多溴聯苯醚氣相色譜相對保留時間的定量結構－活性關系

吳志淵，薛秀玲，邱其俊

（華僑大學 化工學院，福建 廈門361021）

多溴聯苯醚（PBDEs）是一組溴原子數不同的聯苯醚混合物，有209種同系物.因其阻燃率高、熱穩定性好，常被作為溴系阻燃劑，廣泛應用于化工、電器電子設備、家具等產品中［1－3］.目前，PBDEs已在各種基質，如沉積物、空氣、水、哺乳動物、人血漿和母乳中被檢出，引起人們廣泛的關注［4－5］.PBDEs的分析方法主要為氣相色譜法和氣相色譜－質譜法聯用.相對色譜保留時間（RRT）是色譜定性非常重要的熱力學參數.在一定溫度下，RRT 為常數，與色譜柱長度及內徑等無關，由化合物和固定相之間的弱作用力決定.PBDEs屬弱極性分子，主要作用力表現為色散力.影響色散力的主要結構因素是分子大小和空間形狀.分子的體積越大，其變形性越大，相應瞬間偶極越強，其與固定相之間的色散力越大［6］，即RRT值越大.色散力主要由溶質分子中原子的凈電荷、分子偶極矩、分子前線軌道能量等結構參數決定［7］.目前，已有眾多學者對PBDEs的分子結構與其RRT 值的關系進行研究［8－11］.本文擬采用密度泛函理論算法中的B3LYP方法，運用Gaussian 03W 及偏最小二乘法（PLS）建立PBDEs與其RRT 的分子結構參數的定量結構與活性關系（QSAR），并對126種已知PBDEs和83種未知PBDEs的RRT 值進行預測.

1 材料與方法

1.1 RRT文獻值的選取

209種PBDEs的RRT 數據，如表1所示.表1中：126種PBDEs的RRT 實驗值取自Peter等［8］的實驗工作；其他83種為待測RRT 值的PBDEs.

1.2 量子化學參數選取

采用Hyper Chem 軟件構圖，應用量子化學軟件包Gaussian 03W 在B3LYP／6－31＊G（d）理論水平下對209種PBDEs分子進行無對稱性限制幾何全優化，獲得建模參數.以RRT 為因變量，選擇考察了22個量子化學參數在內的23個自變量：次高占有軌道能量（ENHOMO）；最高占有軌道能量（EHOMO）；最低空軌道能量（ELUMO）；次低空軌道能量（ENLUMO）；電子空間廣度（Re）；分子偶極矩（μ）；分子總能量（ET）；1，1′號碳原子與氧原子的鍵長（RC1－O，RO－C1′）；原子的帶電量（QC1，QC2，QC3，QC4，QC5，QC6，QO，QC1′，QC2′，QC3′，QC4′，QC5′，QC6′）.此外，還考察了ELUMO－EHOMO前線軌道能量組合.

1.3 模型的優化建立

應用Simca－P（version 11.5）進行PLS分析建模，采用外部樣本預測檢驗法對模型進行檢驗，即將126個已知RRT 的PBDEs樣本數按5∶1分為模型訓練組（105個）和模型檢驗組（21個）.采用偏最小二乘法進行回歸分析，采用截尾的方式選用前h個成分建立回歸模型，h通過交叉有效性判別Q2h來確定.當Q2＞0.097 5，該主成分有意義；當累計交叉有效性判別系數＞0.5，模型預測可靠性較好.綜合采用Q2cum與擬合相關系數平方R2cum來評價模型的優劣，在建模過程中剔除對建模無貢獻作用的變量，以提高QSAR 模型的預測能力和擬合效果.PBDEs的RRT 實驗值（RRTexp）和預測值（RRTth），如表1所示.表1中：＊為模型訓練組的樣本；＃為模型檢驗組的樣本；未標符號的為待預測樣本；殘差為實驗值與預測值之差.

表1 PBDEs的RRT 實驗值和預測值Tab.1 Experimental and predicted values of the RRT of PBDEs

續表Continue table

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2 結果與分析

2.1 模型的建立

模型擬合參數，如表2所示.表2中：實驗樣本與有效成分的比例為5∶1，105個樣本選取第3個有效成分，即h3.由表2可知：該模型的Q2cum為0.931，遠大于0.5，包含了48.7%自變量R2X（cum）的變異信息，對因變量R2Y（cum）的解釋能力高達96.0%；模型的均方根誤差RMSEE 為0.044（RMSEE 越接近0，模型的準確性越高），說明模型具有較好的預測準確性.

表2 模型擬合參數Tab.2 Fitting results of the model

2.2 模型的驗證

將模型檢驗組帶入模型，實驗值與預測值的殘差范圍為－0.060～0.166，說明所建模型預測能力較強.將126個已知樣本的自變量帶入模型，比較其預測值與實驗值，結果如表1，圖1（a）所示.

由表1，圖1（a）可知：126種PBDEs的RRT 實驗值（RRTexp）與預測值（RRTth）均分布在直線y＝x的兩側，溴取代數為2～9時，殘差范圍為－0.083～0.090，預測值與實驗值的相關性較好.但一溴和十溴取代的PBDEs，例如，BDE－1，BDE－2，BDE－3和BDE－209的預測值與實驗值偏離較大，殘差范圍為0.153～0.168.文獻［10］研究表明：一溴和十溴取代的PBDEs的預測值與實驗值的殘差較大（0.093～0.134），如圖1（b）所示.這可能是模型所含一溴和十溴的樣本個數較少（3個和1個），從而影響模型的預測結果［12］.

將83種未知的PBDEs的量子化學參數帶入文中模型進行預測，其與文獻［10］的對比結果，如表1，圖1（c）所示.由圖1（c）可知：除BDE－54的預測值偏差較大，兩種模型對82種PBDEs的RRT 預測值相關性較好，相關系數R2為0.970.BDE－54為2，2′，6，6′位Br對稱取代的PBDEs，由于溴的取代可能會使PBDEs分子平面發生扭轉，2，2′或6，6′位處于兩個苯環平面的中間，該位置是否被溴原子取代對PBDEs分子的平面結構影響較大，從而影響BDE－54的色譜行為，可能導致兩種模型預測結果具有一定的偏差.BDE－54準確的RRT 值還有待進一步的實驗驗證.

圖1 PBDEs的RRT 預測與驗證Fig.1 Predicted and verified values of the RRT of PBDEs

2.3 RRT影響因素的分析

以RRT 為因變量建立的模型，如表3所示.表3列出了該模型的自變量（x）在方程中對應的系數（a）及相應的變量投影性指標值（VIP）.所得回歸模型為

式（1）中：x對應表3中的自變量；a為各自變量對應的系數；C為常數.

表3 自變量在模型方程中的系數及其VIP值Tab.3 Variable importance in projection and variable coefficient in the model equation

在PLS建模中，VIP是一個反應自變量重要性相對大小的參數，自變量的VIP值越大，該自變量對因變量的影響越大.由表3可知：ET，ENLUMO，Re，ELUMO的VIP值分別為1.858，1.741，1.719，1.712，遠高于其他自變量的VIP值，說明這4個自變量對PBDEs的RRT 有著重要的控制作用.

在色譜分配過程中，溶質在流動相和固定相間的分配，是溶質分子和兩個相中分子間的作用力所致，會影響其RRT 值.這些作用力包括偶極間定向作用，誘導，氫鍵和電子對供體－電子對受體作用等.

ET在一定程度上可以反映分子的體積，體積越大，越趨向于弱極性的有機相中［13］，在有機相中的停留時間越長，其RRT 值越大.一溴取代至十溴取代的PBDEs的ET（平均值）分別為－3 109，－5 680，－8 251，－10 822，－13 394，－15 965，－18 536，－21 107，－23 678，－26 249eV·mol－1，其RRT（平均值）分別為0.097，0.135，0.205，0.307，0.437，0.581，0.718，0.858，1.005，1.171.由此可知：隨著溴取代數的增多，ET越低，分子體積越大，溶質同固定相的作用力增大，RRT 呈上升趨勢.

Re是算式∫r2ρ（r）d（3r）中算符ρ的特征值，在同系物中可用于表征不同分子間分子體積的大小關系.分子體積越大，分子與分子間的非反應性色散作用越強，從而導致其在色譜固定相中的保留時間延長［10］，即RRT 增大.由表1可知：PBDEs的同分異構體中，溴在醚鍵的鄰位取代（即取代位置為2，2′，6或6′）時，其相應的RRT 較小，且鄰位取代數越多，其Re，RRT 越小.如二溴取代同系物中BDE－10（2，6），BDE－4（2，2′），BDE－11（2，3′），BDE－13（3，4′）的Re分別約為5 017，5 306，9 754，10 848，RRT 分別約為0.123，0.133，0.137，0.142.Sierra等［12］用46種PBDEs的鄰位（o－）、間位（m－）、對位（p－）的取代基及偶極距（μ）和分子量的自然對數（ln MW）等分子描述符建立其RRT 的模型，其結果表明：同系物中鄰位取代數越多，其RRT 越小.曾小蘭等［14］的研究表明：PBDEs同類物中溴在醚鍵的鄰位取代，會引起2個苯環之間的扭轉，減弱它們的共平面性，引起不同PBDEs分子的體積差異，即所謂的“鄰位效應”.這說明PBDEs的同分異構體中，Br的鄰位取代數越多，分子的體積越小，其變形性越大，相應瞬間偶極越強，其與固定相之間的色散力越弱，其RRT 越小.

氫鍵是由價鍵和靜電的貢獻組成.EHOMO反映分子與其他分子作用時給出電子的能力，ELUMO反映分子在形成氫鍵時給出質子或接受電子的能力，ENLUMO反映分子進一步接受電子形成氫鍵的能力.ELUMO越低時，PBDEs通過色譜柱時氫鍵和電荷轉移的作用越大，RRT 值越大［15］.分子的色散力隨分子間的距離增大而減小，ELUMO－EHOMO與分子的半徑有關，其值越大，分子間的距離越大，色散力越小［13］，RRT 越小.BDE－54為2，2′，6，6′取代，其ELUMO值（－0.153 71）最小，遠遠小于其他208種PBDEs的ELUMO值（最小為－0.080 52），其形成氫鍵的能力最強，即分子之間有很強的氫鍵作用.因此，RRT 值（1.036）較大.

表2中：ELUMO－EHOMO，Re，EHOMO的系數為負，ET，ENLUMO，ELUMO的系數為正，說明PBDEs同系物隨著ET，ENLUMO，ELUMO的增大，或隨著ELUMO－EHOMO，Re，EHOMO的減小，PBDEs的RRT 隨之增大.

3 結束語

文中所建模型的累計交叉有效判別系數Q2cum為0.931，擬合相關系數平方R2Y（cum）為0.960，具有較強的預測能力.研究發現，ET，ENLUMO，ELUMO，Re對PBDEs的RRT 有著重要的影響.隨著ET的減小，Re的增大，分子的體積也隨之增大，分子與分子間的非反應性色散作用越強，RRT 也越大；ENLUMO，ELUMO越低，分子在形成氫鍵時接受電子的能力越強，色散力越強，故RRT 越大.

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