保留指数预测饱和脂肪酸酯类化合物活性参数

李萌,王振涛,赵丽娟,解静芳

(山西大学 环境与资源学院, 山西 太原 030006)

保留指数预测饱和脂肪酸酯类化合物活性参数

李萌,王振涛,赵丽娟,解静芳*

(山西大学 环境与资源学院, 山西 太原 030006)

为了研究用气相色谱保留指数(I)估算饱和脂肪酸酯类化合物的活性参数,为活性参数的烦琐测定,寻找简单的预测方法,对饱和脂肪酸酯类化合物的LD50、LC50与I值的相关关系进行了研究。分别建立了用I值估算饱和脂肪酸酯类化合物对大鼠LD50和蝌蚪LC50的一元线性回归方程。大鼠LD50、蝌蚪LC50与不同极性固定相上I值的相关系数均值分别为0.914和0.990,均属显著相关(P<0.05),回归标准误差均值分别为0.150 1和0.082 2,估算相对百分误差分别为7.68%和9.00%,且估算方程的相关性基本不受受试物种和固定相极性影响。

饱和脂肪酸酯类化合物;半数致死剂量;半数致死浓度;色谱保留指数

酯是羧酸的一类衍生物,由羧酸与醇反应失水而生成的化合物。酯的沸点比相应的酸和醇都低,而与含同数碳原子的醛和酮差不多[1]。饱和脂肪酸酯类化合物用途非常广泛,如甲酸乙酯主要用于柠檬水、朗姆酒(甘蔗汁蒸馏的酒)、烧酒的调味剂,工业上用于有机合成,如制备维生素B的中间产品等[2]。乙酸酯类用于人造革、胶片、制药和燃料香料以及生物柴油等[3-5]。挥发性酯具有芬芳的气息,许多花果香气即由酯类所产生,有些酯类还可作为香料[6]。如乙酸异戊酯、戊酸异戊酯和丁酸丁酯分别具有与香蕉、苹果和菠萝相似的香气,草莓中重要的特征香气化合物是2-二甲基丁酸乙酯[7-8]。饱和脂肪酸酯类化合物普遍存在于土壤、水体、生物及空气等环境样品中[9-11],可通过进食、饮水、皮肤接触和呼吸等途径进入动物及人体[12-13],使动物和人体神经衰弱、神经功能失调、慢性支气管炎、视神经萎缩、皮肤脱落皲裂以及中毒等[2]。

饱和脂肪酸酯类化合物种类较多,通过实验测定每一种物质的活性参数相当繁琐,因此通过定量结构-活性相关(quantitative structure activity relationships, QSAR)研究[14-16],以估算其毒性与环境行为有关的活性参数具有一定的实际意义和应用价值,此法被越来越多地用于有机化学品的评价,为有机物的危险评价提供了一种简便、快捷、实用的方法。通过建立模型研究化合物的各种参数,已成为化学品危险性预测的一种趋势[17-18]。若通过实验测定化合物的生物半致死剂量(median lethal dose, LD50)和半致死浓度(median lethal concentration, LC50),其测定结果会受到诸多因素影响,操作条件要求很严苛,结果重现性很差,且费时费力,因此目前普遍采用先建立预测模型再进行估算的方法[19-20]。而色谱保留指数(retention index,I)的测定,相对来说比较简单、方便,具有一定的可操作性。色谱法具有对混合物质分离效果好、分析效率高[21-22]、分析速度快、选择性好、样品用量少、检测灵敏度高、操作简单、费用低以及应用广泛等优点[23]。同时,化合物色谱保留指数易于测定(有些也可以通过文献查出)。因此,本文用反映化合物本身与色谱固定相相互作用的综合热力学参数-色谱保留指数,与其生物活性参数之间的相关关系进行了研究,免除了原本复杂的实验测试步骤,对化合物生物活性参数预测有重要意义。

1 材料与方法

1.1 主要仪器设备

GC-2010气相色谱仪(日本岛津公司)。

1.2 试剂

甲酸乙酯、甲酸丙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、乙酸丁酯、乙酸戊酯、乙酸异丙酯、乙酸异丁酯、丙酸乙酯和丁酸乙酯(分析纯,上海化学试剂采购供应五联化工厂等)。

1.3 实验方法

1.3.1I值的测定实验条件

载气(N2)流速13.5 mL/min,燃气(H2)流速35 mL/min,空气流速400 mL/min,分流比20∶1。检测器为FID检测器,进样口温度200℃,柱温150℃,检测器温度230℃。色谱柱采用SE-30弹性石英毛细管色谱柱。实验时,先分别测每一种化合物的色谱保留时间及相应正构烷烃的保留时间，再在相同实验条件下,用甲烷测定死时间。然后在相同的色谱条件下,取一定体积的饱和脂肪酸酯类和正构烷烃的混合物进样,分析各自保留时间,扣除死时间后得调整保留值,根据下式求I值:

I=100[Z+(logXi-logXZ)/(logXZ+1-logXZ)]

X为调整保留值,Z与Z+1分别表示正构烷烃所含碳原子数目,XZ

1.3.2 lgLD50, lg(LC50)-1,1Xv值的获得

lgLD50引自参考文献[24], lg(LC50)-1和1Xv引自参考文献[25]。

2 实验结果与数据

11种饱和脂肪酸酯类化合物,在7种不同极性色谱固定相(150℃)上的色谱保留指数测定结果见表1。

不同酯类化合物的大鼠半数致死剂量的对数(lgLD50)、蝌蚪半数致死浓度倒数的对数(lg(LC50)-1)、一阶分子连接性指数(1Xv)测定和计算结果见表2。

3 结果与讨论

用SPSS 19.0统计软件,对数据进行一元回归统计分析及估算误差分析。

3.1I值与大鼠lgLD50的相关性分析

11种饱和脂肪酸酯类化合物在不同极性色谱固定相上的色谱保留指数I值与大鼠lgLD50所建立的一元线性回归方程及其相关系数、回归标准误差SE等的分析结果见表3。

表1 化合物在七种不同极性固定相上的I值(柱温:150℃)

表2 化合物的lgLD50,lg(LC50)-1, 1Xv值

表3 I值与大鼠lgLD50的一元线性回归方程

回归标准误差SE是反映实际值与估算值之间的离差平方和,其值越小,回归方程精度越高,上述回归方程SE均小于0.18,均值为0.15。对回归系数进行t检验结果表明,在显著性水平P=0.05,自由度df=7时,查t值表得t0.025,7=2.37,表中各方程的t值均大于临界值,回归系数有显著意义。相关系数统计检验结果表明,上述回归方程均属高度显著相关。所以11种饱和脂肪酸酯类化合物在大鼠体内的lgLD50与其150℃下7种不同极性固定相上的I值具有良好的线性相关关系,相关性基本不受固定相极性大小的影响。对于固定相极性而言,CP值越大,固定液极性越强。为了更好地分析用上述回归方程对待测饱和脂肪酸酯类化合物进行估算的误差大小,对11种饱和脂肪酸酯类化合物在7种不同极性色谱固定相上估算误差进行了分析,分析结果见表4。

表4 用I值预测lgLD50的误差分析

由表4可见,不同极性固定相上平均相对误差最大为9.97%,最小为3.31%,总均值为7.68%,说明估算精度较高,且估算精度不受固定相极性大小的影响。因此用所建立的一元回归方程,可以很好地估算饱和脂肪酸酯类化合物对大鼠的LD50值。

3.2I值与蝌蚪lg(LC50)-1的相关性分析

11种饱和脂肪酸酯类化合物在不同极性色谱固定相上的色谱保留指数I值与蝌蚪lg(LC50)-1所建立的一元线性回归方程及其相关系数、回归标准误差SE等的分析结果见表5。

表5 I值与蝌蚪lg(LC50)-1一元线性回归方程

与表3所建立的大鼠lgLD50回归方程相比,对蝌蚪lg(LC50)-1所建立的一元线性回归方程相关系数R均较高,SE值较小,表明与蝌蚪lg(LC50)-1所建立的一元线性回归方程估算模型非常稳健,估算精度较高。回归系数t检验所计算的t值也远远高于临界值,说明回归系数有高度显著意义。为了更好地分析用回归方程对待测饱和脂肪酸酯类化合物进行估算的误差大小,同样对11种饱和脂肪酸酯类化合物在7种不同极性色谱固定相上估算误差进行了分析,分析结果详见表6。

表6 用I值预测lg(LC50)-1的误差分析

由表6可知,11种化合物在7种不同极性固定相上所建立的回归方程,估算相对百分误差范围为1.84%～18.30%,除OV-25和XE-60两种固定相上的相对百分误差较大外,其余均小于10%,均值为9.00%,同样完全可以满足估算误差精度的要求。

综上所述,在I值分别与大鼠lgLD50和蝌蚪lg(LC50)-1的相关性分析中,强极性固定相XF-1150的回归方程相关系数分别为0.885和0.978,均不如弱极性和中强极性固定相的相关系数高,且t值较低,标准回归误差SE较高,这表明对强极性固定相而言,用I值估算大鼠lgLD50和蝌蚪lg(LC50)-1的估算方程相关性较差。尽管如此,相关系数统计检验结果表明,估算方程仍属高度显著相关,说明方程的相关性基本不受受试物种和固定相极性的影响。因此可以方便地利用I值分别和lgLD50、lg(LC50)-1建立的一元线性回归方程,来估算饱和脂肪酸酯类化合物的LD50和LC50值。

3.3I、1Xv值与三种参数的二元回归分析

为了研究一阶分子连接性指数(1Xv)与I值是否会独立影响活性参数,在一元回归的基础上引入1Xv进行了二元回归分析,在对回归系数进行t检验时,发现在P=0.05时,回归系数t值小于临界值,说明二元变量1Xv与I非独立变量,二者会相互影响,因此,所建立的二元估算方程没有意义。

4 结论

(1)饱和脂肪酸酯类化合物在大鼠体内LD50和蝌蚪体内LC50与柱温150℃下7种不同极性固定相上的I值分别建立的一元回归方程总体显著相关,相关系数均值分别为0.914和0.990,且方程的相关性基本不受受试物种和固定相极性的影响。

(2)估算LD50(大鼠)和LC50(蝌蚪)回归方程的SE均值分别为0.150 1和0.082 2,估算相对百分误差分别为7.68%和9.00%,回归方程估算精度较高,因此完全可以通过测定I值建立的一元回归方程,方便快速地估算饱和脂肪酸酯类化合物的LD50和LC50值。

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Activity Parameters of Saturated Fatty Acid Esters Using Chromatography

LI Meng,WANG Zhentao,ZHAO Lijuan,XIE Jingfang*

(SchoolofEnvironmentandResource,ShanxiUniversity,Taiyuan030006,China)

For using the gas chromatogram reservation index (I) to estimate the activity parameters of saturated fatty acid esters, for the active parameters of determination, looking for simple forecasting method, this paper studies on the relationship between theIvalues and the LD50, LC50of saturated fatty acid ester compounds. Establishing the linear regression equations to estimate LD50of the big rat and LC50of the tadpole of saturated fatty acids esters with theIvalues. The average correlation coefficients for LD50of the big rat, LC50of the tadpole and theIvalues on the different polarity stationary phases were 0.914 and 0.990, respectively, which were significantly correlated (P<0.05).The average regression standard errors were 0.150 1 and 0.082 2, respectively.The estimated relative percentage errors were 7.68% and 9.00%, respectively. And the correlation of estimate equation is largely unaffected by the species and the polarity of stationary phases.

saturated fatty acid esters;median lethal dose (LD50);median lethal concentration (LC50); retention index (I)

10.13451/j.cnki.shanxi.univ(nat.sci.).2017.01.019

2016-09-07；

2016-09-29

国家自然科学基金(30740037);国家公益性行业(农业)科研专项(201103024);山西省研究生优秀创新项目(011452901009)

李萌(1992-),女,黑龙江伊春人,硕士研究生,研究方向为环境毒理学与化学。E-mail:85380631@qq.com

*通信作者：解静芳(XIE Jingfang),E-mail:xiejf@sxu.edu.cn

O623

A

0253-2395(2017)01-0149-06