硫醇、醛酮、硫醚分子量子拓扑化学的QSPR/QSAR研究

摘要

定量结构-性质相关（quantitative structure-property relationship,QSPR），定量结构-活性相关者（quantitative structure-activity relationships QSAR）的研究已成为化学、环境、生命等学科研究中的一个前沿领域。分子拓扑指数作为从分子图提取出来的不变量，能有效表征分子的大小、形状、分支等结构特征，以此建立定量结构-性质/活性模型并对分子的性质/活性进行估算和预测，已成为分子结构与性质/活性关系QSPR/QSAR研究的重点和前沿。近些年来发展的量子化学通过表征分子的某种特征而实现分子结构信息的数值化，量子化学方法能够合理有效的对化合物分子层面进行有效的表征。本文将分子拓扑方法与量子化学方法结合起来,将量子化学方法计算的部分结果引入分子的拓扑结构中,构建新的分子量子拓扑指数，从而实现对物质的性质/活性规律进行量子拓扑化学的定量描述。
　　本文主要从以下方面进行：
　　（1）结构优化和量化计算运用密度泛函理论(DFT)，采用Gaussian03程序，在不同基组B3LYP水平上对硫醇、醛酮、硫醚等化合物的分子进行几何结构的优化。并对分子的Gibbs自由能（G）、恒容摩尔热容（CV）、熵（S）、配分函数（lgQ）、最高占据轨道(HOMO)能量（eH）、最低空轨道（LUMO）能量（eL）、羰基碳氧原子的电荷(QC、QO)、偶极矩（m）、原子间的距离（d）等进行理论计算。
　　（2）指数构建改进硫醇、醛酮、硫醚等化合物分子的距离矩阵，将原距离矩阵中原子的拓扑距离替换成量子化学计算的实际原子的空间距离，在矩阵的对角线上引入按原子的基团电负性计算的原子的平衡电负性，计算改进矩阵的最大特征值λmax，按式QT=logN*logλmax，计算得分子量子拓扑指数QT。
　　（3）模型建立将计算的分子量子拓扑指数QT结合Gaussian所计算的量化参数，采用多元线性回归分别建立硫醇、醛酮、硫醚等化合物性质的回归模型。所建硫醇8种性质的模型大部分回归的R值在0.99以上；72个脂肪醛酮的沸点模型R>0.99，色谱保留指数模型 R>0.98；61个硫醚的四种色谱保留指数模型R>0.93，3个大于0.95。总体上所建模型合理有效。
　　（4）模型检验对所建立的模型采用留一交叉验证法（LOO CV）及随即抽样法进行验证。将计算所得预测值与实验值进行比较，留一交叉检验法的多重相关系数RCV模型的R值接近，表明构建的模型稳健、合理、有效。
　　该方法有望在物质的QSPR/QSAR研究中得到推广应用。

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第1章 引言

1.1 物质定量构效关系研究概述及其意义

1.2 物质定量构效关系研究进展

1.3 本文工作及意义

第2章 分子量子拓扑指数的建立及模型的数据统计分析

2.1 平衡电负性（ χ ）

2.2 分子量子拓扑指数构建

2.3 Gaussian理论基础及功能

2.4 分子结构的优化和量化计算

2.5 数据统计分析

第3章 量子拓扑方法对硫醇的定量构效关系研究

3.1 研究样本

3.2 分子结构的优化和量化计算

3.3 结果与讨论

第4章 脂肪醛酮的沸点及色谱保留指数的分子量子拓扑构效关系研究

4.1 研究样本

4.2 分子结构的优化和量化计算

4.3 结果与讨论

第5章 硫醚的色谱保留指数分子量子拓扑构效关系的研究

5.1 研究样本

5.2 分子结构的优化和量化计算

5.3 结果与讨论

第六章 结 论

参考文献

附录作者在攻读硕士期间成果目录

致谢