拓扑指数在化学化工领域的研究现状

张巍巍

（辽宁石油化工大学化学化工与环境学部，辽宁抚顺113001）

拓扑指数在化学化工领域的研究现状

张巍巍

（辽宁石油化工大学化学化工与环境学部，辽宁抚顺113001）

拓扑指数是定量构效关系研究领域最常用的方法之一。本文论述了拓扑指数在色谱分析、理化性质预测、对有机污染物进行生态风险评价中的应用。以及三维拓扑指数的研究现状。并对拓扑指数在化学化工领域的研究前景做了展望。

拓扑指数；定量构效关系；预测；3D；应用

拓扑学（Topology）是在十九世纪末兴起，并在二十世纪中迅速发展的一门研究连续现象的数学分支，是研究各种“空间”在经过连续性变化后的不变性质的学科[1]。物质的定量结构与性质相关性一直是化学研究中最重要的理念之一。化学拓扑学就是利用拓扑学的原理来计算分子结构的拓扑不变量，从而建立起物质结构与性质之间的数量关系的科学。

拓扑指数是分子结构的数学描述符，通过其对分子大小、形状、分支等结构特征的反应，实现分子结构信息的数值化[2]。是定量构效关系（QSPR）研究领域最常用的方法之一，到目前为止，被提出的拓扑指数已高达200余种。其中著名的有Wiener指数、Randic-Kier分子连接性指数、Balaban指数、Hosoya指数等等[3]。近年来，利用拓扑指数对物质性质进行评估与预测越来越受到化学工作者的重视并迅速发展起来[4]。

1 拓扑指数在化学化工领域的研究现状

1.1 拓扑指数应用于色谱分析

保留指数（retention index）又称科瓦茨指数（Kovats index）。用RI表示。是气相色谱定性分析的重要的指标。是利用文献保留数据进行定性分析的可靠方法,是应用色谱技术定性鉴定有机化合物的重要手段。当测得某一有机物的色谱保留指数时,可推测其结构特性,进而在色谱分析上为有机化合物的定性分析提供重要信息[5]。定量结构——色谱保留相关性（quantitativestructure-retention relationship）是从分子水平来解释色谱的分离机理，对于研究预测色谱保留值、选择色谱分离条件、探索色谱保留机理具有重要的意义。

彭国文，肖方竹[6]等人从脂肪醇分子中各原子的电负性效应，支化效应，氢键缔合效应及空间效应出发，在距离矩阵基础上使用分子中原子的平衡电负性对分子图进行着色，构建了新的拓扑指数1Tp和2Tp。然后分别利用1Tp和2Tp对25个脂肪醇在6种不同极性固定相的RI进行QSRR模型研究。建立一个稳定性好、准确度高，具有优良预测效果的拓扑模型。

秦正龙[7]利用原子类型电性拓扑状态指数和分子连接性指数对28个从漆姑草中分离出的挥发油成分的保留时间（RT）进行多元线性回归，建立了漆姑草中分离出的挥发油成分的QSRR模型。该模型具有良好的稳定性与预测能力，相关系数达到0.997。对于天然植物化学成分的分离、分析、结构表征及其药用价值的开发等具有理论指导意义。

杨娜，杨林[8]等人应用ChemWindow和Chembio Office绘图软件对209种PCBs绘制分子结构图，通过分子最低能量模块计算空间稳定构型，用多元线性回归获得了PCBs的气相色谱相对保留时间与工间距离指数之间良好的QSPR模型。相关性达到0.990，具有较强的预测能力和可靠性，为3D-QSPR研究提供一个新思路。

1.2 拓扑指数应用于理化性质预测

理论最重要的功能之一就是解释和预测。拓扑指数是一种分子结构的描述符，它能与分子体系的理化学性质建立起一种函数定量关系，以达到对未知分子性质的预测。目前，国内对于杂原子的拓扑指数研究已经较为成熟，并取得了较好的成果。

李新华[9]等在图论的基础上，自定义了一种超Wiener拓扑指数（Dn，nDn），对38种饱和烷烃的理化性质进行了多元回归分析，建立了相应的QSPR模型，得到的线性相关性令人满意。

杨娜[10]等应用ChemWindow和SymApps程序计算，确定50种有机酮分子的空间坐标，在Wiener指数基础上定义了空间距离指数WY，并对有机酮的理化性质进行QSPR研究，采用线性回归方法建立了有机酮化合物的沸点、摩尔折射率等与距离指数WY的QSPR模型，相关系数均在0.9以上，具有较好的预测能力和可靠性。

周长会，吴启勋[11]等自定义了序号矩阵H、特征矩阵R和一种新的拓扑指数W=N×log（λ）,将拓扑指数W分别与脂肪醛、脂肪胺及脂肪烃的沸点进行非线性回归，相关性系数能达到0.971以上。建立的拓扑指数简洁方便，可快速预测分子的沸点。

1.3 对有机污染物进行生态风险评价

持久性有机污染物（POPs）是一类能持久存在于环境中，通过食物链积累，对人类健康及环境造成有害影响的化学物质。POPs的理化性质对于研究其环境暴露评价、生态风险和人类健康评价，都具有重要意义。但由于标准物缺乏，很多理化性质的实验数据难以获得，因此，根据结构进行预测就具有重要的应用前景[12]。

冯长君，沐来龙[13]等建立了价连接性指数（χ）i、电性拓扑态指数（e）jh和电性距离矢量（m）k，对239种有机污染物的FBC构建QSFR（定量结构—生物富集因子相关性）模型，结果表明所建立的模型所用自变量少，相关度高，具有良好的稳健性和预测力。

余训民，习萍[14]利用分子拓扑指数相关理论，提出能表征卤代苯结构的新拓扑指数X1z和Yz，建立起相应定量结构—毒性的相关方程，从而预测卤代苯化合物对生物的毒性。相关系数都能达到0.98以上，节省了大量的实验费用和时间。

堵锡华，冯长君[15]定义新的拓扑指数mXA、mXB，发现其与6个系列的138种有机污染物的辛醇-水分配系数（Kow）具有良好的线性关系,相关方程为：lgKsw=0.13420XA-0.11721XA+0.11910XB+0.03961XB-1.6366相关系数可以达到0.9713，优于以往文献，对于研究有机物的环境行为具有重要的参考意义。

1.4 三维拓扑指数的研究

在之前的研究中可以发现，许多拓扑指数都是从分子的二维图形得到的，但实际上大部分分子是三维空间结构，三维结构信息用一维的拓扑指数表示，难免会造成结构特征的丢失，因此，近年来化学工作者将拓扑指数的研究向三维方向拓展[16]。

杨林等[17]利用有机酮分子的三维立体构型，采集三维坐标数据，通过计算自定义三维拓扑指数，结合二维拓扑指数和分子官能团指数，通过改进的BP神经网络运算确定了3D-QSPR模型。相关系数高，为2D/3D-QSPR的研究以及酮类化合物的色谱定性分析提供了可靠的依据。

程学峰[18]等应用Chem office或Chem windows软件,首先绘制某一系列的分子3D结构图,确定分子空间构，自定义新的3D拓扑指数Yj、Yh、Yg和Cn，利用SPSS对饱和烷烃的部分理化学性质参数与3D拓扑指数进行多元线性回归分析,得到39和烷烃的结构与自定义的3D拓扑指数的相关系数均在0.983以上。

杨娜[19]等应用ChemWindow绘图软件对209个多氯联苯化合物作图，通过SymApps计算3D结构得到其空间稳定构型，定义了3个描述符，原子距离指数Ys，分子空间特征指数以及在Wiener基础上定义的指数Yw。采用SPSS软件和Matlab软件分别用多元线性回归方法和BP神经网络获得了多氯联苯化合物的QSPR模型。结果表明，自定义3D距离指数基本上能够反映分子的空间结构特征，具有较高的预测能力和可靠性。

2 结论与展望

综上所述，拓扑指数的建立为快速优化实验条件提供理论依据，减少或避免了冗长的实验优化过程，在化学化工领域的研究取得了一定的成就。随着化学化工各领域的不断发展，利用拓扑指数进行评估与预测正发挥着越来越重要的作用。其发展趋势可展望如下：

（1）为使拓扑指数的结构信息更充分，具有更强的预测功能，在构建模型时，可以考虑将各类拓扑参数联合使用，取长补短，使所构建的模型具有更好的相关性；同时，利用拓扑学与量子化学等相结合的方法，不断提出新的拓扑指数。

（2）迄今为止，利用分子空间构型的3D拓扑指数的研究相对较少，可查文献数量有限。通过3D-QSPR的研究，可建立3D拓扑指数与化合物的理化性质参数的对应检索数据库。为计算机识别有机物质结构提供可靠的信息。对有机高分子模拟、有机药物合成等都具有一定的理论指导意义。

（3）环境污染是当今世界面临的重大问题之一。保护和改善环境是当前人类的首要任务。利用QSPR研究，建立新的拓扑指数对各类污染物的潜在危害性进行预测和评价，从而采取适当管理措施，有效实现污染的预防，这是未来发展的新趋势。

（4）毛细管电泳分析是以毛细管为分离通道、以高压直流电场为驱动力的新型液相分离技术。它使分析化学从微升水平进入纳升水平，并使单细胞分析，乃至单分子分析成为可能。目前，已有将神经网络、多元线性回归应用于毛细管电泳分析条件的优化的研究[20]，但将拓扑指数应用于此的研究还比较少见。因此，利用拓扑指数建模，优化毛细管电泳分析的实验条件是比较有前景的研究之一。

［1］王登菊，周如金，郎春燕.拓扑指数及其应用［J］.计算机与应用化学，2012，29（4）：457-459.

［2］石海信，黄冬梅，谭铭基.拓扑学原理在化学化工中的应用［J］.化学工程师，2010，178（7）:38-41.

［3］张晶，赫敏，杨林.拓扑指数法在QSPR研究中的应用［J］.江汉大学学报（自然科学版），2012,40（6）：38-40.

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［14］余训民，习萍.卤代苯的拓扑指数及毒性构效关系［J］.常德师范学院学报（自然科学版），1999，11（3）：43-45.

［15］堵锡华，冯长君.价连接性指mX与有机污染物lgKsw的相关性［J］.分析科学学报，2001,17（4）：321-323.

［16］侯俊，邓德茹.新拓扑指数提出的几个方向［J］.计算机与应用化学，2008，25（3）:303-305.

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［19］杨娜.PCBs分子空间坐标的3D-QSPR研究［D］.西宁：青海师范大学，2012，11-60.

［20］温莹莹.定量结构-性质关系及其在毛细管电泳中的应用［D］.烟台：烟台大学，2010，1-2.

Research Status of topological index in chemistry and chemical engineering

ZHANG Wei-wei
（Liaoning Shihua University，Department of Chemistry and Chemical Eengineering and Environment，Fushun 113001，China）

Topological index is one of the most common methods of QSPR.This paper discusses the application of the topological indices in chromatographic analysis,prediction of physicochemical property,ecological risk assessment of organic pollutants.The research status of 3D topological indices was discussed.The development direction of topological indices in chemistry and chemical engineering is also prospected.

topological index；QSPR；forecast；3D；application

O6-051

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20150348

2015-03-02

张巍巍（1982-），女，汉族，辽宁抚顺人，助理实验师，理学硕士，从事无机化学实验教学工作。