羧酸类化合物的结构和萃取性能的相关性

V o l.23高等学校化学学报 N o.8　2002年8月 CH E M I CAL JOU RNAL O F CH I N ESE UN I V ER S IT IES 1489～1493　

羧酸类化合物的结构和萃取性能的相关性

齐玉华,许　禄

(中国科学院长春应用化学研究所稀土化学与物理开放实验室,长春130022)

摘要　应用量子化学参数研究羧酸类化合物的结构与其萃取性能的相关性,并将二维结构参数应用到三维构效关系研究中,从而有效地改善了CoM FA法的结果,用p K a值来表征羧酸类化合物的萃取性能.

关键词　量化参数;CoM FA法;羧酸类化合物;p K a值;化学计量学

中图分类号　O657 文献标识码　A 文章编号　025120790(2002)0821489205

在Q SA R Q SPR研究中,参数的计算是至关重要的.为了得到较好的构效关系模型,要针对化合物的特点来提取能够表征其结构的特征参数,尤其是要能够体现其活性部位基团所处的化学环境.用量子化学和分子模型化技术可定义大量的参数以用于表征整个分子、结构片段及键合性质等.而将量化参数用于Q SA R Q SPR研究时,仅在分子结构的基础上便可以对化合物进行表征,同时根据化合物的反应性可直接对其作用机理进行解释,这对确定未知化合物的生物活性或其它性质具有重要作用[1].

羧酸类化合物是稀土萃取剂中很重要的一大类,其萃取性能可用p K a值来标识.p K a值越小,其酸性越强,萃取性能越好.因羧酸的酸性受多种效应的影响,其电子作用较明显,故在本文中主要应用量化参数及由此派生的一系列特征量来描述羧酸类化合物的结构,并在二维数学模型基础上,应用CoM FA法进行三维构效关系的探讨,以期获得较为合理的化学解释,并将在二维构效关系中比较显著的变量与三维空间的立体场和静电场一起来进行三维空间数学模型的构造,从而有效地改善了CoM FA法结果.

1　羧酸类化合物的结构及其p K a值

本文中,羧酸类化合物的结构及其p K a值[2]示于表1.

Table1　The co m pounds and the ir p K a values

N pound p K1N pound p K1

1　A cetic acid4.756202,22D ibromop ropano ic acid1.480

2　A cetoacetic acid3.580212,32D ibromop ropano ic acid2.330

3　42Am inobutano ic acid4.03122D ich lo roacetic acid1.260

4　32Am inopentano ic acid4.020232,22D ich lo rop ropano ic acid2.060

5　42Am inopentano ic acid3.970242,32D ich lo rop ropano ic acid2.850

6　B romoacetic acid2.90225D ifluo roacetic acid1.330

7　22B romobutano ic acid2.939262,22D i m ethylbutano ic acid5.030

8　22B romop ropano ic acid2.97127F luo roacetic acid2.586

9　32B romop ropano ic acid3.99228Fo r m ic acid3.751

10　Butyric acid4.8172922H ydroxybutano ic acid3.650

11　Ch lo roacetic acid2.8673042H ydroxybutano ic acid4.710

12　22Ch lo robutano ic acid2.8603122H ydroxy222m ethylbutano ic acid3.991

13　32Ch lo robutano ic acid4.0503222H ydroxyp ropano ic acid3.858

14　42Ch lo robutano ic acid4.50033I odoacetic acid3.175收稿日期:2001209203.

基金项目:国家自然科学基金(批准号:20077026)资助.

联系人简介:许　禄(1941年出生),男,研究员,博士生导师,从事计算机化学的研究.E2m ail:L uxu@

0941 高等学校化学学报V o l.23 Continued

N pound p K1N pound　p K1

15　22Ch lo ro232hydroxybutano ic acid2.59034　22I odop ropano ic acid3.110

16　22Ch lo ro222m ethylp ropano ic acid2.97535　32I odop ropano ic acid4.080

17　22Ch lo rop ropano ic acid2.84036　22M ethylbutano ic acid4.761

18　32Ch lo rop ropano ic acid3.99237　32M ethylbutano ic acid4.767

19　D ibromoacetic acid1.39038　22M ethylp ropano ic acid4.853

2　机型及软件

本研究运行机器为586微机和SG I图形工作站Indigo2及其相应软件,如SYB YL B ase系统、量子化学计算模块M O PA C及用于构效关系研究的CoM FA等[3～5].由本实验室编制完成的多元统计分析程序包(M SA P),包括逐步回归分析、多元回归分析、最佳变量子集回归、人工神经网络及各种拓扑指数的计算等.

3　参数的计算

化合物参数通常有3种类型:拓扑参数、电子参数和几何参数.拓扑参数仅考虑原子的类型、键的类型和连接度等.几何参数则由原子三维空间坐标派生得到,其参数包括如原子键长、键角、原子间距及二面角等.而电子特征则通过计算原子的电拓扑特征、各类的电荷参数、生成热和van der W aals能等获得[6].羧酸的酸性受多种效应的影响,如诱导效应、共轭效应及场效应等.诱导效应一般以氢为比较标准,如果电子对偏向取代基,则该取代基是吸电子的,具有吸电子的诱导效应;如果电子对偏离取代基,则该取代基是排斥电子的,具有给电子的诱导效应.诱导效应的强弱可以通过测量偶极矩得到.而共轭效应指共轭体系上的取代基,凡是能降低共轭体系的电子密度,即具有吸电子的共轭效应,反之,则具有给电子的共轭效应.对羧酸类化合物而言,电子参数及相应的空间因素应占有重要的作用.故着重计算的量化参数体现的是分子的电子特征,而由此派生的指数则体现了空间因素和电子因素共同作用的结果.

3.1　量化参数

选用SYB YL软件包中的分子力学程序M I N I M IZE对输入的羧酸类化合物的分子图形进行构象优化,以获得比较稳定的分子构象,再利用M O PA C模块中的Am1量化程序进行计算.本实验将分子生成热E f、分子总能量E t、电子能E e、核2核排斥能E p、离子化能E i、偶极矩Λ、分子最高占有轨道能E H、分子最低空轨道能E L、羧基上的碳原子和2个氧原子的电荷Q1、Q2和Q3等11个量化参数作为变量进行计算.

3.2　扩展的引力指数G X

引力指数G I由Katritzky[7]提出,由下式定义:

(m i m j r2ij)(1)

G I=∑

i

式中,m i和m j分别是第i个原子和第j个原子的原子量,r ij为第i个原子和第j个原子之间的距离.在二维结构中,r ij代表第i个原子和第j个原子之间的键数,而在三维空间中,r ij代表第i个原子和第j个原子之间的空间距离.引力指数G I反映了分子中原子的质量分布的影响.在本研究中,针对羧基上的碳原子和氧原子进行了计算,公式如下:

(X i r2ij)(2)

G X=∑

i≠j

以碳原子为例,X可取原子量、电荷或电子密度,分别得到G m1,G Q1,G q1表示碳原子周围的质量分布、电荷分布及电子作用程度.同理对两个氧原子计算可得G m2,G Q2,G q2和G m3,G Q3,G q3,共计9个变量.

以上共20个变量顺序为E f,E t,E e,E p,E i,E L,E H,Λ,Q1,Q2,Q3,G m1,G Q1,G q1,G m2,G Q2, G q2,G m3,G Q3,G q3.