多溴联苯醚气相色谱相对保留时间的定量结构－活性关系

吴志渊，薛秀玲，邱其俊

（华侨大学 化工学院，福建 厦门361021）

多溴联苯醚（PBDEs）是一组溴原子数不同的联苯醚混合物，有209种同系物.因其阻燃率高、热稳定性好，常被作为溴系阻燃剂，广泛应用于化工、电器电子设备、家具等产品中［1－3］.目前，PBDEs已在各种基质，如沉积物、空气、水、哺乳动物、人血浆和母乳中被检出，引起人们广泛的关注［4－5］.PBDEs的分析方法主要为气相色谱法和气相色谱－质谱法联用.相对色谱保留时间（RRT）是色谱定性非常重要的热力学参数.在一定温度下，RRT 为常数，与色谱柱长度及内径等无关，由化合物和固定相之间的弱作用力决定.PBDEs属弱极性分子，主要作用力表现为色散力.影响色散力的主要结构因素是分子大小和空间形状.分子的体积越大，其变形性越大，相应瞬间偶极越强，其与固定相之间的色散力越大［6］，即RRT值越大.色散力主要由溶质分子中原子的净电荷、分子偶极矩、分子前线轨道能量等结构参数决定［7］.目前，已有众多学者对PBDEs的分子结构与其RRT 值的关系进行研究［8－11］.本文拟采用密度泛函理论算法中的B3LYP方法，运用Gaussian 03W 及偏最小二乘法（PLS）建立PBDEs与其RRT 的分子结构参数的定量结构与活性关系（QSAR），并对126种已知PBDEs和83种未知PBDEs的RRT 值进行预测.

1 材料与方法

1.1 RRT文献值的选取

209种PBDEs的RRT 数据，如表1所示.表1中：126种PBDEs的RRT 实验值取自Peter等［8］的实验工作；其他83种为待测RRT 值的PBDEs.

1.2 量子化学参数选取

采用Hyper Chem 软件构图，应用量子化学软件包Gaussian 03W 在B3LYP／6－31＊G（d）理论水平下对209种PBDEs分子进行无对称性限制几何全优化，获得建模参数.以RRT 为因变量，选择考察了22个量子化学参数在内的23个自变量：次高占有轨道能量（ENHOMO）；最高占有轨道能量（EHOMO）；最低空轨道能量（ELUMO）；次低空轨道能量（ENLUMO）；电子空间广度（Re）；分子偶极矩（μ）；分子总能量（ET）；1，1′号碳原子与氧原子的键长（RC1－O，RO－C1′）；原子的带电量（QC1，QC2，QC3，QC4，QC5，QC6，QO，QC1′，QC2′，QC3′，QC4′，QC5′，QC6′）.此外，还考察了ELUMO－EHOMO前线轨道能量组合.

1.3 模型的优化建立

应用Simca－P（version 11.5）进行PLS分析建模，采用外部样本预测检验法对模型进行检验，即将126个已知RRT 的PBDEs样本数按5∶1分为模型训练组（105个）和模型检验组（21个）.采用偏最小二乘法进行回归分析，采用截尾的方式选用前h个成分建立回归模型，h通过交叉有效性判别Q2h来确定.当Q2＞0.097 5，该主成分有意义；当累计交叉有效性判别系数＞0.5，模型预测可靠性较好.综合采用Q2cum与拟合相关系数平方R2cum来评价模型的优劣，在建模过程中剔除对建模无贡献作用的变量，以提高QSAR 模型的预测能力和拟合效果.PBDEs的RRT 实验值（RRTexp）和预测值（RRTth），如表1所示.表1中：＊为模型训练组的样本；＃为模型检验组的样本；未标符号的为待预测样本；残差为实验值与预测值之差.

表1 PBDEs的RRT 实验值和预测值Tab.1 Experimental and predicted values of the RRT of PBDEs

续表Continue table

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2 结果与分析

2.1 模型的建立

模型拟合参数，如表2所示.表2中：实验样本与有效成分的比例为5∶1，105个样本选取第3个有效成分，即h3.由表2可知：该模型的Q2cum为0.931，远大于0.5，包含了48.7%自变量R2X（cum）的变异信息，对因变量R2Y（cum）的解释能力高达96.0%；模型的均方根误差RMSEE 为0.044（RMSEE 越接近0，模型的准确性越高），说明模型具有较好的预测准确性.

表2 模型拟合参数Tab.2 Fitting results of the model

2.2 模型的验证

将模型检验组带入模型，实验值与预测值的残差范围为－0.060～0.166，说明所建模型预测能力较强.将126个已知样本的自变量带入模型，比较其预测值与实验值，结果如表1，图1（a）所示.

由表1，图1（a）可知：126种PBDEs的RRT 实验值（RRTexp）与预测值（RRTth）均分布在直线y＝x的两侧，溴取代数为2～9时，残差范围为－0.083～0.090，预测值与实验值的相关性较好.但一溴和十溴取代的PBDEs，例如，BDE－1，BDE－2，BDE－3和BDE－209的预测值与实验值偏离较大，残差范围为0.153～0.168.文献［10］研究表明：一溴和十溴取代的PBDEs的预测值与实验值的残差较大（0.093～0.134），如图1（b）所示.这可能是模型所含一溴和十溴的样本个数较少（3个和1个），从而影响模型的预测结果［12］.

将83种未知的PBDEs的量子化学参数带入文中模型进行预测，其与文献［10］的对比结果，如表1，图1（c）所示.由图1（c）可知：除BDE－54的预测值偏差较大，两种模型对82种PBDEs的RRT 预测值相关性较好，相关系数R2为0.970.BDE－54为2，2′，6，6′位Br对称取代的PBDEs，由于溴的取代可能会使PBDEs分子平面发生扭转，2，2′或6，6′位处于两个苯环平面的中间，该位置是否被溴原子取代对PBDEs分子的平面结构影响较大，从而影响BDE－54的色谱行为，可能导致两种模型预测结果具有一定的偏差.BDE－54准确的RRT 值还有待进一步的实验验证.

图1 PBDEs的RRT 预测与验证Fig.1 Predicted and verified values of the RRT of PBDEs

2.3 RRT影响因素的分析

以RRT 为因变量建立的模型，如表3所示.表3列出了该模型的自变量（x）在方程中对应的系数（a）及相应的变量投影性指标值（VIP）.所得回归模型为

式（1）中：x对应表3中的自变量；a为各自变量对应的系数；C为常数.

表3 自变量在模型方程中的系数及其VIP值Tab.3 Variable importance in projection and variable coefficient in the model equation

在PLS建模中，VIP是一个反应自变量重要性相对大小的参数，自变量的VIP值越大，该自变量对因变量的影响越大.由表3可知：ET，ENLUMO，Re，ELUMO的VIP值分别为1.858，1.741，1.719，1.712，远高于其他自变量的VIP值，说明这4个自变量对PBDEs的RRT 有着重要的控制作用.

在色谱分配过程中，溶质在流动相和固定相间的分配，是溶质分子和两个相中分子间的作用力所致，会影响其RRT 值.这些作用力包括偶极间定向作用，诱导，氢键和电子对供体－电子对受体作用等.

ET在一定程度上可以反映分子的体积，体积越大，越趋向于弱极性的有机相中［13］，在有机相中的停留时间越长，其RRT 值越大.一溴取代至十溴取代的PBDEs的ET（平均值）分别为－3 109，－5 680，－8 251，－10 822，－13 394，－15 965，－18 536，－21 107，－23 678，－26 249eV·mol－1，其RRT（平均值）分别为0.097，0.135，0.205，0.307，0.437，0.581，0.718，0.858，1.005，1.171.由此可知：随着溴取代数的增多，ET越低，分子体积越大，溶质同固定相的作用力增大，RRT 呈上升趋势.

Re是算式∫r2ρ（r）d（3r）中算符ρ的特征值，在同系物中可用于表征不同分子间分子体积的大小关系.分子体积越大，分子与分子间的非反应性色散作用越强，从而导致其在色谱固定相中的保留时间延长［10］，即RRT 增大.由表1可知：PBDEs的同分异构体中，溴在醚键的邻位取代（即取代位置为2，2′，6或6′）时，其相应的RRT 较小，且邻位取代数越多，其Re，RRT 越小.如二溴取代同系物中BDE－10（2，6），BDE－4（2，2′），BDE－11（2，3′），BDE－13（3，4′）的Re分别约为5 017，5 306，9 754，10 848，RRT 分别约为0.123，0.133，0.137，0.142.Sierra等［12］用46种PBDEs的邻位（o－）、间位（m－）、对位（p－）的取代基及偶极距（μ）和分子量的自然对数（ln MW）等分子描述符建立其RRT 的模型，其结果表明：同系物中邻位取代数越多，其RRT 越小.曾小兰等［14］的研究表明：PBDEs同类物中溴在醚键的邻位取代，会引起2个苯环之间的扭转，减弱它们的共平面性，引起不同PBDEs分子的体积差异，即所谓的“邻位效应”.这说明PBDEs的同分异构体中，Br的邻位取代数越多，分子的体积越小，其变形性越大，相应瞬间偶极越强，其与固定相之间的色散力越弱，其RRT 越小.

氢键是由价键和静电的贡献组成.EHOMO反映分子与其他分子作用时给出电子的能力，ELUMO反映分子在形成氢键时给出质子或接受电子的能力，ENLUMO反映分子进一步接受电子形成氢键的能力.ELUMO越低时，PBDEs通过色谱柱时氢键和电荷转移的作用越大，RRT 值越大［15］.分子的色散力随分子间的距离增大而减小，ELUMO－EHOMO与分子的半径有关，其值越大，分子间的距离越大，色散力越小［13］，RRT 越小.BDE－54为2，2′，6，6′取代，其ELUMO值（－0.153 71）最小，远远小于其他208种PBDEs的ELUMO值（最小为－0.080 52），其形成氢键的能力最强，即分子之间有很强的氢键作用.因此，RRT 值（1.036）较大.

表2中：ELUMO－EHOMO，Re，EHOMO的系数为负，ET，ENLUMO，ELUMO的系数为正，说明PBDEs同系物随着ET，ENLUMO，ELUMO的增大，或随着ELUMO－EHOMO，Re，EHOMO的减小，PBDEs的RRT 随之增大.

3 结束语

文中所建模型的累计交叉有效判别系数Q2cum为0.931，拟合相关系数平方R2Y（cum）为0.960，具有较强的预测能力.研究发现，ET，ENLUMO，ELUMO，Re对PBDEs的RRT 有着重要的影响.随着ET的减小，Re的增大，分子的体积也随之增大，分子与分子间的非反应性色散作用越强，RRT 也越大；ENLUMO，ELUMO越低，分子在形成氢键时接受电子的能力越强，色散力越强，故RRT 越大.

［1］HITES R A.Polybrominated diphenyl ethers in the environment and in people：A meta－analysis of concentrations［J］.Environmental Science and Technology，2004，38（4）：945－956.

［2］刘艺凯，唐建辉，潘晓辉，等.环境中多溴联苯醚分析方法的研究进展［J］.环境化学，2012，31（12）：1908－1915.

［3］RAHMAN F，LANGFORD K H，SCRIMSHAW M D，et al.Polybrominated diphenyl ether（PBDE）flame retardants［J］.Science of Total Environment，2001，275（1／2／3）：1－17.

［4］DODDER N G，STRAMDBER B，HITES R A，et al.Concentrations and spatial variations of polybrominated diphenyl ethers and several organochlorine compounds in fishes from the Northeastem United States［J］.Envimn Sci Technol，2002，36（2）：146－151.

［5］PALM A，COUSINS I T，MACKAY D，et al.Assessing the environmentaI fate of chemicals of emerging concem：A case study of the polybrominated diphenyl ethers［J］.Environ Pollut，2002，117（2）：195－213.

［6］金浩，王星皓，杨芬，等.多溴联苯醚理化性质的定量构效关系［J］.化工学报，2014，65（3）：797－804.

［7］宋远志，张维光，尹起范，等.酚类化合物在反相高效液相色谱中保留行为的理论分析［J］.化学物理学报，2005，18（3）：362－366.

［8］PETER K，ADRIAN C，JACOB D B，et al.Retention－time database of 126polybrominated diphenyl ether congeners and two bromkal technical mixtures on seven capillary gas chromatographic columns［J］.Chromatography A，2005，1065（2）：239－249.

［9］王连生，韩朔睽.有机物定量结构－活性相关［M］.北京：中国环境科学出版社，1993：15－22.

［10］许惠英，张建英，王艳花，等.多溴联苯醚定量结构－性质关系的分子表面静电势应用研究［J］.环境科学，2008，29（2）：398－408.

［11］JIAO Long，XUE Zhi－wei，WANG Gang－feng，et al.QSPR study on the relative retention time of polybrominated diphenyl ethers（PBDEs）by using molecular distance－edge vector index［J］.Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems，2014，137（15）：91－96.

［12］SIERRA R，MICHAEL G I.Predicting gas chromatographic retention times for the 209polybrominated diphenyl ether congeners［J］.Journal of Chromatography A，2003，1016（2）：235－248.

［13］李小林，荆国华，周作明，等.多环芳烃沸点和辛醇／水分配系数的QSPR 研究［J］.计算机与应用化学，2010，27（4）：528－531.

［14］曾小兰，柳红霞，刘红艳.多氯联苯醚的结构参数和热力学性质的密度泛函理论研究［J］.化学学报，2007，65（17）：1797－1806.

［15］柳红霞.部分有机污染物的定量结构色谱保留关系研究［D］.桂林：桂林工学院，2007：71.