PBBs分子多光譜效應3D-QSAR模型構建及其在分子修飾中的應用

楊璐澤，劉 淼

吉林大學新能源與環境學院，吉林 長春 130012

引 言

多溴聯苯(PBBs)是一類溴系阻燃劑，其中PBB-153分子被列為持久性有機污染物[1]。研究者從大氣[2]、地表水[3]、土壤[4]等環境基質，以及人血清[5-6]、鳥類[7]、魚類[8]等生物體中均檢測到了PBBs，濃度范圍為0.024～6 800 ng·g-1。

紅外光譜具有儀器操作簡單、無二次污染等優點；紫外光譜具有檢測迅速、能夠在線監測等優點。環境中PBBs多為痕量，目前的光譜檢出限較高，如紅外檢測限為1%，無法滿足對PBBs準確的測定。研究紅外和紫外光譜強度可以分析PBBs的檢測難易程度，但單一的光譜數據無法實現雙光譜效應的綜合分析。

計算部分PBBs分子的紅外和紫外光譜，嘗試構建兼具兩種光譜效應的PBBsCoMFA模型并設計光譜檢出能力增強的PBBs衍生物，為其他污染物光譜檢測綜合評價提供思路。

1 實驗部分

1.1 基于高斯計算的PBBs紅外和紫外光譜檢測性分析

利用Gaussian 09軟件[9]在B3PW91/6-31G*水平基于密度泛函和含時密度泛函理論分別計算16個PBBs分子的紅外光譜和紫外光譜，獲取分子最高紅外振動和紫外吸收強度，以評價PBBs的環境檢出性。

1.2 基于功效系數評價法的PBBs多光譜效應綜合評價體系

功效系數法首先對評價指標進行無量綱化處理，賦予各評價指標權數，求出加權線性綜合值，公式見式(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度)，xmin和xmax分別為i光譜強度最小值和最大值，Fi為i光譜無量綱化處理的數值，F為兩種光譜加權后的的綜合值。

1.3 兼具雙光譜效應的PBBs CoMFA模型構建

在Sybyl-x2.0軟件中畫出PBBs的分子結構，再應用其中的Minimize模塊將所有分子優化為最穩定結構。以3∶1比例[10-12]隨機選擇12個PBBs分子為訓練集，其余為測試集，構建PBBs雙光譜效應的CoMFA模型。

1.4 基于高斯計算的PBBs衍生物穩定性、功能性評價

利用Gaussian 09軟件在B3PW91/6-31G*水平基于密度泛函理論計算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評價PBBs衍生物的穩定性，正頻為正數，說明分子可以在環境中存在；ΔG為負值說明衍生物合成反應可以自發進行。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 結果與討論

2.1 兼具雙光譜效應的PBBsCoMFA模型構建及分析

2.1.1 PBBs雙光譜效應CoMFA模型構建

2.1.2 PBBs雙光譜效應CoMFA模型三維等勢圖分析

以目標分子PBB-153(圖1)為例，分析PBBs雙光譜效應CoMFA模型的三維等勢圖(圖2)。三維等勢圖靜電場(a)和立體場(b)中，在藍色區域和綠色區域內引入正電性大和體積大的基團、在紅色區域和黃色區域內引入負電性大和體積小的基團會增強相應的性質[14]。圖2中，藍色分布在3，3’和6’號取代基末端，紅色分布在4和5號取代基末端；綠色分布在4和5號取代基末端，黃色分布在3’號取代基附近。結合等勢圖選擇負電性強、體積大的基團修飾目標分子4和5號位點。

圖1 PBB-153分子結構圖Fig.1 Molecular structure of PBB-153

圖2 CoMFA靜電場(a)、立體場(b)三維等勢圖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衍生物設計及評價

2.2.1 PBB-153衍生物設計及雙光譜綜合檢出能力預測

根據雙光譜效應CoMFA模型三維等勢圖，對PBB-153分子進行取代修飾，設計了7個PBB-153衍生物，預測衍生物的雙光譜綜合效應值(表1)，衍生物綜合效應值增加范圍為10.15%～29.12%，綜合效應值升高的衍生物4、5號位點取代基團與Br原子相比均具有更高的負電性和體積，符合三維等勢圖信息。

表1 PBB-153衍生物雙光譜效應預測值和變化比率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衍生物環境穩定性和功能性評價

PBB-153衍生物的環境穩定性和功能性評價參數值列于表2。7個衍生物的ΔG均小于0，正頻均為正數。衍生物C-Br鍵解離焓較目標分子變化較小，保留了目標分子的阻燃特性，說明所設計的衍生物均具有良好的環境穩定性和功能性。

表2 PBB-153衍生物穩定性和功能性評價Table 2 Stability and functional evaluation of PBB-153 derivatives

2.2.3 高光譜檢出效應PBB-153衍生物環境友好性評價

利用EPIWEB數據庫[15]預測PBB-153衍生物的POPs參數(表3)。生物降解性是評估污染物環境持久性的重要依據[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分子；衍生物logt1/2(air)變化比率范圍為-64.22%～-26.93%，所設計的衍生物在空氣中的半衰期均低于目標分子；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境友好性。

表3 PBB-153衍生物環境友好性評價參數Table 3 Environmental friendliness parameters of PBB-153 derivatives

2.3 PBBs雙光譜效應CoMFA模型驗證

2.3.1 基于紅外、紫外單光譜效應預測值的CoMFA模型驗證

建立紅外和紫外單光譜效應CoMFA模型并預測PBB-153衍生物的紅外和紫外單光譜效應值(表4)。衍生物的最高紅外和紫外強度均上升，說明所建立的雙光譜CoMFA模型可有效實現紅外振動和紫外吸收強度增強的PBBs衍生物設計。4號衍生物兩種光譜變化比率為0.79，接近模型所設置的權重1∶1，說明所構建雙光譜CoMFA模型具有一定的準確性。

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

2.3.2 基于紅外、紫外單光譜效應三維等勢圖的CoMFA模型可靠性分析

為驗證雙光譜效應CoMFA模型是否涵蓋了兩種單光譜效應特性，表5列出了PBB-153分子光譜雙效應與單效應模型的三維等勢圖。紫外單光譜效應模型立體場等勢圖中綠色區域主要分布于4，5，4’，5’位點，與雙光譜模型等勢圖一致，而紅外單光譜效應模型立體場全部位點均處于黃色區域內。比較雙光譜效應和單光譜效應靜電場等勢圖可發現，4號位點均處于紅色區域，雙光譜效應和紅外單光譜效應5號位點均處于紅色區域，三個模型的靜電場等勢圖具有一定的相似性。此外，三個模型立體場影響均低于靜電場，雙光譜效應CoMFA模型等勢圖基本包含了兩個單光譜效應模型等勢圖的信息，可為同時設計紅外振動、紫外吸收單光譜效應增強的衍生物提供方案，具有一定的可靠性。

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

3 結 論

構建了兼具紅外振動、紫外吸收雙光譜效應的CoMFA模型，成功設計并篩選了7個雙光譜強度上升、環境穩定、功能性良好同時環境友好性改善的PBB-153衍生物，提升了PBBs的檢出靈敏度，為污染物多光譜檢測和分子修飾提供研究思路。