有毒有機(jī)污染物正辛醇-空氣分配系數(shù)（K-,OA-）的定量預(yù)測方法.pdf

1、正辛醇/空氣分配系數(shù)(KOA)是描述污染物在空氣和環(huán)境有機(jī)相之間分配行為的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，對于評估污染物的長距離環(huán)境遷移能力和生物蓄積性等具有重要意義。實(shí)驗(yàn)測定KOA，成本昂貴，比較費(fèi)時(shí)，并且部分化合物尚缺乏標(biāo)準(zhǔn)樣品。因此，需要發(fā)展簡便而準(zhǔn)確的KOA理論預(yù)測法，用于估算有毒有機(jī)污染物的KOA。本論文發(fā)展了預(yù)測KOA的碎片常數(shù)模型和基于Dragon描述符的3D-定量結(jié)構(gòu)-活性關(guān)系(QSAR)，并對現(xiàn)有的三種KOA預(yù)測方法和本研究建立的兩種K

2、OA預(yù)測模型進(jìn)行了全面評價(jià)。 1.首先建立了預(yù)測不同溫度下鹵代芳烴化合物KOA的碎片常數(shù)模型。利用該模型定義的5個(gè)碎片常數(shù)和1個(gè)結(jié)構(gòu)修正因子，可以預(yù)測鹵代芳烴化合物在10℃到40℃之間的KOA值。碎片常數(shù)模型的訓(xùn)練集由包含C、H、O、Cl和Br原子的芳烴化合物組成，因此模型的應(yīng)用范圍為氯代和溴代的芳烴化合物，如氯苯(CBs)、多氯代萘(PCNs)、多氯聯(lián)苯(PCBs)、多氯代二苯并二噁英和多氯代二苯并呋喃(PCDD/Fs)、多

3、環(huán)芳烴(PAHs)、多溴代聯(lián)苯醚(PBDEs)等，這些都是典型的持久性有毒物質(zhì)(PTS)。內(nèi)部驗(yàn)證(Jackknife檢驗(yàn))和外部驗(yàn)證(包含316個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))結(jié)果表明，該模型具有較高的穩(wěn)健性和預(yù)測能力。相比于采用量子化學(xué)描述符的QSAR模型，本研究建立的KOA預(yù)測模型更加簡單而準(zhǔn)確。 2.為了擴(kuò)展KOA預(yù)測模型的應(yīng)用范圍，全面收集了272個(gè)化合物在環(huán)境溫度(25℃)下的logKOA實(shí)驗(yàn)測定值，數(shù)據(jù)集包含了CBs、PCBs、PCN

4、s、PCDD/Fs、PBDEs、PAHs、有機(jī)氯殺蟲劑、多氟代磺胺藥物、羥基烷基硝酸鹽、磺胺乙醇、端醇、鹵代烴、醚、酮、醛、酸、酯等有機(jī)污染物。 基于272個(gè)logKOA的實(shí)驗(yàn)測定數(shù)據(jù)，采用逐步回歸-偏最小二乘(SR-PLS)變量篩選法，確定原子中心碎片的最佳組合，建立了預(yù)測有毒有機(jī)污染物單一溫度下KOA的碎片常數(shù)模型。包含23個(gè)原子中心碎片的最優(yōu)模型解釋了因變量總方差的97.7％，預(yù)測均方根誤差(RMSE)為0.43。內(nèi)部驗(yàn)

5、證(去一法和去多法)和外部驗(yàn)證結(jié)果表明，該碎片常數(shù)模型具有較高的穩(wěn)健性，并且對于應(yīng)用域內(nèi)的化合物具有較高的預(yù)測能力。單一溫度下KOA的碎片常數(shù)模型具有更大的應(yīng)用域，可用于預(yù)測多種類、寬范圍的有機(jī)污染物在25℃下的KOA。 3.基于272個(gè)logKOA數(shù)據(jù)，采用Dragon描述符建立了3D-QSAR模型。經(jīng)SR-PLS變量選擇方法，最優(yōu)模型共引入9個(gè)分子結(jié)構(gòu)描述符(X1sol、GATS2p、C006、C025、H050、Mor0

6、4p、L3s、C005、N072)，解釋了因變量總方差的98.2％，預(yù)測RMSE為0.38。通過最優(yōu)模型的機(jī)理分析得出，控制KOA的主要影響因素為分子在正辛醇中的色散作用、特定結(jié)構(gòu)碎片形成氫鍵的能力、分子形狀和對稱性方面的3D結(jié)構(gòu)特征以及共軛體系的電子效應(yīng)。內(nèi)部驗(yàn)證(去多法、去—法、Y的隨機(jī)性檢驗(yàn))和外部驗(yàn)證結(jié)果表明，3D-QSAR模型具有較高的穩(wěn)健性，并且對于應(yīng)用域內(nèi)的化合物具有很高的預(yù)測能力。 4.從應(yīng)用角度綜合評價(jià)和比較

7、了本文建立的單一溫度KOA的碎片常數(shù)模型、基于Dragon描述符的3D-QSAR模型和現(xiàn)有的3種KOA定量預(yù)測方法?，F(xiàn)有的3種KOA定量預(yù)測方法包括：基于正辛醇/水分配系數(shù)(KOW)和亨利定律常數(shù)(KH)的直接計(jì)算法，基于溶解自由能的理論計(jì)算法，基于量子化學(xué)描述符的QSAR模型。 結(jié)果表明：(1)KOW-KH直接計(jì)算法的理論應(yīng)用域很大，穩(wěn)健性較高。但是大多數(shù)化合物的KOW和KH的實(shí)測值較缺乏，因此KOW-KH直接計(jì)算法的預(yù)測準(zhǔn)

8、確性高度依賴于KOW和KH預(yù)測值的準(zhǔn)確性，它們的誤差可能聯(lián)合擴(kuò)大KOA的預(yù)測不確定性。(2)基于溶解自由能的理論計(jì)算法，應(yīng)用域很大，但溶解自由能的計(jì)算誤差較大，從而影響KOA的預(yù)測準(zhǔn)確性。(3)基于量子化學(xué)描述符的QSAR模型，分子結(jié)構(gòu)描述符具有明確的物理化學(xué)意義，并且能夠分辨同分異構(gòu)體。(4)碎片常數(shù)法具有明確的算法，碎片劃分簡便而快速，并且對應(yīng)用域內(nèi)的化合物具有較好的預(yù)測能力，但該方法應(yīng)用范圍受訓(xùn)練集化合物覆蓋程度的限制。(5)基于