高等环境化学有机物定量.

概念：QSAR是用数学模型描述物质的分子结构与生物活性之间关系的方法。基本思想：化合物的分子结构包含了决定其理化性质的信息，而化合物的理化性质决定的其生物活性。因此，分子结构与活性相关。Y=f(x1,x2,···,xn)有机物的定量结构与活性关系(QSAR)(QuantitativeStructureActivityRelationship)QSAR的发展1868Crum-Brown提出其基本思想；1935Hammett提出计算取代苯甲酸解离常数的经验方程，Taft改进后形成计算酯类化合物水解反应速率常数经验方程；1962年Hansch首次将生理活性参数引入分析模型，随后Hansch-Fujita，Free-Wilson等相继作出的大量改进在药学等领域产生巨大影响，标志着QSAR时代的开始(2D时代)；1979-1980年，Crippen、Hopfinger相继提出“距离几何学的3D-QSAR”和“分子形状分析法”；特别是1988年Cramer等提出的“比较分子力场法”(Comfa)在药物设计中的应用，QSAR研究进入3D时代；1990至今，随着计算机的普遍应用，众多生物大分子三维结构的准确测定，QSAR的研究更加丰富多彩，在药学、环境毒理等领域的应用更加广泛。Hansch分析法Hansch认为同一骨架衍生物，其生物活性取决于取代基疏水性、电性和立体效应。疏水性参数()单一取代基时：=lgPx–lgPHi个取代基时：=lgPi–lgPH电性参数(或*)芳香族化合物用Hammett参数：=lgKx-lgKHKH:苯甲酸电离常数，Kx:苯甲酸环上H被X取代后电离常数脂肪族化合物用Taft参数：*=(1/2.48)[lg(k/k0)B-lg(k/k0)A](k/k0)B、(k/k0)A:分别为碱性、酸性条件下乙酸酯(被取代后(X-CH2COOC2H5)水解速率常数之比。Taft参数的根据R—C—OR'OH2+OHR—C—OR'OH-O酯酸催化水解过渡态酯碱催化水解过渡态水解机理表明：在酸解时，R上取代基对速率k的影响主要取决于空间立体效应，电子效应很小(极性基团的影响远不如碱解时大)；碱解时空间、电子效应同时存在，且酸、碱水解过渡态空间位阻效应仅是两个小H原子的差别，故碱解减去酸解结果可近似看做是取代基极性(电性或诱导效应)对水解的影响。酯酰质子化水解机理亲核加成消除水解机理立体参数(Es或R)由于酯酸解时其空间位阻比极性诱导电效应的影响大得多，故Taft脂肪族化合物的立体参数Es：Es=lg(k/k0)A立体参数摩尔折射度R表示：R=(n2-1)M/(n2+1)Hansch方程在最适药物疏水常数时(及药物生物体内传输无疏水性障碍）可从理论上推导活性((1/c)与参数的关系，Hansch方程(可参考药学专著):lg(1/c)=-a(lgP)2+blgP+c+dEs+e为抛物线关系一般地：lg(1/c)=blgP+c+dEs+e为线性关系。Hammett与Taft方程—电离、水解速率常数的估算Hammett研究苯系衍生物反应活性时发现，苯环间位与对位取代基对苯环侧链反应中心的电子效应有如下规律：lg(k/k0)=或：lgk=+lgk0X，间或对位取代基团，Y为侧链反应中心；k0，k，分别为母体及含取代基X的反应速率(电离平衡)常数；：取代基常数(Hammett参数)，与X性质、位置、数量有关；：反应常数或反应敏感系数，仅与反应类型和条件有关(规定25ºC时苯甲酸水溶液电离反应基准=1）。Hammett方程–XY对邻位取代苯衍生物及脂肪族有机酯水解，Taft考虑引入空间效应的影响，改进Hammett方程后得到Taft方程：lg(k/k0)=**+Es*,：分别为反应对极性效应及空间效应的敏感系数，25ºC时酯类反应=1，其它符号意义同前。其中脂肪族*的计算以乙酸甲酯为母体。Taft方程Hammett方程仅适用于苯环间位与对位取代基诱导及共轭效应的影响，当基团处于反应中心邻位或对碳链弯曲较大的脂肪族有机物时，空间立体效应增大，Hammett方程不再适用。对脂肪族有机酸电离：lg(K/K0)=**举例1、估算对特丁基苯甲酸的离解常数解：苯甲酸：Ka=6.2610-5，=1查取代基常数表：对特丁基—C(CH3)的=-0.197，由Hammett方程：lg(K/K0)=得：K=6.2610-510-0.197=3.9810-5（与实测相符）2、估算4-甲基-3,5-二硝基苯甲酸的离解常数解：苯甲酸：Ka=6.2610-5，=1查取代基常数表：4-甲基=-0.170，3,5-二硝基=1.395加和T=1.225由Hammett方程：lg(K/K0)=得：K=6.2610-5101.225=1.0510-3（实测1.0710-3）3、估算异戊酸的离解常数解：选取母体RCH2COOH：*=1.75，pKa=4.76取代基-C3H7常数：*=–0.13Taft方程（电离）lg(K/K0)=**，即：pK=pKa–**=4.76–(–0.13)1.75=4.99(实测4.79）4、用Hammett相关估算硝基苯甲酸乙酯水解的kH，并计算pH=6时的水解半衰期(只考虑酸催化)。(25℃时苯甲酸乙酯酸水解速率常数为1×10-7mol-1·L·s-1,=0.11，=0.788，假定中性及碱性条件下水解常数均为0）解：（1）Hammett方程式：lg(KNO3/KH)=NO3，则：lgKNO3=lgKH+NO3=-7+0.7880.11=-0.690KNO3=1.210-7mol-1·L.s-1（2）有机物准一级水解速率常数KR公式：KR=KA[H+]+KN+KBKW/[H+]由已知条件：KR=KA[H+]=1.210-710-6=1.210-13(s-1)t1/2=0.693/KR=0.693/1.210-13=5.81012(s)=1.8105(a)1975，Randic提出，Kie&Hall发展。基本思想：化合物分子中原子的种类、数量，连接方式，价键种类及空间结构信息构成了分子的基本特征，将这些信息数字化并与分子的性质或生物活性相关联，即分子连接性指数法(MolecularConnectivityIndices)。研究的理论基础：拓扑学(Topology)分子连接性指数法(MCI)简单分子连接性指数CH3CHCH3CHCH3CH2CH3路径(path)簇(cluster)2,3-二甲基戊烷隐氢图分子碎片•零阶顶点0X一阶路径1Xp二阶路径2Xp三阶路径3Xp三阶簇3Xc四阶路径/簇4Xpc五阶环5Xr六阶环6Xr分子碎片图隐氢图非氢原子的连接特征值—点价()：=–h：非氢原子按键结合所提供的电子数；h：非氢原子上结合的氢原子数。因此，非氢原子点价的实质是与该原子相邻的非氢原子数或形成的非氢键数。简单分子连接性指数：t=p,c时：k=m+1t=r时：k=mmXt=(12k)i-1/21nk：原子数目，m：指数阶数，i：子图数目，t:连接类型简单分子连接性指数体现非氢原子的键结合状态，可反映饱和烃有机物的结合状态。例：计算异戊烷分子的0X、1Xp、2Xp、4Xpc111320X=i-1/2=31-0.5+3-0.5+2-0.5=3+0.577+0.707=4.284111323321Xp=(ij)-1/2=(13)-0.5+(13)-0.5+(32)-0.5+(12)-0.5=2.2692Xp=(ijl)-1/2=(131)-0.5+(132)-0.5+(132)-0.5+(321)-0.5=1.8011131321321324Xpc=(12345)-1/2=(11321)-0.5=2.44911132价键连接性指数：考虑非饱和键及杂原子的作用计算非氢原子的特征值—价点价：v=(Zv–h)/(Z–Zv–1)Z：非氢原子核外电子总数，Zv：非氢原子最外层价电子数。CCCC2332例：计算丁二烯的1X，1Xv。CCCC1221价点价点价1Xp=(ij)-1/2=2(12)-0.5+(22)-0.5=1.9141Xv=(ij)-1/2=(23)-0.5+(33)-0.5+(32)-0.5=1.149特别地当有机物无杂原子时，可简化为：v=(Zv–h)，其实质是形成非氢键的总数(+)例：计算乙酸乙酯的1Xv。16246OO1Xv=(ij)-1/2=(14)-0.5+(64)-0.5+(46)-0.5+(62)-0.5+(21)-0.5=1.904作业：计算2-氯乙酰苯胺的1X，1Xv。(1X：5.198，1Xv:3.598)ClNO1QSAR应用举例溶解度估算——官能团法KlopmanG(1992)估算：lgS=C0+niGiS:溶解度(g/g)，C0:常数，ni:官能团个数，Gi：官能团对溶解度贡献系数。例：根据分子官能团法估算五氯苯的溶解度S。C0:3.5650;=C:0.4944;=CH:0.3690;Cl:0.6318）解：lgS=C0+∑niG=3.5650+5(0.4944)+1(0.3690)+5(6318)=2.435S=3.6710-3(g/g)=1.4610-5mol/L实测五氯苯的溶解度为3.3210-5mol/L。ClClClClClKow估算——分子片法KlopmanG(1991)估算：lgKOW=0.703+∑biBi+∑cjCjbi：i分子片数目，Bi：i分子片贡献率，cj:需修正的j分子片数目,Cj：需修正的j分子片贡献率。例：根据分子片法估算2,6-二异丁基苯酚(C4H9)2C6H3OH的KOW。(CH3:0.661;CH2:0.415;CH:0.104;=CrH:0.380;=Cr:0.129;OH:0.135)解：查表该分子无需修正分子片项，lgKOW=0.703+∑biBi=0.703+40.661+20.415+20.104+30.380+30.129+10.135=4.64KOW=4.36104，实测KOW=2.29104OHCH3CHCH2CH2CHCH3CH3CH3Kow估算——分子连接性指数法Doucette&Andren(1988)估算：lgKOW=0.0853+1.2721Xv0.0499(1Xv)2例：根据Doucette&Andren分子连接指数法估算甲苯Kow。解：1Xv=(ij)-1/2=4(33)0.5+2(43)0.5+(41)0.5=2.41lgKow=0.0853+1.2721Xv0.0499(1Xv)2=0.0853+1.2722.410.04992.412=2.69Kow=4.90102，实测KOW=4.471021433333高等化学复习题一、简答1、试述Hansch分析的含义。2、试述分子连接性指数法的含义。3、说明简单分子连接性指数与价键连接性指数所反映的分子结构信息。4、试说明氯乙烯(VCM)致癌机理及生理代谢解毒转化途径。5、试说明氮芥致癌机理。6、试说明苯并(a)芘致癌机理。7、试说明二甲基亚硝胺致癌机理。8、简述致癌的一般机制及发展阶段。9、复合污染的毒物联合作用类型有哪些？举一例说明如何判断联合作用的类别？10、以苯并(a)蒽为例分别说明K区理论、湾区理论、双区理论。11、简述微生物修复的环境条件。12、说明强化微生物修复的手段，列举几种强化微生物原位修复的技术。13、生物修复有何优缺点？14、简述植物修复重金属的主要过程。15、简述植物耐受重金属危害的机理。16、简述植物修复重金属的主要过程。17、何为根基效应？试述其在植物修复中的作用。1