Систематическая генерация и анализ уравнений, выражающих способы реагирования органических соединений тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ

ШЙСОВСККИ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ

И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫ1» УНИВЕРСОТЕТ жени М. В. ЛОМОНОСОВА

ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи

БАСКИК ИГОРЬ ИОСИФОВИЧ

УДК 547.1+541.60+681.142.2

СИСТЕМАТИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАЦИЯ И АНАЛИЗ УРАВНЕНИЯ, ВЫРАЖАЮШ СПОСОБЫ РЕАГИРОВАНИЯ '

ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИИ С02.00.03-органическая химия)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

МОСКВА-1990

Работа выполнена на кафедре органической химии лаборатории органического синтеза химического факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: академик АН СССР,

доктор химических наук, профессор К. С. Зефиров

Научный консультант: научный сотрудник С. С. Трач

Официальные оппоненты: доктор химических наук, .

профессор Э. Е. Нифантьев

кандидат химических н«да В.А.Кикакоров

Ведущее учреждение: Тверской государственный

университет

Защита состоится 2-9 Ном/м 1990 года в // ,уас. . заседании специализированного Ученого Совета Д. 0 53.'.05.58 по химическим наукам при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 111899, ГСП, Москва, В-234, Ленинские горы, химический факультет МГУ, аудитория 33?

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке химическо факультета МГУ"1 им. М.В.Ломоносова.

Автореферат разослан 23 (УХЧ^к/рЗ_ 1990 г.

Ученый секретарь специализированного Ученого Совета, кандидат химических наук,

старший научный сотрудник —Э.А. Шоков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. Актуальность проблемы. Задачи ускоренного развития органической химии и связанных с ней прикладных дисциплин настоятельно требуют разработки методов систематического и целенаправленного поиска новых органических реакций, реагентов и каталитических систем. Органическая химия была и остается преимущественно эмпирической наукой, и поэтому химик при поиске новых реакций, как правило, рассуждает по аналогии, полагаясь на знание эмпирического материала, опыт, химическую интуиции и, наконец, просто на удачу. Существующие в настоящее время мощные квантоеомеханичес-кие и физико-химические вычислительные методы могут в лучшем случае лишь предсказать результаты какого-либо конкретного эксперимента, и поэтому "творческая способность" этих подходов также зависит только от интуиции химика, ведущего расчет. Однако человек не в состоянии провести полный и беспристрастный перебор всех необходимых вариантов, в силу чего очевидна необходимость применения компьютера в роли "генератора идей", помогающего хи- ■ тку-оргатку путей исчерпывающего перебора "изобретать" принципиально новые реакции, которые потом уже могут быть проверены Теоретически и экспериментально.

Цель работы состоит в машинной генерации и анализе уравнений, выражающих структурные изменения в ходе органических реакций. Конкретными задачами исследования являются:

- создание компьютерной программы поиска новых типов реагирования органических соединений;

- генерация на ЭВМ полных списков трех-шестицентровых уравнений, выражающих способы перераспределения связей в ходе органических реакций;

- классифицирование полученных таким путем уравнений;

- демонстрация применимости полученных результатов для систематизации фактического материала органической химии и предсказания новых типов органических реакций;

- распространение формально-логического подхода на описание механизмов химических реакций;

- создание компьютерной программы, проводящей генерацию механизмов органических реакций.

Методы исследования. Постановка задачи генерации уравнений, выражающих способы реагирования органических соединений, базиру-

1

ется на формально-логическом подходе к органический реакциям, разработанном ранее в лаборатории химии гетероциклических соеди нений химического факультета МГУ. Машинные программы написаны для микро-ЭЗМ "Искра-226" и персонального компьютера "IBM ,РС'-'.

Научная новизна работы заключается в следующем.-

1. Развита и реализована в виде программы для персональньгх ЭВМ методология поиска новых типов реагирования органичесйгйх соединений.

2. С помощь» разработанной программы составлен атлас символических уравнений, выражающих способы реагирования , органических соединений.

3. На основе выведенных символических уравнений 'был'-вйерЕые проведен систематический анализ двух важных классов органически реакций, характеризующихся линейными и линейко-цикличесКИми топология)«! перераспределения связей. . -

4. Разработан новый подход к описание механизмов реакций органических и металлоорганических соединений. На'его'-основе создана компьютерная программа, проводящая генерацию механизмов реакций.

5. Проведенное компьютерное исследование продемонстрировало хороший уровень предсказательной способности созданных компьютерных программ поиска новых типов органических реакций и их механизмов, поскольку наряду с известными реакциями они позволь выявить неизвестные способы реагирования. Некоторые из сделаню предсказаний получили экспериментальное подтверждение.

Практическая значимость работы заключается в том, что созданные компьютерные программы и полученный с их помощью атлас символических уравнений могут служить мощным инструментом для химика-исследователя при поиске новых типов органических реакци и их механизмов.

Созданные компьютерные программы используются в институте органической химии СО АН СССР (Новосибирск), в институте органической и физической химии им. А.Е.Арбузова С Казань), в . Волгоградском медицинском институте (имеются акты о внедрении), в Саратовском государственном педагогической институте, в Новосибирском государственном педагогическом институте (имеются письма о передаче программ).

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы доложены на VII Всесоюзной конференции

2

Использование вычислительных машин в химических исследованиях спектроскопии молекул" СРига, 1986 г.), на V Всесоюзном шпоэиуме по органическому синтезу "Новые методы и реагенты в энном органическом синтезе" (Москва, 1988 г.), на конференции элодых ученых Химфака МГУ в 1SS7 г. эдержание диссертации изложено в девяти публикациях.

-Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изло-эна на 138 страница:-; машинописного текста и состоит из введе-ия, одиннадцати глав, выводов, списка литературы С160 наимено-аний) и двух приложений. Главы 1 и 2 составляют обзор итературы, главы.3-10 - обсуждение полученных результатов и лава 11 - экспериментальную часть; основная часть работы вклю-ает 2 иллюстрации и б таблиц. Приложения содержат акты о недрении и полные списки 3-6-центровых символических уравнений 74 Таблицы, 61 стр.).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава диссертационной работы посвящена обсуждению юрмальных математических методов описания химических структур, еакций и их механизмов. Рассмотрены пять основных типов подхо-;ов: квантовомеханические методы, подходы, основанные на применили теории графов, метод реакционных решеток и кинетические юдходы. Наиболее подробно изложены методы, основанные на теории ■рафов: математическая модель органической химии Кааснички, коалиция мнимой переходной структуры Фудзиты и разработанный Î. С. Зефировым и С. С. Трачом формально-логический подход к органи-1еским реакциям. В этой же главе рассмотрены основные понятия »Того подхода: • понятия перераспределений связей СПС], реакционна центров СРЦ, т.е. атомов, у которых хотя бы одна из связей ¡зменяет свою кратность в результате ПС), реакционных фрагментов [т.е. центров или совокупностей центров, ведуидах себя как единое ;елое в ходе ПС), символических уравнений (уравнений, в которых фигурируют символы абстрактных РЦ, т.е. символы, указывающие на изменения валентности конкретных центров в результате ПС), классификационных уравнений (уравнений, в которых фигурируют символы реакционных фрагментов), а также топологий ПС (контуров, на которых располагаются связи, изменяющие кратность в результате ПС).

Во второй главе рассмотрены основанные на формальных математических моделях методы поиска новых типов органических реак-

3

ций. Обсуждаются возможности единственной описанной в литературе программы такого типа - системы "IGOR" (Мюнхен, ФРГ). Излагаются основные идеи использования формально-логического подхода для конструктивного перечисления типов органических реакций.

Третья глава диссертации посвящена описании основных .возможностей компьютерной программа, названной "SYMBEQ", предназначенной для целенаправленного поиска возможных типов реагирования органических соединений. В основе используемого в программе -метода поиска лежит формально-логический подход к органическим ¡реакциям, согласно которому каждый тип реагирования органических соединений характеризуется символическим уравнением, полностью описывающим перераспределение связей в ходе реакции. Программа "SYMBEQ" позволяет порождать полные списки символических уравнений канонического вида (т.е. не содержащих знаков заряда яда неспаренного электрона), отвечающих заданному контуру - графу,, идентифицирующему топологи» перераспределения связей. ,В ;ходе .генерации символических уравнений учитываются ограничения, .налагаемые на допустимые количества обычных Ссохраняющих в ходе реакции своп валентность) и специфических (изменяющих свою формальную валентность на две единицы) РЦ, а также на максимально возможные значения реакционных номеров РЦ (т.е. на суммарный порядок всех их связей, каждая из которых участвует в ПС). Предусмотрена также возможность задавать возможные типы изменений кратностей связей, что позволяет при необходимости осуществлять селективную генерацию отдельных типов ПС.

Следует отметить, что хотя в генерируемых программой "SYMBEQ" символических уравнениях канонического вида фигурируют исключительно РЦ, не несущие символа заряда или неспаренного электрона, однако полные списки символических уравнений неканонического вида (в которых фигурируют РЦ, несущие заряд или нес-паренный электрон) всегда можно построить из символических уравнений канонического вида путем замены в них обычных РЦ с реакционным номером, равным единице, на символы (+), (-), и (•).

В четвертой главе рассмотрены основные возможности универсальной компьютерной программы ввода, вывода'и обработки графа-ческой информации для целей органической химии. Ее сокращенная версия вошла в качестве составной части в "SYMBEQ". Эта программа, названная "MODEL", представляет собой комплекс графических средств, ориентированных на манипулирование типичными объектами

4

икни - структурными и стереоформулами органических соединений, р<?итальными моделями, уравнениями и схемами реакций, стрелочны-и схемами, изображающими перераспределения связей и т. п.

Пятая глава диссертационной работы посвящена подробному ассмотрению и обоснованию критериев отбора наиболее "лерспек-ивных" символических уравнений. Эти критерии были применены при оставлении при помощи программы "SYM3EQ" атласа символических равнений с целью классифицирования соответствующих органических еакций и выявления новых, экспериментально еще не изученных ти-ов реагирования органических соединений.

В шестой главе на основе сгенерированных программой SYMBEQ" списков символических уравнений обсуждена подробная лассификация возможных типов реагирования, относящихся к двум ;ажным классам органических реакций, которые характеризуются ;инейными и линейно-циклическими топологиями перераспределения вяэей. Приведем иллюстрирующий пример.

—fi^PKj -» PhjP K3=:¡| PPhj Cía)

-» X X Cid)

rA=»rA'=/A -» CA CA' °A С Ir)

CA pCcA') CA T=i ГА=СГА')р==гА С1д) Реакция распада трифенилфосфиназика Cía) описывается симво-¡ическим уравнением С16), в котором символами X обозначены атомы фосфора., покихасаде свою валентность на две единицы, а жирными гочками -- атомы азота, сохраняющие свою валентность неизменной в соде реакции. Топология ПС в этой реакции'идентифицируется "ли-шйным" графом С1в), среднее ребро которого соответствует обра-юванию связи n=n, а два крайних - разрыву связей p=n. Символическому уравнению Cid) соответствует классификационное /равнение С1г), в котором реакционным фрагментам А отвечают ато-кы фосфора, а фрагменту А'- пара атомов ¿.зота. Уравнение С1г) является частным случаем обобщенного классификационного уравнения С1д) при р=1. Уравнением С1д) в самом общем виде описываются процессы линейного присоединения-фрагментации.

В рамках формально-логического подхода классификация основных типов органических реакций основывается на использовании классификационных уравнений обобщенного вида. В разделе 6.1 показано, что все выведенные 3-6-центровые символические уравнения, отвечающие линейной топологии ПС, описываются 6 классифика-

S

ционньаш уравнениями обобщенного вида и в соответствии с этим линейные ПС классифицируются на: 13 резонансные переходы, 2) процессы присоединения-фрагментации, 3) процессы замещения., -.4) процессы метатезиса, 5) процессы заместительного присоединения-фрагментации и 0) процессы заместительной дисмутации.

В разделах 6.2 и 6.3 показано, что процессы с линейно^цик-лическими и более сложными топологиями ПС могут быть классифицированы путем комбинирования указанных выше типов с основными^(типами циклических ПС. Для линейных и линейно-циклических топологий проведена подробная систематизация известных реакций. Показано, что экспериментально изучена лишь небольшая -часть'процессов, описываемых выведенными символическими уравнениям.

В седьмой главе рассмотрена методология использования'.полных списков символических уравнений для поиска новых органических реакций и синтетических методов. Поскольку, как -показадр .э гл. 5 и 6, выведенные символические уравнения описывают йо -большей часта неизвестные способы реагирования, то они, следовательно, показывают, каким образом в этих неизученных процессах должны перераспределяться связи, что позволяет делать определенные выводы относительно того, в каких реакционных системах нужно искать новые реакции. Поэтому полные списки символических уравнений могут быть использованы как инструмент в поиске новых химических процессов.

Простейший метод поиска новых органических реакций заключа ется в анализе различных способов замены ь символических уравне ниях абстрактных символов Сточки для обычных РЦ и X - для специ фических) на обозначения химических элементов в соответствии с допустимыми значениями валентности, подборе конкретных химических реагентов и экспериментальном изучении предсказываемых реак ций. Рассмотрим в качестве примера символическое уравнение (2а) которым может быть описан, в ча'стнйсти, практически неизученный метод синтеза пятичленных гетероциклов; в этом случае в роли ' обычного РЦ, связанного в исходной реакционной системе со специ фическим РЦ, должен выступать атом кислорода, азота или серы, а специфическим РЦ может быть любой атом, способны!: изменять формальную валентность на 2 единицы ШУ), 2с(1У), 2(1\0, 5СVI), Л1Ш, РСУ) и т.д.]. Приведем несколько интересных возможностей. Уравнения (2б-г) выражают возможные методы получения фура-нов, в качестве ацетиленовых компонент можно предложить исполь-

6

з&в&ТЬ производные ацетиленкарбоновой и ацетилендикарбоновой кислоты. Уравнение С2д) описывает предлагаемый метод синтеза пир-рояов. Для получения тиофенов может быть предложена реакция (2е).

X II

X

С 2а)

А

II

О _> Ж

(26) хаГ Чя 1:1 ¡1 II II

!5С СЯ ПС-СП

РЫ

II о

(1С

III яс

рм

—• /Ч

ся С2в) ПС хся

НГ ся

ЙС-

-ия

я, к 3||

о

яс !!1 КС

К3Н

-' УЧ

ся (2г) яс хся

«1 СЯ

II

яс-

II

-СИ

СП (р -, ВС/

II д II

ей ЯС-

Г81У1

. С2е) ис^ Чя I!! ¡1! II II

ЯС СЯ КС-СЯ

С.Й. Кожушковым и Н.Г.Човниковой было проведено экспериментальное исследование предсказанных реакций (2б-г). В качестве ацетиленовой компоненты был взят эфир ацетилендикарбоновой кис-йоты. Было показано, что диметилселеноксид гладко вступает в реакцию (26), образуя эфир фурактетракарбоковой кислоты с выходом АО'/., йодозобензол образует этот жэ продукт со значительно меньшим выходом, а оксид триметиламина реагирует совсем другим способом. Таким образом, даже такое очень ограниченное изучение всего лишь одного символического уравнения позволило найти новую реакцию (26) (а также при анализе побочных процессов обнаружить интересные превращения).

Другой альтернативный способ поиска новых реакций заключается в замене в символических уравнениях реакционних фрагментов на их представления. Во многих известных органических реакциях реакционному фрагменту СЗа) соответствует представление (36). Подставляя его в символическое уравнение С4а). получаем схему ии-

7

тересного химического процесса С46). в котором в качества реагента СН^==7 можно предложить использовать злидьг либо металдо-карбены. I I

X-•— -» —X" * р-о— -»—г» I »о

(За) I (3<3 I

СН]

Ч^/* С4а) ^ • от^у с*о>,г^

Одним из основных принципов применения символических уравнений для дизайна органических реакций является такой подбор реакционной систем, чтобы у рассматриваемого химического - процесса была явная "движущая сила" - например, образование прочных-химических связей, выбрасывание энергетически стабильных .молекул, возникновение устойчивых ароматических систем. Приведем в качестве примера несколько интересных возможностей. Уравнение (56) [получается из символического уравнения (5а)] выражает одно из возможных направлений разложения аллиловаго эфира о-диазокарбо-новой кислоты; в этом случае реакции должна.благоприятствовать высокая стабильность образующихся карбонильной группы и молекулярного азота. Внутримолекулярной циклизации карбенов по уравнению (66) и нитренов [реакция (6в)3 (либо, соответственно, карбе-ноидов и нитреноидов) в соответствии с символическим уравнением (6а) должно способствовать возникновение ароматической системы.

X X «1 «г

п ф ву

ц ^ (5а) ^ \о (56) \о

(5 С-О ЙС=

X

(ОС)

N-СГЬ

II II

И С. ХН

:й-ск*

СГ(!

При поиске новых органических реакция следует исходить из предположения, что для любого символического уравнения можно найти такую структуру реагентов, такой катализатор и такие экспериментальные условия, чтобы предсказываемая реакция могла осуществиться. Поэтому основная проблема заключается в том, как провести такой поиск. При экспериментальном исследовании можно, например, найти причины, мешающие прохождению предсказываемых реакций, и затем их устранить, изменив структуру реагентов и экспериментальные условия, направляя тем самым химический процесс в нужное русло.

При теоретическом исследовании для более точного предсказания возможности и условий многостадийных органических реакций необходимо знать, по каким они могут идти механизмам, т.е. уметь их представить как последовательность элементарных стадий, для каждой из которых возможно применение более строгих эмпирических критериев либо проведение физико-химических расчетов. Все это привело к необходимости распространить формаьно-логический подход на описание, классификацию и систематическую генерацию механизмов реакций.

В восьмой главе рассмотрено применение формалыю-логическо-го подхода для описания механизмов реакций. Остановимся на некоторых' из введенных понятий. Механизмы реакций в данном подходе описываются как цепочки трансформаций графов. Супертопологией ПС для многостадийной реакции называется контур, идентифицируемый графом, в.котором ребра соответствуют связям,. изменяющим свою -кратность не только при переходе из начальной реакционной системы в конечную', но также и в любой из стадий данной реакции. Рассмотрим в качестве примера гидролиз'слохноэфирной группы С7а), который описывается символическим уравнением С76). Топология ПС для этой реакции идентифицируется графом С8а).

Представим теперь, что механизм реакции включает две стадии, которые изображены на схеме С9а). Схематически эту последовательность стадий можно изобразить как цепочку трансформаций графов С96). В этом случае супертопология ПС будет идентифицироваться графом С86), в котором ребра АЕ и ЕС соответствуют связям, которые, хотя и изменяют свою кратность в ходе отдельной стадии реакции, но в результате всего превращения остаются неизменными и поэтому отсутствуют в графе (8а), идентифицирующем топологию ПС.

к с*

\

-огг*'

к'ен—-н

(7а)

ч

но

.в А*,

С 8а)

С С

С 8(5)

бя"

(76)

ЯСс-СЛ' ПСг-СП'

но-н

V

но

\

(8в)

"К *г 1 >0

( 8«'

ту

ко к

ч

ч

ч

ч

(36)

Пометки ребра графа (86) г.гетками. характеризующими изменения кратностей связей как в итоге' всего' превращения (вне контура), так к на каждой из стадий (внутри контура) и расставим-номера стадий. Получившийся рисунок (8в)' является символической супертопологической схемой механизма реакции, Поставим около вершин на этой схеме символы, идентифицирующие природу соответствующих им атомов или групп, в которые' эти атомы входят. Получившийся рисунок (8г) является реакционной супертопологической схемой либо просто супертопологической охемой механизма реакция. Б графе С86), идентифицирующем оупёр^ШОпотю ПС, присутствует вершина Е, которой нет в графе (8а); йДентифйцйрустйМ Тойологию ПС для реакции (7а). Если в исходной и, следовательно, в конечной реакционных системах подобные центры не связаны с реакционными, то следует говорить о явлении катализа, и эти центры называются каталитическими. Рассмотрение супертопологических схем позволяет проводить анализ механизмов произвольных, в том числе и каталитических процессов, основываясь не на физической стороне явления (т,е, на кинетических и термодинамических характеристиках) , а на структурных изменениях, происходящих на промежуточных стадиях реакции.

Далее в этой же главе на основе приведенных выше представлений проведено подробное рассмотрение одно- и двухцентрового

10

катализа, предложены принципы формального описания механизмов цепных процессов. Исходя из представлений о каталитических "фантом-центрах" разработана методика описания механизмов ионных, свободно-радикальных, электрохимических и фотохимических реакций на основе единого подхода к рассмотрений структурных изменений. На ряде примеров показано, «то поскольку метод супертопологических схем представляет,собой .единый подход к описании механизмов самых разнообразных химических процессов, то это позволяет осуществлять их сравнение, выявление общих черт, использовать в одной из областей химии результаты, полученные в другой, моделировать сложные системы более простыми.

В девятой главе рассмотрено применение формально-логического подхода для списания реакций металлоорганических соединений. Необходимость включения данного исследования в диссертационную работу обусловлена тем, что в .большинстве каталитических процессов в качестве катализаторов и интеркедиатоз принимают участие неорганические либо мэталлоорганпческке соединения, химичоскоб строение которых уже не может быть представлено "классической" структурной формулой, типичной для органической хиг.сгк. Это привело к необходимости разработки общего метода составления структурных формул произвольного химического соединения, который был бы корректен с точки зрения формально-логического подхода.

Предлагаемый метод построения структурных формул основан на том, что структурная фор:лула призвана показать не столько тонкие детали электронного строения молекул, сколько.представить в сжатом виде все формально возможные способы реагирования соединения. Согласно формально-логическому подходу, в т. н. канонических реакционных системах Сие содержащих знаков заряда или неспарен-ного электрона) в ходе химической реакции формальная валентность (степень вершины графа, описывающего химическую структуру соединения) меняется на четное число единиц. Для составления структурной формулы соединения следует представить гипотетическую р_е-акцио его образования, удовлетворяющей этому правилу, из соединения с уже построенной структурной формулой либо из атомов с обязательным учетом числа неспаренкых электронов. Построенная таким образом структурная формула корректна с точки зрения теории валентных схем Сдействительно, спаривание электронов можно формально представить как гипотетическую химическую реакцию). Иа ряде примеров показано также, что такие структурные формулы не

И

противоречат теории молекулярных орййтал'ей'. 1&>кйл'ёйй6в пё£е-Яодннх металлов такие формулы совпадают со структурными/ получаемыми по методу изолобальних аналогий для тех случаев, когда последний может бить применен. Показано, что в' соответствии с изложенными принципами в тех классах соединений, в которых устойчивость определяется наличием заполненной электронной оболочки инертного газа, формальная валентность атома в соединении обычно равна М-п, где N - это 8'для р-элементов и 18 - для ¿-элементов, а п - число электронов на внешней электронной оболочке. Например, в карбонильных Ц "сэндвич"-комплексах, для которых хорошо работает правило 19 электронов/ формальная валентность Сг равна 12, №1-11, "е - 10, Со -1 9, Ш - 8 й Т.д,, для комплексов о плоской геометрией ее значение, как правило, на две единицы ниже;

. В конце главы на конкретных примерах показано использование принципов формально-логического подхода для описания .и классификаций реакций металлоорганическйх ¿оединейий й супертопологнчес-ккх схем "для описания механизмов меТайло'комплексного катализа.

В десятой главе диссертационной работы Описаны основные возможности компьютерной программы "¡-£Х"; позволяющей для заданного уравнения реакции, идентификатора супертопологии ПС и ряда налагаемых ограничений генерировать все формально-возможные механизмы реакций. В качестве элементарных стадий рассматривается циклические перераспределения связей по ребрам идентификатора супертопологии ПС. Работа программы '"МЕХ" основана на бесповторной генерации всех возможных последовательностей элементарных стадий, приводящих к нужному (суммарному результату реакции.

В программе. "МЕХ" используются критерии отбора трех основных типов. Во-первых, формальный критерий, проверяющий соблюдение правильных значений валентностей атомов и порядков связей. Во-вторых, программа из множества эквивалентных по симметрии механизмов оставляет только один. В-третьих, программа использует ряд критериев, способных ограничить число формально корректных, но химически неинтересных решений. Прежде всего, не генерируются механизмы с числом элементарных стадий больше установленного. Далее, происходит отбрасывание т.н. "циклических" механизмов, в которых какая-либо реакционная система после нескольких стадий переходит сама в себя. В процессе генерации в качестве элементарных стадий рассматриваются циклические ПС с числом РЦ, уста-

12

новленным пользователем. Непосредственно перед выдачей результатов проверяются "слабые" критерии отбора: 1) суммарный результат реакции должен точно соответствовать установленному, 2) идентификатор супертопологии ПС должен точно совпадать с заданным. По желанию можно отказаться от любого из этих двух условий. В первом случае это позволит увидеть .альтернативные направления реакции; во втором случае упрощается ;рабо,та с программой за счет увеличения числа выдаваемых результатов.

В программе "МЕХ" при анализе симметрии идентификатора супертопологии ПС и выявления возможных элементарных стадий использована созданная .каш: программа "ИВГ". Она позволяем проводить поиск подграфов в данном графе,, определять изоморфизм графов, находить 'Их группы'автоморфизмов.

Программа "МЕХ'' была тестирована на примере поиска возможных механизмов металлокомплскско.го катализа реакции гидрирования алкенов. При этом она не только воспроизвела известные механизмы, но и предложила ряд побочных процессов.

В конце главы обсуждаются .возможности совместного использования программы "МЕХ" с другими программными комплексами и базами данных с целью нахождения новых каталитических систем и поиска новых органических реакций. Рассмотрим некоторые из этих возможностей. Допустим, что существует база данных, содержащая информацию о всех возможных элементарных стадиях органических реакций, либо, комплекс программ, производящих расчет физико-химических характеристик элементарных процессов. Тогда вопрос об ' осуществимости данного механизма сводится к тому, чтобы найти в базе данных все стадии и оценить возможность побочных процессов. Представим теперь, что известен суммарный итог реакции, а природа катализатора не специфицирована. Тогда организовав перебор по природе каталитических центров можно подобрать катализатор и, возможно, условия проведения данной реакции. Если не специфицирована природа некоторых реакционных центров, то организовав перебор и по их природе можно осуществлять поиски новых реагентов. Наконец, если не специфицирована природа ни одного РЦ, т. е. на вход программы "МЕХ" подается полученное программой "БУМВЕО" символическое уравнение, то полный перебор природы всех реакционных и каталитических центров может привести к нахождению новых органических реакций, при этом надежность предсказаний должна быть достаточно высокой.

Таким образом, программа "МЕХ" «вЯке-геа Необходимым1 допол-кенией программы "SYMBEQ", поскольку койволяет для каждого символического уравнения перечислять механизмы, по которым могут идти описываемые им органические реакции.

В заключение, в одиннадцатой главе приведены эксплуатационные характеристики разработанных программ и приведена краткая инструкция по работе в режиме графического ввода, необходимая для работы с программами "SYMBEQ" и "МЕХ".

Первое приложение представляет собой атлас выведенных при помовд программы "SYMBEQ" символических- уравнений. Во втором приложении к диссертации содержатся акты о внедрении и письма о перадаче разработанных программ.

ВЫВОД!

• 1. Создана компьютерная программа С"SYMBEQ") поиска новых типов реагирования органических соединений, представляющая собой оригинальную разработку в области теоретической органической химии. Программа реализована на микро-ЭВМ "Искра-226" и на персо- • нальном компьютере "IBM PC" и позволяет в режиме диалога выводить полные списки символических уравнений.

2. С помощью указанной программы впервые.составлен полный атлас символических уравнений, выражающих все возможные типы канонических перераспределений связей в 3-6-центровых системах, удовлетворяюще специально выработанным эвристическим критериям отбора. Полученные уравнения в наиболее общем виде описывают все формально возможные способы реагирования органических соединений и поэтому могут быть использованы как для классификации известных органических реакций, так и Для выявления новых, еще не реализованных экспериментально типов органических реакций.

3. На основе выведенных уравнений был впервые проведен систематический анализ двух важных классов органических реакций, характеризующихся линейными и линейно-циклическими топологиями перераспределения связей. Показано, что в соответствий б общими принципами формально-логического подхода к органическим реакциям линейные перераспределения связей классифицируются на: 1) резонансные переходы, 2) процессы присоединения-фрагментации, 3) Процессы замещения, 4) процессы метатезиса, 5) Процессы заместительного присоединения-фрагментации и 6) процессы заместительной дисыутации. Показано также, что процессы с линейно-циклическими

14

к более сложными топологиями перераспределения связей могут быть классифицированы путем комбинирования указанных типов с основными типами циклических перераспределений связей. В соответствии с этими принципами была проведена систематизация известны/ реакций.

4. На ряде примеров рассмотрена методология использования полных списков символических уравнений для поиска новых реакций и синтетических методов. Некоторые из сделанных при этом предсказаний уже получили экспериментальное подтверждение.

5. Формально-логический подход распространен на описание механизмов реакций. На основе представления о- супертопологяи перераспределения связей разработана методика построения супертопологических схем, введены формальные определения катализа и каталитических центров, проведено рассмотрение одно- и двухцентрового катализа, предложены принципы формального описания механизмов цепных процессов. Исходя из представлений о каталитических "фантом-центрах" разработана методика описания' механизмов ионных,- свободно-радикальных, ион-радикальных, электрохимических и фотохимических реакций на основе единого подхода к рассмотрений структурных изменений.

6. Формально-логический подход распространен на описание химического строения и реакций произвольных металлоорганических и неорганических соединений. Рассмотрен метод построения структурных формул и понятие формальной валентности атома з соединении.

7. Ка основе представления о супертопологии перераспределений связей разработана компьютерная программа ("МЕХ"), проводящая генерацию механизмов реакций. Рассмотрены перспективы применения результатов ее работы для поиска, новых органических реакций, реагентов и каталитических систем.

8. При разработке программ генерации органических реакций и их механизмов были созданы универсальная программа графики ("MODEL") для целей органической химии и программа поиска изоморфных вложений графов ("ЮГ"), которые нашли самостоятельное применение в органической химии и смежных с ней областях.

Основные результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1. Трач С. С. , Баскин И. И. , Зефиров Н.С. Проблемы молекулярного дизайна и ЭВМ. XIII. Систематический анализ органических процессов, характеризующихся незамкнутыми топологиям! перерасл-

15

ределения связей. // ®0p3t.--Jt988l -f..2"4--Bbm. 6. -С. Ш1:-Й'3£-

S. Трач С. С. , Баскин И'. И'. ,■ Зефиров' ft. С;. Проблемы' мой'екуЛяр-його дизайна и ЭВМ.. XIV- Систематический' азалий' Органй'чес'кйх процессов. характеризующихся линейно-циклической топологией перераспределения связей. /V ЖОрХ. -1389. -Т. 25. -Егп. 8. -С. 1585-1606.

3. Зефиров H.C.-, Сафронов С.0. г Кожушков С.И., Човникова

Н, Г., Баскин И. И., Магдесиева Н. Н. Кислородсодержащие органические производные элементов V-VII групп в реакциях с электроноде-фицитнши ацетиленами. // Тезисы докл. V Всесоюзного симпозиума по органическому синтезу "Новые методы' и' реагенты в тонком органическом синтезе" -Москва, 1S88.-С'. З'.

4. Баскин И. И. , Трач С. С. , Зефиров- Hi ff. Программа поиска новых типов реагирования органических соединений на ПЗКВМ "Искра-226". // Тезисы докл. VII Всесоюзной конференции "Использование вычислительный iteaimí в химических исследованиях и спектроскопии молекул"' - Рига, Í98&. -С'. 88-90'.

5. Баскин И. И. Применение формально'-ЛогйЧеского подхода для описания, классификации и систематй^гёской Генерации механизмов каталитических процессов.// Материала конференции молодых ученых Химфака МГУ - Москва, 1987.-Ч. 3.-С. 48-51 - Дей. ВИНИТИ. -1987,- N 5072-В.

6. Зефиров Н. С., Баскин И. И., Трач С'. С'. Универсальная программа машинной графики для целей органической химии. // Ж. Всес. хим. о-ва им. Д. И. Менделеева. -1987. -Т. 32. -N 1. -С. 112-113.

7. Баскин И. И., Трач С. С., Зефиров Н. С. "MODEL" - универсальная программа графики для целей органической химии. // Тезисы докл. VII Всесоюзной конференции "Использование вычислительных машин в химических исследоватгййХ й спектроскопии молекул" -Рига, 1986.-С. 27-28.

8. Станкевич М. И., Баскйй Й. Й. , Зефиров Н. С. Автоматизированный поиск структурных фрагментов. Алгоритм и программа. // Ж. структ. химии. -1987. -N 6. -С. 136-137.

9. Станкевич М.И., Баскин Й. И., Зефиров Н. С. Комбинаторные модели и алгоритмы в химии. Поиск структурных фрагментов.// Деп. ВИНИТИ.-1985. -N 4288-В.