Компьютерная генерация структурных изомеров и ее практическое применение в органической химии

• Автор: Молчанова, Марина Станиславовна
• Шифр специальности: 02.00.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1997
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 149 с.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

I. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ, МЕТОДЫ И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СТРУКТУРНОЙ ГЕНЕРАЦИИ

1.1. Перечислительные задачи для структурных формул органических соединений

1.1.1. Проблема установления числа изомеров. Теоретико

графовое представление молекул.

1.1.2. Компьютерная генерация.

1.2. Характеристики существующих генераторов структур

1.2.1. Учет размеров генерируемых молекул . .

1.2.2. Другие структурные ограничения.

1.2.3. Метод сборки и метод редукции

1.2.4. Способы исключения дубликатов
1.2.5. Использование многоатомных фрагментов при генерации изомеров.
1.2.6. Особенности генерации ациклических структур
1.2.7. Проблема водородных атомов.
1.2.8. Детерминистские и стохастические подходы.
1.3. Применение компьютерной генерации в химии.
1.3.1. Распознавание молекулярных структур
1.3.2. Предсказание соединений с требуемыми свойствами . .
1.3.3. Другие области применения генерации
II. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ФОРМУЛИРОВКА ЗАДАЧИ
.1. Компьютерное представление структурных изомеров .
.2. Проблема каноничности .
.3. Обязательные, запрещенные и разрешенные фрагменты
П.3.1. Способы задания фрагментов . . . .
П.3.2. Список обязательных подструктур.
.3.3. Список запрещенных подструктур .
.3.4. Разрешенные подструктуры
.4. Валентности атомов
.5. Прочие характеристики молекул.
.5.1. Типы локального окружения атомов и гибридизации .
.5.2. Характеризация циклической системы.
И.5.3. Рассмотрение ароматичности .
II.5.4. Учет топологии целевых структур .
III. АЛГОРИТМ ГЕНЕРАЦИИ ИЗОМЕРОВ
III. 1. Конструирование из отдельных атомов.
II 1.1.1. Основные принципы
III. 1.2. Пример генерации.
II 1.1.3. Слабая каноничность .
III. 1.4. Форсирование
III. 1.5. Проверка связности.
III. 1.6. Проверка сильной каноничности .
1.2. Конструирование с использованием многоатомных фрагментов
I И.2.1. Пеиерекрывающиеся подструктуры
II 1.2.2. Перекрывающиеся подструктуры.
1.2.3. Группы
1.3.Учет дополнительных структурных ограничений .
III.3.1. Обязательные и запрещенные подструктуры
II 1.3.2. Разрешенные подструктуры.
1.3.3. Необычные валентные состояния атомов
1.3.4. Локальные окружения атомов и типы гибридизации . .
1.3.5. Циклы.
1.3.6. Обнаружение ароматических систем и поиск канонических резонансных структур .
1.3.7. Учет топологической симметрии
1.3.8. Учет планарности
II 1.4. Графическое представление молекул.
IV. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
IV. 1. Формальное перечисление изомеров и сравнение с другими генераторами
IV. 1.1. Генерация с использованием только бругтоформулы .
IV. 1.2. Генерация с использованием базовых фрагментов. .
IV.2. Установление структурных формул соединений
IV.3.Теоретическое предсказание новых веществ с требуемыми
свойствами. 9
IV.3.1. Поиск перспективных энергоемких соединений среди
нитразапроизводных изомеров адамантана и вюрцитана
IV.3.2. Оценка потенциальной эффективности поиска новых высокоэнергетических веществ в зависимости от кислородного баланса
IV.3.3. Поиск высокоплотных гетероароматических соединений
IV.4. Установление зависимостей структурасвойство .
IV.4.1. Взаимосвязь между структурой каркасных углеводородов и их энергосодержанием.
IV.4.2. Взаимосвязь между структурой и физикохимическими свойствами нитро и нитразапроизводных каркасных молекул
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА


Однако все перечисленные исследования дают возможность определять только число возможных структурных формул для заданной бруттоформулы и заданного класса соединений, но не конкретный вид этих структур, хотя именно его знание необходимо для решения практических задач органической химии. Таким образом, возникает задача генерации, т. Как показывает опыт, задача генерации даже в случае небольших молекул обычно не может быть исчерпывающим образом решена без использования компьютера . Поэтому ее корректное решение, в отличие от решения проблемы определения числа молекул того или иного вида, было невозможным до сравнительно недавнего времени. Пионерским исследованием в области компьютерной генерации явился проект , разработка которого велась в Стан фордеком университете с конца х годов. Сначала для ациклических молекул и для определенных классов химических соединений ,, а потом уже и для произвольных структур были разработаны программы в частности, генераторы , и , которые находили все изомеры, отвечающие заданной бруттоформуле и набору дополнительных структурных требований. В настоящее время комплекс программ вытеснен более совершенными разработками и представляет скорее исторический интерес. Однако в е годы именно этот проект не только стимулировал применение в химии строгих алгоритмических подходов и систем искусственного интеллекта , но также явился толчком к развитию и практическому использованию других методов компьютерной генерации. Со времени публикации первой статьи о программном комплексе прошло без малого лет. За эго время различными исследователями было разработано несколько десятков алгоритмов, программ и программных комплексов, использующих компьютерную генерацию органических молекул для решения задач в различных областях химии. I 6 I 7,8 МЛИСС и РАСТР 93 генераторы, разработанные Байтовым 49, Тринайстичем , 0, Квасничкой 18, Фаулоном 92 а также другие программы 31. Эти генераторы существенно различаются по используемым алгоритмам, эффективности, области применения и т. Однако есть и некоторые общие признаки. Вопервых, генерируемые молекулярные графы всегда должны удовлетворять задаваемому пользователем программы списку ограничений требований к составу и структуре искомых молекул. При этом практически всегда налагаются ограничения на размеры генерируемых молекул т. Вовторых, перечисленные программы направлены на генерацию именно ковалентно связанных целых молекул, а не, например, активных центров или молекулярных комплексов. При этом рассматриваются лишь формальные структуры структурные формулы молекул, а не их реальное пространственное строение в программах, где учитывается стереоизомерия искомых структур ,,, поиск стереоизомеров обычно независим от процесса конструирования молекулярных графов и производится отдельно для каждого из структурных изомеров с использованием специального программного модуля 24. Втретьих, для компьютерной генерации молекулярных графов необходимо использовать какоелибо их числовое представление. Это может быть, например, матрица смежности 6 квадратная матрица А размером х , где число вершин в молекулярном графе, а каждый элемент матрицы ац равен кратности ребра г, в графе, если вершины и смежны, и нулю в противном случае см. Однако очевидно, что конкретный вид матрицы смежности зависит не только от структуры молекулярного графа, но и от нумерации его вершин так, для графа с вершинами существует способов нумерации графы, которые различаются только порядком нумерации вершин, называются изоморфными, см. А матриц смежности см. То же самое относится к другим числовым представлениям молекулярного графа матрицам инциденций 3, спискам окрестностей вершин 7 и т. Таким образом, изоморфизм графов является источником дубликатов среди генерируемых молекул для каждой структуры может быть сгенерировано множество изоморфных представлений, идентичных с химической точки зрения. Значит, необходима специальная процедура распознавания и удаления дубликатов. Иногда используется также термин матрица связности 5. Фактически число различных матриц смежности равно Vv4i, где ЛШС число симметрии молекулярного графа см. II.