芳烴類(lèi)化合物結(jié)構(gòu)與大型蚤急性毒性關(guān)系研究

李建鳳，廖立敏

內(nèi)江師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，內(nèi)江 641100

芳烴類(lèi)化合物是重要的化工原料和中間體，用途廣泛，如在涂料、油墨和粘合劑中被用作溶劑。芳烴類(lèi)化合物多數(shù)有毒，空氣中若含有芳烴類(lèi)化合物，短時(shí)間呼吸便可引起頭痛、嘔吐和惡心等癥狀。長(zhǎng)時(shí)間暴露在芳烴類(lèi)化合物的環(huán)境中，可能會(huì)導(dǎo)致癌癥。評(píng)價(jià)該類(lèi)化合物對(duì)生物的毒性效應(yīng)具有重要意義，通常以化合物對(duì)低等生物的毒性效應(yīng)來(lái)間接推斷其對(duì)高等動(dòng)物的危害。實(shí)驗(yàn)測(cè)定芳烴類(lèi)化合物的毒性固然可靠，但面對(duì)種類(lèi)多、數(shù)量大的芳烴類(lèi)化合物，僅依靠實(shí)驗(yàn)是難以完成數(shù)據(jù)測(cè)定的。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，利用計(jì)算機(jī)對(duì)化合物的毒性效應(yīng)進(jìn)行模擬是行之有效的手段，研究者們?cè)谶@方面做過(guò)較多的工作[1-2]。化合物分子結(jié)構(gòu)參數(shù)化是模擬化合物性質(zhì)過(guò)程中的重要一環(huán)，目前已有較多化合物結(jié)構(gòu)描述法，例如基于化合物分子二維平面結(jié)構(gòu)計(jì)算的二維結(jié)構(gòu)表征法[3-5]和基于化合物分子三維立體結(jié)構(gòu)計(jì)算的三維結(jié)構(gòu)表征法等[6-7]。本文在化合物二維平面結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建簡(jiǎn)易的化合物二維結(jié)構(gòu)表征法并用于部分芳烴類(lèi)化合物結(jié)構(gòu)表征，進(jìn)而通過(guò)偏最小二乘回歸(PLS)建立化合物結(jié)構(gòu)與其對(duì)大型蚤急性毒性(-lgEC50)關(guān)系模型，模型質(zhì)量良好，可以用于該類(lèi)化合物對(duì)大型蚤急性毒性(-lgEC50)的預(yù)測(cè)，為環(huán)境中的有機(jī)污染物結(jié)構(gòu)-毒性關(guān)系研究提供有益的參考。

1 材料與方法(Materials and methods)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

24個(gè)芳烴類(lèi)化合物及其對(duì)大型蚤急性毒性(-lgEC50)的實(shí)驗(yàn)值取自文獻(xiàn)[8]，按照急性毒性(-lgEC50)從小到大的順序列于表1中。

表1 芳烴類(lèi)化合物及急性毒性(-lgEC50)Table 1 Aromatic compounds and their acute toxicity (-lgEC50)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 分子結(jié)構(gòu)參數(shù)化表征

將化合物分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐唤M與結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的數(shù)據(jù)是構(gòu)建化合物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系的關(guān)鍵步驟之一，認(rèn)為化合物中處于骨架地位的非氫原子及非氫原子之間的關(guān)系對(duì)有機(jī)化合物的急性毒性(-lgEC50)產(chǎn)生重要影響，而氫原子的影響通常可以忽略。在有機(jī)化合物分子之中，非氫原子電子結(jié)構(gòu)、原子在分子中的連接情況的不同都會(huì)對(duì)有機(jī)化合物的急性毒性(-lgEC50)產(chǎn)生不同的影響，因而要對(duì)化合物中的非氫原子進(jìn)行分類(lèi)處理。把化合物中的非氫原子參照文獻(xiàn)[9-12]的方法分為4類(lèi)，與k個(gè)非氫原子直接相連的非氫原子規(guī)定為第k類(lèi)原子，如與2個(gè)其他非氫原子相連的仲碳原子為第2類(lèi)非氫原子，以此類(lèi)推。不同類(lèi)非氫原子對(duì)化合物的急性毒性(-lgEC50)產(chǎn)生的影響可能不同，而同種類(lèi)型的非氫原子對(duì)化合物的急性毒性(-lgEC50)產(chǎn)生的影響具有加和性。另外，不同類(lèi)型的非氫原子之間產(chǎn)生的不同類(lèi)型的關(guān)系對(duì)化合物的急性毒性(-lgEC50)產(chǎn)生的影響可能不同，而同種類(lèi)型的非氫原子之間的關(guān)系對(duì)化合物的急性毒性(-lgEC50)產(chǎn)生的影響具有加和性。首先，在參閱文獻(xiàn)[13]的基礎(chǔ)上將化合物中的非氫原子根據(jù)其電子結(jié)構(gòu)和成鍵情況按式(1)進(jìn)行參數(shù)化染色。

(1)

式中：Z為非氫原子參數(shù)化染色值，i為原子在分子中的編碼，v表示非氫原子i的價(jià)電子數(shù)，n為非氫原子i的主量子數(shù)，δσ+π為原子參與成σ鍵和π鍵的總電子數(shù)，δσ為原子參與成σ鍵電子數(shù)。

不同類(lèi)型非氫原子對(duì)化合物的急性毒性(-lgEC50)產(chǎn)生的影響可按式(2)分類(lèi)累加。

(2)

式中：x表示結(jié)構(gòu)描述符，k表示非氫原子i的原子類(lèi)型，Zi按式(1)計(jì)算。根據(jù)非氫原子的分類(lèi)，一個(gè)有機(jī)化合物分子中最多含有4類(lèi)非氫原子，因此，最終可得到4個(gè)非氫原子自身對(duì)化合物急性毒性(-lgEC50)的影響項(xiàng)，用x1、x2、x3和x4表示。

非氫原子之間的關(guān)系對(duì)化合物急性毒性(-lgEC50)產(chǎn)生影響。宇宙中的各種天體，它們之間的引力關(guān)系與天體自身質(zhì)量成正比，與它們之間的距離的二次方成反比。同樣化合物中的非氫原子之間的關(guān)系不是具體的某種作用，而是要反映出非氫原子之間的關(guān)系與非氫原子自身值變化趨勢(shì)相同，與非氫原子之間的距離變化趨勢(shì)相反，式(3)可以滿足這一要求。

(3)

式中：Z按式(1)計(jì)算；rij是非氫原子i、j之間的相對(duì)距離(即鍵長(zhǎng)之和與碳碳單鍵鍵長(zhǎng)的比值，如果i、j之間有多條路徑，則以最短的為準(zhǔn))；n和l為原子所屬類(lèi)型。化合物分子中4類(lèi)非氫原子可以組合出以下10種關(guān)系項(xiàng)：m11,m12, …,m44，簡(jiǎn)寫(xiě)為x5,x6,…,x14。m11表示第一類(lèi)非氫原子之間的關(guān)系，m12表示第一類(lèi)非氫原子與第二類(lèi)非氫原子之間的關(guān)系，以此類(lèi)推。這樣一個(gè)含有各種類(lèi)型非氫原子的有機(jī)化合物根據(jù)結(jié)構(gòu)可以轉(zhuǎn)化為14個(gè)變量(結(jié)構(gòu)描述符)，這些變量與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

1.2.2 建模與評(píng)價(jià)

2 結(jié)果與討論(Results and discussion)

化合物經(jīng)分子結(jié)構(gòu)表征后得到14個(gè)變量，由于所有的樣本中均不含有第4類(lèi)非氫原子，因而得到的5個(gè)與第4類(lèi)非氫原子相關(guān)的變量全為“0”，其余9個(gè)非全“0”變量用于建模分析。

圖1 相關(guān)系數(shù)隨主成分?jǐn)?shù)的變化情況注：r2為建模的相關(guān)系數(shù)，為交叉檢驗(yàn)的相關(guān)系數(shù)。Fig. 1 Correlation coefficient change with the number of principal componentsNote: r2 is the correlation coefficient for modeling, and is the correlation coefficient for cross-checking.

24個(gè)樣本在PLS前2個(gè)主成分得分的空間散點(diǎn)分布如圖2所示，由圖2可知，所研究的全部樣本得分點(diǎn)都落在95%置信度的橢圓置信圈內(nèi)，沒(méi)有出現(xiàn)一個(gè)異常點(diǎn)，反映出構(gòu)建的結(jié)構(gòu)描述符能較好地反映芳烴類(lèi)化合物的分子結(jié)構(gòu)特征，并在統(tǒng)計(jì)模型中得到正確的表現(xiàn)。各樣本點(diǎn)的位置反映出了在第一主成分與第二主成分的得分情況，同時(shí)也反映出化合物之間的相似程度。樣本點(diǎn)分布距離較近，說(shuō)明它們之間具有一定的相似性。

圖2 樣本在前2個(gè)主成分得分分布Fig. 2 Distribution of the top 2 principal component scores of the sample

為進(jìn)一步分析研究樣本在x空間的擬合情況，將樣本在x空間的規(guī)格化模型距離進(jìn)行繪圖，結(jié)果如圖3所示，由圖3可知，絕大多數(shù)樣本的規(guī)格化模型距離都處于95%的置信范圍內(nèi)，小于臨界值2.196，僅有一個(gè)化合物略微超出此范圍，反映出模型的質(zhì)量良好。

圖3 X向量規(guī)格化模型距離分析Fig. 3 X vector normalized model distance analysis

圖4 Y向量隨機(jī)排序驗(yàn)證結(jié)果Fig. 4 Y vector random sorting verification results

變量重要性可以反映出變量與Y之間的相關(guān)程度，通常認(rèn)為變量重要性投影(VIP)值>1的變量與芳烴類(lèi)化合物對(duì)大型蚤急性毒性(-lgEC50)相關(guān)性大。

變量重要性投影如圖5所示，由圖5可知，變量x12、x3、x10和x6這4個(gè)變量的VIP值>1，說(shuō)明了這4個(gè)變量與芳烴類(lèi)化合物對(duì)大型蚤急性毒性(-lgEC50)相關(guān)性大。排在前三的x12、x3和x10均與第3類(lèi)非氫原子相關(guān)，而第3類(lèi)原子的多少卻由苯環(huán)上的取代基數(shù)目決定的，反映出取代基數(shù)目越多急性毒性(-lgEC50)可能越強(qiáng)，這與表1中的數(shù)據(jù)特征是基本吻合的。對(duì)于本研究的樣本來(lái)說(shuō)，苯環(huán)上的取代基越多，該化合物的疏水性就越強(qiáng)，越易通過(guò)生物脂質(zhì)膜而產(chǎn)生毒性效應(yīng)。

圖5 變量重要性投影圖Fig. 5 Projection of variable importance

為進(jìn)一步研究各變量對(duì)化合物急性毒性(-lgEC50)的影響，將樣本在PLS中的載荷分布繪圖，結(jié)果如圖6所示，由圖6可知，x12、x3和x10處于圖的右上方，說(shuō)明它們?cè)诘谝恢鞒煞趾偷诙鞒煞侄寂cY正相關(guān)，并且它們離原點(diǎn)距離較大，反映出其與Y相關(guān)性較大，這與上述分析結(jié)論相吻合。x2和x9處于圖的左下方，說(shuō)明它們?cè)诘谝恢鞒煞趾偷诙鞒煞侄寂cY負(fù)相關(guān)。x1、x5、x6和x7處于圖的右下方，說(shuō)明它們?cè)诘谝恢鞒煞峙cY正相關(guān)，在第二主成分與Y負(fù)相關(guān)。

圖6 樣本在偏最小二乘回歸(PLS)中的載荷分布Fig. 6 Load distribution of samples in partial least squares regression (PLS)

模型對(duì)化合物的急性毒性(-lgEC50)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，結(jié)果如表1所示。為便于觀察，將模型對(duì)化合物的急性毒性(-lgEC50)預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值相關(guān)圖繪于圖7中，相應(yīng)的誤差如圖8所示。

圖7 模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)圖Fig. 7 Correlation diagram between model predicted values and experimental values

圖8 模型對(duì)樣本急性毒性預(yù)測(cè)誤差注：SD表示標(biāo)準(zhǔn)偏差。Fig. 8 Model prediction error of samples’ acute toxicityNote: SD is stands for standard deviation.

由圖7可知，絕大部分樣本點(diǎn)都落在45°對(duì)角線附近，說(shuō)明了模型對(duì)化合物的急性毒性(-lgEC50)預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值高度相關(guān)，2個(gè)數(shù)值大小接近，模型對(duì)化合物急性毒性(-lgEC50)能較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，再次顯示出模型良好的預(yù)測(cè)能力和優(yōu)良的預(yù)測(cè)結(jié)果。

優(yōu)良的預(yù)測(cè)模型通常要求絕大部分樣本的預(yù)測(cè)誤差不得超過(guò)正負(fù)2倍標(biāo)準(zhǔn)偏差(即±2SD)，由圖8可知，絕大部分樣本的誤差都處于模型的±2SD以內(nèi)。僅有2個(gè)樣本(1號(hào)和14號(hào))的預(yù)測(cè)誤差超出±2SD。

這說(shuō)明，模型對(duì)化合物的急性毒性(-lgEC50)預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確，預(yù)測(cè)誤差處于可以接受的范圍，模型可以用于含苯環(huán)類(lèi)化合物的急性毒性(-lgEC50)的預(yù)測(cè)。同時(shí)，大誤差樣本的1號(hào)和14號(hào)化合物為樣本中唯一的苯胺和溴苯，因而具有一定的特殊性。同時(shí)大誤差的存在說(shuō)明某些特殊的化合物結(jié)構(gòu)信息沒(méi)有得到充分表達(dá)，分子結(jié)構(gòu)表征方法還有待改進(jìn)。

通過(guò)將化合物中骨架非氫原子進(jìn)行分類(lèi)、參數(shù)化轉(zhuǎn)換以及構(gòu)建非氫原子間的關(guān)系而得到新的結(jié)構(gòu)描述符，并且將其用于24個(gè)芳烴類(lèi)化合物的結(jié)構(gòu)參數(shù)化表征。通過(guò)PLS建模發(fā)現(xiàn)，芳烴類(lèi)化合物對(duì)大型蚤急性毒性(-lgEC50)與化合物分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，構(gòu)建的化合物結(jié)構(gòu)-急性毒性(-lgEC50)關(guān)系模型可以用于芳烴類(lèi)化合物對(duì)大型蚤急性毒性(-lgEC50)的預(yù)測(cè)。由于個(gè)別樣本預(yù)測(cè)誤差稍大，提示分子結(jié)構(gòu)表征方法還有較大的改進(jìn)空間。

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