2. Формализованные методы выдвижения гипотез о механизмах

Под формализованными методом мы понимаем либо процедуру, которую можно осуществить вручную, либо компьютерную программу, в результате работы с которой появляются гипотезы о механизме. В любом случае в основе лежит алгоритм. Программы, конечно более эффективны и застрахованы от ошибок, если конечно в самой программе их нет. В разное время появлялись различные программы для выдвижения гипотез о механизмах, подавляющее большинство из которых в настоящее время недоступны для пользователя. Однако они сыграли определенную роль в понимании возможностей формализованных методов и определении стратегических направлений их развития. Проекты развития этих программ были приостановлены по разным причинам, но есть и общее: большинство из них были неэффективны, так как их писали не профессионалы, а химики, а компьютеры были не так мощны как сейчас. В большинстве из них наглядность метода доминировала над эффективностью алгоритма.

2.1. Программы, основанные на be/r-матрицах, и математическая модель структурной химии

В прошлом одним из наиболее распространенных подходов к разработке программ для исследования механизмов являлся метод, основанный на так называемой математической модели структурной химии ДугунджиУги. Популярность его связанна в основном с тем, что это был первый приближенный к реальной химии метод, для которого имелась простая и наглядная математическая основа. Он мог быть понятен любому химику, не обладающему специальными знаниями в области искусственного интеллекта. Сегодня использование этого метода, по-видимому, было бы не слишком рационально (хотя и не слишком плохо). В то же время обсуждаемая модель стала, можно сказать, классической для органической химии, а ее знание – элементом химической культуры.

Пусть задан фиксированный набор атомов A=A₁, A₂... A_n. Можно рассматривать все химически осмысленные наборы молекул, составленные из этих атомов, как изомерные ансамбли молекул EM(A). Каждый атом A_i, A_iA, включается в каждый EM(A) один и только один раз. Набор всех изомерных ансамблей молекул образует семейство изомерных ансамблей FIEM(A) = {EM₁(A), EM₂(A), ... EM_k(A)}. Исходные вещества и конечные продукты реакции могут быть представлены в виде структурныхbe-матриц двух изомерных ансамблей (EM для исходных веществ и EM для продуктов). Недиагональные элементыbe-матрицы какого-либо EM равны кратности связи между атомами из набораAв молекулах, входящих в EM. Диагональные элементы равны числу валентных электронов соответствующего атома. Пусть матрица B описывает исходные вещества, матрица Eконечные вещества в некоторой реакции, EM(B)EM(E). Тогда перераспределение связей может быть описано матричным уравнением

B+R=E,

где Rреакционнаяr-матрица.

Рассмотрим в качестве примера реакцию гидрохлорирования ацетилена в присутствии катализатора M.

CH≡CH + HCl  CH₂=CHCl

Набор атомов A=M, H, Cl, C, C, H, H. Это то из чего состоит исходная система. Изомерный ансамбль исходных веществ в этом случае – EM_исх= {M, HCl, C₂H₂}. Продукты описываются изомерным ансамблем EM_прод= {M, CH₂=CHCl}. Проблема отыскания механизма сводится к нахождению последовательности реакцийизомеризацииансамблей, которые бы превращали EM_исхв EM_прод:

EM_исхEM₁EM₂...EM_n–1EM_прод

В матричной форме итоговая реакция запишется следующим образом:

+ R=

В качестве упражнения найдите матрицу R.

Рассмотрим механизм, состоящий из трех стадий:

1. M + HCl HMCl 2. HCCH + HMClHMCH=CHCl 3. HMCH=CHClM + CH₂=CHCl

Он может быть представлен в виде последовательности изомеризаций ансамблей:

{M, HCl, C₂H₂}{HMCl, C₂H₂}{HM–CH=CHCl}{M, CH₂=CHCl}.

или в виде матричных уравнений

1.+=

2.+=

3.+=

Существует несколько различных программ, в которых использована математическая модель структурной химии. Одним из возможных методов является использование набора стандартных R-матриц. Каждую из таких матриц применяют к исходному ансамблю молекул, затем к каждому вновь полученному ансамблю и т.д. до тех пор пока новые ансамбли не перестанут образовываться. Другой метод состоит в том, чтобы находитьвсевозможныеR-матрицы, удовлетворяющие некоторым заданным ограничениям, и проводить с ними генерацию изомерных ансамблей.