有機化合物結(jié)構(gòu)與保留指數(shù)關系

1、 化學系 論 文 題 目：酯類分子結(jié)構(gòu)與色譜保留指數(shù)的相關性定量研究論 文 作 者： 費莎專 業(yè)：有機化學學 號：20130913002指 導 教 師： 韓海洪 （ 教授 ）酯類分子結(jié)構(gòu)與色譜保留指數(shù)的相關性定量研究費莎（青海師范大學，化學系，青海，西寧，810008）摘要：通過計算50種有機酯化合物分子結(jié)構(gòu)的拓撲指數(shù)，拓撲指數(shù)（mQ）、定位基參數(shù)（Sox）與酯類物質(zhì)在兩種固定相上的氣相色譜保留指數(shù)值（IR）進行分析。多元線性回歸將它與氣相色譜保留指數(shù)進行關聯(lián)分析, 表明所建定量結(jié)構(gòu)保留關系（QSRR）模型具有良好的穩(wěn)定性和預測能力，較好地揭示了酯類物質(zhì)在不同固定相上氣相色譜保留指數(shù)的變化規(guī)律

2、。關鍵詞: 酯；酯分子結(jié)構(gòu)；氣相色譜保留指數(shù)；相關性1引言：化合物色譜保留指數(shù)（RI）是其分子微觀結(jié)構(gòu)的宏觀反映,也是色譜分析中進行定分析最有利用價值的數(shù)據(jù)。而定量結(jié)構(gòu)-色譜保留相關(quantitative structure-retention relationship, QSRR)法的研究對預測化合物RI、探索色譜保留機制以及選擇色譜分離條件是非常有效的途徑之一。近年來,國內(nèi)外許多學者分別運用多種方法在研究方面做了大量的工作,并取得了許多非常有意義的結(jié)果。Q SPR 研究的基本依據(jù)是化合物的性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)之間的相關性, 所以, 只要對化合物的結(jié)構(gòu)進行有效的描述, 則可在這種描述與化合物的性

3、質(zhì)之間建立起相關的數(shù)學模型, 并用之對未知化合物的性質(zhì)進行預測和預報。該方法的關鍵是提取能夠反映化合物分子結(jié)構(gòu)的特征變量。根據(jù)所建立QSRR模型, 可以預測新物質(zhì)的 RI 值, 提供其有用的結(jié)構(gòu)信息, 解釋色譜分配機理等。在QSRR研究中,拓撲指數(shù)法發(fā)揮重要作用Randic M最早將分子連接性指數(shù)用于醇類氣相色譜保留指數(shù)的研究。隨后許多學者相繼建立了烴及其衍生物的拓撲QSRR 模型。拓撲指數(shù)是自分子隱氫圖衍生出來的表征分子結(jié)構(gòu)的某 種特征的不變量。由于 某一個拓撲指數(shù)反映分子結(jié)構(gòu)的信息量是有限的, 因而自 Wiener H提出第一個拓撲指數(shù)以來, 迄今已有 400余種問世。在這些指數(shù)中仍以Ra

4、ndic M提出, 經(jīng)Kier L B等人進一步發(fā)展的連接性指數(shù)(mXv) 應用范圍最廣。研究其主要微量成分酯的色譜保留指數(shù)與其分子結(jié)構(gòu)間的關系，對分析白酒中的微量成分、選擇分離條件及探索色譜保留機理都具有重要意義。對白酒中的主要微量成分醇、酯類物質(zhì)的氣相色譜相對保留時間與其分子拓撲指數(shù)mT的關系進行了相關分析，取得了較為滿意的結(jié)果。本文在此基礎上，采用修正過的拓撲指數(shù)(mQ)、并引入了一個定位基參數(shù)(Sox)，將mQ, Sox與各種酯在兩種固定相(Carbowax1540,Squalane)上的氣相色譜保留指數(shù)(IR)進行了相關分析，發(fā)現(xiàn)二者間有良好的相關性，結(jié)果令人滿意。2. 氣相色譜保留

5、指數(shù)（IR） 結(jié)構(gòu)參數(shù)定量關系方程的建立2.1基本思路 對于一個優(yōu)秀的模型,不但要求其對內(nèi)部樣本要有好的估計結(jié)果,更應當對外部樣本有較高的預測能力。影響氣相色譜保留值的因素很多,但主要是與被測組分和固定相之間的分子間作用力有關。而分子間的作用力主要由分子間的色散力決定,分子的色散力與分子的分支情況及體積大小有關。而我們所建構(gòu)的mQ較全面地反映了分子的體積大小和拓撲結(jié)構(gòu)信息,是一個與分子的分支情況及體積大小密切相關的參數(shù)。此外由于酯中的-COO-基是極性強的基團，因此-COO-所處的位置對酯的氣相色譜保留指數(shù)必然產(chǎn)生較大的影響，為此，我們又引入一個定位基參數(shù) (Sox)，用這些參數(shù)做自變量，可將

6、酯的色譜保留指數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)以方程的形式定量地聯(lián)系起來.2.2結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算2.2.1分子拓撲指數(shù)mQ 的計算拓撲指數(shù)（topological index）是分子結(jié)構(gòu)數(shù)值化的一種方式，它通過對表征分子圖的矩陣實施某種數(shù)字運算而獲得。它是一種圖的不變量，直接產(chǎn)生于分子結(jié)構(gòu)，反映了化合物的結(jié)構(gòu)特征。構(gòu)造拓撲指數(shù)有3個基本的要求：(1)拓撲指數(shù)應為一個或一組數(shù)據(jù)，即分子圖拓撲不變量的數(shù)值化；(2)能充分反映分子圖的連接信息和化學環(huán)境；(3)能有效地表達化合物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)(活性)的關系。拓撲指數(shù)能用于描述化學結(jié)構(gòu)，并且與化合物的物理性質(zhì)、熱力學參數(shù)、化學性能，生物活性以及致癌性相關。拓撲指數(shù)在反映結(jié)構(gòu)方面

7、各有所長 , 從不同角度提取脂肪醇氣相色譜保留指數(shù)的結(jié)構(gòu)信息 ; 又互為補充 , 克服了不足之處 , 使信息的表達更為全面. 嘗試將這兩種拓撲指數(shù)用于脂肪醇氣相色譜保留指數(shù)的研究 , 優(yōu)勢互補 , 取得了較好的擬和效果。酯類分子是極性分子 , 存在色散力 、取向力 、誘導力 , 還有氫鍵. 相對于烷烴而言 ,酯類分子定量結(jié)構(gòu) - 性質(zhì)之間的關系更為復雜. 如何有效地構(gòu)造或選取拓撲指數(shù) , 充分表達信息 , 尚需進一步考慮。分子是極性分子 , 存在色散力 、取向力 、誘導力 , 還有氫鍵. 相對于烷烴而言 ,性醇分子定量結(jié)構(gòu) - 性質(zhì)之間的關系更為復雜. 如何有效地構(gòu)造或選取拓撲指數(shù) , 充分表

8、達信息 , 尚需進一步考慮.綜上所述 。拓撲指數(shù)法計算簡單 , 使用方便.兩參數(shù)建立的回歸方程可以對脂肪醇氣相色譜保留指數(shù)進行估算和預在堵錫華所提出的點價值i的基礎上，為了能更好地描述成鍵原子的化學行為及其所處的化學環(huán)境，我們對其進行了改進和修正，將價電子數(shù)(mi)改為成鍵電子數(shù)(bi) ，并引入了可以全面反映分子中原子i周圍化學環(huán)境的參數(shù)hij由此定義了成鍵原子化學特性的點價i為：i=bi(ni-1)+ hij （1） 式中，ni為i 原子（非氫的任意原子）的主量子數(shù)，bi為i原子的成鍵電子數(shù)，hij 為i 原子直接連接的原子j上鍵合的氫原子總數(shù)。 以分子圖的鄰接矩陣為基礎，由i建構(gòu)新的拓撲

9、指數(shù)mQ：mQ=(i·j·k) （2） 式中，m為階數(shù)；i,j,k是指非氫原子的碳原子或雜原子，且i 與j直接連接，j又與k直接連接，依次類推(下同)。其中0階指數(shù)0Q ，()1階指數(shù)1Q的計算公式為:0Q=(i) 0.5 (3) 1Q=(i·j)0.5 (4)2.2.2 定位基參數(shù)Sox的計算保留指數(shù)（retention index）又稱科瓦茨指數(shù)(Kovats in-dex)，氣相色譜定性指標的一種參數(shù)。將正構(gòu)烷烴的保留指數(shù)定為它的碳數(shù)的100倍。待測物質(zhì)的保留指數(shù)是與待測物質(zhì)具有相同調(diào)整保留值的假想的正構(gòu)烷烴的碳數(shù)的100倍。通常以色譜圖上位于待測物質(zhì)兩側(cè)的

10、相鄰正構(gòu)烷烴的保留值為基準，用對數(shù)內(nèi)插法求得。在同一柱上，物質(zhì)的保留指數(shù)與柱溫呈線性關系。保留指數(shù)（RI）的計算公式如下： (恒溫分析)式中：tR為校正保留時間; 欲求某一物質(zhì)的保留指數(shù),只要將該物質(zhì)與相鄰兩正構(gòu)烷烴混合在一起(或分別的)在給定條件下進行色譜實驗,按上式計算保留指數(shù),與文獻對照即可定。Z和Z+1分別為目標化合物（X）流出前后的正構(gòu)烷烴所含碳原子的數(shù)目;這里：tR(z) < tR(x)< tR(z+1), 一般正構(gòu)烷烴所含碳原子的數(shù)目Z大于4.以上的保留指數(shù)（RI）的計算只用于恒溫分析。對于沸點范圍較寬的復雜組分混合物的分析，一般采用程序升溫的方法。在程序升溫時，組分

11、的保留指數(shù)的測定有所不同。兩者有差異，需要校正。定位基參數(shù)Sox是指有機化合物中官能團位置（Site）指數(shù)（Sox）。Sox=di (i為C原子位置序號)di是表示酯類化合物中酯羰基（=C=O）上的氧到其他各個原子的距離之和。2.2.3 建立的回歸分析方程將文獻;中各種酯在固定相（Carbowax 1540）上的IR和按（3）（5）式,求出的相應0Q，1Q，Sox列于表1中，表1 酯的0Q，1Q，Sox及其在固定相上的保留指數(shù)值編號化合物0Q1QSoxCarbowax 1540 (RI)expcal1丁酸甲酯15.998834.1115994.5979.12戊酸甲酯18.827242.1752

12、01094.91057.33己酸甲酯21.655650.175261192.51142.44庚酸甲酯24.48458.175331292.512345辛酸甲酯27.312566.175411389.21331.86壬酸甲酯30.124574.5395014891436.17癸酸甲酯32.976582.453601587.51546.68丁酸乙酯18.457740.536191043.11066.69戊酸乙酯21.364448.897241141.11144.710己酸乙酯24.234656.897301236.31229.911庚酸乙酯27.564364.897371337.21321.412

13、辛酸乙酯30.100172.897451432.51419.313壬酸乙酯33.242580.897541530.51523.514癸酸乙酯35.456888.8976416281634.115丁酸丙酯21.661748.656241129.81146.116戊酸丙酯24.490156.721201127.81224.317己酸丙酯27.323364.7213513201309.618庚酸丙酯30.436572.721421420.7140119辛酸丙酯32.432480.721501513.41498.820壬酸丙酯35.545488.721591612.31603.121癸酸丙酯38.64

14、3596.721691708.71713.622丁酸丁酯24.234156.721301223.41230.623戊酸丁酯27.900164.786351319.31308.824己酸丁酯30.541172.786411411.51393.925庚酸丁酯32.432680.786481511.51485.526辛酸丁酯35.807588.786561605.51583.327壬酸丁酯38.534296.436651701.21687.628癸酸丁酯41.3247104.356751796.81798.129丁酸戊酯27.432164.365371319.41322.130戊酸戊酯30.1234

15、72.566421415.51400.331己酸戊酯32.986580.786481505.71485.532庚酸戊酯35.853488.786551600.6157733辛酸戊酯38.632296.786631693.81674.934壬酸戊酯41.4571104.721721789.91779.135丁酸己酯30.213472.786451414.1142036戊酸己酯32.986180.786501511.51498.237己酸己酯35.314388.786561599.61583.338庚酸己酯38.535296.786631693.91674.939辛酸己酯41.5422104.78

16、6711786.61772.740甲酸丙酯13.341126.42415931.3935.441甲酸丁酯16.323434.489211028.51019.941甲酸戊酯18.9742.489281128.21111.443甲酸己酯21.324650.489361227.21208.344甲酸庚酯24.453458.489451325.61313.545甲酸辛酯27.425866.489551424.41424.146乙酸乙酯13.342526.09712895.8912.447乙酸丙酯15.563633.92117982.299248乙酸丁酯18.653141.345231080.31076

17、.549乙酸戊酯21.615849.434301179.7116850乙酸己酯24.444257.986381275.91265.9用該式預測脂肪烴類化合物在不同色譜條件下的IR,只需計算出分子的mQ, Sox,并將拓撲保留指數(shù)代入上式即可。此式不僅在一定程度上闡明了酯類化合物與其分子結(jié)構(gòu)信息、固定液極性及柱溫間的關系,同時也提供了一種預測脂肪烴類化合物的新方法,這對于選擇脂肪烴類化合物的色譜分離條件、探索色譜保留機制以及揭示烴類化合物在不固定相、不同柱溫的色譜分離條件下的變化規(guī)律具有 一定的理論意義和應用價值。4結(jié)果與討論4.1根據(jù)統(tǒng)計學規(guī)則，在多元回歸分析中，我們一般推薦N/M5。所以在此

18、處N為樣本數(shù)，M為自變量個數(shù)，這樣在統(tǒng)計學上才有意義，所建數(shù)學模型才比較穩(wěn)定。本工作中的N/M均大于5，完全符合統(tǒng)學規(guī)律。根據(jù)回歸方程及參數(shù),可看出有機醇化合物的結(jié)構(gòu)與其色譜保留指數(shù)有很好的相關性,相關系數(shù)為0.956。從復相關系數(shù)(r)和標準偏差值(s)可知:線性回歸方程達到了優(yōu)級,可滿足定性分析的要求。因此,可以通過理論預測I值,判斷酯的基本結(jié)構(gòu)單元及其酯基(-COOC-)的位置,初步得到可能的結(jié)構(gòu)簡式,為進一步確定正確的結(jié)構(gòu)式提供參考依據(jù)。4.2 白酒中的主要成分是乙醇和水，占總量的98%左右，而其他微量成分醇、酯、酸、醛及芳香化合物等僅約占2%，但是這些微量成分卻決定著酒的香氣、香型與

19、風格，構(gòu)成了白酒的不同典型性。研究其主要微量成分酯的色譜保留指數(shù)與其分子結(jié)構(gòu)間的關系，對分析白酒中的微量成分、選擇分離條件及探索色譜保留機理都具有重要意義由于本文所選參數(shù)較全面地考慮了影響酯的氣相色譜保留值的因素，其中0Q可表征分子的非極性力:色散力的大小，而Sox可表征酯中酯基（-COO-）所處的位置對酯的氣相色譜保留指數(shù)產(chǎn)生的影響。故所建立的白酒中酯類化合物在兩種不同固定相上的色譜保留指數(shù):結(jié)構(gòu)參數(shù)定量關系方程不僅相關性良好，而且具有很強的預測性能。酯類物質(zhì)作為食品領域特別是白酒中的主要香味成分，預測其保留指數(shù)對研究其他未知微量香味成分將具有一定的理論指導意義。5根據(jù)預測模型開發(fā)智能色譜儀

20、,建立結(jié)構(gòu)保留定盤關系(QSRR)檢索數(shù)據(jù)庫當預測或預報某一醇時,首先計算其結(jié)構(gòu)的拓撲指數(shù) (0Q , 1Q , Sox),然后根據(jù)拓撲指數(shù)值通過回歸方程便可計算出其色譜保留指數(shù)I,進而在色譜相同條件下進行定性分析。同時也可以根據(jù)色譜保留指數(shù)推斷其結(jié)構(gòu)式,因為拓撲指數(shù)是有機化合物分子結(jié)構(gòu)特征的綜合指數(shù),不同的結(jié)構(gòu)具有不同的值,根據(jù)計算出的色譜保留指數(shù)反推出醇的結(jié)構(gòu)拓撲指數(shù)(0Q , 1Q , Sox),然后再推斷或預測其結(jié)構(gòu)簡式?？蔀橛袡C物結(jié)構(gòu)分析提供有利的信息和可靠的數(shù)據(jù)。若將計算機與氣相色譜儀相連時開發(fā)出智能色譜儀,并建立起有機物分子結(jié)構(gòu)的拓撲指數(shù)(0Q , 1Q , Sox) 與色譜保留

21、指數(shù)的QSRR對應檢索數(shù)據(jù)庫，當測得某一I值時,智能色譜可通過 I值迅速檢索出相應的拓撲指數(shù),進而解析出不同的結(jié)構(gòu)單元。也可通過回歸方程將拓撲指數(shù)與色譜保留指數(shù)建立起函數(shù)的定量關系,即將化合物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)建立起定量構(gòu)效關系,為計 算機識別有機化合物的分子結(jié)構(gòu)提供可靠的信息。6 結(jié)語根據(jù)拓撲指數(shù)的選取要求，本實驗中提取的拓撲指數(shù)很好地體現(xiàn)了化合物分子的結(jié)構(gòu)特征, 由于本文所選參數(shù)物理意義明確、計算簡便、較全面地考慮了影響脂肪烴類化合物氣相色譜保留值的因素,并且經(jīng)試驗以及后續(xù)數(shù)據(jù)處理工作得到拓撲指數(shù)與色譜保留指數(shù)有很好的線性相關性。由此應用QSAR/QAPR方法對該類化合物的IR值進行預測預報是一

22、種行之有效的方法,對新化合物的分離研究非常有意義。Quantitative Study of The Correlation Between Index of Ester Molecular Structure And RetentionFei Sha (Department of chemistry, Qinghai Normal University ,Qinghai, Xining, 810008)Abstract: through the calculation of topological index of 50 kinds of organic ester compounds mo

23、lecular structure, topological index (mQ), orientating group parameter (Sox) and esters in two kinds of stationary phase on the gas chromatographic retention indices (IR) analysis. Multiple linear regression will it with gas chromatography retention index of correlation analysis, showed that the quantitative structure retention relationship (QSRR) models have good stability and predicta