芳香化合物在纤维素衍生物/离子液体毛细管色谱柱上的定量结构-色谱保留相关性研究

徐水兴，施介华,2

（1.浙江工业大学药学院，浙江 杭州 310014;2.浙江工业大学绿色化学合成技术国家重点实验室培育基地，浙江 杭州 310014）

定量结构-色谱保留相关关系（Quantitative structure-Retention relationship,QSRR）是一种研究溶质分子结构与色谱保留数值间定量关系的方法，是建立在化合物结构与其色谱保留参数之间具有相关性，经统计拟合方法建立分子结构描述参数与其性质之间的定量关系，从而研究色谱保留机理和预测色谱分离可能性。它已逐渐成为色谱学的一个分支领域，在色谱基础理论研究中占有重要地位，已引起广大学者的关注[1-2]。

QSRR 研究中，常用于表征分子结构特征的参数有：物理化学参数、拓扑指数和量子化学参数等[3-5]。建立相关模型的数理统计方法有：多元线性回归（multiple linear regression,MLR）、逐步回归（stepwise multiple regression,SMR）、偏最小二乘法（partial least squares,PLS）等[6-8]。本文研究芳香化合物在CTPC/[OcMIM]BF4毛细管色谱柱上保留机理，运用量子化学中密度泛函理论（DFT）在B3lyp 6-311G 基组水平上计算芳香化合物分子结构描述参数，运用逐步回归的分析方法建立化合物定量结构-色谱保留之间的QSRR模型，并从超热力学角度讨论芳香化合物的保留机理。

1 实验部分

1.1 仪器与材料

GC7890F 气相色谱仪（上海天美科学仪器有限公司）；超越2000P 色谱工作站（浙江省科学器材公司）；石英毛细管（河北永年锐沣色谱器件有限公司）。

CTPC 和[OcMIM]BF4由浙江工业大学催化加氢研发基地提供。

其他有机试剂均为分析纯。

1.2 色谱柱的制备

采用静态涂渍法[9]制备了CTPC/[OcMIM]BF4毛细管柱（15 m× 0.25 mm i.d.,0.28 m），以萘为标准品，在120 ℃下测得其理论塔板数为1973块/m。

1.3 保留参数的测定

芳香化合物保留参数测定的色谱条件为：柱温110 ℃，载气（N2），流速0.5 mL/min（分流比为90:1），气化温度和检测温度均为300 ℃。在此色谱条件下，测定各芳香化合物的保留时间（tR），并按下式计算其容量因子（k）。式中，tM为死时间，通过Peterson-Hirsch 方法测定。其结果如表1 所示。

1.4 分子结构描述参数

运用Chemoffice 软件完成芳香化合物分子结构构建和构象，并用MOPAC 6.0 对分子结构进行初优化，然后用Gaussian 09 软件包中DFT 程序（B3lyp6-311G 基组）进行结构优化，至Hessian 矩阵分析无虚频率。获取分子结构描述参数：DIP（分子总体偶极距）、EHOMO（最高分子占有轨道能量）、ELUMO（最低分子空轨道能量）、ElcE（电子总能量）、TE（分子总能量）、GE（吉布斯自由能）、HF（生成热）、logP（疏水性参数）、MR（摩尔折射率）。获取各溶质分子的结构描述参数列于表1。

表1 探针分子的结构描述参数及其保留数值Table 1 Molecular structure description parameters and retention values for the selected probe molecules

2 结果与讨论

2.1 QSRR 模型的建立

为了评价所选择的分子结构描述参数的适用性，对所有分子结构参数进行皮尔逊相关分析，其结果如表2 所示。从表2 中可以得知，ELUMO、ElcE、TE、HF 与其他参数之间存在着显著相关性。因此，在拟合分析时可舍去这些参数。

表2 分子结构描述参数的相关系数矩阵Table 2 Correlation coefficient matrix of molecular structure description parameters for the selected probe molecules

根据色谱分离原理，溶质在色谱柱上的保留行为主要是由溶质和固定相之间的相互作用力所决定。将28 个芳香化合物的容量因子对数与其余分子结构参数进行逐步多元线性回归分析，得芳香化合物在CTPC/[OcMIM]BF4毛细管色谱柱上的QSRR 模型，即：

式中，n 为样本个数，R 为方程相关系数，F 为费舍尔系数。

从QSRR 模型可知，芳香化合物在CTPC/[OcMIM]BF4毛细管色谱柱上保留主要与溶质分子的MR、logP、EHOMO、GE 和DIP 参数有关。MR 反映了溶质分子参与分子色散力的能力，logP 体现了溶质分子与固定相之间的疏水作用，EHOMO与GE 表示电荷传递作用，DIP 表示诱导力大小[10]。这表明芳香化合物在CTPC/[OcMIM]BF4毛细管色谱柱上的作用力主要有分子色散力、诱导力、氢键作用及疏水作用。此外，统计分析结果显示，各参数项的标准化系数绝对值大小顺序为MR（0.600）>logP（0.576）>DIP（0.452）>EHOMO（0.439）>GE（0.277），表明相互作用力顺序为色散力>疏水作用>诱导力>氢键作用。

同时，为了评估QSRR 模型的稳定性与可靠性，对参与回归样本的色谱保留值进行了留一法交叉检验（leave one out）。结果发现没有出现异常值，表明此QSRR 模型具有较好的稳定性。

2.2 色谱保留值的预测

为了评估QSRR 模型的适用性，将通过所建立的QSRR 模型计算得到的预测值logkpred 与实验值logkex 进行相关分析，其结果如图1 所示。从图1 可知，两者间具有良好的线性相关性，这表明预测结果能较好地反映实验结果，可以用于未知物保留数值的预测。进一步说明所建立的QSRR 模型是一个合适的模型。

图1 实验值logkex 与预测值logkpred 关联图Fig.1 Plot of the logkex versus the logkpred

3 结论

以系列芳香化合物为研究对象，运用量子化学中的MOPAC 和B3lyp6-311G 进行了分子结构优化，从而获取溶质分子结构描述参数，建立了芳香化合物在CTPC/[OcMIM]BF4毛细管气相色谱柱上的容量因子对数与溶质分子结构描述参数之间的QSRR 模型。结果表明，芳香化合物在两色谱柱上的保留与溶质分子的结构描述参数MR、logP、EHOMO、GE 和DIP 具有良好的多元线性关系。溶质分子与固定相间的相互作用力主要有色散力、诱导力、氢键作用及疏水作用。而且所建立的QSRR 模型具有良好的稳定性和预测能力。

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