定量结构-活性性质关系

1、渭南师范学院大学生创新计划项目申请书项目名称： 定量结构-活性/性质关系 在环境化学中的应用研究 项目负责人： 居少鹏 院系专业： 化学与生命科学学院材料科学系材料化学项目所属学院： 化学与生命科学学院 指导老师： 高锦红 项目起止时间：2012 年 6 月至2014年 6 月渭南师范学院教务处制填表说明一、项目申请书要求按顺序逐项填写。一律用A4纸打印，于左侧装订成册。二、项目申请书封面中“项目所属学院”一栏，马克思主义工程项目填写教育科学学院，其他项目填写学生所在学院。三、项目申请书中栏目“一至六”由学生填写，栏目“七至八”由指导教师填写，栏目“九”由二级学院负责人填写。四、项目申请书由所

2、在学院审查、签署意见后，连同电子版报送教务处教学科。项目名称定量结构-活性/性质关系在环境化学中的应用研究项目来源教师的科研项目 学生自选题目申请经费5000元项目完成时间2012. 062014.06负责人居少鹏联系电话E-mail项目组全体成员姓名学号性别院系、专业、班级成员分工居少鹏100944022男化学与生命科学学院 材料化学102班实验测定及分析研究，撰写论文田野100944048男化学与生命科学学院 材料化学102班调研资料、实验测定王毛100944052男化学与生命科学学院 材料化学102班调研资料、实验测定党玲100944004女化学与生命科学学院 材料化学102班调研资料、

3、实验测定杨丽萍100944058女化学与生命科学学院 材料化学102班实验测定、资料整理李凯100944025男化学与生命科学学院 材料化学102班实验测定、资料整理高旭100944010男化学与生命科学学院 材料化学102班实验测定、资料整理高媛媛100944012女化学与生命科学学院 材料化学101班实验测定、资料整理蒋红梅100944019女化学与生命科学学院 材料化学101班资料整理彭昆100944045男化学与生命科学学院 材料化学102班资料整理一、项目组成员情况介绍（包括自身具备的知识、特长、兴趣，参加过的科技创新活动等）居少鹏：专业知识扎实，参加全国大学生数学建模竞赛获陕西赛区

4、二等奖，对MATLAB软件有一定的了解。学习认真，动手能力强，有组织领导能力，有工作热情和持之以恒的科学精神。杨丽萍：具有扎实的专业基础知识，实验操作细心准确，工作认真负责，独立思考能力强，善于动手实践。田野：专业知识、计算机知识扎实，软件运用熟练。实验课表现积极，动手能力强，团队协作能力好，有严谨的科学态度。彭昆：具有良好的数学素养，材料科学基础知识扎实，涉猎课外图书内容广泛，有较强动手能力，曾参加数学建模竞赛，擅长MATLAB编程。蒋红梅：专业课实验知识掌握到位，爱好数学，长于计算机知识，有较强的搜集资料、整合信息的能力，工作认真负责，态度严谨。高媛媛、王毛、党玲、李凯、高旭等组员：具有扎

5、实的无机化学、有机化学、分析化学、物理化学、材料力学、材料科学等学科基础知识，动手能力强，有科学严谨的实验素养，工作认真。项目组成员，在高老师的指导下做化学实验已有一段时间，对一些分析软件在实验数据处理中的应用有一定的了解基础。二、国内外的研究现状及研究意义定量构效关系（定量结构-活性/性质关系，Quantitative Structure-Activity/Property Relationship，QSAR/QSPR）方法已成为国际上一个活跃的研究领域，QSAR/QSPR的研究对象包括化合物的各种生物活性、毒性、药物的各种代谢动力学参数和生物利用度以及分子的各种物理化学性质和环境行为等，研

6、究领域涉及化学、生物、医学以及环境等诸多学科。定量结构-活性/性质关系(QSAR/QSPR)成为化学信息学研究的热点。它主要应用统计学和理论计算的方法研究化合物的分子结构与其物理、化学性质之间的定量关系。定量结构-活性/性质关系（QSAR/QSPR）的研究最初作为定量药物设计的一个研究分支是为了适应合理设计生物活性分子的需要而发展起来的，它对于设计和筛选生物活性显著的药物以及阐明药物机理等均具有指导作用，特别是近二三十年来由于计算机技术的发展和应用使QSAR/QSPR研究提高到了一个新的水平，QSAR/QSPR的研究应用范围也正在迅速扩大，目前QSAR/QSPR不仅已成为定量药物设计的一种重要

7、方法，而且在材料化学、环境化学、环境毒理学等领域中也得到了广泛的应用，许多环境科学研究者通过各种污染物结构-毒性定量关系的研究，建立了多种具有毒性预测能力的环境模型，对已进入环境的污染物及尚未投放市场的新化合物的生物活性、毒性乃至环境行为进行了成功的预测、评价和筛选，这些都说明QSAR/QSPR在环境化学领域中具有其广阔的应用前景。近年来，大量化学品广泛使用在各个领域并排放到环境中，对人类和生态系统构成了潜在的毒性危害。用QSAR/QSPR方法建立模型来预测化合物的毒性效应，为风险评估提供科学依据，同时，缩短了研究时间并能降低实验花费。目前在生物化学、药物学、毒物学和环境科学中一个很重要的发展

8、趋势是将分子生物活性/性质的定量预测用于分子设计，在工业和环境科学中，每年要测试和处理的化合物多达数十万种，若仅靠实验将耗费极大的人力物力，QSAR/QSPR方法为预测化合物毒性提供了一条可行的途径。三、项目研究的目标、主要内容及创新性1、主要研究目标及内容： 将QSAR/QSPR的研究方法应用到化学和环境化学领域解决实际问题，主要研究工作有以下几个：（1）建立烃类化合物结构描述符与物理化学性质间的相关性模型。本项目QSAR/QSPR研究中的建模方法选择多元线性回归（BMLR）和人工神经网络方法。这两种方法是建立线性QSAR/QSPR模型的一种重要方法。其优点是速度快，对数据集的大小没有限制。

9、能得到一些较好的回归模型同时也可以迅速对模型相关性做出评价。其中多元线性回归可以显示描述符中的不好值或丢失值。人工神经网络方法用于QSAR/QSPR研究也是目前的热点，则本项目试将人工神经网络用于化合物的QSAR/QSPR建模的重点研究内容。（2）建立一个QSAR/QSPR模型用于研究氯代芳香化合物的生物降解能力。通过分子描述符，建立该类化合物生物降解能力与其分子描述符间的相关性模型。（3）QSAR/QSPR方法应用于农药化合物定量结构性质关系的研究，分别建立农药化合物结构与其正辛醇/水分配系数（Kow）、生物富集因子与多个描述符的相关性模型。（4）利用最佳多元线性回归法预测数种环境污染物的毒

10、理学性质，建立环境污染物的结构与毒性间关系QSAR/QSPR预测模型。2、创新之处： 本项目将定量结构-活性/性质关系（QSAR/QSPR）应用在化学和环境科学领域，利用理论计算和数学方法对有机化合物建立稳健的QSAR/QSPR模型，主要有如下几个创新之处：（1）QSAR/QSPR方法有利于解释结构和性质间关系。建立QSAR/QSPR模型主要有两种用途：一种用途是可用于分析所选取结构量化参数的信息，这些量化参数可以表明化合物中的哪一部分分子结构特征对化合物性质影响最大，并给出一种怎样通过改变分子结构来改变化合物性质的办法。这对于试图设计一种具有良好性质的化合物非常有帮助。另一种用途是利用可靠模

11、型，通过计算未知化合物的结构描述符，预测其各种性质，这对于化学和环境科学中一些物质的物性/活性等常规预测具有重要的理论参考价值。（2）氯代芳香化合物是一类很难准确地定量测定其生物降解率类物质，能过建立一个QSPR模型，该方法将提供一个基于分子结构预测氯代芳香化合物生物降解能力的有效途径。(3）用判别分析方法和人工神经网络方法对数种环境污染化合物的毒性进行分类研究，找出影响此类化合物毒性的重要分子结构因素，这对理解此类化合物的环境污染程度具有一定的意义。（4）所建立的线性和非线性模型有利于我们对农药化合物毒性和生物降解能力的了解，为检测新农药的性质和预测农药对环境的影响提供理论方法。应用量化参数

12、，可以在化合物末投入使用之前，对其毒性及理化性质/活性作出预测，有利于对有毒有害化学品的风险性评价与管理。四、项目实施方案（计划）(1) QSAR/QSPR研究首先是要搜集化合物的性质数据，其最终目的是创建一个结构性质相关模型，探索结构与性质间的定量关系。则本研究首先工作调研大量文献资料和并对某些化合物的物性进行实验测定，搜集化合物的性质数据。(2) 量化参数的提取：由化合物结构来提取特征变量即结构参数是构造数学模型的关键环节。建立QSPR方法是本研究的关键内容，则在建立分子结构和性质数据关系时需解决两个问题：第一，量化抽象的分子结构。为解决表征分子结构的问题，需要计算和量化分子描述符。然后对

13、描述符量纲进行规范化和标准化，从而得到统一标准的描述符集合。第二，确定最能影响给定化合物性质的结构描述符，此研究将利用拓扑指数等多种数学方法来进行描述符量化参数的确定。(3) 量化参数的筛选：由于一个化合物可以提取多种和多个变量，这些变量对于构造数学模型的重要性是不等同的，所以需要剔除非显著性变量。变量过多不仅计算量大而且对构造出较稳定的数学模型，用于变量筛选的方法有很多种，本研究主要选用主成分分析，因子分析法进行筛选。筛选过程利用SPSS分析软件在计算机上进行。(4) 数学模型的构造：QSAR/QSPR数学模型的构造是建立在实验基础之上的，即首先搜集某种性质的实验值，然后运用筛选变量通过线性

14、回归或人工神经网络方法建立可用于未知物预报的数学模型。数学模型的建立过程利用MATLAB软件在计算上完成。(5) QSAR/QSPR模型的验证和解释：通常有留一交叉法和外部预测集法来检验模型的稳定性和可预测性，本项目研究中，主要通过留一交叉预测法来检验模型的质量。五、预期成果及其形式理论成果：在公开期刊上发表学术论文12篇。六、资助经费使用计划1、实验材料购置费（原材料、试剂、药品、仪器购置费） 2000元2、数值软件费（调研资料、分析软件购置等） 3000元申请人签名： 年 月 日 指 导 教 师姓名高锦红性别女出生年月1974.11职称副教授职务教师所属院系化学与生命科学学院专业物理化学联

15、系电话E-mail七、指导教师科研情况主要从事化学计量学分析研究工作，科研方面，曾在中药材、光谱实验室、分析仪器等期刊上发表科研论文10余篇，其中2篇被EI收录，其余均为核心论文。主持完成了06和08年院级研究生项目两项（06YKZ009）（08YKZ002）。07年参与完成了院级重点项目“聚氨酯匀泡剂中聚醚的精细合成（07YKF010）”，2010年参与完成了院级一般项目“中药有效成分的测定和质量控制标准的建立研究（10YKS010）”，2011年参与完成了院级重点项目“甲基酮类Schiff碱及金属配合物的合成、晶体结构及生物活性研究（07YKF010）”。参与并完成了陕西省教育厅项目一项，主持院级一般项目一项在研中。八、指导教师意见及具体的指导计划本项目拟将定量结构-性质关系应用在化学和环境科学领域，利用实验测定、理论计算和数学方法对有机化合物建立稳健的QSAR/QSPR模型。选题具有一定科学意义和实用价值，经费预算合理，申请者具有严谨的科学作风和较强的科研能力，故同意其申报2012年大学生创新计划项目。指导计