定量结构-活性／性质相关(Quantitative Structure-activity/property Relationship, QSAR/QSPR)是目前应用非常普遍的理论预测物质行为的一种研究方法。该方法是将理论或半经验计算方法结合数理统计手段,通过对化合物分子结构描述子与其理化性质(或生物活性等特性)之间的相关性建模,从而揭示影响化合物某种特性作用的结构因素,从分子水平认识和预测物质的微观结构对某一特性的影响。该方法在环境化学、药物化学、材料化学等与化学相关的领域得到了广泛地应用。本文应用定量结构-活性／性质相关(QSAR/QSPR)方法,采用某些物理意义明确、能较全面表征分子结构特征、计算简单且包含信息量大的2D和3D分子结构描述子,结合数理统计方法,开展了以下几方面的工作。(1)几种重要的有机污染物MEDV与其相关行为的相关性研究有机污染物的污染是制约人类生存和发展的重要环境问题。它们通过多种途径进入环境,对人类健康和生态平衡造成了严重的危害。为治理和生态环境风险评价,研究有机污染物的某些行为具有重要的意义。本工作基于原子的类型和属性提出的分子电性距离矢量(Molecular Electro-negativity Distance Vector based on 4 atomic types, MEDV),将其用于环境中有机污染物多氯代二苯并呋喃、多氯代苯并噻吩、多氯联苯、有机磷农药以及煤下游产品中稠环芳烃和硝基含能材料化合物的结构表征,并采用多元线性回归(Multivariate Linear Regression,MLR)和偏最小二乘回归(Partial Least Squares, PLS)建立了相应的QSPR模型,为环境中有机污染物的分离、迁移等方面的研究提供了理论指导。具体研究内容及结果分别简述如下：①多氯代二苯并呋喃MEDV与其光解行为的相关性研究对48种多氯代二苯并呋喃(Polychlorinated dibenzofurans,PCDFs)化合物的MEDV与其在云杉针叶和飞灰表面的光降解行为(光解半衰期t1/2)进行了QSPR研究,均获得由2个变量所建的QSPR模型：云杉针叶表面lgt1/2=1.166+0.034×M13+0.012×M23 n=37, m=2, R=0.826, SD=0.052, Rcv=0.797, SDcv=0.056, Qext=0.939飞灰表面lgt1/2=1.770-0.024×M12+0.022×M33 n=42, m=2, R=0.824, SD=0.046, Rcv=0.778, SDcv=0.051, Qext=0.853从模型可知,分子中第三类原子数目与其光解半衰期呈正相关,并且介质不同,PCDFs的光解速率也不同。②多氯代苯并噻吩MEDV与其GC保留时间的相关性研究对37种多氯代苯并噻吩(Polychlorinated benzothiophene, PCDTs)的MEDV与其气相色谱保留时间(RJ)进行了QSRR研究,并建立了如下模型：RI=-21.8121+5.8378×M13+2.3531×M23 n=31, m=2,R=0.9951, SD= 2.6938, Rcv=0.9942, SDCV= 2.9218, Q2ext=0.9839上述结果表明：所建模型不仅对内部样本具有很好的估计能力,对外部样本也有良好的预测能力；同时表明,分子中第三类原子数目增多,PCDTs类化合物RI加长。③多氯联苯类化合物MEDV与其若干行为的相关性研究通过研究多氯联苯(Polychlorinated Biphenyls,PCBs)类化合物的水溶性(LgSw)、土壤吸附性(LgKoc)、水溶液活度系数(LgYw)、总分子表面积(TSA)、色谱保留指数(RRI)、蒸发焓(△Hvap)6种不同理化性质与其MEDV之间的相关性,所建模型相关系数和留一法交互检验相关系数均介于0.90～0.99之间,说明模型稳定性和预测能力均很好,充分表明MEDV可以很好地表征PCBs类化合物的结构特征,其结果为该类化合物对环境影响的评价提供了非常重要的信息。④有机磷农药类化合物MEDV与其气相色谱保留值相关性研究对粮谷及油料中55种结构差异较大的有机磷农药类化合物的MEDV与其气相色谱保留值的相关性进行了研究,建立了2参数QSRR模型,并采用内部及外部双重验证的办法对所建模型稳定性能进行了分析和验证,结果表明MEDV可以恰当地表征有机磷农药的结构信息,所建的模型可以预测同类型农药的气相色谱保留值,也可以对没有标样的农药进行定性识别,实用价值较大。⑤稠环芳烃类化合物MEDV与其液相色谱保留值相关性研究对煤下游产品中稠环芳烃类化合物的MEDV与其液相色谱保留值的定量结构—性质关系,运用MLR和PLS建立了QSRR模型,建模相关系数、留一法交互检验相关系数和外部检验相关系数分别为0.9970,0.9950,0.9925(MLR)；0.9930,0.9790,0.9917(PLS)。说明MEDV能较好地表征该类分子结构信息,所建QSPR模型具有良好的稳定性和预测能力。对环境污染严重、毒性较大的稠环芳烃类化合物治理、分离、纯化、检测等方法的建立,提供有价值的理论参考。⑥硝基含能材料MEDV与其撞击感度相关性研究对硝基含能材料的MEDV与其撞击感度之间的相关性进行了研究,建立如下模型：1gH50=1.582+0.030M33-0.184M24-0.482M34+0.041M13 N=34 m=4 R=0.882 SD=0.290 RLOO=0.836 SDLOO=0.337从建模结果得出：分子结构中的第四种类型原子对撞击感度的影响相对较大,且呈负相关,其次是第三类原子有一定影响,且呈正相关。(2)几种药物3D-HoVAIF与其活性相关性研究基于原子间静电、立体和疏水三种非键作用方式提出的并具有物理意义明确、计算简单、可解释性强优点的三维全息原子场作用矢量(3D holographic vector of atomic interaction field,3D-HoVAIF),对均三氮苯类除草剂、苯砜基羧酸酯类化合物、磺胺类药物、香豆素类化合物和5’-甲硫腺苷核苷酶抑制剂的结构分别进行了表征,并采用MLR和PLS建立了相应的QSAR/QSPR模型。其结果为该类化合物的活性、毒性预测、作用机理探讨以及计算机辅助农药分子设计等提供了重要的理论依据。具体结果如下：①均三氮苯类除草剂3D-HoVAIF与其除草活性的相关性研究对30个均三氮苯类除草剂的3D-HoVAIF与其除草活性(PI50)关系进行了研究,建立了如下QSAR模型：PI50=0.754S2-6-0.517E2-10+0.714E3-4+0.854S2-2 N=25, R=0.897, SD=0.4702, Rcv=0.8179, SDcv=0.613, Qext=0.8558结果表明：3D-HoVAIF能较好地表征该类分子的结构信息,同时发现SP3杂化的C之间、SP2杂化的N与SP3杂化的C之间的立体相互作用,SP2杂化C与SP3杂化的N原子之间以及SP3杂化的C与X(卤素)之间的静电相互作用对该类化合物的除草活性相对影响较大,在母体结构均三氮苯不变的情况下,其环上烷烃取代基碳链越长,越利于其活性的提高,另外环上取代基为氨基时对其活性的提高仲氨强于叔氨。同时对位取代基的电负性越大,其活性越小。这一结论为合成均三氮苯类高效除草剂的设计提供了重要的理论依据。②苯砜基羧酸酯类化合物3D-HoVAIF与其发光菌急性毒性相关研究苯砜基羧酸酯类化合物是一类被广泛用作杀虫剂、除草剂和驱虫剂的含硫化合物,其独特的生物活性为人类做出了较大贡献,但其毒性对环境也造成了很大的负面影响。本工作采用3D-HoVAIF对56个苯砜基羧酸酯类化合物进行了结构表征,并建立了结构与其发光菌急性毒性之间的QSAR模型。其建模相关系数为0.9470,留一法交互检验相关系数为0.9176,该法预测其毒性的优点在于不需要提前对分子进行叠合操作；同时从所建模型得出了砜基与酯基之间的立体作用与急性毒性呈负相关。这一结论为深入研究该类化合物对发光菌的毒效应特征、毒性作用机制以及急性毒性评价等提供了重要理论依据。③磺胺类药物3D-HoVAIF与其pKa值之间的相关性研究磺胺类药物的大量使用引起了一系列动物源性药物残留问题,对环境造成了严重的污染,尤其是对其在环境中的吸附和迁移行为的研究就显得尤为重要。本工作对磺胺类药物的3D-HoVAIF与其pKa值之间的QSPR进行了研究,建立如下4参数模型：pKa=-0.616E5.9+0.324E8-8+0.383E3-6+0.206E5-8 n=21, R=0.950,Rcv=0.926, RMSEF=0.547, RMSEP=1.18结果表明：静电作用是影响磺胺类药物pKa值的主要因素,尤其是sp3杂化的N原子与sp2杂化的S原子之间的静电作用对磺胺类药物的pKa值影响较大,且呈负相关。这一结论为磺胺类药物在环境中的吸附和迁移行为研究拓宽了思路。④5’-甲硫腺苷3D-HoVAIF与核苷酶抑制活性(LogKi)相关的研究采用3D-HoVAIF表征5’-甲硫腺苷核苷酶抑制剂的分子结构,并建立了该类化合物的3D-HoVAIF与其酶抑制活性(LogKi)的如下QSAR模型：LogKi=12.764-23.873×E2-6+6.608×E2.8-1.592×10-6×H2-8—0.565×S2-5 n=28, R=0.874, SD=0.688; Rcv=0.773, SDcv=0.900, Qext=0.953结果表明：所建QSAR模型具有良好的稳定性和预测能力。从模型得知：spa杂化的C原子与sP2杂化的N原子以及sp3杂化的C原子与sp3杂化的O/S原子的静电作用是影响5’-甲硫腺苷(5’-methylthioadenosine,MTA)类似物抑制5’-甲硫腺苷核苷酶(5’-methylthioadenosine nucleosidase, MTAN)活性的主要因素。这些结果有望对其它5’-甲硫腺苷核苷酶抑制剂的抑制活性预测及合成MTA类似物提供可靠的理论依据。⑤香豆素类化合物3D-HoVAIF与人血清白蛋白结合常数的相关性研究药物与人血清白蛋白的结合能力对药物的药效和药物代谢作用有很大影响。本工作对香豆素类化合物的3D-HoVAIF与其人血清白蛋白结合常数的QSPR关系进行了研究,建立如下模型：lgK=0.916V112+0.584 V27+0.233 V118 N=20 R2=0.898 SD=0.324 R2cv=0.854 SDcv=0.392结果表明：疏水作用和静电作用对香豆素类化合物与人血清白蛋白之间的结合有促进作用,而且疏水作用的影响高于静电作用。(3)氟化沥青对两种多壁碳纳米管改性的研究本工作成功地采用氟化沥青对两种多壁碳纳米管进行了改性,测试结果表明经氟化沥青涂层后的两种多壁碳纳米管的电化学性能均有不同程度地提高。由此得出了,采用结构和氟化石墨相似的氟化沥青对多壁碳纳米管进行表面修饰的理论推断是合适的。为以后碳纳米管的表面改性提供了一条新途径。