有机物定量结构-燃爆特性相关性及预测摸型研究

以化工过程安全为背景，研究有机物燃爆特性（闪点、自燃点、爆炸极限）与其分子结构间的内在定量关系。建立新型的QSPR组合算法，克服传统算法在变量筛选及模型优化方面存在的缺陷；以新算法为基础，重点针对模型全面性、模型评价验证和模型机理解释等方面对有机物燃爆特性的传统QSPR研究进行改进和完善。构建简便可靠、性能优越的QSPR预测模型，弥补现有模型的缺陷与不足，解决燃爆特性实验数据缺乏的问题；研究有机物燃爆特性的构效关系，揭示影响有机物各燃爆特性的主要结构因素及其影响规律，在分子水平上了解物质微观结构对宏观性质的影响。根据所建立的预测模型，建立相应的燃爆特性预测系统，实现快速预测有机物各燃爆特性的功能，为化工设计和过程安全分析等提供必要的基础数据。

有机物的燃爆特性是衡量可燃物质发生火灾爆炸难易程度的重要参数，是表征有机物在生产、储存和运输等过程中危险程度的重要指标，在工程设计和风险评估等工作中应用广泛。本研究以化工过程安全为背景，研究有机物燃爆特性与其分子结构间的内在定量关系。建立了新型的遗传-多元线性回归及遗传-支持向量机等定量结构－性质相关性（QSPR）组合算法，克服了传统算法在变量筛选及模型优化方面存在的缺陷，提高了模型的预测精度及稳健性。以新算法为基础，重点针对模型全面性、评价验证和机理解释等方面对传统QSPR研究进行了改进和完善，构建了针对有机物燃爆特性的QSPR研究体系。应用该体系对有机物各燃爆特性的研究结果表明：①研究建立的三个闪点预测模型其“留一法”交互验证的复相关系数Q2LOO均在0.96以上，预测平均绝对误差均低于10K的闪点实验允许误差，说明模型具有很好的稳定性和预测能力。模型机理解释表明，分子的大小、形状以及分子的氢键效应是影响闪点的主要因素；其中，分子的大小和形状等简单结构特征对闪点的影响更为显著。②建立的三个自燃点预测模型其Q2LOO均在0.85以上，预测平均绝对误差均接近或低于30℃的自燃点实验允许误差，表明模型均具有较好的稳定性和预测能力。模型机理解释表明，影响自燃点的主要结构因素是分子的静电效应和空间效应。③建立的三个爆炸下限预测模型其Q2LOO均在0.97以上，预测平均绝对误差均低于0.1vol.%的爆炸下限实验允许误差，表明模型均具有很好的稳定性和预测能力。模型机理解释表明，影响爆炸下限的结构因素是分子的大小、形状和体积等空间效应及分子的静电效应。其中，静电效应对爆炸下限的影响程度较低。④建立的三个爆炸上限预测模型其Q2LOO均在0.7以上，满足成功QSPR模型的基本要求，具有较好的稳定性和预测能力。模型机理解释表明，分子的大小和静电效应是影响爆炸上限的主要因素。其中，分子大小对爆炸上限的影响更为显著。上述模型简便可靠、性能优越，仅根据分子结构就能实现对燃爆特性的预测，解决了燃爆特性数据缺乏的问题；同时，揭示了影响有机物各燃爆特性的主要结构因素及其影响规律，在分子水平上了解了物质微观结构对宏观性质的影响。在此基础上建立的燃爆特性预测系统，实现了快速预测有机物各燃爆特性的功能，为衡量有机物的燃爆危险特性提供了必要的基础数据，为化工设计与安全科学研究提供了理论依据与技术支持。