种子的幼芽、幼苗及其根系被接触吸收而起到杀 草作用，这种作用的除草剂，口畸土壤处理剂，如西玛津、扑草净、氟乐灵等，可采用喷 雾法、浇洒法、毒士法施用。茎叶、土壤处理剂：可作茎时处理，也可作土壤处理， 如阿特拉津等。 1 1 2 除草剂的作用及对环境的影响 除草剂在环境中的行为依赖于其化学结构、理化特性以及外界的环境条件，选择性 除草剂施入土壤后可以转移入其它环境介质，也可以在生物和非生物作用下降解或转 化，前者主要是指被土壤颗粒吸附，从土壤中挥发进入大气或渗滤到地下水污染水源、 被植物吸收进入植物体内、随地表水迁移等，后者包括水解、光解、氧化作用、微生物 作用下生物降解以及在动植物体内的代谢作用等。 大连理工大学硕士学位论文 1 2 正辛醇水分配系数杨w 介绍 1 2 1 正辛醇水分配系数k o w 的定义 有机化合物的正辛醇水分配系数( r o w ) 是指平衡状态下化合物在正辛醇相和水相中 浓度的比值。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。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，特别是对 于评价有机物在环境中的危险性起着重要作用 6 1 。l t o w 的表达式如下： k j 啊产c o c w , 1 - l 式中：t o w ：化合物正辛醇，水分配系数： c o ：化合物在正辛醇相中的平衡浓度： c w ：化合物在水相中的平衡浓度。 1 2 2 正辛醇水分配系数t o w 的测定意义及应用 正辛醇是一种长链脂肪醇，在结构上与生物体内的碳水化合物和脂肪类似，因此， 可用正辛醇水分配系数来模拟有机污染物在生物相和水相间的分配。l t o w 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，是表征有机物生物活性 的一个重要参数，直接反映有机物的疏水性和环境归趋。如t o w 值较低的化合物是亲水 的，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k o w 值，则是疏水的。l o g k o w 作为一种分子亲脂 性或疏水性的量度参数，主要表征化合物分子向生物细胞内的传输、分配能力，与有机 物的水溶孵度( 鼬) 、生物富集因子( 戤：_ d 、土壤和沉积吸附系数( k o c 或、生物毒 性均具有很好的相关性嘲。 人们对t o w 的兴趣始于化合物结构一活性关系的研究，许多研究表明t o w 与药物 相关结构的变化以及某些生物学，生物化学或毒性效应的变化有关，因此可以根据药物 的k o w 的估算值，来预测其部分性质；在生物毒理学和结构一毒性关系研究中，可以用 化合物的k o w 值来预测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，可以用t o w 来估算和衡量很多与疏水性有关的理化性质和环境行为特性1 7 】。 l t o w 最初应用于药物研究，根据物质的正辛醇水分配系数对所研究设计的药品进行 取舍，减少因实验药品进行中试验或批量生产而带来的资金浪费。目前，t o w 已广泛应 用于农药、化工产品分离与提纯、环保等许多领域。例如：根据k o w 的大小可以预测农 药对害虫的杀伤力和对环境的影响，选择分离提纯所用的最佳萃取剂，估算油水分配系 数以及估算土 襄沉积物水分配系数和生物富集因子以及水溶解度等多种物化性能。 一5 部分除草剂正辛酗水分配系数的q s p r 研究 k o w 是一个描述和评价有机物环境行为的重要参数，在生命、环境、医药化学和毒 物学等许多领域得到广泛应用，受到了越来越多的学者的关注。但是不同化合物的k o w 值测定，需要不同的方法。现在的研究方向主要是改变条件来适合不同化合物的l c o w 值测定。由于k o w 值的实验测定方法比较繁琐，而且已有大量的实验数据库，因此越来 越多的研究致力于发展快速的估算方法。估算方法就是运用合适的方法，通过一类已知 c o w 值的物质估算有类似结构的其它物质的k o w 值，k o w 值的估算方法将不断完善川。 1 2 3 正辛酉彰水分配系数k o w 的测定方法 k o w 的测定方法分为直接测定法和间接估算法田。下面将对k o w 的测定方法进行分 别介绍。 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，分别测定在正辛醇相中和水相中的浓度，从而计算出该物质的正辛醇， 水分配系数。 现有的测定方法主要有摇瓶法 s , g l 、反相高效液相色谱( r p h p l c ) 法 纠o 】、产生柱法 【g ，1 0 1 、液液流萃取法【8 l ，动电色谱法 s , 1 0 j 等。其中最常见的实验方法是摇瓶法和产生柱 法。 经典的摇瓶法虽然测定结果较精确，但仅限于k o w 值小于1 0 5 的化合物，测定周期 长，且对物质的纯度要求较高【1 1 1 ；r p h p l c 法是经合组织( o e c d ) 继摇瓶法之后推出的 又一推荐性测定方法，该方法为实际为间接测定方法，测定速度快，对物质纯度没有要 求，重现性好，但不适用于测定在水中发生电离的物质且需要一组标准物质；对强疏水 性的化合物，通常采用产生柱法，液一液流萃取法【1 2 1 3 1 ，瓶内搅拌法等是针对摇瓶法测 定周期长的缺点提出的，但这些方法都存在测量范围窄，且具有一定局限性的缺点，都 没能得到广泛应用；色谱法的发展主要是动电色谱法的应用如胶束动电毛细管色谱法。 新提出的动电色谱法所受影响因素较多，还很不成熟，故其使用受到一定的限制。 k o w 值的实验测定方法比较繁琐，而且k o w 已有大量的实验数据库，因此越来越多 的研究致力于发展快速的估算方法【体旧。例如结构性质关系；根据有机物的k o w 值与 其他性质之间的相关性来进行估算；根据分子的亚结构特征，采用基团贡献或碎片常数 法进行估算；根据不同溶剂水系统的分配系数之间的相关关系，利用溶剂回归方程从其 他有机溶剂水分配系数来求出，在本文中将分别讲述几种比较常用的估算方法及其研究 进展。 1 2 4 正辛醇水分配系数k o w 的估算方法 ( 1 ) 根据分子的亚结构特征采用碎片常数法进行估算【1 7 j 大连理工大学硕士学位论文 该方法是指是把原子，结构碎片以及结构碎片间的分子内作用对l o gk o w 值的贡献 加起来求l o g k o w 值。主要有以下两种方法：取代常数法和碎片常数法，这两种方法紧 密相关，并且都必须考虑结构因子，但是在应用中各有其独特的优点：取代常数法需要 一个结构上相似化合物的k o w 测定值，这种方法主要是针对芳香族化合物的。碎片常数 法特别需要结构类似化合物的k o w 测定值。另外，由于人们已经测定并收集了数千种化 合物的c o w 值，因此，这两种方法可用来在很宽的范围内对化合物进行直接估算。碎片 常数法所涉及的碎片常数有两套，其中之一为h a n s c h 和l e o 所提出，另一套为n g s 和 r e k k e r 所提出，其中h a n s c h 和l e o 方法具有较多的碎片常数，结构因子规则能够得到 更好的解释，并且易于计算机化。 所谓碎片常数，即组成分子的一个原子或原子基团对k o w 的贡献值。这种方法只需 要化合物结构的知识。对于结构复杂的未知化合物来说，如果已经有了一个相似结构化 合物的i c o w 测定值，那么就可预测一个新化合物的k o w 值。l e o 方法基于从经验上得 来的碎片常数( 7 ) 和结构因子来估算c o w 值，估算公式如下： l o g c o w = t 七f i - 2 由于碎片常数和结构因子是已知的，因此此方法唯一要输入的信息是化合物的结构 参数。某一碎片可能有不同的，值，这取决于它所连接的结构类型( 脂肪族或芳香族) ， 就整体而言，大约有2 0 0 个厂值是可用的。必须考虑1 4 种不同的因子，其中包括分子的 柔韧性( 如绕键转动) 、不饱和度、多卤代、支链和与极性氢碎片的相互作用等。由于 有许多，和f 值可用，因此这一方法是相当有用的，只有少数人工合成的化合物不能适 用。这种方法假定k o w 值依赖于溶质分子的结构，而结构的影响可以用f 值来解释，结 果表明，这些假定对大多数化合物来说是合理的。对于比较简单的化合物，该方法的误 差比较小，而大约在0 1 2 1 0 9 k o w 单位，然而对于比较复杂的化合物( 包括许多农药和 药物) ，方法的误差可能比较大，对于l o g c o w 6 的误差也许会超过一个或更多的l o g k o w 单位。 ( 2 ) 根据有机物的k o w 值与其他性质之间的相关性来进行估算 i s - 2 0 利用高效液相色谱保留值 高效液相色谱法( h p l c ) 是一种常用的测定k o w 的方法，通常是以l ic h r o s o br p 8 柱、c 1 8 柱作为固定相，以甲醇( 或乙醇) 水为流动相。首先需测定k o w 值已知的一系 列物质在该色谱条件下的保留时间( 或保留体积) ，然后以i o g k o w 对相应的容量因子k 的 l o g k 值( 或保留体积) 作图，进行线性拟合。测定被测物的l o g k 值( 或保留体积) ，对应拟 合直线求出其l o g k o w 值。适宜测定的l o gk o w 范围为o 一6 1 8 1 。与其它的方法相比用 部分除草剂正辛醇水分配系数的q s p r 研究 h p l c 确定k o w 值，有以下优点：样品不需要纯化，可以同时测定混合物中几种化合物 的值，而且只需很少的样品。 利用气相色谱保留值 近年来很多学者研究了利用气相色谱( g c ) 保留值估算k o w 值【2 0 】。化合物的色谱保 留值主要是由其分子化学组成和分子结构控制的，因此用g c 保留值估算化合物的k o w 等理化参数有其理论依据，( 虻保留值与辛醇，水分配系数间存在一定的相关关系。 利用k o w - 与水溶解度的关系 w e i 等【2 l 】通过考查1 4 8 种模型化合物，研究了肠w 与水溶解度( 踟，土壤，沉积物分配 系数( k o c ) 之间的关系。为了便于以后引用，把这些化合物分成五组：脂肪族化合物，芳 香化合物，杀虫剂，除草剂以及多环芳烃。对每一组物质的k o w 、s w 、k o c 建立了线性 模型。只要知道被测化合物的基本性质，就可能可以预测它的k o w 、s w 、k o c 。 根据不同溶剂，水系统分配系数之间的相关关系 该法就是用化合物的其它有机溶剂水分配系数和c o w 建立溶剂回归方程，再估算 c o w 值。 ( 3 ) 用定量结构一性质相关关系( q s p r ) 估算c o w 值 q s p r 研究的基本假设是化合物的性质依赖其结构。常用的研究方法是分子连接性指 数法、线性溶剂化能相关( l s e r ) 、量子化学法t 2 2 ，2 3 1 。 分子连接性指数法是现在研究较多的一种方法，它是从有机化合物分子的隐氢骨架 中产生的拓扑指数，反映了分子的大小、分枝、键型，以及杂原子等信息。以大量相关 分子理化性质的实验值为基础，直接根据分子拓扑，就能把理化性质或生物学性质的加 和性和构成性以分子的连接性函数的方式译制出来。利用这种函数式，一方面可预测一 些分子的未知性质，另一方面，可根据需要设计具有一定性质或活性的分子四。 线性溶剂化能相关( l s e r ) 是由k a m l e t 等人 2 4 - 2 习发展起来的属于线性自由能关系 ( l f e r ) 的一种方法，近年来得到了广泛应用。k a m l e t 等人研究表明，溶解包括以下三 个与自由能有关的过程：在溶剂中形成一个可以容纳溶质分子的空穴；溶质分子互 相分离并进入空穴；溶质与溶剂间产生吸引力。据此，提出化合物的溶解度以及与溶 解分配有关的性质可以表示为空穴项、偶极项和氢键项作用的加和。k a m l e t 等人采用分 子体积和溶剂化变色参数来表征这几种相互作用，即得到了线性溶剂化能关系。这个方 法在研究有机污染物的s w 、k o w 、高效液相色谱保留因子以及非反应性毒性等取得了很 大成功。 k 枷l e t 【珥等入相关分析了2 4 5 种脂肪族和芳香族化合物的k o w ，模型的相关系数高 达0 9 9 5 9 ；l e a h y 等人1 27 】回归分析了1 0 3 种芳香族与脂肪族不能形成氢键的化合物以及 大连理工大学硕士学位论文 弱氢键质子供体化合物的l c o w ，模型的相关系数达到了o 9 9 1 7 ，均显示了卓越的应用可 靠性。 量子化学法是根据分子轨道理论计算出化合物分子的半经验参数，建立l c o w 值与这 些参数之间的关系模型进而预测k o w 值。由于量予化学参数计算快速、准确、物理意义 明确，并且能够比较全面地反应化合物的结构信息，在有机污染物的q s p r 研究领域得 到了广泛的应用。 1 3 部分选择性除草剂正辛醇，水分配系数k o w 研究进展 三嗪类除草剂和苯基脲类除草剂广泛地应用于农作物田间杂革的防治，由于农药流 失和代谢物的产生，常在地表水、地下水和农作物中检出。 三嗪类除草剂是早在2 0 世纪5 0 年代就推出的传统除草剂之一，通过光合系统( p s 1 以d 1 蛋白为作用靶标，抑制植物的光合作用而发挥作用。这类除草剂曾在农业上发 挥很大作用，虽然目前由于磺酰脲类等新除草剂的迅速发展，这类除草剂的市场日趋下 落，但由于其用量较大、残留较长并且具有“三致”作用，引起了环境工作者的广泛关 注【2 8 1 。以阿特拉津为例，因其分子中含有1 个氯原子，对人和哺乳动物具有毒性，是 可能的致癌物质，并会影响人体的内分泌系统，产生畸形，诱导有机体突变，美国、日 本等国已将其列入内分泌干扰剂化合物名单 2 9 1 。其在环境中的主要降解产物去乙基阿特 拉津和去异丙基阿特拉津也具有类似的毒性，它们的环境效应和对人类的威胁越来越受 到重视0 0 1 。而其他三嗪类除草剂如扑灭津和西玛津等也具有相似毒性。 苯脲类除草剂是一类结构相似、在农业上广泛使用的芽前和芽后除草剂。由于其降 解速度较慢，因此常存在于地表水、地下水和农作物中，对人类有不同程度的毒性，有 的甚至有致癌作用【卅。 l i u 等【3 2 j 采用紫外分光光度法测定了1 3 种三嗪类和9 种苯基脲类除草剂的c o w 值， 并采用r p h p l c 法分析了k o w 与保留因子_ j 之间的关系，得到了l o g k o w 与l o gk z 间 的显著线性关系。f i n i z i o 等1 3 3 l 采用三种不同的方法：反相高效液相色谱保留时间、碎 片常数c j o 方法以及通过溶解度进行理论计算的方法研究了包括部分三嗪类除荜 剂在内的8 7 种除草剂的k o w 。k a u n e 等1 3 4 】采用r p h p l c 法测定了3 3 种三嗪类除草剂 及其降解产物的c o w 值。p a s c h k e 等1 3 5 l 采用摇瓶法和r p h p l c 法测定了2 3 种三嗪类和 苯基脲类除草剂的k o w 值，比较研究发现，摇瓶法对于l o g k o w 值小于4 的除草剂的正 辛醇水分配系数的测定效果比r p h p l c 法更好。 一9 一 部分除草剂正辛酵，水分配系数的q s p r 研究 2 有机污染物定量结构- 性质与定量结构一活性关系研究简介 2 1 有机污染物定量结构性质关系与定量结构活性关系 在环境科学中，所谓定量结构性质关系( q s p r ) 分别是指有机污染物的分子结构与 其理化( 环境) 性质之间的定量关系，所谓定量结构一活性相关( q s a r ) ，是指有机污染物 的分子结构与其生物毒性之间的定量关系。目前，有机污染物的理化( 环境) 性质主要指 描述有机污染物在环境中迁移、转化的性质参数【6 1 7 1 ，生物毒性主要针对于水生生物的 毒性。 为什么要进行有机污染物的定量结构活性相关及定量结构性质相关研究? 归根结 底，是因为有机污染物的生态风险性评价的需要。世界展望研究所估计现在人类已经合 成的日用化学品已到7 0 0 0 0 种之多，并且正在以每年5 0 0 - - 1 0 0 0 种的速度增加。如果化学 品的工业产量每年递增2 3 ，那么可以预计，1 0 0 年以后化学品在全球的平均浓度将 增j j w 至l j p p m 级。一方面，这些化学品的产生极大地丰富了人类的物质世界，给人类的生 活带来了便利和享受；另一方面，人类在生产、运输、使用和处置这些化学品的时候， 不可避免地向环境排放一些有害的化学品，使自然环境遭到破坏，对人类健康和生态系 统造成严重的危害和影响。因此，有必要对尚未进入环境的化学品进行生态风险性评价， 为环境污染预防提供依据和支持；并且对已进入环境的污染物进行控制和消减，以维持 人类的生存和发展。这些工作的开展和进行需要掌握化合物的一些基本的理化性质和生 物活性数据，如蒸气压、正辛醇水分配系数、水溶解度、生物富集因子、光解速率常数、 生物降解速率常数等，以了解化合物在环境中的分配、迁移和转化规律，及其对各种生 物的毒性。然而面对如此浩繁的化学品，如果仅以实验工作为基础以获得化学品的相关 数据，其工作量之大不是哪个国家的人力和物力所能承担的，而且这在时间上也是永远 滞后的，会导致化学品未经评价而进入环境，造成对环境不可逆转的污染和破坏。分子 结构决定分子性质这一基本原理为上述问题的解决提供一种新的思路，这便是建立系列 有机化合物的分子结构与其生物活性理化性质之间的定量关系，即有机化合物定量结构 活性性质相关( q s a r j q s p r ) 惭。 这里所谓的“生物活性理化性质”，具有较广泛的外延，它可以包括：( 1 ) 有机毒 物对不同物种不同生理生化指标的毒性，如急性毒性、亚急性毒性、酶抑制毒性、生殖 和遗传毒性、免疫毒性、发育毒性、神经毒性等；( 2 ) 有机污染物的理化性质，如水溶 解度、正辛醇水分配系数、蒸气压、熔点、沸点等；( 3 ) 有机污染物在环境中迁移转化 行为的表征参数，如生物降解速率常数、水解速率常数、光解速率常数等。 大连理工大学硕士学位论文 有机污染物q s a r q s p r 的意义在于：根据有机污染物q s a r q s p r 研究建立的模 型，可以对目标化合物的环境行为和生态毒性进行预测和评价，从而为进一步的完全评 价和化合物的筛选提供必要的基础数据；此外，根据其研究结果，结合化学和生物学等 方面的相关知识，可以探求有机污染物与环境的相互作用规律，及其对生物体的毒性作 用机理，从而为发展有机污染物的控制和削减技术提供理论指导嘲。 2 2q s p r q s a r 的研究思路及研究方法 2 2 1 有机污染物q s p r q s a r 研究的基本步骤 有机污染物的q s p r q s a r 研究通常包括四个环节：活性性质数据的采集，分子结 构参数的选取，具体模型的建立和应用模型对环境参数进行解释或预测。其中前两个环 节是该研究的前提，第三个环节的实现通常要借助于一些统计分析方法，例如多元逐步 回归，因子分析，主成分分析等，第四个环节则要结合一定的环境科学的背景知识来实 施。其流程见图2 1 。 图2 一l 有机污染物q s p r q s 从研究的流程图 ( 1 ) 活性性质数据的采集 部分除草剂正辛酵冰分配系数的0 s p r 研究 针对所要研究的系列化合物，收集相应的活性性质数据。活性性质数据的来源主 要有三种途径：实验测定、科技文献的查阅及相关数据库的检索。所收集的活性性质数 据要求准确可靠，因此所用的实验数据必须由严格遵照相关的实验规范的实验获得。科 技文献查阅得来的数据则必须遵照原始文献，而不应采用二次文献中的数据。为了减少 数据误差，以得到性能较好的q s p r q s a r 模型，所用的活性性质数据最好是来源于同 一实验室，遵照相同实验规范做的同一组实验。如果活性性质数据来源于不同研究者的 结果，在进行q s p r q s 觥型建立前，必须对活憎性质数据进行分析和初步的筛选， 以保证得到可靠的q s p r q s a r 模型。 ( 2 ) 分子结构描述符的获取 分子结构描述符是建、- r q s p r q s a r 模型的基础。原则上应选用对所研究活性性质 有解释意义的分子结构描述符。如果根据作用机理或经验判断知道哪些分子结构摇述符 与所研究的活性性质相关，就可以有针对性地获取相关的分子结构描述符。但是在建立 模型之前，往往不知道哪些分子结构描述符与所研究的活彤性质相关。在这种情况下就 应该选取尽可能多的分子结构描述符，不至于遗漏重要的分子结构信息，但是这在另一 方面增加了数据分析和模型建立时的困难。 分子结构描述符可以通过实验和理论计算两种方式获得【弼。由实验得到的分子结构 描述符有：h a m m e t t 常数、t a f t 常数、溶剂化变色参数等。这些参数的优点是物理化学 意义明确，但是它们的获取需要耗费大量的人力和物力。另外一些分子结构描述符可由 理论计算得到，如分子连接性指数( m c i ) 、分子的表面积( m s a ) 、分子的总能量( 您) 、分 子中电子电子排斥能( 圆等。随着计算机等相关技术的发展，通过理论计算获得分子结 构描述符变得更加方便快捷，而且精确度有了较大地提高。由于这些分子结构描述符具 有计算精确，容易获得等优点得到了较大的发展和广泛的应用，成为目前分子结构描述 符获取的主要手段。 ( 3 ) 具体模型的建立 这一步主要是应用统计学方法或其它建模方法建立分子结构摇述符和其活性性质 之间的定量关系。由于不同类别化合物的活性性质不同，其q s p r q s a r 模型也各不相 同：有的是多元线性关系，有的是非线性关系，还有的则没有个直观的表现形式。因 此针对