（应用化学专业论文）定量结构—色谱保留相关法的研究及应用.pdf

摘要 化学是- - f - j 实践性较强的学科。其研究内容包括物质的组成、结构、 性质及其相互关系的变化规律。目前数以万计的新分子不断涌现，仅凭 常规的实验测试手段来获取化合物性能性质的方法已不能满足化学家 的需要，因此进行各种化合物定量结构与性能性质关系( q s a r q s p r ) 的研究就具有一定的价值。作为q s a r q s p r 的一个分支定量结构 一色谱保留行为关系( q s r r ) 的研究，越来越引起相关学科科技人员的重 视，尤其是保留指数模拟和预测倍受化学工作者关注。所以化合物结构 参数与其气相色谱保留指数关系的研究工作逐年上升，但是上述工作大 多集中于对同一固定相、同一温度下保留指数的预测，使其应用范围受 到一定的限制。 本论文从化合物的分子结构、色谱分离机制入手，结合脂肪族化合 物的色谱特征，利用化学计量学方法，构建了脂肪族化合物( 烷、烯、 炔、醛、酮、酯、醇、醚) 的气相色谱保留指数预测模型，并经验证取 得令人满意的结果。主要完成了以下几方面的工作： 1 构建了脂肪烃类化合物气相色谱保留指数( 砌) 与其结构参数及 柱温、固定相参数的理论模型：r i = a + b o q + c 1 q + d m h s i e n + f c p + g t ，并 以此计算了1 7 4 2 个烃类化合物( 烷、烯、炔等) 样本集气相色谱保留指 数( r i ) ，计算值与实验值基本致。 2 构建了含氧化合物气相色谱保留指数( ) 与其结构参数及柱温、 固定相参数的理论模型：r i = a + b o q + c s o x + d c p + e t ，并用8 4 9 个含氧化合 物样本集气相色谱保留指数值验证了该模型的合理性。取得了较好的结 果。 3 构建了含硫化合物气相色谱保留指数( ) 与其结构参数及柱温、 固定相参数的理论模型：r i = a + b o q + c 1 q + d c p + e t ，并用3 6 6 个硫醚类化 合物样本集气相色谱保留指数值验证了该模型的合理性。结果令人满意。 上述的数学模型不仅在一定程度上阐明了有机化合物气相色谱保留 指数与其分子结构信息、固定相及柱温之间的关系，同时也提供了一种 预测有机化合物的新方法，这对于选择化合物的色谱分离条件、探索 色谱保留机理以及揭示化合物在不同固定相、不同柱温的色谱分离条件 fr j 的变化规律具有一定的理论意义和应用价值。 关键词：脂肪族化合物；气相色谱保留指数；结构参数；固定相参数； 柱温 a b s t r a c t c h e m i s t r yi s am o r ep r a c t i c a l s u b j e c t i t ss t u d yc o n t e n ti n c l u d e s c o m p o s i t i o n ，s t r u c t u r e ，p r o p e r t y o f s u b s t a n c ea n d c h a n g e l a wo ft h e i r i n t e r d e p e n d e n c e n o w ，t h o u s a n d so fn e wm o l e c u l a r sh a v eo c c u r r e d i ti sn o t s a t i s f i e dw i t hc h e m i s t st o g a i nt h ea c t i v i t y p r o p e r t yo fc o m p o u n d sb yt h e m e a n so fc o n v e n t i o n a le x p e r i m e n t a lm e t h o d s t h u s ，i ti sw o r t h yo fb e i n g s t u d i e dt h eq u a n t i t a t i v es t r u c t u r e - a c t i v i t y p r o p e r t yr e l a t i o n s h i p ( q s a r q s p r ) a sa b r a n c ho fq s a r q s p r q u a n t i t a t i v es t r u c t u r e - r e t e n t i o n r e l a t i o n s h i p ( q s r r ) ，i th a sb e c o m em o r ea n dm o r eb e i n gc o n c e r n e da n d s t u d i e db ym a n ys c i e n t i s t s ，e s p e c i a l l yi ns i m u l a t i o na n dp r e d i c t i o no f r e t e n t i o ni n d e x s o ，t h er e s e a r c hw o r ki so nr i s i n g t h o u g ht h e r ea r e q u a n t i t i e so fr e s e a r c h e s a b o u tc o m p o u n d ss t r u c t u r ep a r a m e t e r sa n d g a s c h r o m a t o g r a p h yr e t e n t i o ni n d e x ，m o s t l y c e n t r a l i z ei nt h es a m e p o l a r i t y s t a t i o n a r yp h a s e sa to n et e m p e r a t u r e ，r e s e a r c h e sa b o u tt h ep r e d i c t i o no f c o m p o u n d s o nd i f f e r e n tp o l a r i t ys t a t i o n a r yp h a s e sa td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e sa t t h es a m et i m ea r e n e a r l yr e p o r t e d t h et h e s i sb e g a nw i t hm o l e c u l a rs t r u c t u r eo fc o m p o u n d s ，b a s e do nt h e t h e o r yo fc h r o m a t o g r a p h ys e p a r a t i o n ，u s e db yt h ec h e m o m e t r i c sm e t h o d ， d e d u c e dt h et h e o r ym o d e l so fs i m u l a t i n gt h eg a sc h r o m a t o g r a p h yr e t e n t i o n i n d e xa b o u tp a r t l ya l i p h a t i cc o m p o u n d s ( a l k a n e ，a l k e n e ，a l k i n e ，a l d e h y d e ， a b s t r a c t k e t o n e ，e s t e r , a l c o h o l ，e t h e r ) a n dt h em o d e l sg a v es a t i s f y i n gr e s u l t st h r o u g h t e s t l i s t e db e l o wi sa no u t l i n eo f t h i sw o r k 1 t h e t h e o r y m o d e lo fs i m u l a t i n gt h e r e t e n t i o ni n d e xa b o u t h y d r o c a r b o nc o m p o u n d sw a sd e d u c e d ：r j = a + b o q + c 1 q + d m h s i d n + f c p + g t a n d17 4 2n u m b e rr e t e n t i o ni n d e xo fh y d r o c a r b o nc o m p o u n d sd a t as a m p l e s w e r es i m u l a t e db yt h i s ，c a l c u l a t e dv a l u e sa r e b a s i c a l l ya g r e e m e n tw i t h e x p e r i m e n t a lv a l u e s 2 t h et h e o r ym o d e lo fs i m u l a t i n gt h er e t e n t i o ni n d e xa b o u to x y g e n i c c o m p o u n d sw a sd e d u c e d ：r i _ a + b o q + c s o x + d c p + e ta n dw ep r o v e d i t s r a t i o n a l i t yb y8 4 9r e t e n t i o ni n d e xv a l u e so fo x y g e n i cc o m p o u n d sd a t a s a m p l e s 3 t h et h e o r ym o d e lo fs i m u l a t i n gt h er e t e n t i o ni n d e xa b o u ta b o u t s u l f i d e sc o m p o u n d sw a sd e d u c e d ：r i = a + b o q + c 1 q + d c p + e t - a n dw ep r o v e d i t s r a t i o n a l i t yb y3 6 6r e t e n t i o ni n d e xv a l u e so fs u l f i d e sc o m p o u n d sd a t a s a m p l e s t h ea b o v em a t h e m a t i cm o d e l sn o to n l yc l a r i f yt h er e l a t i o nb e t w e e ng a s c h r o m a t o g r a p h yr e t e n t i o ni n d e xo fc o m p o u n d sa n di t sm o l e c u l a rs t r u c t u r a l i n f o r m a t i o n ，p o l a r i t ys t a t i o n a r yp h a s e sa n dc o l u m nt e m p e r a t u r e ，b u ta l s o p r o v i d ean e wm e t h o dw h i c hi su s e dt oc a l c u l a t ea n dp r e d i c tt h er e t e n t i o n i n d e xo fo r g a n i cc o m p o u n d so nd i f f e r e n tp o l a r i t ys t a t i o n a r y p h a s e s a t d i f f e r e n tt e m p e r a t u r e sa tt h es a m et i m e a b s t r a c t k e y w o r d s ：a l i p h a t i cc o m p o u n d s ；g a sc h r o m a t o g r a p h yr e t e n t i o ni n d e x ； s t r u c t u r ep a r a m e t e r s ；p o l a r i t ys t a t i o n a r yp h a s ep a r a m e t e r ： c o l u m nt e m p e r a t u r e 引言 引言 1 1概述 在2 1 世纪化学研究的领域中，“结构与性能性质的定量关系”研究已被列为 当今化学前沿的“四大难题”之一。随着数以万计新分子的不断发现和创造，仅 凭实验测试技术来获取化合物性能性质的方法已经很难跟上这些新分子爆炸式的 增长速度，所以，建立一种化学理论模型用以预测分子的各种行为的方法就尤为重 要。特别是在基因组学、蛋白质组学与糖组学的研究领域中【2 4 】，存在生物大分子( 如 核酸、蛋白质和糖等) 的各种行为实验测试难度大的问题，因而进行各种化合物结 构与性f l , 性质关系的模拟和预测就具有一定的价值。基于上述问题，科学家们建立 了一门将数学和计算机科学应用于化学的新兴交叉学科一一化学计量学 ( c h e m o m e t r i c s ) 口“，为化合物结构与性能性质关系的预测提供了新思路、新途径 和新的方法。 在化合物结构与性能，性质的定量关系研究中，采用图论和数值方法表征得到的 化合物分子结构参数与其性质( 如物理、化学和生物学特性) 相关联的研究己成为 化学计量学研究的一个重要分支，其中定量结构一一色谱保留行为相关法 ( q u a n t i t a t i v es t r u c t u r e r e t e n t i o nr e l a t i o n s h i p ，q s r r ) 的研究已成为色谱科学的一个新 的研究分支，并受到了广泛的关注，有关它的研究已经取得了令人瞩目的成就口1 。 1 2 定量结构与色谱保留相关法的产生与发展 自从色谱分离手段被实际应用以来，人们对某种溶质在一定条件下的保留行为 的变化规律逐步产生了较多的认识。例如，j a m e s 和m a r t i n 注意到同系物组分的碳 数与其色谱保留值有线性关系，随后提出了著名的碳数规律。因同系物组分的沸点 与碳数呈线性关系，故同系物组分的上述这些保留值与其沸点有线性关系，于是 e t t r r e 于1 9 6 7 年提出了沸点规律。随后，随着个人计算机的普及和相应的统计计算 程序的应用，关于定量结构一色谱保留关系( q u a n t i t a t i v es t r u c t u r e r e t e n t i o n r e l a t i o n s h i p ，q s r r ) 的论文数目开始与日俱增。其方法开始广泛用于有机化合物的色 谱保留数据分析。可以说定量结构一色谱保留关系【8 】已成为色谱科学一个新的研究 分支领域。在近1 5 年的历史中，定量结构一色谱保留关系研究在以下几个方面取得 显著的成果 9 1 ：( 1 ) 预测未知物的保留值；( 2 ) 识别最富含行为信息的结构参数； ( 3 ) 探讨色谱分离机制；( 4 ) 估算溶质复杂的物理一化学性质。 定量结构色谱保留相关法的研究及应用 1 3 定量结构与色谱保留相关法的研究方法 化合物色谱保留指数( 砌) 是其分子微观结构的宏观反映，也是色谱分析中进行 定性分析最有利用价值的数据。而定量结构色谱保留相关法的研究对预测化合物 i u 、探索色谱保留机制以及选择色谱分离条件是非常有效的途径之一。鉴于此，不 少色谱工作者为探求分子结构与色谱保留值之间的关系作了不懈努力。j a m e s 和 m a r t i n 首先注意到在气一液色谱中脂肪酸类物质保留体积的对数与溶质分子中的 碳原子数存在近似线性关系，因而可以据此推测同系物的保留体积。r a y 、l i t t l e w o o d 等人随后指出对于烷烃、醇、酯以及甲基酮类化合物在多种固定相上也有类似的关 系存在，故r a y 建议采用保留体积的对数对分子的键长作图，并以此鉴别未知物。 因此可以说在气一液色谱发展的初期，分子结构与保留值规律这一问题就已被人们 所注意。在几十年的时间里，不少色谱工作者对这个问题作了有益的探讨。关于定 量结构一保留关系研究方法，现在归纳起来大体上可以分为如下几种。 1 3 1 多因子回归法 b e r m e j o 等人认为如果溶质与固定相形成理想溶液，那么溶质的保留值( v g ) 应是沸点的函数z l o g v g = a + b t b ( 1 ) 然而在实际的色谱过程中理想溶液并不存在，所以为了考虑溶质分子与溶剂分 子问特殊的以及非特殊的相互作用，上述方程还应当包括与溶质其它性质有关的 项。因此b e r m e j o 提出描述色谱保留性质与多种因子之问的经验关系式 r i = m + n t b + p p + q q + ( 2 ) 其中p 、q 可代表色散力、诱导力、定向力、克分子体积、v a n d e r w a a l 体积、 联结指数等因素对相互作用的影响；而i r l 、n 、p 、q 等数值的大小代表色 谱保留过程对各因素的敏感度。 b e r m e j o 的方法纯粹是经验的方法，他们用这种方法考虑不同的因素后计算了 烷基苯在多种固定相上的保留指数，其标准偏差在2 9 4 】8 i t 1 之间。由此可见计 算值与实验值的差异还是很大。 1 3 2r o h r s c h n e i d e r 相常数法 r o h r s c h n e i d e r 认为溶质在两种不同固定相上保留指数的差异反映了溶质在两种 固定相上作用能的差异。1 9 6 3 年冬季，r o h r s c t m e i d e r 在同事l o r k o w s k i 的帮助下 引言 作了大量的计算，最后认为可以用具有五个溶质参数a 、b 、c 、d 、e 和五个溶剂参 数x 、y 、z 、u 、s 的线性方程【1 8 ai = a x + b y + c z + d u + e s ( 3 ) 来表示不同固定相上保留指数之差值。r o h r s c l m e i d e r 选用( 苯) 、甲乙酮( 定向偶 极矩力) 、硝基甲烷( 电子接受体) 、吡啶( 质子接受体) 五种物质作为标准样品用 来测定各种固定相的相常数。 m c r e y n o l d s 认为上述五种标准物质的保留指数接近或低于5 0 0 i u ，这样就必须 采用气态的正构烷烃来测取保留指数，从而影响了测量的精度。故建议采用苯、丁 醇、戊酮2 、硝基丙烷及吡啶测定固定相的相常数，这就是所谓的m e r e y n o l d s 法 1 9 1 。 r o h r s c h n e i d e r 用他自己的方法计算了3 0 种物质在2 2 种固定相上的保留指数， 其平均偏差约在6 0 i - u 。由于采用这种方法也不能获得准确保留指数，r o h r s c h n e i d e r 和m c r e y n o l d s 的方法主要还是用于固定相的评价与分类，而不宜用于保留指数的 预测。 1 3 3 热力学法 所谓热力学法也就是利用物质的热力学性质来预测其色谱保留值的方法。采用 的热力学参数可以是沸点、蒸气压、标准焓、标准熵等。溶质在色谱柱内的分配过 程是一热力学过程，故从热力学的角度出发来探讨保留值规律理应收到更好的效 果。众所周知的利用沸点来估计同碳数异构烷烃保留值方法就是早期的热力学方 法。 1 9 6 9 年保加利亚的d i m o v 等人提出用公式： r i = 1 0 0 z + 1 0 0 1 9 ( p 0 z i * v m 乩：i p o + v r 。o l , i ) l g ( p o z - l + v m 。i ，z i p o ：+ v m o l , z ) ( 4 ) 来预测烷烃的保留指数。其中p o 代表蒸气压；v m o l 代表克分子体积。他们用此公 式计算了3 9 种异构烷烃与环烷在角鲨烷上的保留指数，其结果大多产生负偏差， 平均偏差为5 8 i u 。后来d i m o v 等人对此法不断做了改进与补充，并把上式计算 出来的i u 值改成为物理化学指数( p c i ) 。他们认为物质的实际保留指数应该等于 p c i 加上一个与分子结构有关的修正量。作者把这一方法推广至烯烃，芳烃保留指 数的计算。后来，d i m o v 用这个方法计算烷烃在乙酰基柠檬酸三丁酯，二甲基硅 酯及橡胶( s e - - 3 0 ) 上的保留指数，其平均偏差分别为0 9 1 i u 和0 8 9 i u _ 1 2 1 - 2 3 1 。 定量结构一色谱保留相关法的研究及应用 1 9 7 1 年新西兰的r o b i n s o n 等人提出了类似于d i m o v 方法的概念，他们定义 了物质的标准保留指数1 7 ： i s t d 21 0 0 n + 1 0 0 ( 1 9 b p x - - 1 9 b p n ) ( 1 9 b p n + l g b p 。)( 5 ) 其中：b 。表示沸点。r o b i n s o n 等人认为在各种固定相上各类化合物的实际保留指 数与l s t d 之差大致为常数，故建议用公式r i = i s t d + r j 来预测保留值。在第四 次全国色谱学术报告会上吴烈钧建议用公式： r i2 1 0 0 n + l o o ( ，x + t b ，n + m ) ( t b ，n + 1 一t b ，n ) ( 6 ) 来预测直链烷烃在角鲨烷上的保留指数。其中：t b 为沸点；m 为与结构有关的修 正量。 1 9 7 4 年中国科学院大连化学物理研究所色谱组的同志们利用非极性指数i n p 和t b 沸点差来计算十二种烷烃在八种固定相上的保留值，其公式为口4 】 n v g22 1 7 6 + o 3 7 5 ( n 一7 + a t b t b 0 ) 一 ( 1 0 0 一 n o ) 1 0 0 1 1 7 2 + 0 6 7 ( n 一7 + a t 出t b o ) 】 ( 7 ) 依此式计算出来的7 1 个比保留体积( v g ) 数据有8 5 与实验值的偏差在2 m l g 以内。 n o v a k 等人根据吸附态的标准吉氏函数g o 。有如下关系2 5 1 g o 。p - - 一2 3 r t l o g ( k o v g ) = h o s p t o ；p ( 8 ) 他们假定分子吸附的标准焓h o 。p 与标准熵s o 。p 为分子中各基团贡献的总和，从而 导出了对同系物则有 l g v g2p ( n t ) + q t + n r + s ( 9 ) 其中p 、q 、r 和s 为常数，n 表示碳原子数，t 表示温度。n o v a k 的公式 正是人们熟知的同系物比保留体积对数的碳数规律和温度规律的联合形式。n o v a k 用这个公式计算了c 5 c 8 正构烷烃以及伯醇的比保留体积。其中正构烷烃计算结 果平均相对偏差为1 0 7 9 。 从上面介绍可以看到采用热力学方法来预测保留值可以收到较好的效果。存在 的问题是n o v a k 公式仅限于同系物保留值的计算，在分子异构化对溶质与溶剂相 互作用的焓、熵影响未知之前他们的方法还难于进一步推广。d i m o v 的方法对直链 烷烃保留指数的预测已很准确，但计算所需的各种物质饱和蒸气压p o 的数值并不 都是容易得到的。此外d i m o v 对公式中修正项的意义解释尚不能令人满意。 引言 众所周知给定体系的热力学性质是反映该体系的净相互作用的本体性质。热力 学参数的大小代表的是发生在分子水平的个体之间相互作用的联系，因此，通常的 色谱保留数据和溶质结构之间的关系不能用严格的热力学原理来推导，这种关系属 于所谓的超热力学模型。正如p r a t m i t z l 2 叼评价的那样：“经典热力学神圣而可尊， 但实际上不适用”。p r a u n i t z 建议将应用分子热力学当成是经典方法、统计热力学、 分子物理和物理热力学的一个综合。要得到这种“产物”，一个途径是应用超热力 学方法。超热力学方法是具体模型与热力学原理的结合，由于它包括模型建立过程， 这种方法缺少热力学的严格性，但它能提供用其他方法难以获得的信息。超热力学 关系的表达方式为线性自由能关系( 1 i n e a rf r e e - e n e r g yr e l a t i o n s h i p s ，l f e r s ) ，尽管 l e f r s 并不是热力学结果，但这种关系的存在说明在相关量之间存在着客观的联系 2 7 1 。不过由于热力学参数大多是由实验得到的，手续麻烦且受外界影响比较大，因 此对保留值预测时误差就大，目前在q s r r 研究中已基本不用该方法。 1 3 4 分子结构加和法 分子结构加和法认为溶质的保留指数由溶质分子内各原子、化学键以及各个基 团贡献的总和，因此把这些原子、化学键、基团分配给适当的数值加和起来便应当 得到溶质的保留指数。匈牙利的t a k d c s 等人在1 9 7 1 年提出物质的保留指数是由 原子贡献r j 。、化学键的贡献r j b 、溶质与溶剂相互作用贡献i 三部分构成1 2 s ， 即 r i = r i a + i u b + r i i = r i m + r i i ( 1 0 ) 其中r j 。为溶质分子的贡献。按照他们的说法还有 r i a w l o( 1 1 ) r i = r i 。f i + ( 1 2 ) 其中w 为分子量；舻为溶质与溶剂分子之间相互作用贡献因子。t a k d e s 等人 把c 1 0 以内的直链烷烃分子中分出1 3 2 种不同键型，各配以不同的系数，并以此来 计算直链烷烃在鲨鱼烷上的保留指数。作者示范计算的十六种烃类计算值平均偏差 为0 6 9 i u 后来他们又把这个方法推广至烯烃、胺、酮、芳烃、环烷保留指数的计 算 2 9 , 3 0 】。 t a k 6 c s 的方法遭到了澳大利亚的s o u t e r 猛烈抨击。s o u t e r 指出要在c h 之 中区别出哪一部分贡献是h 原子提供是不可能的 3 “。h a k e n 也对t a k d c s 法提出了 定量结构色谱保留相关法的研究及应用 批评 3 2 1 。比利时的v a n h e e r t u m 是t a k d c s 的支持者，并以实际行动运用t a k d c s 法计 算了4 3 种烷烃、4 0 种烯烃的保留指数。但v a n h e e r t u m 显然是未能取得t a k d c s 那 样好的结果。4 3 种烷烃中偏差大于1 0 i _ u 者有8 种；4 0 种烯烃中偏差大于l o i u 者 竞达1 4 种。占总数的三分之一多口”。 据我们看来，c 1 0 以内的直链烷烃不过只有1 5 0 种，因此用1 3 3 个系数来推 求其保留值的办法说不上高明。要想确定这1 3 3 个系数( 包括f i + ) 至少要预先测 定出1 3 3 个组分的保留指数，在测定出1 3 3 个组分保留指数后实际上t a k d c s 的方 法已基本上失去了存在的价值。从理论上也看不出t a k d c s 有什么根据。经过时间的 考验，近年来t a k 6 c s 的方法已在文献上销声匿迹。 意大利的c a s t e l l o 等人采用了比较简单的方法【1 7 】。c a s t e l l o 等人根据分子的结构 把烷烃分子划分出不同的基团，用了1 2 个系数计算3 5 种烷烃在鲨鱼烷上的保留指 数。其平均偏差为3 2 i u 。 苏联的s p i v a k o v s k i i 等人结合色谱一质谱定性分析用公式i = a o + z axi ，采用了 1 7 个系数计算了6 5 种烷烃的保留指数，其平均偏差为5 1 5 i u 。在计算3 2 种醇的 保留指数时用了1 5 个系数，平均偏差为3 3 7 i u 【l ”。 一般说来，在允许误差比较大的情况下粗略地可以看出随着分子中化学键的增 加，保留值也增加，这样看来两者之间似乎应当存在某种关系。但我们应认识到这 关系不一定就是简单的加和性。在实际的色谱过程中，溶质与溶剂之间的作用远比 加和的模式复杂，影响溶质与溶剂分子间作用能的因素很多，有些因素如像克分子 极化度具有加和的性质：有些因素如像偶极矩则具有矢量加和的性质；而有些因素 如分子间的有效距离则与溶质和溶剂分子的构型有关，其值在大多情况下则是未知 数。由此可见欲用一种简单的加和法求其保留指数要得到准确的结果并非容易。 1 3 5 统计热力学法 1 9 6 4 年卢佩章首次采用统计热力学法来处理色谱热力学问题，他从理想气体溶 解到液体( 固定液) 这一吸收现象出发，采用液体均一位势模型求得有关溶质在液 相的构型配分函数，从而求得溶质在两相中的化学位。根据平衡条件求得影响气一 液色谱保留值的因素为【3 4 】 引言 魄e 堕等塑+ 苦却 删= 幽r t + 和芦 ， 矿! 。、 其中p 为固定相的密度，b 为相比。 他们用上式解释了气一液色谱保留值的同系物碳数规律、温度规律、双固定规 律及沸点规律。上述公式的重要意义还在于第一次把分子微观参数对色谱保留值的 影响表示出来。尔后，胡皆汉等人应用上述公式计算了不少吡啶类化合物的保留值， 收到了良好的效果9 引。荷兰的k w a 、法国的g o n n o r d 等人也曾分别应用统计热力学 的观点讨论了分子的化学结构与其气相色谱行为的关系以及多甲基苯在石墨化碳 黑上的保留值i3 6 1 ，可惜他们的工作没有继续下去。m a d j a r 等人采用统计热力学方法 研究了多氯代苯在石墨化碳黑上的保留值规律。 运用统计热力学作为工具探索色谱保留值规律是一种比较科学的方法，它注意 到了在色谱过程中组分与固定相之间的作用系由数目极大的分子参预这一基本事 实，以经典的热力学理论为依据，以统计的方法作为解决问题的手段。因此尽管在 色谱热力学研究中只采用了比较简单溶液模型、气体模型和吸附模型，但从所导出 的关系式中确实可以观察到各种影响色谱保留值主要因素所起的作用。但其困难是 人们对于溶液的性质还缺乏充分的认识，至今尚无一个比较完美的溶液理论。这种 状况无疑会对更精确地应用统计热力学方法研究色谱保留值规律带来一定困难。 1 3 6 量子化学参数法 在q s r r 研究中，通常认为分子结构描述符应包括溶质在色谱柱上分配时的溶质 一溶质之间、溶质一固定相之间和溶质一流动相之间的相互作用力。当流动相和固 定相确定时，相互作用的差异主要在于溶质分子的结构不同。因此，许多描述符来自 于溶质分子的化学结构。常见的分子描述符有拓扑指数、几何参数、电子参数以及 物理参数。量子化学方法和分子模拟技术通常可以从空间因素及电学性质方面为 q s a r 研究提供新的有用的信息。将量化参数应用到q s a r 研究中具有两个主要的 优点：( 1 ) 化合物分子及其子结构、取代物都能直接地在其分子结构的基础之上被表 征；( 2 ) 化合物的化学反应作用机理也能直接地用化学术语来说明。 最初采用量子化学法预测保留值的作者不多。这是由于量化参数的计算比较复 杂、繁琐，一般很难得到精确、有意义的量化参数。但是，随着计算机的发展有关 7 定量结构色谱保留相关法的研究及应用 量子化学计算的标准计算机程序出现之后，量子化学的计算就变得十分方便，即使 不是职业量子化学家，也能产生q s r r 研究中所需要的结构数据，目前，许多已发 表的q s r r 文章中，量子化学参数是经常遇到的参数之一。 m a s s a r t 和他的同事于1 9 8 3 年发表了由脂肪族醚、酯、醇、酮和醛组成的一组 溶质g c 保留指数预测的研究结果，研究者在多元回归分析中使用了下列由c n d o 2 计算的电子参数：偶极距大小( m d ) ，给定分子中电荷绝对值之和( q t ) ，组成功 能基团的原子和这种功能基团上原子的电荷绝对值之和( q a ) ；由于在偶极偶极作 用中，过程的能量与偶极距平方成正比，因此，回归分析时，各个结构参数的平方 项也包括在其中 7 】o 国内，施介华等运用量子化学中的a m l 方法计算烃类化合物的分子结构描述参 数，借助逐步回归法建立了烃类化合物在不同极性色谱柱上的q s r r 模型。结果表明： 烷烃、烯烃、二烯烃类化合物在不同极性的色谱柱上的色谱保留与其分子结构描述 参数之间具有较好的线性关系，烃类化合物在不同极性固定相上的保留主要与溶质 分子的m r 有关，即与溶质分子的色散力有关。随着溶质分子的不饱和度的增加，或 固定相极性的增强，溶质分子与固定相之间的电荷传递作用随之增强。而且，烃类化 合物在不同极性固定相上的色谱保留的q s r r 模型均可用量化参数h o m o 、 l u m o 、e l c e 以及m r 参数来描述。所建立的在不同极性色谱柱上的烃类化合物的 色谱保留q s r r 模型预测烃类化合物的色谱保留值时具有较好的稳定性和准确性 【37 1 。 1 3 ，7 拓扑指数法 色谱保留指数( 刚) 是鉴定与识别化合物的最重要色谱参数之一，定量结构一 色谱保留指数关系( q s r r ) 的研究和应用在色谱科学领域十分活跃。在q s r r 研究中， 拓扑指数一直扮演着重要的角色，它与色谱保留指数之间的定量关系早有报道：1 9 4 7 年w i e n e r 提出直链烷烃的沸点、异构化热、汽化热等均可由分子骨架中各碳原子间 距离之总和( 即w i e n e r 数) 与三步数来表征。w i e n e r 在此第一个提出了分子拓扑 的概念。保加利亚的b o n c h e v 等人采用w i e n e r 数来计算一取代的烷基苯及邻位二 取代基的烷基苯在角鲨烷上的保留指数，他们认为口8 1 i = ( 2 4 4 士4 ) w ( g ) ( 0 1 2 9 7 士o 0 0 3 ) ( 1 4 ) 其w ( g ) 即w i e n e r 数。b o n c h e v 等人用这个公式计算了3 0 种烷基苯的保留指数，其 引言 平均偏差为7 3 i u 。仅用两个系数就取得这样的成绩是在当时用分子拓扑法预测保 留值文献中不可多见的。但是我们也应注意到b o n c h c v 公式的不确定性。依照他们 的公式计算这3 0 个烷基苯的保留指数其上下限之差在5 5 1 1 1 7 i u 之间。要在这样 大的区间确定其实际数值显然是十分困难的。 法国的d u b o i s 和c h r e t i e n 擅长d a r c p e l c o 拓扑，他们在这种拓扑法中把分 子的官能团作为拓扑系统的焦点，而把其余部分称为“环境”( e n v i r o n m e n t ) ，将所 研究的分子结构与一事先给定十几个系数的拓扑图相对照，取其系数而加和。对于 无官能团的烷烃分子则采用多焦点作图取其权重因子计算保留指数数值。d u b o i s 和 c h r e t i e n 用1 8 个系数计算了c 1 0 以内1 5 0 种直链烷烃的保留指数，其平均偏差为 7 o i - u 。他们也根据烯烃在角鲨烷上的保留指数用了2 2 个系数换算出7 种烯烃在乙 酰基柠檬酸三丁酯上的保留指数，其平均偏差为0 9 i u 【3 9 州】。 1 9 7 5 年r a n d i c 提出连接指数的概念。r a n d i c 认为色谱保留指数与分子的连接 指数之间存在着线性关系，因而提议用连接指数来预测色谱保留值。他给出保留指 数与连接指数( 蔗) ，分子中间隔三个键的甲基对数( t 3 ) 的关系为 4 5 , 4 6 ： i = 2 0 0 ( x 一1 4 1 4 ) + 3 0 0 + ( t 3 ) ( 1 5 ) 但是r a n d i c 并没有让我们看一看他计算的结果。西班牙的g a s s i o t 等人认为保留指 数不但与连接指数有关，而且还与分子的偶极矩u 有关。进而提出公式f 4 7 j i = 2 0 0 1 3 z + 2 1 7 。4 5 p 2 + 1 6 8 9 ( 1 6 ) 用来计算了2 0 种正构烷烃，异构烷烃同系物以及烯烃的保留指数。计算值与实测 值平均偏差1 8 3 i u 。 我国色谱工作者对采用拓扑法计算保留值也作了有益的尝试。聂长明等用拓扑 指数n 1 ，n 2 和n 3 与烷烃在固定相角鲨烷( 柱温5 0 ) 及s e - - 3 0 ( 柱温8 0 ) 上 的气相色谱保留指数进行多元线性回归，结果表明烷烃的气相色谱保留指数可分别 定量描述为 r i ( s q u a l a n e ) = 2 3 1 9 7 8 4 2n 1 3 8 6 5 6 2n 2 + o 1 7 8 7 3 7 9n 3 + 4 2 1 3 3 0 6 1 ( 1 7 ) r i ( s e - 3 0 ) = 2 3 1 8 3 9 3 7 n i 一3 1 5 6 8 7 n 2 + 0 1 9 3 9 8 7 6 n 3 + 2 2 1 1 1 9 5 2 ( 1 8 ) 用上述回归方程对烷烃的气相色谱保留指数进行预测，结果表明预测值与实验值的 平均相对误差均为1 3 i ，预测结果误差在实验误差范围内【4 8 1 。 向铮等计算了2 0 7 个甲基烷烃的1 2 7 个拓扑指数变量，把变量选择方法g a p l s 定量结构色谱保留相关法的研究及应用 方法引入到定量结构与气相色谱保留关系研究中对1 2 7 个拓扑指数变量进行选择， 得到了含7 个变量的化合物的定量结构与色谱保留指数关系( q s r r ) 模型，其复相关 系数的平方为o 9 9 9 9 8 ，标准偏差为2 8 8 t ”1 。 堵锡华在分子拓扑理论基础上，定义原子结构参数n 。和i ，由ni 建构连接性 指数l ，由1 5i 建构拓扑指数b 。研究硫醚在不同极性固定相上的气相色谱保留指数 与结构的相关性，建立相应的定量模型，预测了硫醚在4 种极性固定相上的气相色谱 保留指数，各样本总体所建模型的相关系数均在0 9 7 以上【”i 。 总的说来，分子拓扑指数是q s r r 研究中应用广泛的结构参数之一。由分子图 推导出的拓扑指数可以作为分子结构与性质问的纽带来建立定量结构一活性性质相 关性的数学模型，并已取得了一些突破。目前文献上所报道的改进的拓扑指数还仅 仅是针对孤立的溶质分子而言，而与固定相无关，但是溶质分子在色谱柱中的分离 过程是溶质分子与固定相多次超分子作用的结果，也正是这种分子间的相互作用决 定了色谱保留的实际过程，因此仅仅孤立的考虑溶质分子的拓扑指数在反映溶质在 色谱柱上的保留行为时就具有一定的局限性。 1 4 定量结构与色谱保留相关法的分析方法 首次报道的定量结构一保留关系是通过对保留数据和系列结构参数进行多元回 归分析推导得到的。关于定量结构一保留关系的另一早期方法是根据取代基对保留 值影响的假设，该假设类比于f r e e 和w i l s o n 在药物化学中应用的相关分析的d e n o v o 非参数方法【lo 】。后来，定量结构一保留关系研究有时也用主成分分析和因子分 析方法。近几年应用模式识别、人工智能神经网络来预测保留值 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 1 也相继出 现报道。 从使用定量结构一保留关系的观点来看，了解色谱过程分离机理的最有价值、使 用最普遍的方法是多元线性回归 1 5 , 16 。d en o v o 非参数方法，因子分析方法，人工 智能神经网络，包括所谓的专家系统多数旨在保留预测和色谱分离条件的优化。值 得我们注意的是并非每一个定量结构一保留关系等式都能提供有意义的、可靠的信 息。一些发表的等式在统计上是无效的，有时有效相关是由无效的化学规律推导得 到的。因此为了得到具有统计意义和物理意义的定量结构一保留关系，必须提供可 靠的输入数据和使用严密的数学分析。 引言 1 5 本论文的研究内容、意义及创新点 如今色谱已成为石油化工、医药卫生、生物环保、天然产物、轻工食品、能源 保护等各个领域对复杂混合物分离所不可缺少的分析手段。有意义的q s r r 模型 能有效地预测色谱保留值，为选择最佳分离条件提供理论依据。 本论文从化合物的分子结构入手，根据色谱分离的基本原理，结合影响化合物 气相色谱保留指数( i u ) 的因素，并对影响化合物色谱保留指数的因素进行了研究， 运用数理统计的方法将化合物结构参数及柱温、固定液极性值与其气相色谱保留指 数相关联，构建了脂肪族化合物( 烷烃、烯烃、炔烃、醛、酮、酸、酯、醇、含硫 化合物) 与其结构参数( 拓扑指数、定位基参数、分子偶极矩) 及体系参数( 柱温、 固定液极性值) 的理论模型，并验证了模型的合理性。建立的数学模型不仅在一定 程度上阐明了脂肪族化合物i u 与其分子结构信息、固定相极性及柱温间的关系，同 时也提供了一种计算脂肪族类化合物融的新方法，这对于选择脂肪族类化合物的色 谱分离条件、探索色谱保留机理以及揭示脂肪族类化合物在不同固定相、不同柱温 的色谱分离条件下i u 的变化规律具有一定的理论意义和应用价值。 本论文创新点有以下两个方面： ( 1 ) 对前人的拓扑指数进行了适当的改进。改进后的拓扑指数更全面地考虑到 了分子的图形特征和决定成键原子化学行为的主要影响因素及立体结构，故用所改 进后的拓扑指数与本论文所研究的各种化合物的气相色谱保留指数进行多元回归 分析，相关系数有所提高。 ( 2 ) 近年来，国内外许多学者分别运用各种方法