離子液體的QSPRΠQSAR 研究

1、收稿:2008年10月,收修改稿:2008年12月3C orresponding author e 2mail :zhyansh88離子液體的QSPR QSAR 研究鄭燕升3莫倩劉昭明(廣西工學(xué)院生物與化學(xué)工程系柳州545006摘要離子液體以其獨(dú)特的性質(zhì)廣受關(guān)注,人們對(duì)其潛在的應(yīng)用價(jià)值做了大量的研究,但對(duì)離子液體特性和結(jié)構(gòu)與性質(zhì)活性相關(guān)的研究卻很少。本文綜述了離子液體定量結(jié)構(gòu)2性質(zhì)活性相關(guān)(QSPR QS AR 研究的最新進(jìn)展,重點(diǎn)介紹了QSPR QS AR 的基本原理和離子液體的熔點(diǎn)、有機(jī)化合物在離子液體中的無限稀釋活度系數(shù)、離子液體的界面張力、有機(jī)物在離子液體中的溶解系數(shù)和分配系數(shù)、離子液

2、體的電導(dǎo)率和黏度以及離子液體的毒性等性質(zhì)與分子結(jié)構(gòu)的定量關(guān)系,并對(duì)離子液體分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)活性定量相關(guān)研究的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞離子液體定量結(jié)構(gòu)2性質(zhì)相關(guān)(QSPR 定量結(jié)構(gòu)2活性相關(guān)(QS AR 中圖分類號(hào):O64113;O64311;O64514文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):10052281X (20090921772210The Studies of Q SPR Q SAR for Ionic LiquidsZheng Yansheng3Mo Qian Liu Zhaoming(Department of Biological and Chemical Engineering ,G ua

3、ngxi University of T echnology ,Liuzhou 545006,China Abstract I onic liquids (I Ls have attracted large am ount of interest due to their unique properties.Although a lot of efforts have been focused on the investigation of their potential applications ,characterization of ionic liquids and structure

4、 2property activity relationships of ionic liquids are poorly understood.The recent progress in quantitative structure 2property activity relationship (QSPR QS AR studies of ionic liquids is reviewed.The principle of QSPR QS AR ,quantitative structure 2property activity relationship studies on the m

5、elting points of ionic liquids ,infinite dilution activity coefficients of organic com pounds ,surface tensions of ionic liquids ,s olubility and partition coefficients of organic s olutes in ionic liquids ,conductivities and viscosities of ionic liquids and the toxicity of ionic liquids are introdu

6、ced.The trend of QSPR QS AR studies on ionic liquids is discussed.K ey w ords ionic liquids (I Ls ;quantitative structure 2property relationships (QSPR ;quantitative structure 2activity relationships (QS AR Contents1Introduction2The research methods of QSPR QS AR 3QSPR QS AR for ionic liquids3.1Expl

7、oration of QSPR QS AR for the melting points(T m of ionic liquids3.2Exploration of QSPR QS AR for the infinite dilutionactivity coefficients (i of organic com pounds inionic liquids3.3Exploration of QSPR QS AR for the surface tensions(of ionic liquids 3.4Exploration of QSPR QS AR for the conductivit

8、ies(and viscosities (of ionic liquids 3.5Exploration ofQSPR QS AR for the Ostwalds olubility and partition coefficients of organic s olutes in ionic liquids3.6Exploration of QSPR QS AR for the toxicity of ionic第21卷第9期2009年9月化學(xué)進(jìn)展PROG RESS I N CHE MISTRYV ol.21N o.9Sep.,2009liquids4C onclusion and per

9、spective1引言離子液體是完全由有機(jī)正離子和無機(jī)或有機(jī)負(fù)離子所組成,在室溫或接近室溫下呈液體狀態(tài)的鹽類1。與常規(guī)的有機(jī)溶劑相比,離子液體擁有獨(dú)特的、不可比擬的優(yōu)點(diǎn),可以通過對(duì)正、負(fù)離子的合理設(shè)計(jì),在較大范圍內(nèi)調(diào)控離子液體的物理化學(xué)性能,鑒于這種可調(diào)控性,離子液體被稱為“綠色設(shè)計(jì)者溶劑”2。隨著陰陽離子的不斷開發(fā)和多種組合,新型離子液體不斷出現(xiàn),體系不斷壯大36。但許多研究仍然沿襲傳統(tǒng)的“嘗試法”模式來尋找合適的離子液體,這必然是難以廣泛適用的,因?yàn)殛庩栯x子組合形成的離子液體種類有1018之多7,性質(zhì)千差萬別,篩選出符合要求的離子液體的工作量是巨大的,如果沒有規(guī)律和理論作指導(dǎo),幾乎是不可能

10、的,而定量結(jié)構(gòu)2性質(zhì)/活性相關(guān)(quantitative structure2property relationship,QSPR(quantitative structure2activity relati2 onship,QS AR方法提供了解決這一難題的途徑8。自20世紀(jì)80年代以來QSPRQS AR一直是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)912,它根據(jù)化合物性能與分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的原理,尋求分子結(jié)構(gòu)與物質(zhì)性質(zhì)之間的內(nèi)在定量關(guān)系。因此,研究離子液體的結(jié)構(gòu)與性能的定量相關(guān)關(guān)系是離子液體功能化設(shè)計(jì)的必由之路,同時(shí)也是離子液體理論和應(yīng)用研究中不可缺少的基礎(chǔ)。2Q SPRQ SAR的研究方法結(jié)構(gòu)2性質(zhì)活性關(guān)系也

11、就是化合物的結(jié)構(gòu)與其理化性質(zhì)之間的規(guī)律性關(guān)系,QSPRQS AR研究就是對(duì)一系列已知化合物進(jìn)行定量的性質(zhì)測(cè)定,分析其分子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)之間的內(nèi)在定量關(guān)系,建立結(jié)構(gòu)2性質(zhì)活性數(shù)學(xué)模型,并以這種數(shù)學(xué)模型來預(yù)測(cè)化合物的未知性質(zhì)13。其基本假設(shè)是化合物的性能與分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān),分子結(jié)構(gòu)不同,性能也就不同。分子結(jié)構(gòu)可以用反映分子結(jié)構(gòu)特征的各種參數(shù)來描述,即化合物的各類性質(zhì)可以用化學(xué)結(jié)構(gòu)的函數(shù)來表示。通過選用合適的分子結(jié)構(gòu)描述符表征分子的結(jié)構(gòu)特征,結(jié)合各種統(tǒng)計(jì)建模工具,對(duì)分子結(jié)構(gòu)參數(shù)和所研究性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在定量關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián),建立分子結(jié)構(gòu)參數(shù)和性質(zhì)活性之間的關(guān)系模型。一旦建立了可靠的定量結(jié)構(gòu)2性質(zhì)活性相

12、關(guān)模型,僅需要分子的結(jié)構(gòu)信息,就可以用它來預(yù)測(cè)新的或尚未合成的化合物的各種性質(zhì)(圖1 。圖1QSPRQS AR研究流程圖Fig.1Flow chart of QSPRQS ARQSPRQS AR研究常用的方法有量子化學(xué)法、拓?fù)鋵W(xué)方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和基團(tuán)貢獻(xiàn)法等。量子化學(xué)法能夠?qū)γ恳环N化合物的電子結(jié)構(gòu)和立體結(jié)構(gòu)做出計(jì)算,與傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)相比,量子化學(xué)參數(shù)對(duì)化合物結(jié)構(gòu)的描述更加全面,物理意義更加明晰,該模型主要是由K amlet等14發(fā)展起來的線性溶解能相關(guān)(LSER理論,是線性自由能關(guān)系(LFER的一種。拓?fù)鋵W(xué)方法是拓?fù)鋮?shù)直接產(chǎn)生于化合物的分子結(jié)構(gòu),從化合物分子結(jié)構(gòu)的直觀概念出發(fā)采用圖論的方法以

13、數(shù)量來表征分子結(jié)構(gòu),這些拓?fù)鋮?shù)可以反映分子中鍵的性質(zhì)、原子間的結(jié)合順序、分支的多少及分子的形狀等拓?fù)湫畔?根據(jù)這些信息可以推測(cè)出分子的某些性質(zhì)、活性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法不同于多元線性回歸分析和最小二乘法,對(duì)非線性問題具有強(qiáng)大的處理能力,該模型能自動(dòng)逼近最佳樣本數(shù)據(jù)規(guī)律的函數(shù)。基團(tuán)貢獻(xiàn)法是假定不同分子或混合物中同一基團(tuán)的貢獻(xiàn)完全相同,把純物質(zhì)和混合物的性質(zhì)看成是構(gòu)成它們的基團(tuán)對(duì)此性質(zhì)的加和。因此,根據(jù)基團(tuán)貢獻(xiàn)的參數(shù),就可以預(yù)測(cè)包括這些基團(tuán)的大量純物質(zhì)和混合物的性質(zhì)。3離子液體的Q SPRQ SAR研究目前,在離子液體研究、開發(fā)和應(yīng)用的過程中,也積累了有關(guān)其性質(zhì)與活性的大量參數(shù),并且利用熱力學(xué)函數(shù)及相關(guān)

14、數(shù)據(jù)和其他大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在離子液體的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、應(yīng)用性能及某些特殊性質(zhì)之間,建立了一些構(gòu)效關(guān)系。QSPRQS AR研究也取得了一定的進(jìn)展,已經(jīng)由預(yù)測(cè)離子液體的熔點(diǎn)(Tm、有機(jī)化合物在離子液體中的無限稀釋活度系數(shù)(i擴(kuò)展到界面張力(、有機(jī)物在離子液體中的Ostwald溶解系數(shù)(log L和分配系數(shù)(log P、電導(dǎo)率3771第9期鄭燕升等離子液體的QSPRQS AR研究(、黏度(以及生物毒性(lgEC50等。3.1熔點(diǎn)(T m與分子結(jié)構(gòu)的定量相關(guān)研究離子液體作為一種特殊的反應(yīng)介質(zhì),熔點(diǎn)是決定其使用的溫度下限,是界定、研究離子液體及其使用過程的一個(gè)重要參考指標(biāo),是其內(nèi)部陰陽離子微觀結(jié)構(gòu)及陰陽離子相

15、互作用強(qiáng)弱的外在表現(xiàn),也是決定離子液體實(shí)際應(yīng)用和工業(yè)化進(jìn)程的主要因素之一。離子液體的熔點(diǎn)主要受到陰陽離子對(duì)稱性、體積大小、電荷分散程度等因素的影響,因此,從分子結(jié)構(gòu)角度考察離子液體分子結(jié)構(gòu)與熔點(diǎn)之間的構(gòu)效關(guān)系,對(duì)離子液體的設(shè)計(jì)合成及其在化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用有重要的指導(dǎo)作用。K atritzky等15,16對(duì)104種咪唑類、苯并咪唑類以及吡啶類溴化物的熔點(diǎn)進(jìn)行了QSPR研究。根據(jù)取代基的不同把該類物質(zhì)分為4組,根據(jù)熔點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了4個(gè)經(jīng)驗(yàn)方程,例如,當(dāng)R1為烷基時(shí),該組57個(gè)物質(zhì)的熔點(diǎn)可用五參數(shù)方程(式1進(jìn)行關(guān)聯(lián)和預(yù)測(cè)。T m(=-(62.02±6.16E H OM O2LUM O+(9

16、6.58±14.68J+(1482.1±232.1P+ (667.4±141.7Q max,N-(8.17±1.89E max,e-n,C+ (9.54±3.56(1式中,EH OM O2LUM O為分子的最高占據(jù)軌道與最低未占軌道的能差,用于估計(jì)該類物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)活性和活化能;J為Balanban指數(shù),該拓?fù)渲笖?shù)用于描述分子中原子的連接度;P為最低原子軌道的電子分布數(shù),與分子的親核性質(zhì)有關(guān);Qmax,N為氮原子上的最大部分電荷;Emax,e2n,C為碳原子中電子與原子核之間的最大吸引能。該方程可以預(yù)測(cè)屬于同類同組未知物質(zhì)的熔點(diǎn),這些與分子的構(gòu)

17、成、拓?fù)洹㈧o電等有關(guān)的結(jié)構(gòu)和能量參數(shù)均由C ODESS A商用程序計(jì)算給出。研究結(jié)果表明,基于C ODESS A軟件開發(fā)的QSPR模型可以較好地預(yù)測(cè)離子液體的熔點(diǎn)。E ike等17對(duì)基于烷基取代的吡啶類和季銨陽離子類的溴化物熔點(diǎn)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)。陽離子的幾何結(jié)構(gòu)用Cerius2軟件進(jìn)行優(yōu)化,然后用MOPAC軟件PM3方法進(jìn)行二次優(yōu)化,關(guān)聯(lián)模型用G FA(genetic function approximation獲得,模型中主要涉及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)描述符和靜電描述符。陽離子的拓?fù)?、電荷、電子等參?shù)采用Cerius2軟件中QSPR模塊計(jì)算,得到關(guān)聯(lián)模型。如對(duì)126個(gè)N2烷基吡啶溴化物熔點(diǎn)可用五參數(shù)方程(式2進(jìn)

18、行關(guān)聯(lián)和預(yù)測(cè)。Tm (=125.846+0.5773446PNSA2-2273.22FNSA3-104.034BIC+254.703RNCG-74.3734RPCS(2式中,PNS A2、FNS A3、RNCG和RPCS為與帶電表面積分?jǐn)?shù)有關(guān)的參數(shù),BIC為成鍵參數(shù)。Sun等18對(duì)雙取代咪唑四氟硼酸鹽和雙取代咪唑六氟磷酸鹽的熔點(diǎn)進(jìn)行QSPR方法研究,陽離子的構(gòu)型用半經(jīng)驗(yàn)量子化學(xué)計(jì)算方法(AM1進(jìn)行優(yōu)化,用C ODESS A中最佳多元線性回歸法(BM LR尋找最佳的回歸模型。根據(jù)相關(guān)系數(shù)、F檢驗(yàn)值、交叉驗(yàn)證相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差篩選得到最優(yōu)的多元線性回歸方程:A組三參數(shù)模型(式3和B組六參數(shù)模型(式4

19、。T m(K=-1704-2641.2E Onsager+16.146E min,e-e,CC+4.5854HDSA Q-C(3T m(K=-13936+22.418E min,e-e,C-C+819.81E max,R,C-H+8861.6q min,H-11.4RNCS Q-C+2410.8P N-299.01BC max,M O(4式中,H DS AQC為氫鍵給予體的表面積;E min,e-e,CC為碳碳鍵最小電子排能;EOnsager為以O(shè)nsager2K irkw ood為模型的溶劑化能;E max,R,CH為碳?xì)滏I間的最大振動(dòng)能;qmin,H為氫原子的最小局部電荷;RNCS QC為

20、相對(duì)負(fù)電荷的表面積;P N是氮原子的最大鍵級(jí);BCmax,M O表示分子軌道的最大成鍵貢獻(xiàn)。T rohalaki等19對(duì)13個(gè)烷基取代三唑基溴和13個(gè)三唑基硝酸鹽的熔點(diǎn)進(jìn)行了關(guān)聯(lián),基于G aussian98RHF方法6231G33優(yōu)化陽離子的幾何構(gòu)型,并采用C ODESS A中的啟發(fā)式算法得到QSPR關(guān)聯(lián)模型,相關(guān)系數(shù)R2為01914,交叉驗(yàn)證系數(shù)R2cv為01784。最近Carrera等20采用逆?zhèn)鬟f類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(counter2propagation neural netw ork,CPG NN對(duì)胍類陽離子和Cl-、BPh4-、Br-、I-4種陰離子組成的101個(gè)離子液體進(jìn)行了QSPR研

21、究,在全部的數(shù)據(jù)中對(duì)訓(xùn)練組數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)組數(shù)據(jù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián),BPh4-胍類離子液體和I-胍類離子液體具有較好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)R2分別為0.8653和0.8145,吻合程度較好,表明該模型具有較好的預(yù)測(cè)性能。在上述的研究中,建立關(guān)聯(lián)式的精度只能認(rèn)為是半定量的,對(duì)于不同種類和組別的陽離子,需要采用不同的分子結(jié)構(gòu)參數(shù)和不同的計(jì)算方法軟件,如K atritzky等15,16和T rohalaki等19采用基于C ODESS A軟件開發(fā)的QSPR模型,E ike等17采用Cerius2軟件中QSPR模塊等,由于軟件的差異,因此選擇分子參4771化學(xué)進(jìn)展第21卷數(shù)的種類也不相同,但都能夠關(guān)聯(lián)到預(yù)測(cè)離子液體的熔

22、點(diǎn),見表1。表1不同QSPR研究方法得到的離子液體熔點(diǎn)參數(shù)比較T able1The com paris on of different QSPR parameters for melting points of I Lsstructure n R2F N P ref pyridinium brom ide1260.788373.24615 im idaz olium brom ide570.744229.67516 im idaz olium brom ide290.751713.93516 im idaz olium brom ide180.943277.53316 benzim idaz

23、olium brom ide450.689916.91516 tetraalkyl2amm onium brom ide750.775517 (n2hydroxyalkyl2trialkyl2amm onium brom ide340.716517 disubstituted im idaz olium tetrafluoroborate160.904737.99318 disubstituted im idaz olium hexafluorophosphate250.920734.85618 12substituted42am ino21,2,42triaz olium brom ide1

24、30.91431.9319 12substituted42am ino21,2,42triaz olium nitrate130.93341.5319 (n is the number of structures,R2is the squared correlation coefficient,F is the F2criterion value,and N p is the number of parameters3.2無限稀釋活度系數(shù)(i與分子結(jié)構(gòu)的定量相關(guān)研究離子液體作為一種溶劑,了解其與溶質(zhì)分子之間的相互作用是至關(guān)重要的,而溶質(zhì)的無限稀釋活度系數(shù)(i正是反映了溶劑與溶質(zhì)相互作用對(duì)溶液非

25、理想性的貢獻(xiàn)。因此,i是作為微量成分分離、液2液平衡、萃取精餾以及氣體的溶解等溶劑篩選的重要參數(shù),對(duì)其測(cè)定、關(guān)聯(lián)和預(yù)測(cè)極有意義21。對(duì)常見的有機(jī)非電解質(zhì)體系,UNIFAC基團(tuán)貢獻(xiàn)法等可以預(yù)測(cè)活度因子,但離子液體的陰陽離子是靠多個(gè)氫鍵結(jié)合,而且缺乏相應(yīng)的基團(tuán)參數(shù),需要尋找新的預(yù)測(cè)方法。Diedenhofen等22開發(fā)了基于量子化學(xué)計(jì)算的軟件C OS MO2RS,對(duì)文獻(xiàn)測(cè)定的溶質(zhì)在離子液體中的無限稀釋活度系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè),該研究對(duì)38個(gè)有機(jī)溶質(zhì)分子在三種離子液體中無限稀釋活度系數(shù)的計(jì)算表明,盡管C OS MO2RS模型是針對(duì)中性溶劑體系而開發(fā)的,但它同樣適用于多種離子液體中無限稀釋活度系數(shù)的預(yù)測(cè),在不

26、對(duì)理論參數(shù)做任何調(diào)整的情況下,其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度與通常的有機(jī)溶劑體系相同。E ike等23建立了有機(jī)溶質(zhì)在離子液體中的QSPR模型,選取疏水性參數(shù)lg P、氫鍵個(gè)數(shù)等4個(gè)溶質(zhì)結(jié)構(gòu)描述符,對(duì)Diedenhofen等22研究的38個(gè)溶質(zhì)分子在bm pyBF4、emimNT f2、emmimNT f2三種離子液體和298K條件下的無限稀釋活度系數(shù)重新進(jìn)行了關(guān)聯(lián)和預(yù)測(cè),結(jié)果計(jì)算精度優(yōu)于C OS MO2RS 方法,相關(guān)系數(shù)R2為01900199。其關(guān)聯(lián)方程分別為式57。lni=0.90897+1.09794lg K ow-0.019395Hbonds-0.063367WNSA1-0.10684S aaCH(5

27、 lni=0.112755+1.071lg K ow+0.457946Hbonds-0.047271WNSA1-0.094863S aaCH(6 lni=0.245454+1.02878lg K ow+0.627051Hbonds-0.046383WNSA1-0.104532S aaCH(7式中l(wèi)g Kow為辛醇2水分配系數(shù);Hbonds為溶質(zhì)分子中氫鍵授體的數(shù)目;W NS A1為帶負(fù)電表面占總表面積的分?jǐn)?shù);SaaCH表示與一個(gè)氫和兩個(gè)芳香環(huán)鍵相連的碳原子電子拓?fù)鋺B(tài)值的和。Zhu等24采用PM3半經(jīng)驗(yàn)量子化學(xué)方法,計(jì)算得到烴類溶質(zhì)的疏水性參數(shù)、偶極矩、前線分子軌道能隙和水合能等結(jié)構(gòu)描述符,建立

28、起298K時(shí)烴類分別在C4mimPF6、amimBF4、m pmimBF4、m pmimBF42AgBF4等4種離子液體中無限稀釋活度系數(shù)的QSPR模型,模型具有良好的關(guān)聯(lián)和預(yù)測(cè)功能,相關(guān)系數(shù)R2>0195,其關(guān)聯(lián)方程分別為式811。lni=2.6982+0.29061lg P-0.43135-0.19636+0.32404H(8lni=4.0387+0.10304lg P-0.10520-0.17858+0.28811H(9lni=4.0502+0.14455lg P-0.18530-0.17060+0.26315H(10lni=4.9945+0.050138lg P-0.22028-

29、0.30101+0.38497H(115771第9期鄭燕升等離子液體的QSPRQS AR研究式中4個(gè)描述符lg P為疏水性參數(shù);為偶極矩;為前線分子軌道能隙;H為水合能。在檢驗(yàn)該模型預(yù)測(cè)功能時(shí),他們選取庚烷、反2 32己烯、間二甲苯和乙苯4種不同種類溶質(zhì)作預(yù)測(cè)集,用剩余溶質(zhì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作訓(xùn)練集進(jìn)行關(guān)聯(lián),然后對(duì)取出的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè),結(jié)果在4種離子液體中無限稀釋活度系數(shù)的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值比較吻合。此外,還利用該模型的4個(gè)描述符對(duì)烴類溶質(zhì)在42甲基2n2丁基吡啶四氟硼酸鹽、C1mim (CF3S O22N、C6mimPF6、C6mimBF4、C8mimCl離子液體中無限稀釋活度系數(shù)的QSPR 關(guān)聯(lián),相關(guān)

30、系數(shù)R2均在0198以上。因此,該研究提出的4個(gè)QSPR模型的描述符可以較好地反映各類離子液體和極性溶劑與烴類溶質(zhì)間的相互作用。T mm等25對(duì)38個(gè)有機(jī)化合物在313K和343K 兩個(gè)不同溫度時(shí),分別在bm pyBF4、em2im NT f2和emimNT f2三種離子液體中的無限稀釋活度系數(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè),采用C ODESS A2Pro程序和0CIC、FNS A22、H2donors三參數(shù)模型,該模型的描述符涉及到有機(jī)化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)和在離子液體中的溶解機(jī)理、模型及其預(yù)測(cè)精度(見表2,相關(guān)系數(shù)R2為0194301966,預(yù)測(cè)的可靠性和穩(wěn)定性較好。表2lni的三參數(shù)QSPR模型25T able2T

31、hree2parameter QSPR m odels for the lni25descriptors coefficient statistical parameterequation I Ls T(Kintercept0CIC FNS A22H2donor R2R2cv s1bm pyBF43130.8210.043 5.235-0.0830.9660.9570.308 2bm pyBF43430.7190.042 4.569-0.1010.9660.9570.298 3em imN(T f23130.5890.037 5.182-0.0570.9430.9320.349 4em imN

32、(T f23430.4750.035 4.444-0.0740.9450.9320.327 5em2imN(T f23130.7080.036 5.367-0.0360.9450.9330.332 6em2imN(T f23430.5450.034 4.545-0.0560.9460.9330.311 (R2:squared correlation coefficient;R2cv:squared cross2validated correlation coefficient;s:standard error3.3界面張力(與分子結(jié)構(gòu)的定量相關(guān)研究界面張力是液體界面性質(zhì)的重要參數(shù),對(duì)認(rèn)識(shí)界面結(jié)

33、構(gòu)、界面分子的相互作用等具有重要意義。界面張力是由于界面分子處于不對(duì)稱力場(chǎng)產(chǎn)生的,分子主體間相互作用與分子界面上相互作用力差異越大,界面張力越大。Huddleston等26首先報(bào)道了C n mimPF6、C n mimTFSI離子液體中側(cè)鏈碳原子數(shù)對(duì)表面張力的影響,隨著碳原子數(shù)增加,表面張力減小。Zhu等24選用無限稀釋活度因子QSPR 模型使用的疏水性參數(shù)lg P、偶極矩參數(shù)和水合能參數(shù)H等3個(gè)結(jié)構(gòu)描述符關(guān)聯(lián)界面張力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(見式12,關(guān)聯(lián)結(jié)果較好,相關(guān)系數(shù)R2為0197, F分布值為89。=8.8243- 1.4809lg P- 2.2133+0.97967H(12G ardas等27對(duì)離

34、子液體的界面張力進(jìn)行了QSPR相關(guān),研究分別采用與密度和分子體積兩種關(guān)聯(lián)式模型,界面張力與密度和分子體積的關(guān)聯(lián)式分別為式13和式14。=P chM w4(13=dV23(14式中,Pch為等張比容;為密度;Mw為摩爾質(zhì)量;V 為分子體積,d為與溫度有關(guān)的常數(shù)。利用式13對(duì)咪唑型陽離子和BF4-、PF6-、T f2N-、T fO-、MeS O4-、E tS O4-、Cl-、I-、I3-、AlCl4-、FeCl4-、G aCl4-、InCl4-陰離子組成的38種離子液體共計(jì)361個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)測(cè),MPD(mean percent deviation為5175%。在298115K時(shí)利用式14對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)

35、據(jù)進(jìn)行相關(guān),常數(shù)d=2147.761±181277(mNm-1!2,在該條件下,對(duì)咪唑型陽離子和BF4-、PF6-、T f2N-、T fO-、MeS O4-、E tS O4-、Cl-和I-陰離子組成的22種離子液體共計(jì)47個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)測(cè),MPD為4150%。同時(shí)還把兩個(gè)模型預(yù)測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)值進(jìn)行了比較(見表3,結(jié)果表明,該模型能預(yù)測(cè)咪唑型離子液體的界面張力。6771化學(xué)進(jìn)展第21卷表3298.15K時(shí)咪唑型離子液體的界面張力預(yù)測(cè)結(jié)果比較27T able3Prediction of sur face tensions of imidazolium based ionic liquids

36、 using eq.(14and using estimated parachor in eq.(13 along with literature values at298115K27ionic liquid surface tension(m Nm-1predicted usingeq.(14predicted usingeq.(13literature value(in rangeC4m imBF446.845.342.946.6C4m imPF643.742.942.748.8C6m imPF639.539.937.143.4C8m imPF636.237.835.4336.5C2m i

37、mE tS O445.344.246.9648.79 C2m imT f2N37.738.736.6739.40 C3m imT f2N36.137.834.5538.25 C4m imT f2N34.736.933.2037.50 C5m imT f2N33.536.232.6436.59 C6m imT f2N32.335.532.0235.60 C7m imT f2N31.234.931.4631.613.4電導(dǎo)率(和黏度(與分子結(jié)構(gòu)的定量相關(guān)研究離子液體具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能,常溫下導(dǎo)電系數(shù)在10-1-1m-1級(jí)。影響離子液體導(dǎo)電性的主要因素有液體密度、相對(duì)分子量、黏度、離子大小等28。因

38、此,預(yù)測(cè)各種因素對(duì)離子液體的導(dǎo)電性影響是比較困難的。但在較寬的范圍內(nèi),離子液體的導(dǎo)電性與黏度有一定關(guān)系,導(dǎo)電性與黏度之間呈反比,黏度越大,導(dǎo)電性越差。Bonhte等28建立了離子液體電導(dǎo)率與水力學(xué)半徑以及其他物理參數(shù)的關(guān)系:=y F2d(6NAFW(a r a-1+c r c-1(15式中,y為電離度,F為Farady常數(shù)?？梢钥闯鲭x子液體和電導(dǎo)率(與其密度(d、相對(duì)分子質(zhì)量(FW、黏度(、水力學(xué)半徑(r以及考慮自由離子間相互作用的校正因子(等因素有關(guān)。Matsuda等29應(yīng)用基團(tuán)貢獻(xiàn)法對(duì)離子液體的電導(dǎo)率(和黏度(進(jìn)行了QSPR關(guān)聯(lián),該模型中離子液體結(jié)構(gòu)對(duì)電導(dǎo)率(和黏度(的貢獻(xiàn)主要是陽離子、烷

39、基鏈、其它側(cè)鏈和陰離子等,關(guān)聯(lián)式見式16。(log=C+C1(C2T Ref+ 1×6i C cation,i X cation,i +1×6i C R,i X R,i+ 1×6i C other,i X other,i +1×6i C anion,i X anion,i+1(16式中,“1”是指用以替代的離子液體中結(jié)構(gòu)組成要素,如Xcation,i、X other,i、X R,i、X anion,i等,C0、C1、C2、C cation,i、C R,i、C other,i、C anion,i、為利用遺傳函數(shù)近似法計(jì)算所對(duì)應(yīng)的參數(shù),TRef為溫度。依據(jù)該

40、模型,分別對(duì)由6種陽離子、15種陰離子和5種其他側(cè)鏈組成的離子液體電導(dǎo)率(和黏度(進(jìn)行了預(yù)測(cè),溫度范圍-3570,結(jié)果見圖2 和圖3,相關(guān)系數(shù)R2分別為019048和018971。圖2離子液體電導(dǎo)率預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的比較29 Fig.2C om paris ons between experimental and calculated ionicconductivities of I ls29圖3離子液體黏度預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的比較29Fig.3C om paris ons between experimental and calculatedviscosities of I ls293.5溶解

41、系數(shù)(log L和分配系數(shù)(log P與分子結(jié)構(gòu)的定量相關(guān)研究溶解性和溶解能力是作為反應(yīng)介質(zhì)的又一重要參數(shù),離子液體可通過選擇不同的陰陽離子調(diào)節(jié)其溶解性和溶解能力,這一點(diǎn)是特別值得關(guān)注的。最近,K atritzky等30基于C ODESS A2Pro的最佳多元線性回歸(best multilinear regression,BM LR程序?qū)?2個(gè)有機(jī)化合物分別在m oimBF4、mbim PF6、mbpyBF4、meimT f2N、m2eimT f2N、mbimT f2N、mhimT f2N、m3bam T f2N8個(gè)離子液體中的溶解系數(shù)(log L和分配系數(shù)(log P進(jìn)行QSPR關(guān)聯(lián),該模

42、型共選用了16個(gè)描述符,其中包括電子參數(shù)(d3、d4、d6、d7、d8、d22、d26和d27;空間參數(shù)(d5、d24;拓?fù)鋮?shù)(d14、d25;量子化學(xué)參數(shù)(d17、d18、d19和d28。在每一體系中與之重要相關(guān)的描述符為24個(gè),因此,模型采用24個(gè)參數(shù)時(shí),線性相關(guān)和穩(wěn)定性較好,相關(guān)系數(shù)R2在0.9130.992,結(jié)果見表4和表5。表4溶解系數(shù)(log LBM LR預(yù)測(cè)模型的統(tǒng)計(jì)參數(shù)30T able4S tatistical parameters for BM LR m odels of Ostwald s olubility coefficient(log L30property BM

43、LR equation n k R2R2cv F s2m oimBF4log L=-(31856±01242-(010045±010001d24+(11918±010701d7+(01861±01050d19-(010091±010045d2648401981019755601601014mbimPF6log L=-(51039±01368-(11051±01074d22+(11144±01088d19+(010076±010009d28-(211495±41145d27324019510193

44、61301201065mbpyBF4log L=-(01511±01213-(21043±01136d7+(010059±010006d24+(016809±010951d25-(21787±015498d43840191901878931301069mhimT f2Nlog L=-(41918±01334+(010018±010001d5-(01910±01053d17+(01133±01011d3+(01202±01019d660401950019372591301032m3bamT f2N

45、log L=-(41609±01297-(010018±010001d5+(01404±01204d18+(11220±01081d7-(01107±01009d349401965019483051501024meimT f2Nlog L=-(01968±01296-(01851±01040d22+(01898±01049d14+(013850±01229d8-(01209±01029d1852401978019715151901036m2eimT f2Nlog L=-(01445±0

46、1176+(11763±01113d7+(010051±010004d24-(31265±01455d4-(01511±01079d2538401934019011171001048mbimT f2Nlog L=-(41192±01176+(010022±0100004d5+(11534±0152d7+(11031±01042d19-(01248±01028d22574019920199016131201012 n:number of data points,k:number of descriptors

47、,R2:squared correlation coefficient,R2cv:cross validated squared correlation coefficient,F:Fisher ratio,s2: squared standard deviation表5分配系數(shù)(log PBM LR預(yù)測(cè)模型的統(tǒng)計(jì)參數(shù)30T able5S tatistical parameters for BM LR m odels of partition coefficient(log P30property BM LR equation n k R2R2cv F s2 m oimBF4log P=(21

48、213±01111-(221638±01605d12+(01031±01001d2472019820197911821701075 mbimPF6log P=(11060±01309-(181672±11418d15+(01071±01010d1230201913018961411001218 mbpyBF4log P=(11891±01116-(211264±01564d12+(01027±01002d238201978019737681801058 mhimT f2Nlog P=(11121±

49、;01155-(171194±01700d12+(01105±01005d1160201965019617851801123 m3bamT f2Nlog P=(21064±01097-(231188±01518d12+(01027±01001d2482019850198214721101056 meimT f2Nlog P=-(11335±01255-(131899±01673d12+(01015±01001d1652201951019454781801106 m2eimT f2Nlog P=(11823±

50、;01118-(221548±01577d12+(01031±01002d238201980019758361301061 mbimT f2Nlog P=(01446±01092-(01162±01004d20+(151565±01429d12562019870198620081501043 n:number of data points,k:number of descriptors,R2:squared correlation coefficient,R2cv:cross validated squared correlation coef

51、ficient,F:Fisher ratio,s2: squared standard deviation3.6離子液體的毒性與分子結(jié)構(gòu)的定量相關(guān)研究離子液體因其熱穩(wěn)定性好、液程較寬,在使用過程中不會(huì)形成揮發(fā)性有機(jī)物而被稱為“綠色介質(zhì)”;但離子液體本身并非“綠色產(chǎn)品”,即某些離子液體甚至是有毒的。有關(guān)離子液體毒性方面的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于物化性質(zhì)及應(yīng)用研究,只有少量報(bào)道3137。至于離子液體毒性QSPRQS AR方面的研究則更少,直到近年才有報(bào)道38,39。C ouling等38利用相關(guān)文獻(xiàn)中已報(bào)道的毒性數(shù)據(jù),采用QS AR模型將不同類型離子液體的結(jié)構(gòu)與毒性相關(guān)聯(lián),并預(yù)測(cè)了不同離子液體對(duì)V .fis

52、cheri 和 D .magna 的毒性。該模型中物質(zhì)結(jié)構(gòu)方面主要包括以下幾類描述符:電子參數(shù)、空間參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、熱力學(xué)參數(shù)、拓?fù)鋮?shù)。將這些參數(shù)關(guān)聯(lián)后,可用三類變量表征物質(zhì)結(jié)構(gòu):電子拓?fù)錉顟B(tài)(E 2state ,S i 、溶劑可通過表面積(S AS A 和屏蔽參數(shù)(Shadow 2。電子拓?fù)錉顟B(tài)代表分子中每個(gè)原子的靜電和空間位置的影響,用s 表示;Shadow 2與分子的構(gòu)象和分子的方向有關(guān);S AS A 是與電荷加權(quán)部分表面積相關(guān)的一類參量。以遺傳函數(shù)近似法將上述三類變量與毒性試驗(yàn)得到的離子液體對(duì)V .fischeri 和D .magna 的毒性數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián),得到兩個(gè)方程可分別用于預(yù)測(cè)各種

53、離子液體對(duì)V .fischeri 和D .magna 的毒性。離子液體的結(jié)構(gòu)變量與離子液體對(duì)V .fischeri 和D .magna 的log (EC 關(guān)系方程分別為式17,式18,預(yù)測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)報(bào)道的毒性數(shù)據(jù)相關(guān)性見圖4和圖5。logEC 50mm ol L -1=0.885055+1.90609RNCG-3.81771Shadow 2-1.13277RPCG 3(17logEC 50mm ol L-1=1.37806- 3.62486DPSA 3-1.50205S aasN -1.54858S aaCH (18 圖4不同離子液體對(duì)V .fischeri 毒性logEC 50預(yù)測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)

54、值比較38Fig.4Predicted versus measured logEC 50of different ionic liquids for V .fischeri38通過對(duì)V .fischeri 和D .magna 的毒性預(yù)測(cè),相關(guān)系數(shù)R 2分別為0.782和0.862,表明該模型計(jì)算得到的離子液體毒性值與毒性試驗(yàn)得到的值基本一致,采用該模型預(yù)測(cè)離子液體毒性是可靠的。方程式中Shadow 2與陽離子大小相關(guān),而系數(shù)為負(fù)則表明陽離子取代基碳鏈長(zhǎng)、對(duì)稱較差的I Ls 對(duì)V .fischeri 的毒性較強(qiáng)。RNCG為陽離子上的相對(duì)負(fù)圖5不同離子液體對(duì)D .magna 毒性log LC 50

55、預(yù)測(cè)結(jié)果與文獻(xiàn)值比較38Fig.5Predicted versus measured values of log LC 50of different ionic liquids for D .magna38電荷,系數(shù)為正,這表明離子液體的毒性隨陽離子上負(fù)價(jià)原子的增加而降低。DPS A 3與陽離子上取代烷基的碳鏈長(zhǎng)度相關(guān),其值隨碳鏈長(zhǎng)度的增加而增加,又因其系數(shù)為負(fù),故離子液體的毒性隨陽離子上取代基長(zhǎng)度的增加而增加,該規(guī)律與毒性試驗(yàn)觀測(cè)到的結(jié)果相一致。總之,該QSPR 研究得到的離子液體的毒性規(guī)律與毒性試驗(yàn)結(jié)果基本一致,即陽離子對(duì)離子液體毒性具有決定性作用,而陰離子對(duì)毒性只起次要作用。Luis 等

56、39根據(jù)基團(tuán)貢獻(xiàn)方法,對(duì)43個(gè)不同類型離子液體的結(jié)構(gòu)與毒性進(jìn)行了QS AR 關(guān)聯(lián),并假定離子液體的毒性主要取決于三個(gè)主要的貢獻(xiàn):陰離子(A 、陽離子(C 和取代基(S 。這些離子液體結(jié)構(gòu)陰離子為:BF 4-、PF 6-、Cl -、CH 3S O 4-、Br -、N (C N 22-、C 2H 5S O 4-;陽離子為:咪唑陽離子、吡啶陽離子和吡咯啉陽離子;取代基有長(zhǎng)烷基鏈(R 短烷基鏈(R 1、R 2,其結(jié)構(gòu)見圖6。圖6離子液體結(jié)構(gòu)示意圖39Fig.6S tructural representations of the ionic liquids used in the group contribution method39離子液體的基團(tuán)貢獻(xiàn)與離子液體對(duì)V .fischeri 的log (EC 50關(guān)聯(lián)式