Магистерская диссертация на тему: Использование топологических индексов в химии

Введение

Важной проблемой в современной теоретической химии является определение свойств химических соединений исходя из их молекулярной структуры. Как известно, все свойства молекулы закодированы в ее структуре, а нахождение количественного соотношения "структура - свойство" часто помогает наилучшим образом расшифровать их. Это помогает понять, как структура влияет на свойства соединений, на их способность вступать в различного рода взаимодействия. Повышенный интерес к проблеме "структура - свойство" обусловлен наличием большого количества синтезированных к настоящему времени веществ, а также широкого спектра возможностей их применения. Решение данной задачи, даже в рамках одного класса соединений, позволит прогнозировать свойства гипотетических молекул, вести синтез новых соединений с заданными свойствами[1]. Для нахождения взаимосвязи между структурой и свойством используются различные методы математического моделирования, выбор которых зависит от природы исследуемых химических соединений, анализируемых свойств. Среди этих методов особое место занимают топологические подходы, использующие только информацию, содержащуюся в структурной формуле исследуемого соединения [1]. В таких подходах химическую структурную формулу представляют молекулярным графом, вершины которого соответствуют атомам (ядрам), а ребра -химическим связям молекулы. При этом, как правило, рассматриваются только скелетные атомы (атомы водорода обычно не включаются в граф) и связи между ними. Каждый молекулярный граф можно представить либо матрицей, либо полиномом, либо числовым индексом [2]. Представление структурной формулы в виде числового значения, часто называемого топологическим индексом , может осуществляться несколькими способами [3-5]. Наиболее часто применяется построение матрицы смежности А(G) и матрицы расстояний D(G) на графе. Топологические индексы (структурные дескрипторы) включают информацию о размере и форме молекулы, о соединении атомов и структурных групп в ней и их взаимном расположении. Кроме того, с их помощью можно учитывать особенности электронного и пространственного строения молекул, выбирая соответствующим образом веса вершин и ребер молекулярного графа.

В настоящее время топологические индексы используются для кодирования химической информации, оценки реакционной способности молекул, при планировании химического эксперимента, для количественного описания химических структур при анализе связи между структурой молекулы, ее свойствами, а также активностью. Способность различать очень близкие по строению и составу соединения делает топологические индексы одними из наиболее распространенных молекулярных дескрипторов в корреляционном анализе. Их преимущество состоит в том, что они не требуют сложных экспериментальных определений или квантово-химических расчетов, а вычисляются непосредственно из структурной формулы соединений. Это особенно важно, когда речь идет об оценке свойств гипотетических структур, для которых нет никаких данных. Однако имеется и очевидный недостаток - учитываются не все особенности молекулярного строения. Топологическим индексам трудно дать физико-химическую интерпретацию, поскольку их значения получают путем формальных операций над графами. Тем не менее, корреляционные соотношения, полученные с их помощью, даже без достаточно ясного физического смысла, могут оказаться полезными в решении различных практических вопросов [6]. Существует точка зрения [7], что нет необходимости какой-либо физической или физико-химической интерпретации топологических (или графово-теоретических) индексов, так как они являются математическими абстракциями, но в то же время должна существовать связь между топологией молекулы и физико-химическими свойствами соединения.

Оглавление

- Введение

- Графическое представление молекул и их свойств - теория графов в химии

- Методы расчета топологических индексов

- Применение топологических индексов Заключение

- Список литературы

Список литературы

1. Химические приложения топологии и теории графов / Под ред.Р. Кинга. М.: Мир, 1987. 560 с.

. Химия и жизнь-XXI век, 1997, № 2, с. 541.

. В.В.Еремин, Н.Е.Кузьменко, А.А.Дроздов, В.И.Теренин, В.В.Лунин. Химия. 10 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений. - М.: Дрофа, 2008.4. Y.Не, Т.Yе, М.Su, С.Zhang, А.Ribbe, W.Jiang, С.Mao. Nature, 2008, v. 452, р. 198.

5. SeyboldP.G., May М., Bagal U.А. Molecular structure -property relationships// J. Chem. Educ. 1987. V. 64. Р. 575-581.

. D. Ajami, О. Oeckler, А. Simon, R. Herges. Nature, 2003, v. 426, р. 819.7. М.Stepien, L.Latos-Grazynski, N. Sprutta, Р.Chwalisz, L. Szterenberg. Angew. Chem. Int. Edn, 2007, v. 46, р. 7869 (сообщение об этом открытии - Nature, 2007, v. 450, р. 406.)

8. Galvez J., Garcia-DomenechR., Gregorio-Alapont С. Indices оf differences оf path lengths: novel topological descriptors derived from electronic interferences in graphs // J. Comput. - Aided Molecular Design. 2000. Nо. 14. Р. 679-687.

. СтанкевичМ.И., СтанкевичИ.В., ЗефировН.С. Топологические индексы в органической химии // Успехи химии. 1988. Т. 57. №3. С. 337-366.

. К.Soai, Т.Shibata, Н.Morioka, К.Choji. Nature, 1995, v. 378, р. 767.11. Химические приложения топологии и теории графов. - М.: Мир, 1987.В.В.Еремин