大学期间论文（2）——有机化合物结构预测
《有机化合物结构预测》
课程设计报告
1.课程设计目的和任务
1.1 课程设计目的
通过综合运用《有机化学》课程中有机化学反应及《分析与监测》课程中有关紫外、红外光谱法的工作原理、测定方法、标准图谱等知识，完成综合利用紫外、红外光谱法对有机化合物结构预测的课程设计报告。
1.2 课程设计任务
（1）通过文献查阅能较为确切的描述利用紫外、红外光谱法进行有机化合物结构预测的现状与技术发展趋势。
（2）准确确定拟选用的分析方法。
（3）准确给出预测有机化合物结构的基本原理。
（4）给出完整的分析技术路线。
（5）给出符合格式要求的课程设计报告。
2.题目描述
2-溴戊烷在热乙醇溶液中与EtOK（乙醇钾）反应产物的结构预测
2.1 卤代烷简介
根据分子中卤原子相连的碳原子的类型，卤代烷可分为伯卤代烷、仲卤代烷和叔卤代烷。
&&&&&&&R2CHX&&&&&
伯卤代烷&&&&&
仲卤代烷&&&&&
卤烷的物理性质
&&&&在常温常压下，除氯甲烷、氯乙烷和溴甲烷为气体外，其它一元卤烷为液体，C15以上的卤烷为固体。当卤原子相同时，一元卤烷的沸点随碳原子数增加而升高。同一烃基的卤烷，以碘烷的沸点最高，溴烷、氯烷依次降低。
&&&&一元卤烷的相对密度大于同碳数的相应烷烃。一氯代烷的相对密度小于1，其余一卤代烷及多卤代烷的相对密度大于1。当烃基相同时，卤烷的相对密度随卤元素原子量的增加而增加。如果卤素相同，则其相对密度随烃基的相对分子质量增加而减少。
卤烷不溶于水，溶于醇、醚、酮、烃等有机溶剂。
卤代烷的化学性质
卤素是官能团，极性的C－X共价键键能较小，易断裂，使卤代烷可发生多种反应，转变为其它有机物。卤代烷及其衍生物在有机合成上有重要意义
——重要的反应类型有：
取代反应　　消除反应　　与金属，特别是镁的反应
C—I、C—Br、C—Cl键键能依次增大，因此，反应时卤代烷活性次序为：
碘代烷＞溴代烷＞氯代烷
2.2 反应描述
卤代烷与醇钠（钾）的醇溶液回流时，卤原子被烷氧基取代生成醚，这是混醚的制法（Williamson法）该法是合成不对称醚的常用方法，也常用于合成硫醚或芳醚。
R－X ＋ RO- → R－O－R' ＋ X
EtOK与2-溴戊烷在热乙醇溶液中反应属于Williamson成醚亲核取代反应.一般是按SN2机理进行,产物应该是异戊基乙基醚。
亲核取代反应(nucleophilic substitution
reaction)带有负电荷或未共用电子对的试剂称为亲核试剂由亲核试剂进攻卤代烷中电子云密度较低的碳原子发生的取代反应
3.紫外、红外光谱法进行有机化合物结构预测的现状与技术发展趋势
3.1 红外光谱法
在有机化合物的结构鉴定中，红外光谱法是一种重要得手段。用它可以确定两个化合物是否相同，若两个化合物的红外光谱完全相同，则一般他们为同一化合物（旋光对映体除外）。也可以确定一个新化合物中某些特殊键或官能团是否存在。
官能团定性分析：在许多IR光谱专著中都详细地叙述各种官能团的IR光谱特征频率表，但是利用这些特征频率表来解析IR光谱，判断官能团存在与否，在很大程度上还要靠经验。因此分析工作者必须熟知基团的特征频率表，如能熟悉一些典型化合物的标准红外光谱图，则可以提高IR光谱图的解析能力，加快分析速度。
有机化合物结构分析：IR光谱是测定有机化合物结构的强有力的手段，由IR光谱可判断官能团、分子骨架，具有相同化学组成的不同异构体，它们的IR
光谱有一定的差异，因此可利用IR光谱识别各种异构体。
红外吸收光谱解析的辅助方法：在实际工作中，遇到被剖析的物质不仅是单一组分，经常遇到的是二组分或多组分的样品。为了快速准确的推测出样品的组成及结构，还要借助于因子分析法、计算机技术等手段来解决实际问题。
近红外光谱技术之所以能在短短的10多年内，在众多领域得到应用，进而在数据处理及仪器制造方面有如此迅速的发展，主要因为它在有机化合物的分析测定中有以下独特的优越性，并且这些优越性还在不断的发展。
&&&&1.很多物质在近红外区域的吸收系数小，使分析过程变得简单：
作为分子振动能级跃迁产生的吸收光谱，近红外区域的倍频或合频吸收系数很小，一般较红外基频吸收低1~3个数量级，所以样品无需稀释即可直接测定，便于生产过程的实时测定。
&&&&2.适用于漫反射技术：
近红外区内光散射效应大，且穿透深度大，使得近红外光谱技术可以用于漫反射技术对样品直接测定。
&&&&3.近红外光可以在玻璃或石英介质中穿透：
近红外区的波长短，不被玻璃或石英介质所吸收。因而可以透过容器直接对样品进行测定。
更重要的是使一般玻璃光纤或石英光纤可以用于近红外光谱技术，进而使传统的近红外光谱
技术扩展到了工业生产过程分析及有毒有害情况下的在线检测。
&&&&4.操作费用低：
样品不需要预处理，操作费用低，仪器的高度自动化同时降低了对操作者的技能要求。
&&&&5.可以用于样品的定性，也可以得到精度很高的定量结果：
采用多元校正方法及一组已知的同类样品所建立的定量模型，可以快速得到相对误差小于0.5%的测定结果；定性分析采用识别分析程序，先取得一组已知样品的吸光度分布模型，再测得待定性样品在不同波长下的吸光度分布，用聚类原理确定样品是否属于已有的模型，即这一类已知的样品。
&&&&6.不破坏样品，不使用试剂，故不污染环境：
近红外光谱分析只是取得样品的光谱信号，有时可以在原容器内直接测量，因而不需要其他试剂，测试过程不会产生任何污染。
&&&&7.测试速度快：
近红外光谱的信息必须由计算机进行数据处理及统计分析，一般一个样品取得光谱数据后可以立刻得到定性或定量分析结果，整个过程可以在不到2min内完。
近红外光谱技术的另一个特点是通过1张光谱可以计算出样品的多种组成或性质数据。
&&&&8.不适合痕量分析及分散性样品的分析：前者是技术原因，后者是经济原因。
3.2 紫外光谱法
根据有机化合物紫外吸收带及其lmax
的大小，可以大致地判断该化合物有那些主要基团。
对于有机化合物的分析与鉴定，通常采用的方法是与标准的有机化合物的图谱对照。但由于物质的紫外光谱基本上是其分子中的生色团和助色团的特性，具有相同生色团及助色团的化合物的紫外光谱大致上是相同的，因此单根据紫外光谱只能知道是否存在某些基团，不能完全决定其结构，还必须与其它谱学方法结合起来，才能进行结构分析。可是根据共轭效应对紫外光谱的影响很大这一特点，紫外光谱是可以用来进行同分异构体的判别的，这是紫外光谱的一个特点。例如某一化合物具有顺式和反式两种异构体，当该化合物中的生色团与助色团在同一平面上时，由于能产生最大的共轭效应，因而吸收波长就会向长波长方向移动。如果因为在顺式时，由于位阻效应，而使共轭程度降低，则吸收峰会向短波长方向位移。据此，即可判断该化合物的顺反异构。
紫外光谱的最主要应用是在定量分析上，由于具有π键电子及共轭双键的有机化合物，在紫外区有强烈以吸收，而且ε很大，达到10
，所以有很高的检测灵敏度，对于无机化合物来说，也因为电荷转移吸收带不仅谱带宽而且强度大，一般，ε&10000，所以紫外光谱在定量分析上，有着广泛的应用。
4.分析方法
方法选用红外光谱法，因为红外光谱在有机物结构鉴定中的应用于
(1)各类官能团的红外吸收特征频率
(2)确定官能团的存在及化合物的类别
(3)利用标准谱图鉴定有机化合物
红外光谱分析：分子的振动能量比转动能量大，当发生振动能级跃迁时，不可避免地伴随有转动能级的跃迁，所以无法测量纯粹的振动光谱，而只能得到&分子的振动-转动光谱，这种光谱称为红外吸收光谱。
红外吸收光谱也是一种分子吸收光谱。当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射，并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁,使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线，就得到红外光谱。
红外光谱的产生，与有机化合物分子结构的关系
1.分子振动的分类：
(1)伸缩振动（ν）：原子沿着建轴伸长和缩短，振动时键长有变化，键角不变。
&(2)弯曲振动（δ）：组成化学键的原子离开键轴而上下左右的弯曲。弯曲振动时，键长不变，但键角有变化。
①：面内弯曲：
②：面外弯曲
2.红外光谱的产生
当分子吸收红外光子，从低的振动能级向高的振动能级跃迁时，而产生红外吸收光谱。
在分子中发生振动能级跃迁所需要的能量大于转动能级跃迁所需要的能量，所以发生振动能级跃迁的同时，必然伴随转动能级的跃迁。因此，红外光谱也成为振转光谱。
3. 红外光谱的产生原理
对于分子的振动，为了便于理解可以用经典力学来说明。
用不同质量的小球代表原子，用不同硬度的弹簧代表各种化学键。
根据胡克（Hooke)定律，两个原子的伸展振动视为一种简谐振动，其频率可依下公式近似估计：
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&ν＝1/2π(k/μ)-1/2
k:力常数, μ:折合质量＝m1m2/(
m1+m2&) ,&
分别为二个振动质点的质量。
　π和c为常数，吸收频率随键的强度的增加而增加，随键连原子的质量增加而减少。
化学键的力常数越大，原子折合质量越小，则振动频率越高，吸收峰将出现在高波数区（即短波区）。
当振动频率和入射光的频率一致时,入射光就被吸收.因而同一基团基本上总是相对稳定地在某一稳定范围内出现吸收峰.
4.红外光谱区域划分
& 一般说来，红外光谱可分为两部分：
cm-1部分是官能团特征吸收峰出现较多的部分，叫官能团区。
cm-1部分对各个化合物来说这一部分的特异性（个性）较强，其中各峰出现情况受整个分子结构影响较大，虽然也有官能团特征吸收落在此区域（特别是弯曲振动峰），但是总的说来，这一部分光谱是反映整体分子特征的，称为指纹区，他对鉴定各个有机化合物是很有用的。
&&5．吸收峰的种类
基频吸收峰：分子吸收红外光主要发生由基态到第一激发态的跃进，由这种跃进所产生的吸收叫基频吸收。振动的频率与其吸收峰频率是一样的。
倍频峰：有的基团除了在基频有强的吸收外，在比基频高一倍或n倍处还出现了弱的吸收，称倍频峰。倍频带的频率不严格地等于基频带的整数倍，一般只有第一倍频带具有实际意义。吸收频率近似于基频的两倍。
5.基本原理
红外吸收光谱法（Infrared Absorption Spectrometry
,IR）是以一定波长的红外光照射物质时，若该红外光的频率能满足物质分子中某些基团振动能级的跃迁频率条件，则该分子就吸收这一波长的红外光的辐射能量，引起偶极矩变化，而由能量较低的基态振动能级跃迁到较高能级的激发态振动能级。检测物质分子对不同波长红外光的吸收强度，就可以得到该物质的红外吸收光谱图。
红外光谱应用的一个重要方面是通过红外图谱的解析来了解分子的结构。解析红外图谱一般的方法是，首先依据化合物的分子式，利用下面的公式计算其分子的不饱和度。分子的不饱和度W
= [(2n+2)+t-m]/
2；式中n为分子中四价元素的数目；t为分子中三价元素的数目；m为分子中一价元素的数目。不饱和度可以提供如下信息：苯环的不饱和度为4，脂环为1，三键为2，双键为1。饱和链状化合物不饱和度为0。
在依据化合物的不饱和度初步推测化合物的碳架类型的基础上，再根据各官能团的特征吸收峰来推测化合物的具体结构。一般先分析3300
~ 2800 cm-1区域C綡伸缩振动吸收，以3000
cm-1为界，高于3000
cm-1为不饱和碳C綡伸缩振动吸收，可能为烯，炔，芳香化合物。低于
3000 cm-1一般为饱和C綡伸缩振动吸收。若在稍高于3000
cm-1有吸收，则应在2250 ~ 1450
cm-1区域分析不饱和碳碳键的伸缩振动吸收特征峰。根据烯，炔和芳环振动吸收的明显差别判断化合物种类。若为烯或芳香化合物则还应进一步解析指纹区1000
cm-1频区，以确定取代基个数和位置。碳骨架类型确定后，再依据其他官能团，如C=O，O綡，C綡，C綨等的特征吸收来判定化合物的结构。解析时应注意把描述各官能团的相关峰联系起来，以准确判定官能团的存在。
6.分析技术路线
测定未知物的结构，是红外光谱法定性分析的一个重要用途。如果未知物不是新化合物，可以通过两种方式利用标准谱图进行查对：
(1)查阅标准谱图的谱带索引，与寻找试样光谱吸收带相同的标准谱图；
(2)进行光谱解析，判断试样的可能结构，然后在由化学分类索引查找标准谱图对照核实。
在进行未知物光谱解析之前，必须对样品有透彻的了解，例如样品的来源、外观，根据样品存在的形态，选择适当的制样方法；注意视察样品的颜色、气味等，它们住往是判断未知物结构的佐证。还应注意样品的纯度以及样品的元素分析及其它物理常数的测定结果。元素分析是推断未知样品结构的另一依据。样品的相对分子质量、沸点、熔点、折光率、旋光率等物理常数，可作光谱解释的旁证，并有助于缩小化合物的范围。
根据元素分析及相对摩尔质量的测定，求出化学式并计算化合物的不饱和度
&&&&&&&&&&&&&&&&&
W = [(2n+2)+t-m]/
式中n、t、m、分别为分子中所含的四价、三价和一价元素原子的数目。
当计算得W=0时，表示分子是饱和的，应在链状烃及其不含双键的衍生物。
当W=1时，可能有一个双键或脂环；
当W=2时，可能有两个双键和脂环，也可能有一个叁键；
当W=4时，可能有一个苯环等。
但是，二价原子如S、O等不参加计算。
谱图解析一般先从基团频率区的最强谱带开始，推测未知物可能含有的基团，判断不可能含有的基团。再从指纹区的谱带进一步验证，找出可能含有基团的相关峰，用一组相关峰确认一个基团的存在。对于简单化合物，确认几个基团之后，便可初步确定分子结构，然后查对标准谱图核实。
7.结果分析与讨论
(1)找出扫描所得到的红外光谱图中各峰的波数及透过率T%。
(2)解释各峰相应的振动。
(3)对照标准谱图。
基团的特征频率和指纹区图
含有C、H、O等元素
含有C、H、N等元素
含有C、H、N、O等元素
含有P、S、卤素等元素
根据扫描所得到的红外光谱图，对照标准谱图可推测出EtOK与2-溴戊烷在热乙醇溶液中反应反应产物结构为：异戊基乙基醚，其结构如下：
CH3-CH2-O-CH2-CH2-CH-(CH3)2
各基团吸收峰值如下：
醚和其它化合物 ： C-O-C
C-CH3: as 2960 15 cm-1(s), s 2870 15 cm-1(m)
C-CH2-C: as 2926 5 cm-1(s), s 2850 5 cm-1(s)
&CH- 2890 cm-1
一定频率的红外光辐照能导致被照射物质分子在振动、转动能级上的跃迁。当分子中某些化学键或基团（具有偶极特性）的振动频率与红外辐射的频率一致时，分子便吸收此红外辐射（一种共振吸收）。若以频率连续改变的红外光辐照试样，由于试样对不同频率的红外光的吸收不同，便得到以吸光度A或透光率T为纵坐标，红外辐射波数或波长为横坐标的红外光谱图。
一个分子的振动涉及到多个原子的共同运动，它分为延着化学键的伸缩和弯曲两类振动方式。其振动频率主要决定于原子的质量与化学键的强度。质量越小，化学键越强，则振动频率越高。因此不同官能团或基团将有其特征频率区。例如，—OH基团在cm－1区间有强宽峰，同时，在
cm-1出现弱峰；—NH基团在cm－1处有强峰，还在cm－1处出现弱峰；基团在1700cm－1左右有强峰，—CH3，—CH2，基团在2960cm－1，2850cm－1有强峰，同时在1450cm-1，1375cm－1有强峰等。图14－12是戊酮的红外光谱图。图中从cm－1的频率范围内可以清楚地看到—CH3，—CH2—与基团的C—H，CO键的伸缩振动的吸收峰。人们通常将此范围内的谱峰称为官能团区的谱峰，它对于了解所测定的化合物内的官能团十分重要。而在
cm－1范围内的谱峰特征性更强，由于此区的谱峰犹如人手的指纹，故称为指纹区谱带。指纹区谱带比较复杂，辨认起来比较困难。结构分析时就是利用确定了的、所存在的化学基团来推测鉴定未知物的结构组成。
[1]《分析化学》，兰叶青，中国农业出版社，1998年
[2]柴诚敬，刘国维，李阿娜，《化工原理课程设计》，天津，天津科学技术出版社，1994年
王箴，《化学辞典》（第四版），化学工业出版社，2000年，北京；
[4] 刘密新 罗国安
张新荣童爱军，《仪器分析》（第二版），清华大学出版社，2002年，北京
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部分典型有机污染物的结构—活性关系 【作者】王晓栋 【导师】王连生
时间：日 21:42
部分典型的结构—关系【作者】 【】【作者基本信息】南京大学，环境科学，2002年，博士【中文摘要】 作为预测毒理学的核心,有机污染物的结构-活性关系(QSAR)是对环境中日益增多的合成有机化学品进行生态风险评价的重要手段。在有机污染化学和生态毒理学中结构活性关系技术具有两个最基本的功能:对未知化学品的环境行为和生态毒性进行预测、评价和筛选;以及探求污染物的毒性作用机制,为发展污染控制技术和风险削减技术提供理论指导。因此理想的QSAR模型应该既具有高度的预测能力,又具有明确的物理意义。建立理想的QSAR模型的先决条件是选取和获得既包含足够的结构信息又具有明确物理意义的分子结构参数,这是QSAR研究的核心工作。目前QSAR的发展越来越依赖于通过量子化学计算来获得分子结构参数,量子化学参数具有不依赖于实验测定、物理意义明确以及不限于同系物等优势,有利于实现“污染预防”,有利于探索污染物的毒性,有利于建立意义明确的QSAR预测,因此本文的QSAR模型都是建立在量子化学参数基础上的。高等植物在生态系统中具有重要的地位,植物毒性测试应该是有机化学品的生态风险评价重要的组成部分,然而有关有机污染物对高等植物的结构-活性关系以及毒性机制研究很少报道。两栖动物是水生生物与陆生动物连接的...更多纽带,在农业上和生态系统中具有重要的地位。本文以对黄瓜种子发芽绿和根生长的抑制为测试终点,发展并评价了一种快速、敏感、简便的高等植物短期毒性测试程序,在此基础上测定了取代苯酚、取代苯胺、含氮芳烃、硝基芳烃等典型有机污染物对高等植物的毒性效应。本文还测定了取代苯酚对两栖动物幼体—日本长腿青蛙蝌蚪的急性致死性毒性。利用结构活性关系技术,系统、深入地探讨了这些污染物对高等植物和两栖动物的毒性作用机制,采用量子化学参数,建立了一批既具有明确的物理意义、又具有高度的预测能力的QSAR模型。有机污染物的毒性大致可以分为麻醉性毒性和不同方式的反应性毒性。对于非反应性化学品,目前已经成功地建立了QSAR,然而如何判断化合物的反应性毒性、如何用分子结构参数定量表征化合物的生物反应性以及如何建立反应性毒性的QSAR模型,是QSAR研究的难点之一。本文基于不同毒性作用机制之间化合物的疏水性和生物反应性对毒性的贡献不同这一事实,应用疏水性参数—正辛醇水分配系数为探针变量,将化学品进行分类,应用量子化学参数—最低未占轨道能来表征化学品的亲电反应性,预测化合物的反应性毒性,继而发展基于作用机制的QSAR技术。研究发现,含氮芳烃对高等植物黄瓜种子的根伸长的抑制作用属于反应性的,以最低未占分子轨道能量(ELUMO)为参数成功地预测了含氮芳烃对高等植物的反应性毒性。应用基于作用机制的QSAR方法,我们研究了31种取代苯酚污染物对两栖动物幼体—日本长腿青蛙蝌蚪(Rana japonica)的急性致死性毒性、42种取代苯酚对高等植物的短期生长抑制毒性(分别对黄瓜(Cucumis sativus)种子发芽率和根伸长的抑制毒性)以及78种取代苯(包括取代苯酚、取代苯胺、氯以及甲基取代苯、取代硝基苯、取代苯甲腈、取代苯甲醛以及取代苯甲酸等)对酿酒酵母菌(Saccharomyces cerevisiae)的生长抑制毒性,分别成功地区分了这几类典型有机污染物的各种毒性机制,在此基础上建立了基于作用机制的QSAR模型。有机污染物的种类多种多样,毒性机制也复杂多样,因此发展既能够准确预测包括多种作用机制的化合物的毒性,又具有明确物理意义的理想QSAR模型是结构活性关系技术发展的必然方向。本文在临界体积理论、受体相互作用理论和前线轨道反应性理论基础上,推导出能够预测既包括麻& 还原【英文摘要】 As the core technique in the predictive toxicology, Quantitative Structure-Activity Relationships(QSARs) provide valuable and reliable tool for Ecological Risk Assessment (ERA) of toxic organicpollutants that had been increasingly released into the environment. In the organic pollutant chemistry andecotoxicology, QSARs functioned in two ways: to predict, assess and pre-screen the environmentalbehavior and ecotoxicity of the untested chemicals, and to explore the mechanism of toxic action ofpollutants, which are believed to be the fundamental and theoretical basis for the pollution controltechniques and risk minimization measures. Obviously, successful QSAR models should be both highlypredictive and mechanistically significant. The selection and acquisition of physically significant moleculardescriptors that encode enough and accurate structural information are key work in the developing ofQSARs. Currently, the development of QSARs is evolving from those that were formulated by classica...更多lphysico-chemical properties to that rely more and more on quantum chemical derived molecular descriptors.Quantum chemical derived descriptors possess obvious and protruding advantages because they rely on noexperimentation, encode enough and accurate electronic structural information, bear significant physicalinterpretations and are not restricted to congeners and/or structural related chemicals. These advantagesmake quantum chemical derived descriptors ideal parameters that will help to realize the purpose ofpollution prevention and be in favor of exploring the mechanism of toxic action of xenobiotics anddeveloping mechanistically significant QSARs. For these reason, most research work on the developmentof QSARs in this thesis is based on the use of quantum chemical derived descriptors.Terrestrial macrophytes are primary producers and play key role in ecological system. Therefore,information on phytotoxicity should be included as one necessary part of the ecological risk assessment oforganic pollutants. Amphibians are typical species bridging aquatic organisms and terrestrial animals, arealso important in agriculture and ecosystem. However, few studies on the toxic effect of organic pollutantson higher plants and amphibians, the modes of toxic action, and toxicological effect based QSARs areavailable in the literatures. In this thesis, based on the inhibition of organic pollutants to germination rateand root elongation of Cucumis sativus, a fast, sensitive and cost-effective short-term phytotoxicity assayprocedure was developed and evaluated in the sensitivity, reproducibility and suitability. With itsapplication, phytotoxicities of substituted phenols, substituted anilines, nitrogen-containing aromatics andnitroaromatics were experimentally determined and QSAR analysis were applied to systematicallyinvestigate the mode of action of the phytotoxicity of these organic pollutants and the phytotoxicityinfluencing structural factors. These resulted in a batch of highly predictive and mechanistically significantQSAR models. In addition, the acute lethal toxicities of substituted phenols to larva of amphibian-Ranajaponica tadpoles were tested and highly predictive mechanism based QSARs were developed with theapplication of QSAR technique based on quantum chemical derived descriptors.In general, organic pollutants can be classified into two categories: narcotics and bio-reactivechemicals. In comparison with the relatively well developed QSAR for narcotics, the development ofQSARs based on bio-reactive chemicals are far from success due to the hindrance on the quantitativecharacterization and parameterization of the bio-reactive molecular structure. In this thesis, according to thedifferent contribution of hydrophobicity and bio-reactivity to the toxicity of chemicals that elicited theirtoxic effect via different mode of action, hydrophobicity, which was characterized by 1-ocatanol/waterpartition coefficient in logarithm form (logKow), was utilized as a probe to classify organic pollutants andquantum chemicals derived descriptors, energy of the lowest unoccupied molecular orbital (ELUMO), wasemployed to characterize the electrophilic reactivity and to predict the toxicity of chemicals contributed bybio-reactivity. Then mechanism based QSARs were developed. The research results indicated that thephytotoxicity of nitrogen-containing aromatics are bioreactive and can be predicted by ELUMO successfully.With the application of mechanism based QSAR approach, the acute lethal toxicity of 31 substitutedphenols to Rana japonica tadpoles, the short term phytotoxicity of 42 substituted phenols (the inhibitioneffect on germination and root elongation of Cucumis sativus) and the growth inhibition toxicity of 78substituted benzenes (including phenols, anilines, chloro-and methyl substituted benzenes, substitutednitrobenzenes, substituted benzonitriles, benzaldehydes and benzoic acid derivatives) to yeast(Saccharomyces cerevisiae) were investigated, respectively. Different modes of toxic action involved weresuccessfully classified and highly predictive mechanism based QSAR models were developed.Various classes of organic chemicals and diverse molecular structures often indicate complexity andmultiplicity of toxic modes of action. Thus developing QSARs that are both mechanistically significant andhighly predictive for diverse classes of chemicals that involved multiple or mixed mechanisms of toxicaction will be advantageous and preferable. In this thesis, a generic two-variable QSAR model,Response-Surface Analysis that based on hydrophobic descriptor (logKow) and parameters characterizingelectrophilic reactivity (ELUMO) was deduced based on Critical Volume Theory, Receptor-Ligand InteractionTheory and Frontier Molecular Orbital Theory to predict chemicals involved multiple mechanisms of toxicaction. With it, simple, mechanistically significant and highly predictive QSAR models were developed.These QSARs successfully model and predict the short-term phytotoxicity of substituted phenols involvedboth polar narcosis and bio-reactivity, the growth inhibition toxicity to Saccharomyces cerevisiae ofsubstituted nitrobenzenes with mixed mechanisms of toxic action based on electrophilicity and the growthinhibition toxicity to Saccharomyces cerevisiae of large set of substituted benzenes with complex molecularstructures and multiple mechanisms of action.Large amount of data on ecotoxicological effect were required to perform the ecological and humanhealth risk assessment of organic pollutants. Investigation on interspecies correlation and surrogateorganisms is another potential effective tool to acquire these toxicological data (especially for higherorganisms and human beings). It is still unclear if a promising interspecies correlation could be built forbio-reactive chemical because the toxicity of bioreactive chemicals are mainly determined by their specialin vivo interaction with bio-macromolecules. In this thesis, the acute lethal toxicity to Rana japonicatadpoles, the short-term phytotoxicity to Cucumis sativus and the population growth inhibition toxicity toTetrahymena pyriformis of selected substituted phenols with multiple mechanisms of toxic action werecompared and interspecies correlation was investigated. Similar mechanisms were found for phenols in thethree assay systems. The results indicated that most phenols elicited their toxic response via polar narcosisand some are bioreactive chemicals based on different mechanisms. Highly significant interspeciescorrelations were observed not only for polar narcotics but also for bioreactive chemicals and it is feasibleto predict or estimate the toxicity to higher organisms from those to primary organisms, thus provide ashortcut to acquiring the vast amount of data needed for risk assessment of chemicals.Molecular hologram is a newly developed molecular structure descriptors, based on which a highlypredictive QSAR approach has been developed recently. with the application of Partial Least Square (PLS)technique and the input need of only 2-D molecular structure, it overcomes the difficulty of conformeralignment for 3D-QSAR techniques and avoids the multiple collinearity for traditional Multiple LinearRegression. In addition, all the molecular descriptors employed were created automatically and veryquickly, which make it a promising screening tool for large set of organic pollutants.Polychlorinated biphenyls (PCBs) are highly persistent and toxic organic substances, and are extremelyhydrophobic, bio-accumulative, hard to bio-degradation and toxic. Of all 209 congeners, more than 150congeners have been detected in environment. It is valuable to study the physico-chemical propertiesrelated to their persistence. Due to the lack of standards for single congener and the high similarity amongcongeners, they are difficult to separate with HPLC and GC. Currently the physico-chemical properties,especially those related to their hydrophobicity are scarce for some congeners. In this thesis, WaterSolubility, 1-Octanol/water Partition Coefficient, molecular Total Surface Area, Aqueous ActivityCoefficient, Henry Law's Constant and gas chromatogram relative retention times for biphenyl and its 209chlorinated congeners were studies with holographic QSAR techniques and highly predictive QSARmodels were developed. An internal validation (cross-validation) and external validation were performed toevaluate the predictivity and robustness of the HQSAR models. Based on these highly predictive QSARs,the corresponding data of 5 properties of all these pollutants were presented.Nitroaromatics are highly toxic organic pollutants with very complex and diverse sources and arepotentially highly toxic to human health. It is very important to develop predictive models based on QSARtechniques. In this thesis, QSAR models for the mutagenicities of 219 nitroaromatics and nitropolyaromatic hydrocarbons (Ames assay, S. typhimurium TA 98) were developed with Response-SurfaceAnalysis based on hydriphobicity and molecular orbital parameter, Comparative molecular Field Analysis(CoMFA) based on 3D-molecular modeling and holographic QSAR techniques. The mechanism of toxicaction and the key metabolic activation path were discussed. The predictive power and mechanisticalsignificance were compared among different categories of QSAR techniques. The results showed that themutagenicity of nitroaromatcs involved at least bio-transportation and bio-reduction of nitro group andwere also significantly affected steric effect. Thus considering all these factors resulted in a promisingresponse-surface based QSAR. Predictive QSAR model based on CoMFA can be developed with physicalsignificance. Highly predictive models were developed with QSAR technique based on molecularhologram. With cross-validation and external validation procedure, the HQSAR model proved to be highlypredictive and robust and be a promising predictive tool.Generally, all the research work involved in this thesis were performed on the basis of the applicationof some theoretically derived QSAR model and the application of quantum chemical derived parametersand other newly developed QSAR techniques such as CoMFA and HQSAR, thus the QSARs achieved areboth theoretically reasonable and practical. Undoubtedly, all these achievements will be useful to theecological risk assessment of organic pollutants, to our exploring and understanding the mechanism of theenvironmental process and the toxic action of organic pollutants.& 还原&
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