全 文 ：应用分子电距矢量对地笋中挥发油化学成分色谱保留值分析*
杨娟 1　梅虎1, 2　舒茂 1, 2　廖立敏 1　朱万平1　李志良1
(1.重庆大学化学化工学院 ,重庆　400044;　 2.重庆大学生物工程学院 ,重庆　400044)
　　摘要　采用分子电性距离矢量(MEDV)表征地笋中挥发油化学成分的分子结构 , 并对其气相色谱保留时间进
行了系统的定量结构 -色谱保留关系(QSRR)研究。在变量筛选的基础上建立了多个挥发油化学成分 QSRR模型 ,
相关系数均在 0. 90以上。通过严格的统计检验表明所建模型具有良好的稳定性与预测能力。
关键词　分子结构表征　分子电性距离矢量　定量结构 -保留关系
　　定量结构 -色谱保留关系 (Quantitative struc-
ture - retention rela tionship, QSRR)研究是定量构效
关系领域的一个重要分支 , 它对保留行为的预测 、
分离条件的选择及色谱保留机理的探索都具有重要
意义[ 1 -3 ] 。有机物 QSRR研究的核心是分子结构
表征(MSC),在研究中可利用化合物分子的几何及
连接特征 、分子拓扑结构和各种物化参数等对分子
进行描述 ,借助多元线性回归等方法建立化合物
QSRR模型 , 进而预测未知样本的保留数据 [ 4] 。笔
者对地笋中挥发油化学成分的结构进行表征时 , 忽
略了非骨架氢原子的影响 , 将非氢原子根据与其相
连的非氢原子数目进行分类 , 考虑到不同类型非氢
原子微观电性相互作用对分子性质的影响 , 采用了
本实验室提出的分子电性距离矢量 (MEDV)来达到
该目的 [ 5, 6] , 取得了较好的结果 。未来可根据此模
型对其他组分在 GC -M S中的保留时间进行预测 ,
有助于成分较复杂的中药的分离。
　　地笋又名地瓜儿 、地笋子 、地藕等 ,其味甘 ,性
辛 、温 ,具有活血 、益气 、消水的功能。可用于治疗吐
血 、产后腹痛带下等症状 。现代药理学研究表明地
笋具有抗炎 、抗应激能力 、改变红细胞压积作用以及
抗心脑血管疾病等作用 [ 7] 。聂波等 [ 8] 采用药典方
法提取地笋中的挥发油 ,利用毛细管气相色谱 -质
谱 (GC -M S)获得总离子图 ,对各个色谱峰定性 ,并
用面积归一化法获得各化合物的相对含量 ,结果共
鉴定了 57个化合物 ,由于原文献中第 26个化合物
的中文名称与化学式不相符 ,所以无法找到其结构 ,
因此笔者取其中的 56个化合物进行建模 , 56个化
合物列于表 1。
1　地笋中挥发油化学成分的结构表征
　　用分子电性距离矢量 (MEDV)对分子结构进行
表征时 , 考虑到分子中原子间的静电相互作用 ,忽
略非骨架氢原子的影响 ,将 C、N、O 、S、F、C l、B r、 I等
表 1　56种组分及其在气相色谱 -质谱中的保留时间
序号 化合物名称 分子式 保留时间 /m in
1 壬烷 C9H 20 17. 26
2 癸烷 C10H 22 24. 28
3 十二烷 C12H 26 39. 63
4 2-甲氧基-4-乙烯基苯酚 C11H 14O2 48. 44
5 十四烷 C14H 30 54. 13
6 1, 2-二甲氧基-4-(2-丙烯基)苯 C11H 14O2 54. 47
7 [ 3R-(3. á. , 3a. á. , 7a. á. , 8a. á. )] -八氢-
3, 8, 8-三甲基-6-亚甲基-1H-3a, 7-亚甲基奥 C15H 24 56. 47
8 2-甲基-异丁香酚 C11H 14O2 58. 14
9 á-丁香烯 C15H 24 58. 87
10
(1. á. , 4a. á. , 8a. á. )-1, 2, 3, 4a, 5, 6, 8a-八氢-7甲基-4-亚甲基-1-(1-甲基乙基)萘 C15H 24 59. 92
11 十五烷 C15H 32 60. 82
12 1-甲基-异丁香酚 C11H 14O2 60. 96
13
(1s-cis)-1, 2, 3, 5, 6, 8a-六氢-4,
7-二甲基-1-(1-甲基乙基)萘 C15H 24 62. 68
14
(1s-c is)-1, 2, 3, 4-四氢-1,
6-二甲基-4-(1-甲基乙基)萘 C15H 22 63. 10
15 I3, 7, 11-三甲基-1, 6, 10-十二碳三烯-3-醇 C15H26O 65. 00
16 1, 2 , 3-三甲氧基-5-(2-丙烯基)苯 C12H 16O3 65. 25
17
[ 1ar-(1a. á. , 4a. á. , 7. á. , 7a, á. , 7b. á. )] -十氢-
1, 1, 7-三甲基-4-亚甲基-1H-环丙 [ e]并奥-7-醇 C15H24O 66. 83
18 十六烷 C16H 34 67. 13
19 丁子香烯氧化物 C15H24O 67. 30
20 细辛脑 C12H 16O3 68. 21
21 3, 4-二甲基-3-环己烯-1-甲醛 C9H 14O 69. 02
22
10, 10-二甲基-2 , 6-二亚甲基双环[ 7. 2. 0]十一碳-5. á-醇 C15H24O 70. 61
23 7-十五碳炔 C15H 28 71. 05
24 (z)-1, 2, 4-三甲氧基-5-(1-丙烯基)苯 C12H 16O3 71. 94
25
[ 3R-(3. á. , 3a. á. , 7. á. , 8a. á. , )] -2, 3, 4, 7,
8, 8-六氢-3, 8, 8-三甲基-1H-3a, 7-亚甲基奥 C15H24O 73. 74
26 9-甲基-9H-芴 C14H 12 74. 84
27 2, 6-二异丙基萘 C16H 20 75. 19
28 3, 5-二特丁基-4-羟基苯甲醛 C15H 22O2 77. 17
29 十九烷 C19H 40 78. 80
30 1, 4, 7, 10-四氮-2, 6-吡啶并环烷 C11H 18N4 79. 61
31 豆蔻酸异丙酯 C17H 34O2 80. 12
32 9, 10-二氢-1-甲基菲 C15H 14 80. 98
33 6, 10, 14-三甲基-2-十五烷酮 C18H36O 81. 21
34 2, 3-二甲基-9-芴 C15H 14 81. 58
　　*国家 “春晖计划 ”教育部启动基金(批准号:99 - 4 - 4+37:99
- 4 - 4+99 - 3 -7);霍英东基金(1998 - 7 - 6)
收稿日期:2007-06-25
23杨娟 ,等:应用分子电距矢量对地笋中挥发油化学成分色谱保留值分析
　续表 1
序号 化合物名称中文 分子式 保留时间 /m in
35 邻苯二甲酸二异丁酯 C16H 22O 4 85. 05
36 十六酸甲酯 C17H 34O 2 85. 60
37 1-甲基蒽 C15H 12 86. 02
38 2-甲基菲 C15H 12 87. 20
39 邻苯二甲酸二丁酯 C16H 22O 4 87. 57
40 十六烷酸乙酯 C18H 36O 2 89. 05
41 二(对甲苯基)乙炔 C16H 14 91. 79
42 1, 7-二甲基菲 C16H 14 92. 06
43 2, 3-二甲基菲 C16H 14 92. 68
44 1, 4-二甲基蒽 C16H 14 93. 05
45 3, 6-二甲基菲 C16H 14 93. 37
46 8, 11-十八碳二烯酸甲酯 C19H 34O 2 94. 10
47 (z, z, z)-9, 12, 15-十八碳三烯-1醇 C18H 32O 94. 41
48 5-十二烷基二氢-2(3H)呋喃酮 C16H 30O 2 94. 98
49 (z, z)-9, 12-十八碳二烯酸 C18H 32O 2 96. 00
50 亚油酸乙酯 C20H 36O 2 97. 24
51 (z, z, z)-9, 12, 5-十八碳三烯酸乙酯 C20H 34O 2 97. 55
52 1 , 1-二甲基-十六酸乙酯 C20H 40O 2 98. 32
53 3-(4-甲氧苯基)-2-丙烯酸异辛酯 C18H 26O 3 104. 80
54 9-十八碳炔 C18H 34 105. 90
55 (z, z, z)-9, 12, 15-十八碳三烯酸乙酯 C20H 34O 2 106. 20
56 邻苯二甲酸二异辛酯 C24H 38O 4 113. 40
非氢原子根据与其相连的非氢原子数目分为 4
种 [ 11] ,原子类型 ,以 k表示 , k =i(i=1, 2, 3 , 4)表示
该类原子与 i个非氢原子相连 。这 4类非氢原子发
生相互作用可以按以下方式组合:M ij(i=1, 2, 3, 4;i
≤j≤4),M ij按(1)式计算:
　　M ij =∑n
i=1∑
n
j≥1
qk qi
d
2
ik , jl
　(i, j=1, 2, 3, 4;n=4) (1)
　　式中 d ik , jl表示第 i类非氢原子的第 k个非氢原
子 A ik与第 j类非氢原子的第 l个非氢原子 A jl之间的
相对距离(即所经最短路径的各键长相对于碳碳单
键键长的相对键长之和), qk和 ql分别为第 k个非氢
原子和第 l个非氢原子相对于碳原子的相对电负
性 。这样得到 10个变量:M 11 ,M 12 ,M 13 ,M 14 ,M 22 ,
M 23 ,M 24 ,M 33 ,M 34 ,M 44。这 10个变量即为分子电
性距离矢量 ,记为 MEDV ,简称 x矢量 ,其元素对应
为 x1 , x2 , x3 , x4 , x5 , x6 , x7 , x8 , x9 , x10。
2　化合物定量结构与色谱保留的相关性
　　化合物色谱保留时间数据取自文献 [ 9] 。首先
计算出文献中报道 56个地笋挥发性成分 (见表 1)
10个 MEDV矢量 ,借助多元线性回归 (MLR)方法
对 MEDV矢量和文献 [ 9]报道的气相色谱保留时间
进行相关性研究 ,得到 10个变量的模型M 1 ,如式
(2)所示。结果表明 ,酚类化合物色谱保留值 tR与
MEDV矢量之间有较好的线性关系:
tR =11. 943 +1. 099x1 +0. 033x2 +1. 912x3 +5. 382x4
+2. 996x5 +2. 335x6 +0. 177x7
+1. 019x8 - 1. 670x9 - 26. 312x10 (2)
　　为了进一步考察 MEDV各矢量对 QSAR建模
过程的影响和对模型的贡献大小 ,对变量进行了逐
步回归(SMR)分析 ,结果列于表 2。由表 2可见 ,随
着变量的引人 ,回归系数 R不断增大 ,标准偏差 SD
逐渐减少;从 MEDV的 10个变量中筛选出了 7变量
(未引入变量 3, 9, 10),此时回归系数 R为 0. 904(与
10变量的 R相等),而交互检验的回归系数 R CV为
最大值 (0. 867), 交互检验的标准偏差 SDCV为
10. 408(与最小值 10. 086非常接近 ),说明 7变量的
QSAR模型(M 2)较 10变量的 QSAR模型 (M 1)具有
更强的预测能力 。 7变量的 QSAR模型 (M 2)的回
归方程为:
　tR =12. 592+2. 835x1 +1. 701x2 +3. 846x3
　　+2. 972x4 +2. 356x5 +0. 054x6 +0. 945x7 (3)
　　利用上述模型对 56种地笋挥发性化合物的气
相色谱保留时间进行了估计和预测 ,结果见图 1。
　　从以上结果可以看出 ,虽然用 10个变量建模得
到的复相关系数最高 (0. 904),但模型的交互检验
预测的复相关系数并没有达到最高 ,说明该模型的
表 2　逐步回归变量分析结果(n=56)
No a0 a1 a 2 a3 a4 a5 a6 a7 a 8 a9 a10 R SD F R CV SD CV
1 60. 677 - - - - 1. 346 - - - - - 0. 529 16. 716 20. 940 0. 491 17. 158
2 31. 343 - - - - 2. 224 2. 345 - - - - 0. 817 11. 165 53. 151 0. 787 12. 248
3 16. 849 17. 026 - - - 2. 755 2. 712 - - - - 0. 889 9. 712 65. 627 0. 864 10. 109
4 15. 128 17. 185 - - - 2. 879 2. 385 - 1. 258 - - 0. 895 9. 018 51. 616 0. 867 10. 086
5 14. 102 16. 631 - - - 2. 923 2. 359 0. 997 1. 443 - - 0. 898 9. 017 41. 509 0. 868 10. 167
6 13. 960 14. 062 - 0. 734 - 2. 903 2. 278 1. 106 1. 297 - - 0. 900 9. 026 34. 668 0. 864 10. 417
7 12. 592 2. 835 - 1. 701 3. 846 2. 972 2. 356 0. 054 0. 945 - - 0. 904 8. 950 30. 487 0. 867 10. 408
8 12. 254 1. 499 - 1. 874 4. 831 2. 985 2. 356 0. 021 0. 949 - 1. 244 - 0. 904 9. 029 26. 228 0. 862 10. 693
9 12. 061 1. 155 - 1. 913 5. 363 2. 995 2. 338 0. 189 1. 002 - 1. 653 - 26. 929 0. 904 9. 119 22. 869 0. 860 10. 869
10 11. 943 1. 099 0. 033 1. 912 5. 382 2. 996 2. 335 0. 177 1. 019 - 1. 670 - 26. 312 0. 904 9. 219 20. 135 0. 853 11. 265
24 化学分析计量 2007年 ,第 16卷 ,第 5期　　
图 1　56种地笋挥发性化合物的气相色谱保留时间预测
变量数过多 、样本数相对太少 ,使得模型存在过拟合
现象。进行逐步回归表明 ,选用 7个变量时 ,模型的
复相关系数 、标准偏差和交互检验的 RCV值均达到
较好的值 ,说明 MEDV结构描述 x1、x2 、x4 、x5 、x6 、x7　
和 x8　对地笋中挥发油化学成分气相色谱保留时间
影响较为显著 ,而 x3、x9和 x10对其影响相对较小。 7
变量模型的稳定性和预测能力更高。
　　化合物在色谱柱上的保留行为与它们同固定相
之间的相互作用有关 ,当固定相一定时 ,这种相互作
用的程度大小将直接与化合物的化学结构 、键合状
态和电性特征相关 。研究结果可以看出 MEDV矢
量能较好地描述地笋中挥发油化学成分的化学结
构 、键合状态和电性特征 。样本分子结构跨度大
(包括烷烃 、烯烃 、芳香烃等),并且样本还含有杂原
子 。与已有研究 [ 10, 11]相比 ,本研究突破了 MEDV矢
量只能应用于具有相似结构的同一类化合物的 QS-
RR研究的局限 ,证明了 MEDV矢量在有机物 QSRR
研究上有较强的普适性。
3　结论
　　对 56个化合物所建立的 QSRR模型 ,充分考虑
了各非氢原子对化合物气相色谱保留指数的贡献 ,
且模型所采用的参数均为计算值 ,简单易得 。采用
LOO交互检验 ,对模型稳定性和预测能力进行评
价 ,结果显示 ,所得模型具有良好的稳定性和预测能
力 。在此基础上 ,采用 SPSS统计处理软件 ,用逐步
回归方法对变量进行筛选所建 7变量模型的稳定性
和预测能力有所改善 ,通过构建 MEDV对化合物的
气相色谱保留指数进行了定量结构色谱 QSRR研
究。研究结果表明 , MEDV能较好地描述酚类化合
物分子结构特征 ,采用 MEDV建立的 QSRR模型具
有预测该类化合物气相色谱保留指数的能力 。这对
于有机化合物的定量结构色谱 QSRR研究具有一定
理论意义和应用价值。但值得注意的是 ,这种方法
还不能区分手性 、顺反异构的化合物 ,这也是今后研
究的方向 。
参 考 文 献
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EXPLORATION OF GAS CHROMATOGRAPHIC RETENTION INDICESOF RHEZOMA LYCOPI
BYMOLECULAR ELECTRONEGATIVITY -DISTANCE VECTOR
Yang Juan1 , M eiH u2 , ShuM ao2 , L iao L im in1 , ZhuW anping1 , L i Zhiliang1
(1. College ofC hem istry and Chem icalE ngineering, Chongqing Un iversity, Chongq ing　400044, Ch ina;　
2. C ollege of L ife S cience and B iolog icalEng ineering, Chongqing Un iversity, Chongq ing　400044, Ch ina)
　　ABSTRACT　The m o lecular elec tronega tivity - distance vec tor(MEDV) w as used to de scribe the chem ica l structu re o f com po-
nen ts of vo latile oil, and the ir gas chrom atog raph ic re tention indices fo r the quantita tive structu re - re tention re lationship(QSRR) w ere
stud ied. Chem ical constituents o f vo la tile o ilQSRR m ode l va riated screening w ere estab lished on the ba se of the varia te variab le. The
co rre la tion coefficients we rem ove than 0. 90. Through a rigorous statistical tests, the resu lts show tha t them ode ls can provide estima tion
stability and favo rable predictive ability.
KEYWORDS　m o lecu la r struc ture cha racte rization, m o lecular e le ctronegativ ity - distance vec to r(MEDV), quan tita tive struc-
tu re - re tention re la tionsh ip
25杨娟 ,等:应用分子电距矢量对地笋中挥发油化学成分色谱保留值分析