一種確定低濃度非競爭分配混合有機物混合K_owm的方法

2023-07-20 16:49:51

專利名稱：一種確定低濃度非競爭分配混合有機物混合Kowm的方法
技術領域：
本發明涉及正辛醇/水分配係數(K。w)的確定方法，更具體地說是低濃度非競 爭分配混合有機物的混合K。wm的確定方法。
背景技術：
有機物的辛醇/水分配係數作為一個重要的物理化學參數，反映了有機物的親 脂特性和疏水特性。它被廣泛用來研究有機汙染物在環境中的歸趨行為，以及在 生物體內的生物富集性和生物毒性等，並且可以用來預測有機物的其他一些結構 和理化參數，如水溶解度、分子連接性指數等。目前用來獲得有機物K。w值的方法主要有實驗和理論計算兩大類。傳統的實 驗方法搖瓶法(OECD 107, 1995)雖然測定結果較精確，但測定周期長，並且在 測定高疏水性有機物的K。^值時會帶來很大的誤差，僅適用於log /<^值在-2到4 之間的化合物的測定。產生柱法(OPPTS 830.7560， 1995)和慢攪拌法(OECD 123,2006)通過有機物在水相和辛醇相中的緩慢分配，避免了水相中微小辛醇顆 粒的形成，從而可以用於logK。w值大於5的化合物的測定，但同樣耗時很多，且 成本較高。而間接的實驗方法反相高效液相色譜法(OECD 117， 2004)由於快速 且成本相對較小，已被廣泛用於有機物的K。w的測定，但該方法需要以直接法測 得的K。w為參照依據，因而僅適用於與參照物結構類似的化合物的K。w的測定。此 夕卜，常見的估算方法有碎片常數法(A. Leo, C. Hansch and D. Elkins. Partition coefficients and their uses. Chem. Rev.， 1971， 71(6): 525-616)、分子連接性指數 法(MJ. Kamlet， R.M. Doherty,丄LM. Abboud， et al. Solubility: a new look. Chemtech, 1986, 16: 566-576)、線性溶劑化能相關法(M.丄Kamlet, R.M. Doherty, M.H. Abraham, et al. Linear salvation energy relationship. 46. An improved equation for correlation and prediction of octanol/water partition coefficients of organic nonelectrolytes (including strong hydrogen bond donor solutes).丄Phys. Chem.， 1988, 92(18): 5244-5255)和基團貢獻法(W.M. Meylan， P.H. Howard. Atom/fragment contribution method for estimating octanol-water partitioncoefficients.丄Pharm. Sci., 1995， 84(1): 83-92)等，但這些方法均具有一定程度 的局限性，不具有普適性。
以上對有機物的K。w的研究均是基於單一化合物展開的，然而實際環境中有
機汙染物通常以混合物的形式存在，混合物的環境行為往往與單一化合物不同， 因此把混合物作為一個整體來考慮，研究表徵混合物分配行為的混合K^m具有更
現實的環境意義。Verhaar等人於1995年首先提出了混合物分配係數(Km,》的 概念，並給出了測定混合物分配係數的方法(H.丄M. Verhaar, F.丄M. Busser,丄LM. Surrogate parameter for the baseline toxicity content of contaminated water: simulating the bioconcentration of mixtures of pollutants and counting molecules. Environ. Sci. Technol., 1995, 29: 726-734)。王斌等人用混合/C。柳研究了烷基醇
混合物的聯合毒性，建立了聯合毒性與校正的混合/C。wm的線性相關模型(王斌，餘
剛等.烷基醇化合物的定量結構活性相關及聯合毒性預測.科學通報，2006， 51(13): 1513-1518)。林志芬等人以平衡分配模型為基礎，從理論上推導出混合物 的膜/水分配係數KM 的計算模型，並且用於目標混合物的聯合毒性和在環境中的 遷移、轉化等的歸趨行為等的分析(林志芬，於紅霞等.混合有機汙染物在有機相 /水相之間的分配規律.科學通報，2001， 46(7): 551-555)。
國內外文獻和檢索結果表明，在本發明完成之前，未發現有對低濃度混合有 機物的混合K。目進行與本發明內容相同的研究報導。

發明內容
1. 發明要解決的技術問題
本發明的目的是提供一種確定低濃度非競爭分配混合有機物混合的方 法，該方法僅基於混合物各組份進入分配體系前的初始濃度C,、單一組份K。w以 及正辛醇相與水相的體積比r，即可計算獲知混合Kwm。可以實現不同環境條件 下混合物的混合K。^值的快速預測。
2. 技術方案
本發明的原理是對於低濃度非競爭分配混合有機物，基於混合物各組份進入 分配體系前的初始濃度C,、單一組份K。w以及正辛醇相與水相的體積比F，實現
不同環境條件下混合物的混合K。wm值的快速估算。採用的技術方案如下
一種確定低濃度非競爭分配混合有機物混合K。v^的方法，其步驟包括
(1) 根據目標混合物所在體系的環境特徵，估算出體系中有機相和水相的體 積比，並轉換成相應的辛醇相和水相的體積比V。
力L xC,
(2) 將/代入公式《。，=/(「(:1^2山c )= _，選擇特定濃度
範圍的濃度序列計算得出相應的K。旨序列，並進一步用軟體模擬出 /S^。wm-C,曲面。確定濃度序列的邊界的依據是，儘量選擇目標混合物中 各組份在環境中常見的濃度範圍，並且在此濃度範圍內混合物各組份滿 足獨立的分配規律。 (3)根據混合物中各組份的初始濃度C,，利用內插法或直接計算獲得相應的 混合物的混合K。wm值。對於突發性汙染事件中目標組份的初始排放濃度 超過濃度序列邊界的情況，混合物的混合K。^值需用步驟(2)中公式 進行單獨計算。
由於單個化合物的K。w值的可靠性對混合K。自值的預測準確度有直接影響， 所選擇的單個化合物的K。w值要儘量準確，其數據來源的優先級為已有的直接 或間接實驗數據 > 臨時進行的直接或間接實驗數據 > 理論預測數據。只有在緊 急或者臨時預測的情況下，才選擇可信度較高的理論預測值作參照計算。
所有用於計算的單個化合物的K。w值均來自於直接或者間接試驗，包括搖瓶 法、產生柱法、慢攪拌法和反相高效液相色譜法。對於多個數據來源的情況，通 過甄別後選擇可信度最高的數據或者取平均值。對於不能直接通過各種途徑獲取 K。^實驗值的化合物，需要選擇上述實驗方法進行測定，在緊急或者臨時預測的情 況下，可以選擇可信度較高的理論預測值作參照計算。
確定濃度序列時，儘量選擇目標混合物中各組份在環境中常見的濃度範圍， 並且在此濃度範圍內混合物各組份滿足獨立的分配規律。
根據所述的步驟進行計算機動態模擬預測，混合K。目值的獲取可以通過 K^m-C,曲面讀取，或者利用公式直接計算。步驟(1)中體積比V反映的是目標 混合物所在體系的環境特徵，即體系中有機相和水相的體積比，計算中則表現為相應的辛醇相和水相的體積比。步驟(2)中預測公式適用於非競爭分配下理化性 質和致毒機制相近的有機混合物。對於理化性質和致毒機制相差較大的混合物， 以及競爭分配的混合物，本發明不適用。
本發明在Verhaar等人給出的混合物分配係數公式的基礎上，經過一系列的 推導，得到了便於藉助計算機進行快速模擬預測的混合K。^n模型。
眾多的研究表明(M. Greenbank， M. Manes, Application of the polanyi adsorption potential theory to adsorption from solution on activated carbon: 11. Adsorption of organic liquid mixtures from water solution.丄Phys. Chem.， 1981， 85(21): 3050-3059; M. Greenbank, M. Manes， Application of the polanyi adsorption potential theory to adsorption from solution on activated carbon: 12. Adsorption of organic liquids from binary liquid-solid mixtures in water.丄Phys. Chem., 1982, 86(21): 42164221):在相互無反應的低濃度混合物體系中，單一 有機物的分配是一種相互沒有影響的獨立分配行為。基於這種非競爭分配理論， 我們可以把混合物的分配看作是各種單一化合物的分配的簡單加和，即各有機物
的分配仍符合單一體系的分配規律。由此可定義混合物的混合K。wm為
1=1
式中，C。,和Ov,分別為有機物/'在正辛醇相和水相中的濃度(mg/L)。 通過質量、體積變換得
統
尺鍵= n O
'■=1 y w
式中，a,和Ow分別為有機物/'在辛醇相和水相中的質量(mg); r。為辛醇相的體 積(L); ^為水相的體積(L)。
令正辛醇相與水相的體積比為F-^，得
由於混合物中各組份滿足獨立的分配規律，同理可得
將式(4)代入式(3)得:
formula see original document page 8
(4)formula see original document page 8(5)
消去F得
formula see original document page 8(6)
令有機物,'進入分配體系之前的初始濃度為C; (mg/L)，由式(4)可得
式中r'為混合物進入分配體系前的體積，進一步變化可得:formula see original document page 8(7)formula see original document page 8(8)
將式(8)代入式(6)後消去F'，最終可得:
《 =
formula see original document page 8
(9)
與單一化合物的分配係數K。w不同的是，混合物的混合K。wm不再是一個常數。
在組成混合物各組份的K。w已知的情況下，混合K。wm的值與混合物各組份進入分
配體系之前的初始濃度c;以及正辛醇相與水相的體積比r有關。
步驟(2)中/C。^公式中C,的單位為質量濃度，針對其他類型的濃度的計算公式只需要對c,進行單位間的等量變換即可，如對於摩爾濃度，單位間的等量變
換形如q(g/丄)-M,(g/wo/)xq(附o〃Z)，其中M,為各組份的摩爾質量，相應的
f 《則 xMiC, 計算公式為U(r,C!，C2，L C ) K-。
3.有益效果
本發明可以確定出不同環境條件下(體現在不同的正辛醇相與水相的體積 比)、特定汙染濃度範圍內(以混合物中各組份滿足獨立的分配規律為前提)的混 合物的混合K。wm值。它基於直接法(搖瓶法、產生柱法和慢攪拌法)測得的各組 份的K。w值進行去誒多能工，具有很高的準確性。確定時僅需要獲知混合物各組
份進入分配體系前的初始濃度c,以及正辛醇相與水相的體積比r，實驗測定較方
便，且計算量小，因而可以實現快速預測。此外藉助/gK。wm-C,曲面圖可以直觀地 觀察混合K^m隨著各組份汙染濃度變化而變化的規律，有利於更好地研究混合汙 染物在環境中歸趨行為。值得指出的是本發明僅適用於非競爭分配下理化性質和 致毒機制相近的有機混合物。對於理化性質和致毒機制相差較大的混合物，以及 競爭分配的混合物，本發明不適用。


圖1為對二氯苯和間二溴苯二組份體系的/gK。wm變化圖。
圖2為對二氯苯和1,2，4,5-四氯苯二組份體系的/￡^。旨-/6^膨圖。
具體實施例方式
實施例1:
採用本發明方法處理自然水體有機相和水相的體積比。根據美國EPA提供的
水體中顆粒有機碳POC和可溶有機碳DOC濃度的默認值4.8x10'7kg/L和 2.9x1 (r6kg/L (EPA. Final Water Quality Guidance for the Great Lakes System. Federal R印ister: March 23， 1995, Page 15365- 15366)，假設水體中對二氯苯、 間二溴苯和1,2,4-三氯苯的總濃度均為10mg/L，即濃度比為1: 1: 1。計算獲得單一化合物的^，對二氯苯^ =1.0021;間二溴苯^ =1.0043; 1,2,4-三氯苯formula see original document page 10由式formula see original document page 10可得對應的混合物的composite Kovv=6.234x103，其lg(composite K。w)=3.795。令 IgK麵-lg(函posite D，由式(9)可以算得V為5x10一6，則可把V-5x10—6作為自然水體的一個常數，進而利用此值計算出自然水體中混合有機物的/C。目值。實施例2:採用本發明方法處理對二氯苯和間二溴苯二元混合體系K。wm的預測。正辛醇相與水相的體積比取1/9，對二氯苯和間二溴苯的濃度分別從0.1mg/L以0.1mg/L 的步長增長到10.0mg/L，組成一個100x100的組合配比數，代入式(9)計算獲 得一萬個對二氯苯和間二溴苯混合物的K。^n模擬數據。利用軟體模擬出對二氯苯 和間二溴苯體系的K。^隨二組份的濃度變化而變化的曲面，如圖1所示。實施例3:採用本發明方法處理對二氯苯、對溴氯苯和1,2,4-三氯苯三元混合體系K。wm 的預測。正辛醇相與水相的體積比取1/9，對二氯苯、對溴氯苯和1,2，4-三氯苯的 濃度分別從0.1mg/L以0.5mg/L的步長增長到10.0mg/L，代入式(9)計算獲得混合物的K。wm模擬數據，利用軟體可以模擬出對二氯苯、對溴氯苯和1，2，4-三氯苯體系的K。，隨三組份的濃度變化而變化的四維曲面。實施例4:採用本發明方法處理預測混合物膜水分配係數。根據林志芬等人的混合物膜水分配係數的理論模型和不同比例兩兩混合的1，4-二氯苯和1，2，4,5-四氯苯的混合 物的KM。的計算結果(林志芬，於紅霞等.混合有機汙染物在有機相/水相之間的 分配規律.科學通報，2001， 46(7): 551-555),推知該實驗體系的有機相和水相的 體積比。另一方面從文獻中獲得1，4-二氯苯和1,2，4，5-四氯苯K。w的實驗值如下1，4-二氯苯:3.37a， 3.38b， 3.62c， 3.41d， 3.38e， 3.44f 1,2，4,5-四氯苯4.52c， 4.67g， 4.52d, 4.51e， 4.60f 其中各數據的文獻來源為-a Banerjee, S.; Yalkowsky, S.H.; Valvani, S.C. Water solubility and octanol/water partition coefficients of organics, Limitations of the solubility-partition coefficient correlation. Environ. Sci. Technol. 1980, 14: 1227-1229.b Hansch, C.; Leo, A.丄Substituent constants for correlation analysis in chemistry and biology. John Wiley & Sons, New York, NY. 1979.c KGnemann， H.; Zelle， R.; Busser， F.; Hammers, W.E. Determination of log Poet values of chloro-substituted benzenes, toluenes and anilines by high-performance liquid chromatography on ODS-silica. 丄 Chromatogr. 1979, 178: 559-565.d Hammers, W.E.; Menurs, G.丄；de Ligny, C丄.Correlations between liquid chromato- graphic capacity ratio data on Lichrosorb RP-18 and partition coefficients in the octanol-water system.丄Chromatogr 1982, 247: 1-13,e Miller, M.M.; Ghodbane, S.; Wasik， S.P.; Tewari， Y.D.; Martire, D.E. Aqueous solubilities, octanol/water partition coefficients and entropies of melting of chlorinated benzenes and biphenyls.丄Chem. Eng. Data. 1984， 29: 184-190.f de Bmijn,丄；Busser， F.; Seinen， W.， Hermens,丄Determination of octanol/water partition coefficients for hydrophobic organic chemicals with the "slow-stirring" method. Environ. Toxicol. Chem. 1989, 8: 499-512.g Kenaga, E.E.; Goring, C.A.I. Relationship between water solubility, soil sorption, octanol -water partitioning and bioconcentration of chemicals in biota. In丄G. Eaton, P.R. Parrish and A.C. Hendricks, eds.， Aquatic Toxicology, ASTM STP 707. American Society for Testing and Materials, Philadelphia, PA. 1980: 78-115.經過分析最終選擇1，4-二氯苯和1，2，4,5-四氯苯的K。w值分別為3.4和4.52， 利用軟體計算出不同混合濃度序列下的K。，值後，與林志芬等人計算所得的KMD 序列進行/g/<。wm-/gf/<MD的線性擬合，結果見圖2，統計分析表明p = 0.02 < 0.05， 因而有95%的把握認為/gKowm與/gKM。線性相關。
權利要求
1、一種確定低濃度非競爭分配混合有機物混合Kowm的方法，其步驟包括(1)估算出目標混合物所在環境介質的辛醇相和水相的體積比V；(2)將V代入公式<![CDATA[ K own=f ( V , C1 , C2 , L Cn )= i=1 n Kowi 1+K owiV C i i=1 n 1 1+ K owiV C i , ]]> top= "49" left = "61"/>模擬出特定濃度範圍內的Kowm-Ci曲面；(3)根據混合物中各組份的初始濃度Ci，獲得相應的混合物的混合Kowm值。
2、 根據權利要求1所述的一種確定低濃度非竟爭分配混合有機物混合K。wm的方法，其特徵 在於該方法僅基於混合物各組份進入分配體系前的初始濃度C,、單一組份K。w,以及正辛 醇相與水相的體積比r,無需任何其他信息，即可計算獲知低濃度非竟爭分配混合有機物 的混合K。wm。
3、 根據權利要求1所述的一種確定低濃度非竟爭分配混合有機物混合K。wm的方法，其特徵在於所有用於計算的單個化合物的K。w值均來自於直接或者間接試驗，包括搖瓶法、產 生柱法、慢攪拌法和反相高效液相色譜法。
4、 根據權利要求1所述的一種確定低濃度非竟爭分配混合有機物混合K。目的方法，其特徵 在於確定濃度序列時，儘量選擇目標混合物中各組份在環境中常見的濃度範圍，並且在 此濃度範圍內混合物各組份滿足獨立的分配規律。
5、 根據權利要求1-4中任一項所述的一種確定低濃度非竟爭分配混合有機物混合K。目的 方法，其特徵在於根據所述的步驟進行計算機動態模擬預測，混合K，m值的獲取可以通 過K。旨-C;曲面讀取，或者利用公式直接計算。
6、 根據權利要求1所述的一種確定低濃度非竟爭分配混合有機物混合K^m的方法，其特徵在於步驟(1)中體積比v反映的是目標混合物所在體系的環境特徵，即體系中有機相和 水相的體積比，計算中則表現為相應的辛醇相和水相的體積比。
7、 根據權利要求1-4中任一項所述的一種確定低濃度非竟爭分配混合有機物混合/C。旨的 方法，其特徵在於步驟(2)中預測公式適用於非竟爭分配下理化性質和致毒機制相近的有 機混合物。
8、 根據權利要求1-4中任一項所述的一種確定低濃度非競爭分配混合有機物混合K。wm的方法，其特徵在於步驟(2)中K。胃公式中C,的單位為質量濃度，針對其他類型的濃度的 計算公式只需要對G進行單位間的等量變換即可。
9、根據權利要求1-4中任一項所述的一種確定低濃度非竟爭分配混合有機物混合K。wm的 方法，其特徵在於步驟(3)中C,是混合物中各組份的初始濃度。
全文摘要
本發明公開了一種一種確定低濃度非競爭分配混合有機物混合Kowm的方法，其步驟包括(1)估算出目標混合物所在環境介質的辛醇相和水相的體積比V；(2)將V代入上述公式，模擬出特定濃度範圍內的Kowm-Ci曲面；(3)根據混合物中各組份的初始濃度Ci，獲得相應的混合物的混合Kowm值。本發明可以確定出不同環境條件下、特定汙染濃度範圍內的混合物的混合Kowm值。它基於直接法測得的各組份的Kow值進行去誒多能工，具有很高的準確性。確定時僅需要獲知混合物各組份進入分配體系前的初始濃度Ci以及正辛醇相與水相的體積比V，實驗測定較方便，且計算量小，因而可以實現快速預測。
文檔編號G01N33/00GK101288812SQ20081012372
公開日2008年10月22日 申請日期2008年6月2日 優先權日2008年6月2日
發明者科 夏, 張愛茜, 勇 戴, 韓朔睽, 進 魏, 魏愛玲 申請人:南京大學