（化学工艺专业论文）双水平基团贡献法估算有机化合物正辛醇水分配系数.pdf

摘要 摘要 正辛醇水分配系数( k o 。) 是表征有机化合物生物活性的一个重要参数，它反 映了化合物的疏水性和环境历程，是环境研究中有机污染物迁移转化的重要理化参 数。随着人工化学品的日益增多，环境中有机污染物的种类成千上万，完全依靠实 验完成积累数据显然是不可能的。因此估算正辛醇水分配系数的方法显得非常重 要。 针对传统估算方法中存在的缺点，提出了种新的估算有机化合物正辛醇z k 分 配系数的方法双水平基团贡献法，该方法仅需要物质的常压沸点、摩尔质量和 分子的结构信息即可计算出其亿，。根据在不同分子中相同原子带电量不变的原则 将烃类、含氯化合物、含氧化合物、含氮化合物的基团划分为6 9 个第一水平基团和 4 1 个第二水平基团，分别用烷烃、烯烃、炔烃、环烷烃、芳香烃、稠环化合物、氯 代烷烃、氯代烯烃、氯代芳香烃、醇、酚、酮、醚、酯、胺、氮杂环化合物、硝基 取代物共1 7 类4 3 0 个化合物的实验值进行回归，得到基团对正辛醇水分配系数的 贡献值和模型参数。对4 3 0 个化合物用单水平基团贡献法进行回归，其平均相对偏 差为7 2 5 ，对烷烃、烯烃、氯代芳香烃和含氧有机物引入了第二水平基团进行回 归，其平均相对偏差比单水平基团贡献法降低了1 8 6 。用双水平基团贡献法与三 水基团贡献法、a f c 碎片常数法和分子连接性指数法对3 1 个未参与回归物质进行 计算比较，双水平基团贡献法估算精度最高。 图4 个表2 2 个参考文献5 4 个 关键词：基团贡献法，正辛醇水分配系数，物性，估算 分类号：x 1 3 6 2 一 塑j ! 堡三查兰堡主兰焦堡奎 a b s t r a c t t h eo 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 ( k o 。) i so n eo ft h e k e yd a r a m e t e r si n 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 ( q s a r ) s t u d i e so fo r g a n i cc o m p o u n d s ，w h i c hi s e x t e n s i v e l yu s e dt od e s c r i b eac h e m i c a l sl i p o p h i l i co rh y d r o p h o b i cp r o p e r t i e sa n di t s e n v i r o n m e n t a le n d r e s u l t 配。i sa l s ot h ei m p o r t a n tp h y s i c a la n dc h e m i c a lp a r a m e t e rf o r r e f l e c t i n gt h et r a s f o r m a t i o no ft h eo r g a n i cc o m p o u n d si ne n v i r o n m e n tw i t ht h ei n c r e a s i n g q u a n t i t yo fa r t i f i c a lc h e m i c a l ，t h e r ea r en u m e r o u so r g a n i cc o m p o u n d sr e l e a s e di nt h e e n v i r o n m e n t i ti s i m p o s s i b l ea n dl a g g i n gt h a tt h ek o 。d e p e n d so nt h ee x p e r i m e n t t h e r e f o r e ，t h ep r e d i c t e dm o d e li si m p o r t a n tf o rg e t t i n gt h e 匕m f o ra m e n d i n gt h ef a u l to fc u r r e n tg r o u p c o n t r i b u t i o nm e t h o d s ，n e wm e t h o d sn a m e d t w o - - l e v e lg r o u pc o n t r i b u t i o nm e t h o df o r t h ee s t i m a t i o n o ft h eo c t a n o l - w a t e rp a r t i t i o n c o e f f i c i e n to fo r g a n i cc o m p o u n d sa r ep r o p o s e di nt h i sm e d o l ，t h en o r m a lb o i l i n gp o i n t a n dm o l ew e i g h ta r en e c e s s a r yf o rp r e d i c t i n gk o wa c c o r d i n gt ot h er u l e t h a tt h es t a t i c e l e c t r i c i t yo ft h ea t o mi nd i f f e r e n tm o l e c u l ei si n v a r i a b l e ，t h eo r g a n i cc o m p o u n d si n c l u d i n g h y d r o c a r b o n , c h l o r i d ec o m p o u n d s ，o x y g e n o u sc o m p o u n d sa n dn i t r o g e n o u sc o m p o u n d s a r e d i v i d e di n t o6 9f i r s t l e v e lg r o u p sa n d4 1s e c o n d l e v e lg r o u p s t h ee x p e r i m e n t a lv a l u e so f 4 3 0c o m p o u n d sa r es i m u l a t e d ，w h i c hi n c l u d i n ea l k a n e ，a l k e n e ，a l k y n e ，c y c l o a l k a n e ， a r o m a t i cc o m p o u n d s ，c o n d e n s e dr i n gc o m p o u n d s ，c h l o r i d ea l k a n e ，c h l o r i d ea l k e n e ， c h l o r i d ea r o m a t i c ，a l c o h o l ，p h e n o l ，k e t o n e ，e t h e r , e s t e r ，a m i n e ，n i t r o g e n o u sh e t e r o c y c l i c c o m p o u n d sa n dn i t r y lc o m p o u n d sa sar e s u l t ，t h ev a l u e so f6 9f i r s t l e v e lg r o u p sa n d4 1 s e c o n d - l e v e lg r o u p st oo 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 ta n dt h ep a r a m e t e r si nt h e e q u a t i o na r eo b t a i n e d t h ea v e r a g ec o r r d a t i o na c c u r a c yo f a b o v ec o m p o u n d si s7 ，2 5 b y t h es i m p l e - l e v e lg r o u p c o n t r i b u t i o nm e t h o d a sf o ra l k a n e , a l k e n e ，c h l o r i n a t e dc o m p o u n d s a n do x y g e n o u sc o m p o u n d s ，t h ec o r r e l a t i o na c c u r a c yi sd e c r e a s e db y1 8 6 b yd r a w i n g i n t os e c o n d l e v e lg r o u p sc o m p a r e dw i t ht h r e e l e v e lg r o u p c o n t r i b u t i o na p p r o a c h ， a t o m f r a g m e n tc o n t r i b u t i o nm e t h o d ( a f c ) a n dm o l e c u l a rc o n n e c t i v i t yi n d e xm e t h o db y c a l c u l a t i n gi o g k o 。o f31c o m p o u n d sb e y o n dr e g r e s s i o n ，t h ea c c u r a c yo f t h e m e d o lp r o p o s e d i sp r i o r i t yt oo t h e rt h r e em e t h o d s f i g u r e4 t a b l e2 2r e f e r e n c e5 4 k e y w o r d s ：g r o u p - c o n t r i b u t i o n ，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 ，p r o p e r t y p a r a m e t e r ，e s t i m a t i o n c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：x 1 3 6 2 i i 插图或附附表清单 注释说明清单 物质的正辛醇水分配系数 物质在常压下的沸点， 基团f 的数量 基团f 对正辛醇水分配系数贡献值 方程的参数 分子摩尔质量k g m 0 1 分子摩尔体积m 3 m o l 有机溶剂水分配系数 组分i 在水相中的无限稀释时的活度系数 组分j 在正辛醇相中的无限稀释时的活度系数 溶质在水中的溶解度 有机物的生物富集常数 碎片j 的贡献值 校正因子j 的贡献值， 。，、掣、”零阶项、一阶项、二阶项、高阶项分子连接性指数 溶剂表面积 物质在水中的生成热j k g 物质在水中真空中的生成热j l k g v i i 死研珐乃坻帆伊&聊。识础 s 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的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 河北理工大学或其他教育机构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任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：篮! 垫篷日期：塑堑年三月堕目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河北理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：堑：! 三亟 导师签名： 日期：坦堑年_ 主月旧 引言 口 正辛醇水分配系数( k o 。) 是表征有机化合物生物活性的一个重要参数，反 映了化合物的疏水性和环境历程，是环境研究中有机污染物迁移转化的重要理化参 数。它与有机物在水中的溶解度( & ) 有机物的生物富集常数( b c f ) 以及 有机物的毒性密切相关，从而直接影响着有机污染物在水中的水解、光解和氧化还 原以及生物降解过程，因此正辛醇水分配系数是药品设计、化工产品提纯以及评价 有机污染物在环境中污染行为、制定排放标准和开发治理新技术的重要基础数据。 随着人类活动范围的扩展、强度的增加与形式的多样化，生产制造和使用的化 学物质的种类也在飞速增加。据估计，现在人类已经合成的日用化学品已达7 0 ， 0 0 0 种之多，而且还在以每年5 0 0 1 0 0 0 种的速度增长。面对如此众多的化学品， 完全依靠实验完成数据积累并进行生态风险评价，显然是不可能的。随着环境化学 从经验向理论，从描述向推理的发展，正辛醇水分配系数的估算方法也得到了较大 发展。 目前估算正辛醇，水分配系数的方法可分为两大类，类是以分子的某一性质的 参数值作为已知项，以参数与正辛醇水分配系数的相关性来估算正辛醇水分配系数 的分子法，如分子摩尔体积法【2 一“】、分子摩尔表面积法队溶解度法1 6 1 和溶剂回归 法1 7 ”l 等。分子法计算直接、简便，缺点是适用范围较窄，且所用参数值的精确 性直接影响所估算的正辛醇水分配系数的精度。另一类是以分子的结构信息为已知 来估算正辛醇，水分配系数的方法，叫做结构性能法，如分子连接性指数法1 2 】、基 团贡献法“擂l 等。结构性能法只需分子的结构信息即可，但目前还存在很多不足。 分子连接性指数法不能有效估算含有极性原子( 如o 、n 等) 的物质；传统的基团 贡献法存在基团划分缺乏理论基础、不能区分同分异构体、未充分考虑基团之间的 相互影响等。即使是近期m a r r e r o 和g a n i 【1 9 】提出的三水平基团贡献法，虽部分解决 了邻近基团之间的相互影响，但仍未给出基团划分的理论基础，旦存在有些物质基 团划分不唯一的缺陷。 针对目前估算方法中存在的问题，提出一种新的基团贡献法一双水平基团贡献 法，给出了基团划分的理论依据，对分子结构中邻近基团间的相互作用以及同分异 构体间的不同进行了修正。 河北理工大学硕士学位论文 1正辛醇水分配系数的估算方法 随着人类活动范围的扩展、强度的增加与形式的多样化，生产制造和使用的化 学物质的种类也在飞速增加，要一一测得其分配系数不仅耗时、耗力、耗财，而且 有些有机物具有一定的毒性或致癌性等，给实验测定带来了很大风险。因此，准 确、简便、快速地估算有机化合物的正辛醇水分配系数( 亿。) 的方法显得特别重 要。 尼。的估算方法很多，根据各种估算方法所输入物质的信息不同，将现有估算方 法归为两大类，即分子法和结构性能法。 1 1 分子法 分子法是依据分子的某一性质如分子的摩尔体积【2 4 1 、摩尔表面积、静电势垆i 、 溶解度陋1 、活度系数2 1 等或利用物质在其它有机相和水相之间的分配系数”0 1 来计算 正辛醇水分配系数的方法。这种方法计算简便，结果较准确。下面主要对分子摩 尔体积法，活度系数法，溶剂回归法进行介绍。 l1 1 分子摩尔体积法 摩尔体积法是最常用的分子法。该方法是根据有机物在纯液体中的化学势和饱 和水溶液中的化学势相等的原理，确定出正辛醇水分配系数与摩尔体积之间的关 系，关系式如下： l o g k o 。= a 1 ( m ，) + c 1 ( 1 ) l o g k 。= 爿( 彳，) + b 帆一2 5 ) + c ( 2 ) 式中： l 一有机物的熔点( ) 磊一有机物分子摩尔体积 彳、b 、c 常数 方程( 1 ) 适用于常温下为液体的溶质，式( 2 ) 适用于固体溶质。摩尔体积法 反映了结构差异对比。的影响，且计算简便，但精度较差。 王连生、赵元慧等人1 2 1 用( 1 ) 和( 2 ) 式对烷烃、烯烃、炔烃、醇、酮、酯、 卤代烷烃、卤代烯烃、取代芳烃、多环芳烃等2 0 种3 1 7 个化合物的正辛醇，水分配 系数进行了回归，得到方程中的参数，见表1 。 - 2 1 正辛醇，水分配系数的估算方法 表l 摩尔体积法估算正辛醇水分配系数的方程( 1 ) 和方程( 2 ) 的参数 t a b l e lt h ep a r a m e t e r so f c q u a f i o n ( 1 ) a n d ( 2 ) t oe s t i m a t ek w b ym o l a rv o l u m em e t h o d 物质类别abcrn 烷烃 烯烃 二烯烃 炔烃 环烷烃 环烯烃 醇 酮 醚 酯 卤代烷烃 卤代烯烃 烷基苯 卤代苯 卤代酚 多环烷烃 邻苯二甲酸酯 多氯联苯 对氨基苯甲酸酯 0 0 2 5 l 00 4 0 3 o0 2 7 4 0 0 3 0 9 0 0 2 4 5 0 0 2 9 2 00 3 4 7 o 0 3 0 2 00 1 9 3 0 0 2 9 9 00 2 8 7 00 2 9 7 0 0 2 9 7 0 0 5 5 5 00 3 6 0 0 0 3 3 6 00 3 4 l 00 1 5 5 00 4 3 0 0 0 0 5 3 9 0 0 8 5 8 2 4 5 08 2 7 1 0 9 - 0 2 4 7 o 8 1 2 27 0 7 2 5 0 0 8 7 9 2 2 6 o 5 1 5 - 0 4 1 3 0 4 8 0 2 8 8 - 1 6 4 0 7 6 6 3 3 4 1 7 l - 5 9 9 0 8 5 7 09 3 7 o 9 9 0 9 9 5 0 9 3 l 0 9 9 9 09 8 1 0 9 8 5 09 4 7 0 9 9 5 0 9 0 4 0 9 7 0 09 8 9 0 9 5 8 0 9 6 9 0 9 4 4 0 9 8 6 0 9 9 7 09 8 7 翌堑量苎! 塑塑 ! ：堕! ! ：! ! ! ! ! 竺 ! ：坚! ：! ! ! 除烷烃外，估算的有机物正辛醇水分配系数与测定值和文献值接近。但由于对 每一类物质，方程中参数都不同，给计算带来很大的麻烦。 1 12 活度系数法 有机污染物在水体中的活度系数的大小反映了该物质与水体相互作用的强弱， 对其在天然水体中的迁移与归宿有极其重要的影响。在环境化学研究中，正辛醇水 3 m 8 4 7 7 ， b 他 博 如 8 n 拍 8 加 4 ” m o 0 0 0 0 0 。 。 。 。 。 。 一 邶 一 。 一 一 n 0 n 吼 n 塑! ! 堡三茎堂堡主堂垡笙壅 分配系数与活度系数密切相关。正辛醇水分配系数与组分i 在水和正辛醇中无限稀 释时的活度系数之比的关系如下： vm t k 。f = o 1 5 1 三1 i ( 3 ) ，o 式中： n “”一组分j 在水中的无限稀释时的活度系数 扎“”一组分j 在正辛醇中的无限稀释时的活度系数 要计算l e o 。的值必须先求 “。和一“。的值。估算 “。和以“。的方法有几种，其 中最常用的是1 9 7 5 年由f r e d e n s l u n d 等根据u n i q u a c 模型提出的u n i f a c 基团贡 献法，其对无限稀释活度系数的预测效果较好。 值的精确度直接影响着乜。值的 精度。 1 1 3 溶剂回归法 根据恐。与有机溶剂水分配系数( 疋。) 问的相关性来计算物质的正辛醇水分配 系数，计算简便。一些溶质的溶剂水分配系数( j 乙) 应用较广泛，如比较常用的 有机溶剂有乙醚、正辛醇、氯仿、环己烷、苯、以及植物油等。最广泛的组溶剂 回归方程是l e o 和h a n s c h1 7 给出的，在以后的l e o 、h a n s c h 和e l k i n t 8 】出版物中重 复刊出。s e i l e 【9 】发展了一种改进的溶剂回归方程，r e k k e r l l o 】也给出了几种溶剂回归 方程，但是涉及到用特殊的碎片常数或校正因素。应用起来较繁琐。 物质的溶荆，水分配系数( j l 。) ，与匕。值一样，在研究物质结构与其活性的 关系方面有着广泛的应用。墨。定义为。当有机相与水相系统达到平衡时。溶质在有 机相中的浓度与在水相中浓度之比，测量时采用低浓度溶质。亿。与墨。之间的关系 可用下面的通用式表示 l o g k 。= a l o g k ，+ 6 ( 4 ) 式中： a 、卜常数项 这样的方程共有3 1 个。 合适的溶剂回归方程的选择要取决于溶质的特性。一般将溶质分成以下两组： a 组( 质子给予体) 和b 组( 质子接受体) ，通过表2 可以找到合适的溶剂回归方 程。 4 1 正辛醇水分配系数的估算方法 表2 溶剂回归方程( 1 0 9k 。= a 崦k 。+ 6 ) 中的参数a 和b t a b l e 2t h ep a r a m e t e r so f c o r a l a t i o ne q u a t i o no f ba n dk o 。( 1 0 9r 一2 口1 0 9k ，+ 6 ) 注一1 油芫指的悬檄槐讷、糯秆抽且花生捆 由以上分析可见，要求得j - ( ，必须先有墨。的测定值，且乜。的精度取决于墨w 的试验测得精度。同时还存在溶质的分类和方程的选用等问题。故该方法虽用起来 较简便，但的试验测得精度，溶质分类和方程的选用均影响着乜。的计算精 度。 由于分子法均没有热力学理论基础，为弥补分子法的热力学理论基础，p a u l r u e l l e 等【2 0 i 提出了用动态有序和无序理论( m o d ) 来估算正辛醇水分配系数的方 法，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 解释了结构对溶质溶解过程的影响。 1 2 结构性能法 结构性能法是根据分子的结构性能信息对物质的分配系数进行估算。主要包括 分子连接性指数法和基团贡献法。 河北理工大学硕士学位论文 1 2 1 分子连接性指数法 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，但不需要测定所 研究分子的各种试验参数，也不需要解复杂的薛定谔方程，只要直接根据分子拓 扑，就能把生物学性质或理化性质的加和性和构成性以及分子的连接性函数的方法 译制出来。分子连接性指数法已广泛用来预测有机化合物的理化参数“l 。对于某一 给定的分子结构，可以计算不同阶项的分子连接性指数，再根据化合物的分子连接 性指数与肠。之间的相关关系，计算出些分子的未知的正辛醇水分配系数。同 时，分子连接性指数法还具有简单、方便和所有指数不来自于试验数据等优点。其 计算项目主要有零阶项叼，一阶项7 ，二阶项v 以及高阶项v 。其计算公式 为： 、一( i ，2 ) 。z = ”p ? ) “( 5 ) x v ：彭一一( 6 ) 2 x = p j 吖雕) - i ( 7 ) 其中： d 。” 一原子f 价层除与氢键合外的电子数目，占口十胪沪 ； j 、，一分子中依次排列的碳原予； n 一分子中碳原子的总数； 口、ad 一分别为原子j 价层口轨道、p 轨道和孤对电子数目； 表示与该原 子成键的氢原子数。 心。与具有高度的相关性，这是因为。与分子的体积有线性相关性，而分 子的2 x 可以反映分子的体积大小，分子越大，越大，乜。也越大。 朱秀华等人【1 2 l 研究了烃类化合物价分子连接性质数与正辛醇水分配系数间的 相关性，并给出其一阶分子连接性指数与如。之间的关系方程： l o g k 。= 0 0 4 9 5 + 0 1 5 5 9 0 x ”+ 0 7 5 8 0 1 x ”( 8 ) ( r = 0 9 8 7 4 ) 对6 1 个烃类物质进行了计算，其绝对误差均小于0 4 1 0 9 k o 。a - 6 ! 巫主翌堕坌墼墨墼塑鱼蔓查婆 该方法预测极性较小的化合物的k o w 值时精度较高，是预测有机物理化参数比 较好的方法。但用于估算含强极性原子( 如氧、氮等) 的物质，估算误差较大。赵 元慧等人1 习用分子连接性指数法预测了硝基芳烃理化参数。引入了非色散力园子 i x ，使预测结果得到了一定改善。 1 2 2 基团贡献法 基团贡献法是将化合物的凰。值表达为分子各组成原子或原子团独立贡献和分 子结构特征贡献的线性加和。生态环境中遇到的化合物成千上万，由其组成的混合 物更是不计其数，但组成这些体系的基团数目却是很有限的。因此。把体系的性质 看成是基团性质贡献值的加和，通过确定为数不多的基团参数来预测包含这些基团 的大量体系的性质，这就是基团贡献法的基本思想。 目前常用的基团贡献法主要包括l e o 碎片常数法【8 1 、m e y l a n 和h o w a r d ( 1 9 9 5 ) ! ”1 原子碎片常数法、三水平基团贡献法”1 、基团贡献溶剂化模型法【1 4 】和u n i f a c 基 团贡献法。下面将其分为四大类来介绍：碎片常数法、u n i f a c 基团贡献法、传统 基团贡献法和其他结构性能法。 1 2 2 1 碎片常数法 ( 1 ) l e o 碎片常数法 碎片常数法最早是由h a n s c h 和l e o ( 1 9 7 1 ) t s 采用经验推导法通过原子或官能团 碎片常数和结构因素来估算的。它仅需要一些化学结构的知识。但对结构复杂的分 子，需要有一个结构相似的化合物的如。测量值，才可使估算结果较准确。 l e o 方法是基于从经验上得来的碎片常数( f ) 和结构因子( f ) 估算正辛醇水 分配系数的。所有计算都换算成l o g 匕。： l o g k 。，= 厶+ f ( 9 ) 碎片常数和结构因子是己知的，唯一要输入的信息是化合物的结构参数。碎片常数 法考虑了1 4 种不同因子，其中包括分子的柔韧性( 如绕键转动) 、不饱和度、多 卤代、支链和与极性碎片的互相作用等。 由于许多r 值和f 值可用，根据碎片常数设计的计算机程序对于数据库储存的 化合物进行运算，发现有8 45 的化合物的l o g k o 。可以估算。对于结构相似化合物 分子，此方法显得尤为简便，且方法误差较小，约在o 1 2 1 0 9 k o , 。单位。然而对于 复杂的化合物如药物和农药等其碎片划分困难，误差较大；对于l o g k o 。) 6 的物 质，误差也许会超过一个或更多的l o g 如。单位1 6 j 。 7 河北理工大学硕士学位论文 ( 2 ) m e y l a n 碎片常数法 1 9 9 5 年m e y l a n 等人 1 3 1 提出的原子，碎片常数法是目前用于估算正辛醇，水分配 系数中应用最广泛的一种基团贡献法。该法用11 2 0 个有机化合物的实验数据 回归出1 3 0 个碎片，用1 2 3 1 个有机化合物的j ( 。实验数据回归出2 3 5 个校正因 子。其l o g k o 。计算方程式如下： l o g k 。= n ) + k ，力，) + o2 2 9 ( 1 0 ) 式中： 一碎片的贡献值； 月，一表示分子中碎片j 的数目； o 一表示校正因子的贡献值； 毋一表示分子中校正因子的数目。 其校正因子考虑了邻近取代基间和各种结构之间的影响。在用于计算的2 3 5 i 个化合物的计算中，其相关系数i - - o 9 8 ，标准偏差为0 2 2 绝对误差为 0 1 6 1 0 西。对于有。试验数据的8 4 0 6 个化合物，有9 6 9 6 的物质可以计算，其绝 对误差为0 8 1 0 9 k o 。该方法尤其是用于简单化合物心。的估算。文中指出对于 l o g k o 。值为0 2 o 5 的直链烷烃则误差较大，同时也具有碎片常数法普遍存在的缺 点就是不能预测含有多宫能团的复杂的生化物质。 1 2 , 2 2 u n i f a c 基团贡献法 u n i f a c 基团贡献法是f r e d e n s l u n d 等人1 1 5 1 根据u n i q u a c 模型提出的，经过 近三十年不断发展和完善，u n i f a c 基团贡献法预测范围和准确度得到了很大提 高。截止到目前已发展了五种u n i f a c 模型，它们分别是，原始的u n i f a c 模型 ( u n i f a cv l e 1 ) 、l l e u n i f a c 模型、g m e h l i n g 等人的修正的u n i f a c 模型 ( i 烈a c 一眦2 ) 、l a r s e n 等人的修正的u n a c 模型( 1 烈a c 一正3 ) 、用 于估算正辛醇水分配系数的w a t e ru n i f a c 模型。前四种已成功用于预测气- 液 平衡、液液平衡，固液平衡和无限稀释活度系数等1 1 个重要参数，且预测结果 准确。在预测正辛醇水分配系数时w a t e r u n i f a c 模型要好于其他四种模型。 由于u n i f a c 模型的热力学理论基础为g u g g e n h e i m 的液体溶液似晶格理论与 w i l s o n 的局部组成概念，其模型是由a s o g 模型和a b r a m s - p r a u s n i t z 的u n i q u a c 模型结合而导出的。而u n i f a c 基团相互作用参数是从符合热力学一致性原理的数 据确定的，因此从u n i f a c 估算活度系数，再用活度系数估算有机化合物理化性 质，这种方式比较可靠。l y m a n 等人曾详细讨论了活度系数与辛醇水分配系数之 1 正辛酵脉分配系数的估算方法 间的关系。h i d e t o s h i 和k u r a m o c h i 等人用u n i f a c 的前四种模型【1 5 , 2 1 。】对氨基 酸及其衍生物和糖等生化物品的正辛醇水分配系数进行了估算，并将估算结果与 文献值比较，得出的结论是原始模型和l a r s e n 等人的u n i f a c 模型较适用于估算辛 酵水分配系数，但对生化物质和氨基酸及其衍生物的估算误差较大。w i e n k e 和 g m e h l i n g i i s l 采用u n i f a c 基团贡献法估算了辛醇水分配系数，并给出了一套新的 基团相互作用参数。 近来d e r a w i 等人( ”】用现有的五种u n i f a c 模型与m e y l a n 和h o w a r d 提出的原 子碎片常数法( a f c ) 预测了正辛醇水分配系数，并对其预测能力进行了比较。 d e r a w i 等人选用了烷烃、芳香烃、环烷烃、醚、胺、醇、醛、酮、酸、酯、和一些 多宫能团化合物总共1 3 7 个，分别用各种u n i f a c 模型和a f c 模型进行估算并与 文献值作了比较，结论是在估算正辛醇水分配系数时，a f c 相关模型要好于 u n i f a c 模型，而u n i f a cv l e 一2 基本不适用于估算该系数。d e r a w i 等人建议采 用w a t e ru n i f a c 和u n i f a cl l e 时，需要进一步确定氨基和醛的常数以估算 如醇胺类的复杂化合物。但是对于高度不对称系统，尤其是含有复杂多官能团化合 物的水溶液，u n i f a c 基团贡献法可能已经不适用了。就目前的研究结果来看，新 的热力学概念和模型如c p a 2 5 j 和s a f t 2 6 1 可能会取代经典的u n i f a c 方法。 1 2 2 3 传统的基团贡献法 ( 1 ) 线性溶剂化能基团贡献法 s h i a n g t a il i n 和s t a n l e yi s a n d l e r l l 6 】提出溶质和溶剂的相互作用能可以分解成 溶质分子的各基团与溶剂的相互作用能，给出了基团贡献溶剂化能模型 ( g c s k o 形) 。其是在线性溶剂化能( l s e r ) 基础上发展起来的，即假设溶质与辛醇 水溶剂之间的相互作用力( 斥力和引力) 成正比关系。通过计算两互不相容混合物 中的溶剂自由能和分子结构参数( 范德华体积，和范德华表面积q ) 来计算其无限 稀释活度系数。从而计算出溶质的正辛醇水分配系数。该方法计算简便，准确，且 所用参数具有明确的物理意义且均可通过量子化学计算获得。用不同水平的量子化 学计算修正了邻近影响。对线性化台物的估算结果较好，估算结果的平均误差为 士o 1 4 1 0 9 k o w 。 ( 2 ) b e n s o n 基团加和法 梁云霄，胡秀华1 2 7 1 应用b e n s o n 基团加和法谬1 对分子结构与正辛醇水分配系 数间的定量关系进行了研究，证明烷基苯的l o g g o 。有良好的基团加和性。b e n s o n 基 团加和法与一般加和法的不同是其不仅考虑了官能团或取代基，而且比较充分的考 9 河北理q - 大学硕士学位论文 虑了分子中各原子的化学环境。b e n s o n 基团加和法成功地预测了气相有机分子的热 力学数据，估算得出的化合物的平均偏差为0 0 5 1 0 9 k o 。 任保增，刘建华等 2 9 1 由正构烷烃的物性随碳原子数的变化曲线得出l o g k o 。与碳 原子数有良好的线性关系，劳确立其相关方程如下： l o g k 。= 1 0 7 3 4 + o4 9 6 0 n e ( 1 1 ) 式中： r c 一表示正构烷烃的碳原子数。 用现有2 0 3 个化合物的数据逐步回归，得到总体优化的基团参数值和基团贡献 模型。其对正构烷烃回归估算的总的平均相对误差为4 4 3 。 12 24 其他结构性能法 ( 1 ) 三水平基团贡献法 j o r g em a r r e r o 和r 丑f i q u lg a n i 1 9 提出用三个水平的基团来估算正辛醇，水分配系 数。第一水平基团可以描述整个分子的组成，且一个分子的基团组成应唯一；第二 水平基团和第三水平基团不必描述整个分子，且同一分子的一个组成部分可以用多 个第二和第三水平基团重复描述。其提出的b 计算方程式如下： 1 0 鲜“差麓ml o g i 。k 蒿鉴0 。l o g k 。叫国，。( n ) ，+ ：。 。 一表示第一水平基团j 在分子中出现的频次5 一表示第二水平基团j 在分子中出现的频次； 一表示第三水平基团k 在分子中出现的频次。 一表示第一水平基团j 对正辛醇水分配系数的贡献值； 一表示第二水平基团- ，对正辛醇水分配系数的贡献值； 一表示第三水平基团七对正辛醇水分配系数的贡献值： 一第二水平基团的使用标志，当用第二水平基团进行计算时m = l ，只用第一水平基团进行计算时= o 。 z一第三水平基团使用的标志，当用第三水平基团进行计算时 z = l ，不用第三水平基团进行计算时z - - - 0 。 该方法是以多水平基团贡献法为基础发展来的，可用于预测包括复杂的、大分 子的、杂环的化合物的有机化合物。用9 5 6 0 个有机物的k o 。回归了三个水平共3 3 1 1 0 ， 耽助叨 帆 刚刚“ 式m 尬q h b b 1 正辛醇，水分配系数的估算方法 个基团的贡献值，并用三水平基团贡献法预测了未用于回归的2 2 4 5 个有机化合物 的正辛醇水分配系数值，其标准偏差( s t d ) 、平均绝对偏差( a a e ) 和相关系 数( ，) 值分别为o 4 4 、0 3 1 和0 9 3 。该法对复杂大分子和杂环化台物的估算值接 近实验值。但该方法基团划分过细，且对于复杂化合物，其第二和第三水平基团的 划分不唯一，给计算带来很大麻烦。 ( 2 ) 三维分子结构性能法 y i n e l 和r i s e r i l 3 0 l 提出的三维分子结构性能法，即用溶剂表面积( 蹦翩) 和水 中的生成热h f ( w ) 与真空中的生成热h f ( v ) 的差值与辛醇，水分配系数的关系估算 l o g c o 。其估算方程式为： l o g k 。= 0 0 7 ，( w ) 一日，p ) j + o 0 7 ( s a s a ) 一22 6 l l l l l elliq ( 1 3 ) 对于苯衍生物估算结果铰准确，但不具有普遍适用性。 ( 3 ) 极化指数法 营晨忠等人【3 l ，3 2 1 根据极化效应指数理论计算出多环芳烃的分子极化指数和碳链 长度法( 准长度) 与正辛醇水分配系数的关系，用碳链长度法计算多环芳烃的正 辛醇水分配系数值，误差基本小于o 4 1 0 9 k o 。 姚书春等人3 3 1 用量子化学参数作为结构描述符，对1 2 种拟除虫菊酯类化合物的 l o g k o w 进行回归预测，得出影响拟除虫菊酯化合物正辛醇水分配系数的因素，用所 得回归方程计算分配系数值，误差为0 4 1 0 9 k o 。 魏东斌等人9 4 1 用线性溶剂化能( l e s r ) 法构建了两个模型，并预测了十一个甲 酰胺苯丙烯酸酯的辛醇，水分配系数，预测结果误差为02 1 0 9 k o 。 1 3 双水平基团贡献法的提出 通过以上分析，可得到如下结论： 1 分子法计算直接简便，但中间参数的精度直接影响正辛醇水分配系数的精 度，且分子法的适用范围很窄； 2 结构性能法估算精度较高，且适用范围较广。但结构性能法还存在以下缺 陷：分子连接性指数法不能用于估算含有极性原子的物质。基团贡献法中，碎片常 数法校正因子较复杂，且没有充分考虑邻基之间的影响；u n i f a c 基团贡献法不能 估算含氮化合物和生化大分子的恐。；传统的基团贡献法没有给出基团划分理论依 据，没有考虑同分异构体，没有充分考虑邻基之间的影响。即使是近期g a n i 等人 提出的三水平基团贡献法，也未对同分异构体的差异进行区分。 河北理工大学硕士学位论文 3 针对传统方法中存在的缺陷，提出了双水平基团贡献法，充分考虑了分子基 团间的邻近影响和同分异构体的差异，同时给出了基团确定的理论依据。 一1 2 - ! 墼塑堕堡叁皇墼里 2 数据的搜集与整理 迄今为止，文献中己公布了许多正辛醇水分配系数的实验数据，但这些数据尚 未有人系统全面的整理和评价，而且各种数据的可靠性也有待于考察。尤其是那些 早期测定的数据，受当时测定技术、测定仪器设备等诸因索的限制，可靠性不高： 且不同作者对同一物质测定的结果有时相差很大。若是用这些数据去回归模型中的 参数，回归精度势必受限制。 物质的常压沸点也在本次数据搜集范围之列。各种物质沸点较容易获得，但不 同参考资料给出的数据并不完全统一。为得到较可靠的数据亦需进行数据的分析与 整理。 为使回归方程估算精度较高，对所搜集的数据进行了系统的评价和筛选。 2 1 数据的搜集与评价原则的确定 所用数据查阅路径为： 美国化学文摘( c a ) 每年收集1 0 0 多万篇化学、化工文献，是系统检索文献的 最佳文摘期刊。从美国化学文摘( c a ) 检索出文献1 2 2 篇，并对其中含有正辛醇， 水分配系数测定值的文章进行了筛选，得到2 8 篇来自c h e m o s p h e r e , j p h a r m s c i ， j p h y s 。c h e m 。r e f d a t a 等权威杂志期刊的文献，收集实验数据2 4 0 1 个。 在数据收集过程中发现，对于较常见的物质，其正辛醇水分配系数的值往往被 重复测定，由于测定方法、技术的不同，有时会出现较大的偏差。为使选用的数据 更加准确，选用了以下数据评价原则： 1 优先选择经典方法测定的数据。 正辛醇水分配系数的测定方法很多，较常用的有摇瓶法1 3 ”7 】、反相高效液相色 谱法d 吼、两相滴定法【3 9 】、萃取法 4 0 i 、动电色谱法【4 1 】等。摇瓶法和反相高效液相色谱 法是国际联邦组织( o c e d ) 推荐的测定方法。摇瓶法是经典的正辛醇，水分配系数测 1 3 河北理工大学硕士学位论文 定法，各种新的测定方法的适用性均以摇瓶法的测定值为检验标准，既使反相高效 液相色谱法也不例外。故在进行数据整理时，优先考虑摇瓶法的测定值，其次为反 相高效液相色谱法的测定值。但对于目前研究较热的动电毛细管色谱法的测定值和 其他方法的测定值在进行误差分析后也可接受。 2 充分利用已发表的评定成果。 目前已有对正辛醇水分配系数的评定结果的发表4 2 1 。对于正辛醇水分配系数 的估算方法的探讨，研究者发表的论文较多，对其中所用的正辛醇水分配系数的 值，只要其中标有明确的出处可认为这些数据已被作者评估。在此基础上补充新 的文献，未注明出处的或未说明评定依据的手册或论文中的数据般不作为选择依 据。 3 实验测定的年代与数据质量常是密切相连的，随着科学技术的进步，分析手 段有了很大的变化，目前的分析技术和精度比7 0 年代有了较大的提高。因此测定年 代是一个重要依据。 4 优先使用高知名度的测定者或实验室的测定值。 对长期从事正辛酵，水分配系数的研究的某些作者如l e o ，s a n g s t e r 等，具有丰富 的经验和可靠的设备，曾多次发表正辛醇，水分配系数的测定结果，对于这些数据可 优先考虑。 2 2 正辛醇，水分配系数数据的分析与整理 所收集的正辛醇水份配系数主要来自已发表的论文和综述中。文中采用的简单