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天然产物分子结构和原子结构参数表征及其QSPR/QSAR研究

聂长明  
【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~(13)C-NMR化学位移进行研究,提出了天然杂环化合物~(13)C-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~(13)C-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~(13)C-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~(13)C-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,sp~2,sp~3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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