邻苯二甲酸酯和对羟基苯甲酸酯水解速率的量子化学计算与QSAR预测模型

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:pkuericz
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化学品的水解速率常数(kh)是评价其环境持久性的重要参数。kh值通常涉及酸催化水解、中性水解和碱催化水解的贡献。对于多数化学品,碱催化水解是其主要水解途径。然而,化学品种类多,其kh值缺乏。实验测定kh值耗时长、成本高,依赖化学标准品,难以满足化学品持久性评价和管理的需求,有必要发展kh值的预测方法。本研究采用水解动力学实验和量子化学计算方法,揭示了邻苯二甲酸酯(PAEs)和对羟基苯甲酸酯(PBs)的水解途径,计算了动力学参数,构建了可预测kh值的定量构效关系(QSAR)模型。主要内容和结论如下:(1)发展了 PAEs碱催化水解二级速率常数(kB)的预测方法和模型。PAEs为一类高产量化学品,仅5种PAEs有kB实测值。本研究以具有kB实测值的PAEs为参考,筛选了密度泛函理论(DFT)方法,计算了另外20种PAEs的kB值。采用多元线性回归(MLR)方法,基于量子化学和Dragon计算的描述符,构建了可用于判别PAEs碱催化水解限速步骤(OH-亲核进攻酯键或离去基团解离)和预测kB值的QSAR模型。结果表明,具有环状侧链的PAEs水解最快,其次是含直链烷基侧链的PAEs,含有支链烷基侧链的PAEs水解最慢。计算得到的PAEs水解半减期(t1/2)从0.001小时到558年(pH=7~9,25℃)不等,解决了因PAEs水解动力学参数值缺乏,而难以评价其持久性的问题。(2)构建了邻苯二甲酸单酯(MPEs)kB值的预测模型。MPEs是PAEs的水解产物,在多种环境介质中检出。本研究采用DFT计算,揭示了 MPEs的碱催化水解路径,计算了 kB值。采用MLR方法,以离去醇基团的酸度系数(pKa)和MPEs电负性为描述符,构建了可用于预测MPEs的kB值的QSAR模型。结果表明,离去醇基团的pKa越小,MPEs的碱催化水解速率越快。所构建的QSAR模型,为预测PAEs两个酯键完全水解的动力学提供了基础工具。(3)发展了 PBs水解动力学参数的预测方法和模型。PBs是一类同时具有可解离酚羟基和羧酸酯键水解官能团的化合物,在环境中被广泛检出。水中不同的PBs,可具有不同的形态分布,影响其碱催化水解反应动力学。本研究测定了 6种具有标准品的PBs的pKa和kB值,并以此筛选了计算pKa值的半经验量子化学方法、计算kB值的DFT方法。结合计算值和实测值,构建了可预测酚类pKa值、中性及解离形态PBs的kB值的QSAR模型。结果表明,pH在7~9,25℃条件下,PBs的t1/2范围为6小时到1.52 × 106年,填补了 PBs水中溶解态分布和水解动力学方面的数据空白。(4)初步编写了可用于预测PAEs,MPEs和PBs水解动力学参数的软件。本研究设计了预测软件的计算流程和方法,采用Python语言编写了预测模型的代码,可实现酚类pKa值、PAEs,MPEs和PBs的kB值的预测。所编写的程序,基于化合物三维构型,计算分子结构描述符,可为基于分子三维结构建立的QSAR模型的实际应用提供基础。综上,本研究采用量子化学计算、模拟实验和QSAR建模的方法,探索了 PAEs和PBs水解动力学参数的预测方法,有助于填补PAEs和PBs等高产量化学品水解动力学参数的数值缺失,为评价和预测相关化学品的环境持久性提供理论基础和数据支持。
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