天然产物分子结构和原子结构参数表征及其QSPR/QSAR研究

论文摘要

定量构效关系（QSPR/QSAR）通过借助化合物分子的结构参数，用数学模型描述化学品结构与生物活性或物化性质的定量关系。通过这些数学模型，人们可以预测化合物的分子结构发生一定变化时，其生物活性或理化性质发生一定的增加或减少量。QSPR/QSAR研究不仅可以预见性地筛选、合成一些特殊生物活性、特殊物化活性、环境友好的化学品，并且能够对理解化学品的作用机理及物化特性效果等均具有指导作用，从而帮助人们有目的的合成新的生物活性分子和功能分子。定量构效关系研究通常包括物质结构参数的提取；结构参数的选取；定量构效关系模型的建立以及具体模型的解释、验证和应用等。如何提取出表达物质结构特征的结构描述符及定量构效关系是本研究的关键。本文主要进行了如下几个方面的研究工作：（1）以直链同系物结构重复单元数连续变化为模型，采用线性规划和非线性规划得到了有机同系物性质或活性同系递变的两个基本规律，一般地，加和型性质遵守直线递变规律：P=a+bn，而结构型性质和凝聚型性质则遵守同系对数递变规律：P=c+kln（n+a）/（n+b）。加型性质随着同系物结构重复单元数的增大而增大，而结构型性质和凝聚型性质随着同系物结构重复单元数的无限增大趋向一个极限值。（2）采用模型化合物对天然香豆素衍生物，嘌呤和喹啉类生物碱及黄酮衍生物的13C-NMR化学位移进行研究，提出了天然杂环化合物13C-NMR化学位移取代基效应因子和取代基常数及其提取方法。并用这些取代基效应因子和取代基常数来研究天然香豆素衍生物，嘌呤和喹啉类生物碱及黄酮衍生物的13C-NMR化学位移的定量构效关系，建立了天然香豆素衍生物，嘌呤和喹啉类生物碱及黄酮衍生物的13C-NMR化学位移加合和降阶模型，获得了满意的结果。（3）在电负性均衡原理的基础上，用逐级加合均分法导出了一个新的开链基团和环状基团电负性的计算公式，由此给出了528个基团的电负性。以单取代苯为模型，单取代苯对位和间位的13C-NMR化学位移相对于未取代母体的增量来研究基团的共轭效应，由此提出了一个计算基团共轭效应参数的新公式和一套新的基团（559个）共轭效应参数。新基团电负性和共轭效应参数在解释化合物的结构和性质上具有广泛的适用性。（4）在基态原子价壳层电子隐核图的基础上，基于拓扑化学原理以及原子价壳层电子结构特征，构建了原子价壳层电子量子拓扑指数（AEI）和基态原子价壳层电子能级连接性指数（VEI），它们对基态原子实现唯一性表征。结合原子价壳层电子平均化能，建立了新的元素电负性和元素硬度标度公式，由此给出了元素周期表中氢至镅共95种元素的电负性和周期表中主族、副族及惰性元素的硬度。进一步从原子价轨道量子拓扑指数确定了sp，sp2，sp3杂化轨道的电负性。新标度在元素和物质的结构-性质研究中具有广泛的适用性。同时在原子价壳层电子隐核图邻接矩阵基础上，结合价层电子结构和量子拓扑指数的特点，建构一种新的量子拓扑指数（QTI），并用它们对镧系元素性质递变规律等进行研究，获得了令人满意的结果。（5）用分子中原子平衡电负性参数，基团极化效应指数来描述脂肪胺、醇、醚气相碱性的变化规律；提出用烷烃分子中碳原子的平衡电负性及O、α、β、γ

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摘要

Abstract

1 绪论

1.1 定量构效关系研究的意义

1.2 定量构效关系研究的进展

1.2.1 二维定量构效关系研究

1.2.1.1 Hansch-Fujita与Free-Wilson方法

1.2.1.2 拓扑指数方法

1.2.2 三维定量构效关系研究

1.2.3 四维、五维定量构效关系研究

1.2.4 定量构效谱学关系研究

1.2.5 本文所作的主要工作

2 有机同系物性质的递变规律研究

2.1 直链同系递变规律

2.1.1 直链有机同系物加和型性质同系递变规律

2.1.2 结构型和凝聚型性质的递变规律

2.1.3 结果分析

2.2 直链烷烃结构型和凝聚型性质的同系递变规律

2.2.1 直链烷烃结构型性能和凝聚型性能的递变函数

2.2.2 结果讨论

2.3 共扼体系同系物平均π—电子能的递变函数

πA～n函数的非线规划'>2.3.1 E_πA～n函数的非线规划

2.3.2 结果与讨论

πA递变函数表达式'>2.3.2.1 E_πA递变函数表达式

2.3.2.2 对各系列EπA的预测

2.3.2.3 结果分析

13C-NMR化学位移的定量构效关系'>3 天然香豆素衍生物¹³C-NMR化学位移的定量构效关系

13C-NMR化学位移与取代基效应因'>3.1 香豆素衍生物¹³C-NMR化学位移与取代基效应因

3.1.1 取代基效应因子

13C-NMR化学位移定量关系'>3.1.2 取代基效应因子与香豆素衍生物¹³C-NMR化学位移定量关系

3.1.3 公式的应用

3.1.4 结果与讨论

3.1.4.1 对某些衍生物的预测

3.1.4.2 结果与讨论

13C-NMR化学位移加合和降阶模型'>3.2 香豆素衍生¹³C-NMR化学位移加合和降阶模型

3.2.1 香豆素化学位移加合模型的建立

3.2.2 香豆素化学位移加合模型的应用

3.2.3 香豆素化学位移降阶模型的建立

3.2.4 香豆素化学位移降阶模型的应用

3.2.5 结果与分析

13C-NMR化学位移的定量构效关系'>4 天然喹啉生物碱¹³C-NMR化学位移的定量构效关系

13C-NMR化学位移与取代基效应因'>4.1 喹啉生物碱¹³C-NMR化学位移与取代基效应因

4.1.1 喹啉杂环的模型化合物

4.1.2 模型化合物的经验取代基参数

4.1.3 喹啉生物碱化学位移与模型化合物取代基参数

4.1.4 喹啉生物碱化学位移模型

4.1.4.1 喹啉生物碱取代基效应因子的定义

4.1.4.2 喹啉生物碱化学位移计算模型

4.1.4.3 模型的应用

4.1.5 结果与讨论

4.2 喹啉生物碱化学位移加合与降阶模型的构建和应用

4.2.1 喹啉生物碱加合模型的建立

4.2.2 喹啉生物碱降阶模型的建立和应用

4.2.3 结果与讨论

13C-NMR化学位移加合与降阶模型'>5 天然黄酮衍生物¹³C-NMR化学位移加合与降阶模型

13C-NMR化学位移加合模型的建立与应用'>5.1 天然黄酮衍生物¹³C-NMR化学位移加合模型的建立与应用

5.1.1 天然黄酮衍生物化学位移加合模型的建立

5.1.2 天然黄酮衍生物化学位移加合模型的应用

5.1.3 结果与与讨论

5.2 降阶模型的建立与应用

5.2.1 降阶模型的建立

5.2.2 模型的应用

5.2.3 降阶模型的的讨论

13C-NMR化学位移加合和降阶模型'>6 天然嘌呤生物碱¹³C-NMR化学位移加合和降阶模型

13C-NMR化学位移加合模型的建立与应用'>6.1 嘌呤生物碱¹³C-NMR化学位移加合模型的建立与应用

6.1.1 加合模型的建立

6.1.2 加和模型的应用

13C-NMR化学位移降阶模型的建立与应用'>6.2 嘌吟生物碱¹³C-NMR化学位移降阶模型的建立与应用

6.2.1 降阶模型的建立

6.2.2 降阶模型的应用

6.3 结果与讨论

7 天然有机分子中基团电负性及共轭效应参数研究

7.1 天然有机分子中基团电负性

7.1.1 理论与方法

7.1.2 结果分析

7.1.3 结论

7.2 基团共轭效应参数

7.2.1 公式的建立

7.2.2 结果分析

7.2.3 结论

13C-NMR化学位移的定量构效关系研究'>8 烷烃¹³C-NMR化学位移的定量构效关系研究

8.1 平衡电负性与烷烃核磁共振碳谱位移

8.1.1 原子的平衡电负性与化学位移的关系

8.1.1.1 原子的平衡电负性

8.1.1.2 原子的平衡电负性与化学位移的关系

8.1.1.3 结果分析与讨论

8.2 离子性指数、极化效应指数与烷烃化学位移的关系

8.2.1 方法的构建

8.2.1.1 分子中碳原子离子性指数

8.2.1.2 离子性指数与化学位移的关系

8.2.2 结果分析

8.2.3 结论

9 元素电负性及其硬度的拓扑化学研究

9.1 原子价壳层电子量子拓扑指数与元素电负性的关系

9.1.1 原子价壳层电子量子拓扑指数的建构

N的合理性及应用'>9.1.2 元素电负性X_N的合理性及应用

9.1.3 轨道电负性

9.1.4 结论

9.2 基态原子价壳层电子能级连接性指数与元素的硬度

9.2.1 方法与理论

9.2.1.1 基态原子价壳层电子能级连接性指数的构建

9.2.1.2 原子价壳层电子能级连接性指数与元素的硬度的相关性

9.2.2 结果与讨论

9.2.2.1 计算值与文献值比较

9.2.2.2 元素硬度公式的相关分析

9.2.3 结论

10 镧系元素理化性质的量子拓扑化学研究

10.1 理论与方法

10.1.1 拓扑指数QTI的建构

10.1.2 量子拓扑指数QTI与镧系元素的理化性质的关系

10.2 结果与讨论

10.2.1 拓扑指数QTI具有优良的结构选择性和性质相关性

10.2.2 结论

11 脂肪族胺、醇、醚气相碱性的QSPR／QSAR研究

11.1 模型的建立

11.2 结果分析

11.2.1 计算结果

11.2.2 公式系数的物理意义

11.3 结论

12 硝基苯衍生物分子结构参数与生物活性QSPR／QSAR研究

12.1 硝基苯类化合物分子结构参数提取

12.2 分子结构参数与生物毒性的相关性

12.3 模型稳定性和预测能力检验

13 碳氢化合物分子结构与性质的QSPR／QSAR研究

13.1 理论与方法

13.2 ND指数的结构选择性

13.3 ND指数与碳氢化合物加合型性质的构效关系研究

13.4 ND指数与烷烃凝聚型性质的构效关系研究

13.5.结论

14 PCDFs类化合物Kováts指数的QSRR研究

14.1 基本原理与方法

14.1.1 多氯代二苯并呋喃异构体分子结构参数表征

14.1.2 分子结构参数与PCDFs的Kováts指数的相关性

14.2 模型稳定性及预测能力分析

14.3 结论

m拓扑指数与单硫醚气相色谱保留指数的QSRR研究'>15 NP_m拓扑指数与单硫醚气相色谱保留指数的QSRR研究

15.1 理论与方法

15.2 结果与讨论

m的计算结果'>15.2.1 NP_m的计算结果

m指数与单硫醚的气相色谱保留指数的相关性'>15.2.2 NP_m指数与单硫醚的气相色谱保留指数的相关性

1+bNP₂+cNP₃+d模型的精密度和稳定性'>15.2.3 RI=aNP₁+bNP₂+cNP₃+d模型的精密度和稳定性

15.3 结论

16 结论与展望

16.1 结论

16.2 展望

参考文献

致谢

附件一

附件二

附件三

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