CC BY
28
УДК 665.662.3
М. А. Тюрина (асп.)1, С. А. Кирлан (д.х.н., с.н.с.)2, Е. И. Мельницкая (асп.)1, Е. А. Кантор (д.х.н., проф., зав. каф.)1
Исследование влияния химических фрагментов на уровень предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ в воздухе
1 Уфимский государственный нефтяной технический университет, кафедра физики 450032, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел./ факс (347)2420718; e-mail: [email protected] 2Научно-исследовательский технологический институт гербицидов и регуляторов роста растений РБ, лаборатория НОЦ 450029, г. Уфа, ул. Ульяновых, 65; тел. (347) 2433614; e-mail: [email protected]
M. A. Tyurina1, S. A. Kirlan2, E. I. Melnitskaya1, E. A. Kantor1
Influence of chemical fragments on the maximum allowable concentration toxic pollutants in the air
1 Ufa State Petroleum Technological University 1, Kosmonavtov Str, 450032, Ufa, Russia; ph. (347)2420718; e-mail: [email protected] 2Technological Institute of Herbicides and Plant Growth Regulators 65, Uljanovykh Str., 450029, Ufa, Russia; ph. (347) 2433614; e-mail: [email protected]
На основе 170 структурно разнообразных органических соединений проведено исследование закономерностей связи «структура—токсическое действие» и возможности оценки уровня предельно допустимых концентраций (ПДК) в воздухе на основе теории распознавания образов в рамках системы «SARD-21» (Structure Activity Relationship & Design). В результате исследования выявлены химические фрагменты, повышающие и понижающие уровень общетоксического показателя вредности. Полученные данные могут быть применены при моделировании и до-экспериментальной оценке ПДК органических веществ в воздухе.
Ключевые слова: информативность; органические соединения; предельно допустимая концентрация в воздухе; резорбтивный показатель; связь «структура—токсическое действие»; теория распознавания образов.
Предельно допустимая концентрация (ПДК) является наиболее значимым нормативом при оценке степени техногенного воздействия и эколого-гигиенического неблагополучия. Для обоснованной оценки ПДК химических веществ применяется лимитирующий показатель вредности вещества, одним из параметров которого является резорбтивное биологическое действие, характеризующее возможность развития общетоксических эффектов от концентрации вещества в воздухе и длительности ее вдыхания. С целью предупреждения
Дата поступления 13.04.12
On the base of 170 organic structurally diverse compounds investigated dependence «Structure— toxicity» and possibility assessment of maximum allowable concentration toxic pollutants in the air on the basis of «SARD-21» (Structure Activity Relationship & Design). A result of research identified chemical fragments that increase or decrease the level of toxic hazard index. These findings can be used at modeling and before experimental estimate of maximum allowable concentration organic toxic pollutants in the air.
Key words: informativity; organic compounds; maximum allowable concentration toxic pollutants in the air; resorptive indicator; dependence «Structure—toxicity»; the theory of pattern recognition.
развития резорбтивного действия установлено среднесуточное значение ПДК в воздухе (ПДК с.с.) (рис. 1) 1.
Между строением химических соединений и их токсичным действием существует объективная связь, обоснованная совокупностью электронных, стерических и гидрофильно-ли-пофильных характеристик, которая позволяет на основе исследования связи «структура-токсическое действие» осуществить теоретическую оценку уровня характеристик вредного воздействия, в частности, ПДК.
Cl
CH3.
\ /N. N ^
O
H3
Бенз(а)пирен, ПДК= 0.000001
CH3
N-нитрозодиметил-амин, ПДК= 50
2-(2-Гидрокси-5-метил-фенил)-бензтриазол, ПДК= 0.2
O
OH
OH
1,4-Бензолдикарбоновая кислота, ПДК= 0.001
N—h
O
2-Хлорциклогексилтио-фталимид, ПДК= 0.35
Br
OH
1,2-Дибромпропан-1-ол, ПДК= 0.001
Рис. 1. Примеры структур исследуемых органических соединений, где ПДК (мг/м3) — среднесуточная концентрация в атмосферном воздухе населенных мест
Нами проведено выявление химических фрагментов, повышающих и понижающих уровень общетоксического показателя вредности загрязняющих веществ в воздухе. На основе 170 органических соединений проведено исследование закономерностей связи «структура-токсическое действие» и возможности оценки уровня ПДК на основе теории распознавания образов в рамках системы «SARD-21» (Structure Activity Relationship & Design) 2.
Исследуемые соединения, согласно ГОСТ 12.1.007-76 3, разделены на две группы: группа А — чрезвычайно опасные, имеющие значения ПДК (мг/м3) по резорбтивному показателю менее 0.1; группа В — с ПДК более 0.1, включающие высокоопасные, умеренно опасные и малоопасные вещества.
В группу А включены ациклические бром-, хлор-, оксосоединения: бутановая кислота, гексахлорэтан, 1-бромпентан, бутаналь, формальдегид, аминоспирты, а также ароматические и гетероциклические соединения, содержащие атомы азота, хлора, кислорода, серы, в частности: бензопирены, азиридины, азепины, бензантрацены, тетразолы. Группа В представлена производными: бутадиена, диэтиламина, изоксазола, мочевины, нитрозамина, бензат-риазола, бензамида, фторбензола.
Расчетным методом проведена оценка влияния химических фрагментов на проявление токсических свойств исследуемых органических со-
единений на основе значений информативности (г), которые вычисляются по формуле:
п д - д д
Г = 14 2 3
^N N N ,
где п1 и П2 — число структур группы А, содержащих и не содержащих данный химический фрагмент;
щ и П4 — то же для группы В;
N1 и N2 — число структур в группах А и В;
N3 = П1 + П3;
N = п2 + п4.
Предел изменения оценок — от —1 до +1. Чем выше абсолютное значение информативности, тем выше вероятность влияния данного признака на проявление анализируемого свойства (г>0.1 — увеличение токсичности, г<—0.1 — снижение токсичности).
В результате исследования выделены 736 простых и сложных химических признаков (79 монад, 199 диад и 458 триад), среди которых выявлены фрагменты, значительно повышающие (г>0.1) и снижающие (г<—0.1) токсическое действие органических соединений.
Наибольшую токсичность вызывает наличие атома брома (г=0.2), этиленовых групп в ароматической системе (г=0.258, 0.242, 0.23), 4-РЬ (г=0.161); сочетание этиленовой группы в ароматической системе с атомом хлора или кислорода (г=0.157, 0.149), атома кислорода с карбонильной группой (г=0.138, табл. 1).
Таблица 1
Наиболее и наименее токсичные химические фрагменты
Фрагменты г Фрагменты г
(>С=С<) - (>С=С<) 0.258 (-N=N1-) -0.211
(>С=С<) 0.242 (П -0.211
(>С=С<)-(>С=С<)-(>С=С<) 0.23 (-СНз) - (>С<) - (С1) -0.211
(Вг) 0.2 (-СН2Ив1-) - (>С<) - (-NH-) -0.211
4-РИ 0.161 (-СН2Ив1-)-(>С=О)-(-СН2Ие1-) -0.211
(>С=С<) - (С1) 0.157 (>С<) - (-СН2ИеН - (>С=О) -0.211
(-О-) - (>С=С<) 0.149 (-(СН2)4.10-)-(-СН2Ие1-)-(-ОН) -0.211
(-О-) - (>С=С<) - (>С=С<) 0.149 (>СН-) - (С1) -0.213
(>С=С<) - (>С=С<) - (С1) 0.149 (>С<) - (С1) -0.225
(-О-) - (>С=О) 0.138 (-СНз)-(-(СН2)4-ю)-(-СН2Ие1-) -0.259
Таблица 2
Влияние сложных фрагментов на общетоксические свойства
Фрагменты г Фрагменты г
(-СНз)-(-(СН2)2-)-(-СН211еЧ 0.09 (>С=О) - (-СН21леН - (>С=С<) -0.148
(-СН2ИеН - (>С=С<) - (С1) 0.09 (-CH2het-) - (Р11) -0.149
(-СН2ИеН - (С1) 0.08 (-CH2het-) - (-(СН2)4..10-) -0.165
(>С=С<) - (-СН2ИеН - (С1) 0.08 (-CH2het-) - (>С=О) -0.176
(-CH2het-)-(>N-)-(-CH2het-) 0.069 (-CH2het-) - (>С<) - (^Н-) -0.211
(-CH2het-)-(-O-)-(>C=O) 0.069 (-CH2het-)-(>C=O)-(-CH2het-) -0.211
(-ОН)-(-СН211еЧ-(>С=С<) 0.069 (>С<) - (-СН21леН - (>С=О) -0.211
(-CH2het-) - (-(СН2)з-) 0.057 (-(СН2к.10-)-(-СН211еН-(-ОН) -0.211
(-CH2het-) - (-Б-) 0.057 (-СНз)-(-(СН2к.10-)-(-СН211еН -0.259
Наименьшую токсичность проявляют следующие химические фрагменты: азогруппа (г=—0.211), атом фтора (г=—0.211), метиль-ная группа и хлор, непосредственно связанные с атомом углерода (г=—0.211), метиленовая группа при гетероатоме и аминогруппа, непосредственно связанные с атомом углерода (г=—0.211), две метиленовые группы при гете-роатомах, непосредственно связанные с карбонильной группой (г=—0.211), четырехзаме-щенный атом углерода и карбонильная группа, непосредственно связанные с метиленовой группой при гетероатоме (г=—0.211), цепочка из 4—10 метиленовых групп и гидроксильный фрагмент, непосредственно связанные с мети-леновой группой при гетероатоме (г=—0.211), метиновая группа с хлором (г=—0.213), че-тырехзамещенный атом углерода с хлором (г=—0.225), метильная группа и метиленовая группа при гетероатоме, непосредственно связанные с цепочкой из 4-10 метиленовых групп (г=—0.259, табл. 1).
Среди ациклических фрагментов повышает токсичность соединений метильная группа в сочетании с атомом азота (г=0.123), две ме-тильные группы, непосредственно связанные с атомом азота (г=0.1), метильная группа, последовательно связанная с двумя метиленовы-ми группами (г=0.099). Несколько ниже токсичность метильной группы в сочетании с карбоксильной группой (г=0.09), метильной
группы и метиленовой при гетероатоме непосредственно соединенных с цепочкой из двух метиленовых групп (г=0.09), метильной группы и брома, непосредственно соединенных с цепочкой из 4—10 метиленовых групп (г=0.08), метиленовой и карбоксильной группами, связанных с аминогруппой (г=0.08), метиленовой и карбоксильной группами при этиленовой (г=0,069), метиленовой и вторичной аминогруппой (г=0.057). Понижает токсичность метильная группа в сочетании с атомом хлора и метилена (г=—0.148), метиленовой группой при гетероатоме и карбонильной группой (г=—0.148), метиновой группой с атомом хлора (г=—0.148), 4-РЬ с третичным атомом азота или гидроксигруппой (г=—0.148, —0.148), цепочкой из 4—10 метиленовых групп и метиленовой группы при гетероатоме (г=—0.259, рис. 2).
Способствует снижению общетоксических свойств метиленовая группа при гетеро-атоме (-СИ2Ье1-) в сочетании со следующими химическими фрагментами: карбонильной и этиленовой группами (г=—0.148), фенилом (г=—0.149), цепочкой из 4—10 метиленовых групп (г=—0.165), карбонильной группой (г=—0.176), вторичной аминогруппой при атоме углерода (г=—0.211), еще одной метилено-вой группой при гетероатоме и карбоксильной группы ( г=—0. 211), четырехзамещенным атомом углерода и карбоксильной группой
Рис. 2. Влияние сложных химических фрагментов на общетоксические свойства
Фрагменты
Рис. 3. Влияние фенилсодержащих химических фрагментов на общетоксические свойства
(г=-0.211), цепочкой из 4—10 метиленовых групп с гидрокси- или метильной группами (г=—0.211, -0.259, табл. 2).
Анализ расчетных данных показал, что циклический фрагмент 4-РЬ характерен высокотоксичным органическим соединениям и повышает токсичность индивидуально (г=0.161) и в сочетании с атомом хлора в качестве заместителя (г=0.107, рис. 3).
Полученные данные могут быть применены для определения направлений структурного моделирования и доэкспериментальной оценки ПДК органических веществ в воздухе при их производстве и применении.
Литература
1. ГН 2.1.6.695-98 Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест.- Введ. 29.04.98.- М.: Минздрав России, 1998.- 41 с.
2. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2011612273. Программные модули компьютерной системы 5ЛКБ-21 для прогноза и моделирования биологически активных химических соединений / Кирлан С. А. (ИИ). Зарегистрировано в Реестре баз данных
17.03.2011.
3. ГОСТ 12.1.007-76 Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности.-Утв. Постановлением Госстандарта СССР от 10.03.76 №579 (ред. от 01.03.89)
Исследования проведены в рамках ГК № 14.740.11.0366.
