PBBs分子多光譜效應(yīng)3D-QSAR模型構(gòu)建及其在分子修飾中的應(yīng)用

楊璐澤，劉 淼

吉林大學(xué)新能源與環(huán)境學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012

引 言

多溴聯(lián)苯(PBBs)是一類(lèi)溴系阻燃劑，其中PBB-153分子被列為持久性有機(jī)污染物[1]。研究者從大氣[2]、地表水[3]、土壤[4]等環(huán)境基質(zhì)，以及人血清[5-6]、鳥(niǎo)類(lèi)[7]、魚(yú)類(lèi)[8]等生物體中均檢測(cè)到了PBBs，濃度范圍為0.024～6 800 ng·g-1。

紅外光譜具有儀器操作簡(jiǎn)單、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)；紫外光譜具有檢測(cè)迅速、能夠在線(xiàn)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。環(huán)境中PBBs多為痕量，目前的光譜檢出限較高，如紅外檢測(cè)限為1%，無(wú)法滿(mǎn)足對(duì)PBBs準(zhǔn)確的測(cè)定。研究紅外和紫外光譜強(qiáng)度可以分析PBBs的檢測(cè)難易程度，但單一的光譜數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙光譜效應(yīng)的綜合分析。

計(jì)算部分PBBs分子的紅外和紫外光譜，嘗試構(gòu)建兼具兩種光譜效應(yīng)的PBBsCoMFA模型并設(shè)計(jì)光譜檢出能力增強(qiáng)的PBBs衍生物，為其他污染物光譜檢測(cè)綜合評(píng)價(jià)提供思路。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 基于高斯計(jì)算的PBBs紅外和紫外光譜檢測(cè)性分析

利用Gaussian 09軟件[9]在B3PW91/6-31G*水平基于密度泛函和含時(shí)密度泛函理論分別計(jì)算16個(gè)PBBs分子的紅外光譜和紫外光譜，獲取分子最高紅外振動(dòng)和紫外吸收強(qiáng)度，以評(píng)價(jià)PBBs的環(huán)境檢出性。

1.2 基于功效系數(shù)評(píng)價(jià)法的PBBs多光譜效應(yīng)綜合評(píng)價(jià)體系

功效系數(shù)法首先對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，賦予各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)數(shù)，求出加權(quán)線(xiàn)性綜合值，公式見(jiàn)式(1)和式(2)

Fi=60+40(x-xmin)/(xmax-xmin)

(1)

F=0.5F1+0.5F2

(2)

式中，i為PBBs不同光譜(i=1,2分別為紅外和紫外光譜強(qiáng)度)，xmin和xmax分別為i光譜強(qiáng)度最小值和最大值，F(xiàn)i為i光譜無(wú)量綱化處理的數(shù)值，F(xiàn)為兩種光譜加權(quán)后的的綜合值。

1.3 兼具雙光譜效應(yīng)的PBBs CoMFA模型構(gòu)建

在Sybyl-x2.0軟件中畫(huà)出PBBs的分子結(jié)構(gòu)，再應(yīng)用其中的Minimize模塊將所有分子優(yōu)化為最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。以3∶1比例[10-12]隨機(jī)選擇12個(gè)PBBs分子為訓(xùn)練集，其余為測(cè)試集，構(gòu)建PBBs雙光譜效應(yīng)的CoMFA模型。

1.4 基于高斯計(jì)算的PBBs衍生物穩(wěn)定性、功能性評(píng)價(jià)

利用Gaussian 09軟件在B3PW91/6-31G*水平基于密度泛函理論計(jì)算PBBs衍生物的正頻(frequency)、吉布斯自由能(ΔG)和C-Br鍵解離焓(dissociation enthalpy)。正頻和ΔG評(píng)價(jià)PBBs衍生物的穩(wěn)定性，正頻為正數(shù)，說(shuō)明分子可以在環(huán)境中存在；ΔG為負(fù)值說(shuō)明衍生物合成反應(yīng)可以自發(fā)進(jìn)行。理論上，C-Br鍵解離焓降低的PBBs衍生物具有更好的阻燃性。

2 結(jié)果與討論

2.1 兼具雙光譜效應(yīng)的PBBsCoMFA模型構(gòu)建及分析

2.1.1 PBBs雙光譜效應(yīng)CoMFA模型構(gòu)建

2.1.2 PBBs雙光譜效應(yīng)CoMFA模型三維等勢(shì)圖分析

以目標(biāo)分子PBB-153(圖1)為例，分析PBBs雙光譜效應(yīng)CoMFA模型的三維等勢(shì)圖(圖2)。三維等勢(shì)圖靜電場(chǎng)(a)和立體場(chǎng)(b)中，在藍(lán)色區(qū)域和綠色區(qū)域內(nèi)引入正電性大和體積大的基團(tuán)、在紅色區(qū)域和黃色區(qū)域內(nèi)引入負(fù)電性大和體積小的基團(tuán)會(huì)增強(qiáng)相應(yīng)的性質(zhì)[14]。圖2中，藍(lán)色分布在3，3’和6’號(hào)取代基末端，紅色分布在4和5號(hào)取代基末端；綠色分布在4和5號(hào)取代基末端，黃色分布在3’號(hào)取代基附近。結(jié)合等勢(shì)圖選擇負(fù)電性強(qiáng)、體積大的基團(tuán)修飾目標(biāo)分子4和5號(hào)位點(diǎn)。

圖1 PBB-153分子結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Molecular structure of PBB-153

圖2 CoMFA靜電場(chǎng)(a)、立體場(chǎng)(b)三維等勢(shì)圖Fig.2 Contour maps of CoMFA model,electrostatic fields (a);steric fields (b)

2.2 高光譜檢出能力的PBB-153衍生物設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)

2.2.1 PBB-153衍生物設(shè)計(jì)及雙光譜綜合檢出能力預(yù)測(cè)

根據(jù)雙光譜效應(yīng)CoMFA模型三維等勢(shì)圖，對(duì)PBB-153分子進(jìn)行取代修飾，設(shè)計(jì)了7個(gè)PBB-153衍生物，預(yù)測(cè)衍生物的雙光譜綜合效應(yīng)值(表1)，衍生物綜合效應(yīng)值增加范圍為10.15%～29.12%，綜合效應(yīng)值升高的衍生物4、5號(hào)位點(diǎn)取代基團(tuán)與Br原子相比均具有更高的負(fù)電性和體積，符合三維等勢(shì)圖信息。

表1 PBB-153衍生物雙光譜效應(yīng)預(yù)測(cè)值和變化比率Table 1 Prediction of combined effect values and change rate of PBB-153 derivatives for double spectral properties

2.2.2 高光譜檢出能力PBB-153衍生物環(huán)境穩(wěn)定性和功能性評(píng)價(jià)

PBB-153衍生物的環(huán)境穩(wěn)定性和功能性評(píng)價(jià)參數(shù)值列于表2。7個(gè)衍生物的ΔG均小于0，正頻均為正數(shù)。衍生物C-Br鍵解離焓較目標(biāo)分子變化較小，保留了目標(biāo)分子的阻燃特性，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的衍生物均具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性和功能性。

表2 PBB-153衍生物穩(wěn)定性和功能性評(píng)價(jià)Table 2 Stability and functional evaluation of PBB-153 derivatives

2.2.3 高光譜檢出效應(yīng)PBB-153衍生物環(huán)境友好性評(píng)價(jià)

利用EPIWEB數(shù)據(jù)庫(kù)[15]預(yù)測(cè)PBB-153衍生物的POPs參數(shù)(表3)。生物降解性是評(píng)估污染物環(huán)境持久性的重要依據(jù)[16]，衍生物的生物降解能力變化為28.48%～60.59%，衍生物的生物降解性均高于目標(biāo)分子；衍生物logt1/2(air)變化比率范圍為-64.22%～-26.93%，所設(shè)計(jì)的衍生物在空氣中的半衰期均低于目標(biāo)分子；衍生物logLC50變化比率為34.51%～171.71%，毒性均降低；衍生物logKow值變化比率為-15.49%～-64.73%，PBB-153衍生物分子生物富集性均降低。篩選得到衍生物具有更好的環(huán)境友好性。

表3 PBB-153衍生物環(huán)境友好性評(píng)價(jià)參數(shù)Table 3 Environmental friendliness parameters of PBB-153 derivatives

2.3 PBBs雙光譜效應(yīng)CoMFA模型驗(yàn)證

2.3.1 基于紅外、紫外單光譜效應(yīng)預(yù)測(cè)值的CoMFA模型驗(yàn)證

建立紅外和紫外單光譜效應(yīng)CoMFA模型并預(yù)測(cè)PBB-153衍生物的紅外和紫外單光譜效應(yīng)值(表4)。衍生物的最高紅外和紫外強(qiáng)度均上升，說(shuō)明所建立的雙光譜CoMFA模型可有效實(shí)現(xiàn)紅外振動(dòng)和紫外吸收強(qiáng)度增強(qiáng)的PBBs衍生物設(shè)計(jì)。4號(hào)衍生物兩種光譜變化比率為0.79，接近模型所設(shè)置的權(quán)重1∶1，說(shuō)明所構(gòu)建雙光譜CoMFA模型具有一定的準(zhǔn)確性。

表4 PBB衍生物的紅外振動(dòng)和紫外吸收最高強(qiáng)度及變化比率Table 4 The highest IR vibration and UV absorption intensity and their change ratio for PBB derivatives

2.3.2 基于紅外、紫外單光譜效應(yīng)三維等勢(shì)圖的CoMFA模型可靠性分析

為驗(yàn)證雙光譜效應(yīng)CoMFA模型是否涵蓋了兩種單光譜效應(yīng)特性，表5列出了PBB-153分子光譜雙效應(yīng)與單效應(yīng)模型的三維等勢(shì)圖。紫外單光譜效應(yīng)模型立體場(chǎng)等勢(shì)圖中綠色區(qū)域主要分布于4，5，4’，5’位點(diǎn)，與雙光譜模型等勢(shì)圖一致，而紅外單光譜效應(yīng)模型立體場(chǎng)全部位點(diǎn)均處于黃色區(qū)域內(nèi)。比較雙光譜效應(yīng)和單光譜效應(yīng)靜電場(chǎng)等勢(shì)圖可發(fā)現(xiàn)，4號(hào)位點(diǎn)均處于紅色區(qū)域，雙光譜效應(yīng)和紅外單光譜效應(yīng)5號(hào)位點(diǎn)均處于紅色區(qū)域，三個(gè)模型的靜電場(chǎng)等勢(shì)圖具有一定的相似性。此外，三個(gè)模型立體場(chǎng)影響均低于靜電場(chǎng)，雙光譜效應(yīng)CoMFA模型等勢(shì)圖基本包含了兩個(gè)單光譜效應(yīng)模型等勢(shì)圖的信息，可為同時(shí)設(shè)計(jì)紅外振動(dòng)、紫外吸收單光譜效應(yīng)增強(qiáng)的衍生物提供方案，具有一定的可靠性。

表5 紅外振動(dòng)、紫外吸收單光譜效應(yīng)和雙光譜效應(yīng)CoMFA模型三維等勢(shì)圖Table 5 The contour maps of CoMFA models of single activity and double activities of the IR vibration and UV absorption spectra

3 結(jié) 論

構(gòu)建了兼具紅外振動(dòng)、紫外吸收雙光譜效應(yīng)的CoMFA模型，成功設(shè)計(jì)并篩選了7個(gè)雙光譜強(qiáng)度上升、環(huán)境穩(wěn)定、功能性良好同時(shí)環(huán)境友好性改善的PBB-153衍生物，提升了PBBs的檢出靈敏度，為污染物多光譜檢測(cè)和分子修飾提供研究思路。