通過定量構效關系和溶劑化模型預測不同溫度下的正辛醇空氣分配系數(shù)KOA的方法技術

本發(fā)明專利技術公開了一種有機化學品正辛醇/空氣分配系數(shù)（KOA）的理論預測方法，屬于生態(tài)風險評價測試策略領域。即基于化合物的分子Dragon描述符構建定量構效關系模型（QSAR）以及基于熱力學原理采用開源溶劑化模型計算溶解自由能，由熱力學原理式logKOA?=?-ΔGOA/2.303RT換算得到KOA。基于該方法提出預測化合物KOA的一般策略，即首先根據(jù)Dragon描述符判斷分子是否在應用域內，處在域內則優(yōu)先采用QSAR模型(不同溫度下采用QSAR-T)，域外化合物采用SM8AD溶劑化模型預測。采取和遵循本發(fā)明專利技術的方法策略，可快速、有效地預測不同化合物在不同溫度下的KOA，節(jié)省大量人力物力財力，為大規(guī)模的化學品的生態(tài)風險評價和環(huán)境監(jiān)管提供重要的基礎數(shù)據(jù)。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
通過定量構效關系和溶劑化模型預測不同溫度下的正辛醇空氣分配系數(shù)Ktw的方法
本專利技術屬于化學品生態(tài)風險評價測試策略領域，具體是基于有機化合物分子的 Dragon描述符判斷化合物是否處于構建的正辛醇/空氣分配系數(shù)(Km)與分子描述符的定量構效關系模型(QSAR)和溫度依附性的QSAR-T模型應用域內，域內化合物優(yōu)先通過QSAR 模型計算其在單一溫度(25°C )下的KQA，不同溫度(-10 — 50°C )的Kqa值由QSAR-T模型計算。對域外化合物，則采用溶劑化模型SM8AD進行Km的預測。
技術介紹
正辛醇/空氣分配系數(shù)(Km)可以定義為在一定溫度下，分配平衡時，有機化合物在正辛醇相和空氣相中濃度的比值(無量綱)，實際應用中常以其對數(shù)形式(IogKtw)表示。由于正辛醇是長鏈脂肪醇，具有類脂性，因此Km常用來描述污染物在空氣相和環(huán)境有機相之間的分配行為，是評價化合物在環(huán)境中的長距離遷移能力和生物蓄積性的重要的環(huán)境行為參數(shù)。Km定義的熱力學公式為logK0A=-AG0A/2. 303RT(1)式(I)中Λ Gm表示化合物從空氣相轉移到辛醇相中Gibbs自由能的變化，也稱溶解自由能或溶劑化自由能。R是指理想氣體常數(shù)，T為環(huán)境溫度。Km值越大的化合物，越容易分配于環(huán)境有機相中(包括土壤有機質，空氣顆粒物的有機成分，以及動物植物的表皮角質層等)。此外，Km具有較強的溫度依附性溫度越低，Km值越大。化合物的Km主要通過實驗測定的方法來獲取產生柱法、頂空氣相色譜法、固相微萃取法、逸度測量法和氣相色譜保留時間方法。前人通過這幾種方法得到了一些典型環(huán)境污染物(如多氯聯(lián)苯(PCBs)，多環(huán)芳烴(PAHs)，多溴聯(lián)苯醚(PBDEs)以及二噁英(P⑶D/ Fs)等的Κω。這幾種方法各有優(yōu)缺點，適于測定的化合物性質也不同。由于化學品的種類繁多，采用實驗測定方法獲得Km花費大，耗時長，而且有些化合物缺乏標準品，造成測定的困難。據(jù)美國環(huán)保局的統(tǒng)計，目前為止，具有Km實驗測定值的化合物僅有幾百種，遠不能滿足化學品風險評估的需要。因此，發(fā)展或構建理論預測方法或者模型來快捷有效地獲取化合物的Km具有重要的意義和應用價值。其中，基于分子描述符的定量結構-活性關系(QSAR) 模型是一種常用且簡便有效的方法。QSAR模型的基本原理是化合物的分子結構決定它的性質。QSAR作為一種計算機建模方法，可以深入挖掘和表征有機化合物分子結構與其理化性質、環(huán)境行為、毒理效應等性質的量變規(guī)律和因果關系，從而從分子水平上評價污染物的生態(tài)風險。目前，QSAR模型已成為污染物環(huán)境生態(tài)風險評價和人體建康風險評價的重要工具。為了促進QSAR模型在化學品風險管理方面的應用，經(jīng)濟合作與發(fā)展組織(0Ε⑶)2007年提出了 QSAR的構建和使用導則，該導則認為，一個好的QSAR模型應該具備以下五個標準(1)明確定義的環(huán)境(活性)指標；(2)明確的算法；(3)定義了模型的應用域；(4)對模型的擬合優(yōu)度、 穩(wěn)健性和預測能力有適當?shù)脑u價；(5)最好進行機理解釋。目前已經(jīng)有許多研究者建立了一些化合物Κω的QSAR預測模型。這些QSAR模型有些是基于分子碎片的基團貢獻模型，比如文獻“Li，X. H. ; Chen, J. W. et al. The fragment constant method for predicting octanol—air partition coefficients of persistent organic pollutants at different temperatures. Journal of Physical and Chemical Reference Data 2006，35，(3)，1365-1384. ”釆用多元線性回歸(MLR)的方法，建立了典型持久性有機污染物Κω的線性QSAR模型，模型的自變量為分子碎片常數(shù)。該模型具有應用簡便，預測能力高，穩(wěn)健性好的特點。還有些是多參數(shù)線性自由能關系(PP-LFER)模型，例如“Chen， J. W. ; Harnerj T. ; Yang，P. ; Quanj X. ; Chen, S. ; Schramm, K. W. ; Kettrupj A. Quantitative predictive models for octanol—air partition coefficients of polybrominated diphenyl ethers at different temperatures. Chemosphere 2003， 51，(7)，577-584. ”和“Chen，J. W. ; Harnerj T. et al. Quantitative relationships between molecular structures, environmental temperatures and octanol-air partition coefficients of polychlorinated biphenyls. Computational Biology and Chemistry 2003, 27，(3)，405-421. ”等基于化合物的分子結構描述符，采用偏最小二乘 (PLS)的方法建立了 QSAR模型，分別預測了 PCBs和PBDEs的KM。模型采用累積交叉驗證系數(shù)Q2aa表征穩(wěn)健性(魯棒性)，并且添加了溫度這一描述符考慮TKm的溫度依附性，得到了良好的預測效果。參照OE⑶的指導原則可以發(fā)現(xiàn)，這些QSAR模型均屬于局部(local)意義上的定量構效關系，往往只能適用于某一類型的化合物。且有些模型缺乏對應用域的準確表征以及缺少有效地外部驗證集進行模型預測能力的探討。同時，對于溫度依附性較強的Koa,也需要考慮溫度的影響。因此，有必要建立一個應用域覆蓋不同種類化合物的廣義的(global) QSAR模型，并將溫度作為一個變量加入模型。同時，根據(jù)OE⑶的QSAR導則， 在建立模型后，需要對其進行應用域的表征及可能的機理解釋。總體來講，預測Km的QSAR方法的計算量小，結果可靠，可應用于風險管理。 但是， QSAR模型強烈依賴于化合物的Km實驗值(建模和驗證)，并且一個好的QSAR模型僅能夠對其應用域內有限的化合物的Km做出預測。這兩點構成了它應用的主要限制。因此，基于溶解自由能Λ Goa的Km預測方法具有多方面優(yōu)點(I)基于溶解自由能Λ Goa的計算在理論上沒有應用域的限制，適用于所有的有機化合物；(2)只需要輸入分子的坐標信息，就可以較為準確快速地獲取化合物在辛醇相中的Λ Goa,從而得到IogKtw值。近幾年來，量子化學計算的發(fā)展突飛猛進，計算精度與速度完美結合，加之理論化學家對分子在相間的物理化學過程的認識與合理的模擬，通過溶劑化模型來計算溶劑自由能已經(jīng)能獲得較好的精度。 此外，這種從頭算的方法，從另一方面規(guī)避了大量的分子描述符的篩選，只需要化合物分子最基本的結構坐標信息，為簡化計算邁出了重要一步。許多國外的研究者開發(fā)了許多開源的隱性溶劑化模型(模型采用參數(shù)來表示溶劑)，來探討化合物分子在介質之間分配，以及在溶劑中溶解的過程及其能量變本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
通過定量構效關系和溶劑化模型預測不同溫度下的正辛醇空氣分配系數(shù)KOA的方法，其特征包括以下步驟：（1）數(shù)據(jù)搜集和劃分：搜集文獻中實驗測定的正辛醇/空氣分配系數(shù)KOA值，得到380種有機化合物在不同溫度下的936個KOA數(shù)據(jù)；隨機將其中264種、654個KOA值劃為訓練集，其余為驗證集；（2）QSAR和QSAR?T模型構建：采用多元線性回歸和偏最小二乘方法構建25℃時logKOA和訓練集化合物分子Dragon描述符的定量構效關系QSAR模型，表達式為：logKOA=?0.509?+?0.986?×?X1sol?–?1.018?×?Mor13v?+?1.384?×?H?050?–?1.528?×?R5v?–?0.015?×?T(O..Cl)?+?0.043?×?HATS5v?–?0.026?×?RDF035m?–?0.197?×?RCI?–?0.130?×?nCOOR?–?0.077?×?Mor15u?–?0.077?×?RDF090m，其中，X1sol表示溶劑連接性指數(shù)chi?1；Mor13v和Mor15u是3D?MoRSE描述符；H?050表示H原子連接雜原子的碎片常數(shù)；R5v和HATS5v表示GETAWAY描述符；RDF035m和RDF090m表示徑向分布函數(shù)描述符；RCI?表示芳香性指數(shù)描述符；T(O..Cl)是O和Cl原子間拓撲距離的和；nCOOR表示分子中醚鍵的個數(shù)；在該QSAR模型的Dragon描述符上添加溫度校正后構建?10—50℃時logKOA與校正的Dragon描述符之間的溫度依附性QSAR?T模型，表達式為：logKOA?=?–3.03?+?3.13?×102X1sol/T?–?8.57?×?10Mor13v/T?+?4.32?×?102H050/T?–?1.27?×?103R5v/T?–?5.54?×?T(O..Cl)/T+?1.25?×?102HATS5v/T?–?1.33?×?10RDF035m/T?–?6.11?×?10RCl/T?–?3.76?×?10nCOOR/T?+1.56?×?102Mor15u/T?–?5.49?×?RDF090m/T?+?1.04?×?103/T；該QSAR和QSAR?T模型的校正決定系數(shù)R2adj?>?0.9，累積交叉驗證系數(shù)Q2CUM?>?0.9；（3）QSAR和QSAR?T模型的驗證和應用域表征：QSAR和QSAR?T模型的驗證結果用外部預測相關系數(shù)的平方Q2EXT和均方根誤差RMSE表示；QSAR和QSAR?T模型的化合物應用域相同，均同時采用以下四種應用域表征方法：描述符距離范圍法、歐幾里德距離法、城市街區(qū)距離法和概率密度分布法；（4）溶劑化模型：采用從頭算的開源溶劑化模型SM8AD計算有機化合物分子在25℃時在正辛醇中的溶解自由能△GOA，由KOA的熱力學原理式logKOA?=??△GOA/2.303RT計算得到logKOA值；（5）未知化合物的KOA預測：計算未知化合物的Dragon描述符，判斷該描述符是否處在QSAR和QSAR?T模型應用域內；若是，則采用QSAR模型預測25℃時的KOA值，如需獲得其他溫度下的KOA，則采用QSAR?T模型預測；若處在域外，則采用溶劑化模型SM8AD計算獲取KOA；...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：李雪花，傅志強，陳景文，喬顯亮，
申請(專利權)人：大連理工大學，
類型：發(fā)明
國別省市：