Plast. Kulhydrater dannes i planter under fotosynteseprocessen og tjener som udgangsmateriale for syntesen af alle andre organiske stoffer;
Strukturel. Denne rolle spilles af cellulose eller fiber, pektinstoffer, hemicellulose;
Opbevaring. Ekstra næringsstoffer: stivelse, inulin, saccharose...
Beskyttende. Saccharose er det vigtigste beskyttende næringsstof i overvintrende planter.
Energi. Kulhydrater er det vigtigste substrat for respiration. Når 1 g kulhydrater oxideres, frigives 17 kJ energi.
2.2. Proteiner (B).
Proteiner eller proteiner er højmolekylære forbindelser bygget af aminosyrer.
Blandt organiske stoffer, hvad angår mængden i planter, er det første sted ikke proteiner, men kulhydrater og fedtstoffer. Men det er B., der spiller en afgørende rolle for stofskiftet.
Funktioner af proteiner i planter.
Strukturel. I cellers cytoplasma er andelen af proteiner 2/3 af den samlede masse. Proteiner er en integreret del af membraner;
Opbevaring. Planter indeholder mindre protein end animalske organismer, men ret meget. Så i kornfrø - 10-20% af tørvægt, i frø af bælgfrugter og oliefrø - 20-40%;
Energi. Oxidation af 1 g protein giver 17 kJ;
Katalytisk. Cellenzymer, der udfører en katalytisk funktion, er proteinstoffer;
Transportere. Transport af stoffer gennem membraner;
Beskyttende. Proteiner er ligesom antistoffer.
Proteiner udfører en række andre specifikke funktioner.
2.2.1. Aminosyrer (A),
A er de grundlæggende strukturelle enheder, som alle proteinstoffers molekyler er bygget af. Aminosyrer er derivater af fedtsyrer eller aromatiske syrer, der indeholder både en aminogruppe (-NH 2) og en carboxylgruppe (-COOH). Mest naturlige A. har en generel formel
Der er omkring 200 A. i naturen, men kun 20, samt to amider, asparagin og glutamin, er involveret i konstruktionen af B. De resterende A. kaldes frie.
I B. er kun venstrehåndede aminosyrer til stede.
Ud fra de kemiske egenskaber af A. noterer vi dem amfotericitet. På grund af den amfotere natur af A. i vandige opløsninger, afhængigt af opløsningens pH, undertrykkes dissociationen af –COOH eller –NH 2 grupper, og A. udviser egenskaberne af en syre eller base.
(-) alkalisk miljø surt miljø ladning "+"
H2O +R-CH-COO - ← OH- +R-CH-COO- + H+ →R-CH-COOH
H2NH3N + H3N+
Reaktionen af en opløsning af A., hvor lighed mellem "+" og "-" ladninger observeres, kaldes det isoelektriske punkt (IEP). I IET er A-molekylet elektrisk neutralt og bevæger sig ikke i et elektrisk felt.
B.'s sammensætning omfatter 20 A. og to amider - asparagin og glutamin. Af de 20 A. er 8 essentielle, da de ikke kan syntetiseres i kroppen af mennesker og dyr, men syntetiseres af planter og mikroorganismer. Essentielle aminosyrer omfatter: valin; lysin; methionin; threonin; leucin; isoleucin; tryptofan; phenylalanin.
Repræsentanter A.
Alanin CH3-CH-COOH (6,02)
Cystein CH 2 -CH-COOH (5,02)
Asparaginsyre COOH-CH2-CH-COOH (2,97)
syre |
Glutaminsyre COOH-CH2-CH2-CH-COOH (3,22)
syre |
Lysin CH2-CH2-CH2-CH2-CH-COOH (9,74)
2.2.2. Sammensætning og generelle egenskaber af proteiner.
Grundstofsammensætningen af B. er ret konstant og næsten alle af dem indeholder 50-60% C, 20-24% O, 6-7% H, 15-19% N, og mængden af svovl er fra 0 til 3%. . I komplekse bakterier er fosfor, jern, zink, kobber til stede i små mængder.....
Egenskaber af proteiner.
Amfoterisk. B. indeholder frie NH 2- og COOH-grupper og kan dissociere som syrer og baser (se eksempel A.). De har IET. Når en opløsningsreaktion er lig med eller tæt på IET, er proteiner karakteriseret ved ekstrem ustabilitet og udfældes let fra opløsninger under de svageste ydre påvirkninger. Dette bruges til at isolere proteiner.
Denaturering. Dette er tabet af proteins biologiske egenskaber under påvirkning af forskellige ydre påvirkninger - høj temperatur, virkningen af syrer, tungmetalsalte, alkohol, acetone osv. (se kolloid koagulationsfaktorer). Som et resultat af eksponering sker der en ændring i strukturen af polypeptidkæder i proteinmolekylet, den rumlige struktur forstyrres, men nedbrydning til aminosyrer sker ikke. For eksempel ved opvarmning af et hønseæg koagulerer det hvide. Dette er irreversibel denaturering; eller helt tørrede frø.
Biologisk ernæringsværdi af proteiner (BNV). Det bestemmes af indholdet af essentiel A. i B. Hertil sammenlignes den undersøgte B. med standard B., godkendt af FAO (International Food and Agricultural Organisation). Aminosyrescoren for hver essentiel aminosyre beregnes og udtrykkes som % indhold af essentiel A. i det undersøgte protein (mg) x 100 %
De A., hvis aminosyrescore er mindre end 100 %, kaldes begrænsende. I mange proteiner er der slet ingen individuelle essentielle proteiner, for eksempel er tryptofan fraværende i æbleproteiner; hos mange plantebakterier er de begrænsende oftest de fire essentielle aminosyrer – lysin, tryptofan, methionin og threonin. B. der ikke indeholder nogle væsentlige A. kaldes defekt. Plante B. betragtes som ringere, og dyr B. anses for ringere. fuldgyldigt. For at skabe 1 kg animalsk mad indtages 8-12 kg vegetabilsk mad. Baseret på proteinets BOC kan man estimere: 100% - mælke- og ægproteiner; andre dyr B – 90-95%; B. bælgfrugter – 75-85%; B. kornafgrøder - 60-70%.
2.2.3. Strukturen af proteiner.
Ifølge polypeptidteorien om strukturen af B. (Danilevsky, Fischer) interagerer aminosyrer med hinanden for at danne en peptidbinding - CO-NH-. Di-, tri-, pento- og polypeptider dannes.
B. molekylet er konstrueret ud fra en eller flere indbyrdes forbundne polypeptidkæder bestående af aminosyrerester.
CH 3 CH 2 CH CH 3 CH 2 CH
H 2 N-CH-COOH + H 2 N-CH-COOH → H 2 N-CH-CO-NH-CH-COOH + H 2 O
Alanin cystein alanylcystein
(dipeptid)
Struktur B.
Der er forskellige niveauer af organisering af et proteinmolekyle, og hvert molekyle har sin egen rumlige struktur. Tabet eller forstyrrelsen af denne struktur forårsager en forstyrrelse i den udførte funktion (denaturering).
Der er forskellige niveauer af organisering af et proteinmolekyle.
Primær struktur. Bestemt af antallet og rækkefølgen af aminosyrer i B-molekylet. Den primære struktur er genetisk fikseret. Med denne struktur har B. molekylet en trådlignende form. …….
Den primære struktur af homologe proteiner bruges især som et kriterium til at fastslå forholdet mellem individuelle arter af planter, dyr og mennesker.
Sekundær struktur. Det er en spiralformet konfiguration af polypeptidkæder. Den afgørende rolle i dens uddannelse tilhører brintforbindelser...... Der kan dog også opstå disulfidbindinger (-S-S-) mellem enkelte punkter på helixen, som forstyrrer den typiske spiralformede struktur.
Tertiær struktur. Dette er et endnu højere niveau af organisation B. Det karakteriserer molekylets rumlige konfiguration. Det skyldes det faktum, at fri carboxyl, amin, hydroxyl og andre grupper af sideradikaler af aminosyremolekyler i polypeptidkæder interagerer med hinanden for at danne amid-, ester- og saltbindinger. På grund af dette bliver polypeptidkæden, som har en vis sekundær struktur, yderligere foldet og pakket og får en specifik rumlig konfiguration. Hydrogen- og disulfidbindinger spiller også en væsentlig rolle i dens dannelse. Der dannes en kugleformet (sfærisk) form af proteiner.
Kvartær struktur. Det er dannet ved kombinationen af flere proteiner med en tertiær struktur. Det skal bemærkes, at den funktionelle aktivitet af et bestemt protein bestemmes af alle fire niveauer af dets organisation.
2.2.4. Protein klassificering.
Baseret på deres struktur opdeles proteiner i proteiner eller simple proteiner, der kun er bygget af aminosyrerester, og proteiner eller komplekse proteiner, der består af et simpelt protein og en anden ikke-proteinforbindelse, der er tæt bundet til det. Afhængigt af arten af den ikke-protein-del, er proteider opdelt i undergrupper.
Fosfoproteiner - proteiner kombineres med fosforsyre.
Lipoproteiner - proteiner kombineres med fosfolipider og andre lipider, for eksempel i membraner.
Glykoproteiner - protein er kombineret med kulhydrater og deres derivater. For eksempel i sammensætningen af planteslim.
Metalloproteiner – indeholder metaller, g.o. sporstoffer: Fe, Cu, Zn….. Disse er hovedsageligt metalholdige enzymer: katalase, cytochromer osv.
Nukleoproteiner er en af de vigtigste undergrupper. Her kombineres proteinet med nukleinsyrer.
Klassificeringen af proteiner efter opløselighed i forskellige opløsningsmidler er af stor praktisk betydning. Der skelnes mellem følgende: fraktion B. efter opløselighed:
Albuminer er vandopløselige. En typisk repræsentant er hønseægalbumin, mange proteiner er enzymer.
Globuliner er proteiner, der er opløselige i svage opløsninger af neutrale salte (4 eller 10 % NaCl eller KCl).
Prolaminer - opløses i 70% ethylalkohol. For eksempel gliadiner af hvede og rug.
Gluteliner - opløses i svage alkaliske opløsninger (0,2-2%).
Histoner er lavmolekylære alkaliske bakterier indeholdt i cellekernerne.
Fraktioner af B. adskiller sig i aminosyresammensætning og biologisk næringsværdi (BNC). Ifølge BPC er fraktionerne ordnet i rækkefølgen: albuminer › globuliner ≈ gluteliner › prolaminer. Indholdet af fraktioner afhænger af plantetypen, det er ikke ens i forskellige dele af kornet. (se privat biokemi af landbrugsafgrøder).
Lipider (L).
Lipider er fedtstoffer (F) og fedtlignende stoffer (lipoider), der ligner hinanden i deres fysisk-kemiske egenskaber, men adskiller sig i deres biologiske rolle i kroppen.
Lipider er generelt opdelt i to grupper: fedtstoffer og lipoider. Typisk er fedtopløselige vitaminer også klassificeret som lipider.
At studere sammenhængen mellem stoffers egenskaber og deres struktur er en af kemiens hovedopgaver. Et stort bidrag til dens løsning blev ydet af den strukturelle teori om organiske forbindelser, hvis skabere omfattede den store russiske kemiker Alexander Mikhailovich Butlerov (1828-1886). Det var ham, der først fastslog, at et stofs egenskaber ikke kun afhænger af dets sammensætning (molekylformel), men også af rækkefølgen, hvori atomerne i molekylet er forbundet med hinanden. Denne orden blev kaldt "kemisk struktur". Butlerov forudsagde, at sammensætningen C 4 H 10 kan svare til to stoffer med forskellige strukturer - butan og isobutan, og bekræftede dette ved at syntetisere sidstnævnte stof.
Ideen om, at rækkefølgen, hvori atomer er forbundet, er nøglen til stoffets egenskaber, har vist sig at være meget frugtbar. Det er baseret på repræsentationen af molekyler ved hjælp af grafer, hvor atomer spiller rollen som hjørner, og kemiske bindinger mellem dem fungerer som kanter, der forbinder hjørnerne. I den grafiske fremstilling ignoreres længderne af bindingerne og vinklerne mellem dem. C-molekylerne beskrevet ovenfor 4 H 10 er repræsenteret ved følgende grafer:
Hydrogenatomer er ikke angivet i sådanne grafer, da deres placering utvetydigt kan bestemmes af kulstofskelettets struktur. Husk på, at kulstof i organiske forbindelser er tetravalent, så i de tilsvarende grafer kan ikke mere end fire kanter strække sig fra hvert toppunkt.
Grafer er matematiske objekter, så de kan karakteriseres ved hjælp af tal. Det er herfra ideen kom til at udtrykke strukturen af molekyler med tal, der er relateret til strukturen af molekylære grafer. Disse tal kaldes "topologiske indekser" i kemi. Ved at beregne et hvilket som helst topologisk indeks for et stort antal molekyler er det muligt at etablere en sammenhæng mellem dets værdier og stoffernes egenskaber og derefter bruge denne forbindelse til at forudsige egenskaberne af nye, endnu ikke syntetiserede stoffer. Til dato har kemikere og matematikere foreslået hundredvis af forskellige indekser, der karakteriserer visse egenskaber ved molekyler.
Metoder til beregning af topologiske indekser
Metoder til beregning af topologiske indekser kan være meget forskellige, men alle skal opfylde helt naturlige krav:
1) hvert molekyle har sit eget individuelle indeks;
2) molekyler med lignende egenskaber har lignende indekser.
Lad os se, hvordan denne idé implementeres ved hjælp af eksemplet med mættede kulbrinter - alkaner. Nøglekonceptet til at konstruere mange indekser er begrebet "afstandsmatrix" D. Dette er navnet på en matrix, hvis elementer viser antallet af kanter, der adskiller de tilsvarende hjørner af den molekylære graf. Lad os konstruere denne matrix for tre isomere carbonhydrider med sammensætning C 5 H 12 . For at gøre dette, lad os tegne deres molekylære grafer og omnummerere hjørnerne (i tilfældig rækkefølge):
De diagonale elementer i afstandsmatrixen for kulbrinter er lig med 0. I den første graf er toppunkt 1 forbundet med toppunkt 2 med en kant, så matrixelementet d 12 = 1. Ligeledes er d 13 = 2, d 14 = 3, d 15 = 4. Den første række i afstandsmatrixen for normal pentan har formen: (0 1 2 3 4). Komplet afstandsmatricer for tre grafer:
molekylekemi topologisk indeks
Afstanden mellem hjørnerne afhænger ikke af den rækkefølge, de er opført i, så afstandsmatricerne er symmetriske i forhold til diagonalen.
Det første topologiske indeks, der afspejler strukturen af en molekylær graf (G), blev foreslået i 1947 af Wiener. Den er defineret som summen af de diagonale elementer i afstandsmatrixen plus halvdelen af summen af dens ikke-diagonale elementer:
(1)
For ovenstående grafer svarende til pentaner C 5 H 12 , tager Wiener-indekset værdierne 20, 18 og 16. Det kan antages, at det beskriver graden af forgrening af kulbrættet: de højeste værdier svarer til de mindst forgrenede kulbrinter. Efterhånden som længden af kulstofskelettet øges, stiger Wiener-indekset, da der er flere elementer i afstandsmatrixen. Statistisk analyse ved hjælp af eksemplet med flere hundrede carbonhydrider viste, at Wiener-indekset korrelerer med nogle fysiske egenskaber af alkaner: kogepunkter, fordampningsvarme, molært volumen.
En anden type indeks er ikke baseret på afstandene mellem toppunkter, men på antallet af nærmeste naboer for hvert toppunkt. Lad os som et eksempel beregne Randić-indekset, som er defineret som følger:
(2)
hvor vjeg– graden af det i-te toppunkt, det vil sige antallet af kanter, der strækker sig fra det. For ovenstående grafer er Randić-indekset lig med:
(3)
(4)
(5)
Dette indeks falder også med stigende grad af forgrening af kulstofskelettet og kan bruges til at beskrive alkanernes fysiske egenskaber.
Alkaner er den mest kedelige type organiske molekyler fra et kemisk synspunkt, da de ikke indeholder nogen "egenskaber" - dobbelt- og tredobbeltbindinger eller atomer af andre elementer end hydrogen og carbon (sådanne elementer kaldes heteroatomer). Introduktionen af heteroatomer i et molekyle kan radikalt ændre et stofs egenskaber. Således omdanner tilsætning af kun et oxygenatom den ret inerte gasformige ethan C 2 H 6 i flydende ethanol C 2 H 5 OH, der udviser ret høj kemisk og biologisk aktivitet.
I de topologiske indekser af molekyler, der er mere komplekse end alkaner, er det derfor nødvendigt at tage højde for tilstedeværelsen af multiple bindinger og heteroatomer. Dette gøres ved at tildele visse numeriske koefficienter - "vægte" - til grafernes toppunkter og kanter. For eksempel kan de diagonale elementer i en afstandsmatrix defineres ud fra kerneladningen Zjeg(husk at for kulstof Z = 6):
(6)
Off-diagonale elementer bestemmes ved at summere over kanter, hvor hver kant forbinder atomer med ladninger Zjegog Zj, vægt er tildelt
(7)
hvor b er lig med bindingsrækkefølgen mellem atomerne (1 for en enkeltbinding, 2 for en dobbeltbinding, 3 for en tredobbeltbinding). For almindelige carbon-carbon enkeltbindinger er k = 1. Lad os sammenligne wienerindeksene for propan C 3 H 8 og tre oxygenholdige stoffer, der har samme sammensætning: propylalkohol C 3 H 8 O, dens isomere isopropylalkohol C 3 H 8 O og acetone C 3 H 6 O.
For at gøre dette beregner vi afstandsmatrixen i henhold til de angivne regler. I molekylære grafer angiver vi alle atomer undtagen hydrogenatomer.1) Propan
2) I propylalkoholmolekylet er oxygen bundet til det yderste kulstofatom:
For en enkelt C-O-binding er vægtningskoefficienten 36/(68) = 0,75. Diagonalt matrixelement svarende til oxygen:
d 44 = 1 – 6/8 = 0.25.
For molekyler, der indeholder heteroatomer, ophører Wiener-indekset med at være heltal. 3) I isopropylalkoholmolekylet er oxygen bundet til det midterste carbonatom:
4) I acetone er rækkefølgen af forbindelse af atomer den samme som i isopropylalkohol, men bindingen mellem kulstof og oxygen er dobbelt:
For C=O-dobbeltbindingen er vægtningsfaktoren 36/(268) = 0,375
Som det kan ses, fører tilføjelsen af et heteroatom til strukturen af alkaner til en stigning i Wiener-indekset på grund af en stigning i størrelsen af afstandsmatrixen. Tilføjelse af flere bindinger og forøgelse af graden af forgrening af molekylet reducerer dette indeks. Disse regler gælder også for mere komplekse molekyler. Oprindeligt blev topologiske indekser kun udviklet med det formål at forudsige stoffers fysisk-kemiske egenskaber. Men senere begyndte de at blive brugt til at løse andre problemer. Lad os se på nogle af dem. En anvendelse af topologiske indekser er relateret til klassificering af organiske forbindelser og oprettelse af organiske databaser. Opgaven er at finde et indeks, der en-til-en karakteriserer den kemiske struktur, og som denne struktur kan rekonstrueres ud fra. Det påkrævede indeks skal have en god diskriminerende evne, det vil sige, at det skal skelne mellem lige molekyler, der har ens struktur. Denne opgave er enorm, da mere end 20 millioner organiske strukturer allerede er kendt. Dens løsning vil tilsyneladende blive fundet ved brug af sammensatte topologiske indekser.
Abstrakt om emnet højere matematik om emnet:
Anvendelse af grafteori i kemi
Udført af en studerende fra gruppe NH-202
Moskva 2011
Grafer er det område af finit matematik, der studerer diskrete strukturer; bruges til at løse forskellige teoretiske og anvendte problemer.
Nogle basale koncepter. En graf er en samling af punkter (hjørnepunkter) og en samling af par af disse punkter (ikke nødvendigvis alle) forbundet med linjer (fig. 1,a). Hvis linjerne i en graf er orienterede (det vil sige pilene angiver retningen af forbindelsesretningen af hjørnerne), kaldes de buer eller grene; hvis uorienteret, - kanter. Derfor kaldes en graf, der kun indeholder buer, en rettet graf eller en digraf; kun kant-uorienteret; buer og ribben - blandet. En graf med flere kanter kaldes en multigraf; en graf, der kun indeholder kanter, der tilhører to af dens usammenhængende delmængder (dele), er todelt; buer (kanter) og (eller) hjørner, der svarer til bestemte vægte eller numeriske værdier af alle parametre, vægtes. En sti i en graf er en vekslende sekvens af hjørner og buer, hvor ingen af hjørnerne gentages (f.eks. a, b i fig. 1,a); kontur - en lukket sti, hvor de første og sidste spidser falder sammen (for eksempel f, h); sløjfe - en bue (kant), der begynder og slutter ved samme toppunkt. En grafsti er en sekvens af kanter, hvor ingen af hjørnerne gentages (f.eks. c, d, e); cyklus - en lukket kæde, hvor dens indledende og sidste hjørner falder sammen. En graf kaldes forbundet, hvis et hvilket som helst par af dens hjørner er forbundet med en kæde eller sti; ellers kaldes grafen afbrudt.
Et træ er en sammenhængende urettet graf, der ikke indeholder cyklusser eller konturer (fig. 1, b). Den spændende undergraf i en graf er en undergruppe af den, der indeholder alle hjørnerne og kun visse kanter. En grafs spændingstræ er dens spændingsundergraf, som er et træ. Grafer kaldes isomorfe, hvis der er en en-til-en overensstemmelse mellem mængderne af deres hjørner og kanter (buer).
For at løse problemer med grafteori og dens anvendelser er grafer repræsenteret ved hjælp af matricer (tilgrænsende, forekomst, to-rækker osv.), såvel som specielle. numeriske karakteristika. For eksempel, i tilstødende matrix (fig. 1c), svarer rækkerne og kolonnerne til numrene på grafens hjørner, og dens elementer tager værdierne 0 og 1 (henholdsvis fraværet og tilstedeværelsen af en bue mellem et givet par knudepunkter); i incidensmatricen (fig. 1d) svarer rækkerne til numrene på knudepunkterne, kolonnerne svarer til numrene på buerne, og elementerne tager værdierne 0, + 1 og - 1 (henholdsvis fraværet) , tilstedeværelse af en bue, der kommer ind og forlader toppunktet). De mest almindelige numeriske karakteristika: antallet af hjørner (m), antallet af buer eller kanter (n), det cyklomatiske tal eller grafens rang (n - m + k, hvor k er antallet af forbundne undergrafer i en frakoblet graf, for eksempel for grafen i fig. 1, vil b rang være: 10-6+ 1 =5).
Anvendelsen af grafteori er baseret på konstruktion og analyse af forskellige klasser af kemiske og kemisk-teknologiske grafer, som også kaldes topologiske modeller, dvs. modeller, der kun tager hensyn til arten af forbindelserne mellem hjørnerne. Buerne (kanterne) og hjørnerne af disse grafer viser kemiske og kemisk-teknologiske begreber, fænomener, processer eller objekter og følgelig kvalitative og kvantitative forhold eller visse forhold mellem dem.
Ris. 1. Illustration af nogle grundlæggende begreber: en blandet graf; b-spændende træ (fyldte buer a, h, d, f, h) og en bestemt undergraf (stiplede buer c, e, g, k, l) af digrafen; c, r-matricer hhv. nærhed og forekomst af en digraf.
Teoretiske problemer. Kemiske grafer gør det muligt at forudsige kemiske transformationer, forklare essensen og systematisere nogle grundlæggende begreber inden for kemi: struktur, konfiguration, konformationer, kvantemekaniske og statistisk-mekaniske interaktioner af molekyler, isomerisme osv. Kemiske grafer omfatter molekylære, bipartite og signalgrafer af kinetiske reaktionsligninger.
Molekylære grafer, brugt i stereokemi og strukturel topologi, kemi af klynger, polymerer osv., er urettede grafer, der viser strukturen af molekyler (fig. 2). Toppunkterne og kanterne på disse grafer svarer til henholdsvis atomer og kemiske bindinger mellem dem.
Ris. 2. Molekylære grafer og træer: henholdsvis a, b - multigrafer. ethylen og formaldehyd; de siger pentanisomerer (træ 4, 5 er isomorfe i forhold til træ 2).
I stereokemien af organiske stoffer bruges molekylære træer oftest - spændende træer af molekylære grafer, som kun indeholder alle toppunkter svarende til C-atomer (fig. 2, a og b). Sammenstilling af sæt af molekylære træer og fastlæggelse af deres isomorfi gør det muligt at bestemme molekylære strukturer og finde det samlede antal isomerer af alkaner, alkener og alkyner (fig. 2, c).
Molekylære grafer gør det muligt at reducere problemer relateret til kodning, nomenklatur og strukturelle træk (forgrening, cyklicitet osv.) af molekyler af forskellige forbindelser til analyse og sammenligning af rent matematiske træk og egenskaber ved molekylære grafer og deres træer, samt deres tilsvarende matricer. For at identificere kvantitative korrelationer mellem strukturen af molekyler og de fysisk-kemiske (herunder farmakologiske) egenskaber af forbindelser, er der udviklet mere end 20 tusind navne på topologiske indekser af molekyler (Wiener, Balaban, Hosoya, Plat, Randic, etc.), som er bestemt ved hjælp af matricer og numeriske karakteristika for molekylære træer. For eksempel korrelerer Wiener-indekset W = (m 3 + m)/6, hvor m er antallet af hjørner svarende til C-atomer, med molekylære volumener og brydninger, dannelsesentalpier, viskositet, overfladespænding, kromatografiske konstanter af forbindelser, oktantal af kulbrinter og endda lægemidlers fysiologiske aktivitet.
Vigtige parametre for molekylære grafer, der bruges til at bestemme de tautomere former for et givet stof og deres reaktivitet, såvel som i klassificeringen af aminosyrer, nukleinsyrer, kulhydrater og andre komplekse naturlige forbindelser, er den gennemsnitlige og samlede (H) informationskapacitet. Parameteren beregnes ved hjælp af Shannon informationsentropiformlen: , hvor p t er sandsynligheden for, at grafens toppunkter m tilhører den i-te type, eller ækvivalensklassen, k; i = , Parameter. Studiet af molekylære strukturer såsom uorganiske klynger eller Möbius-strimler kommer ned til at etablere isomorfien af de tilsvarende molekylære grafer ved at placere dem (indlejring) i komplekse polyedre (for eksempel polyedre i tilfælde af klynger) eller specielle. flerdimensionelle overflader (f.eks. Riemann-overflader). Analyse af molekylære grafer af polymerer, hvis toppunkter svarer til monomerenheder, og kanterne til kemiske bindinger mellem dem, gør det muligt at forklare for eksempel virkningerne af udelukket volumen, hvilket fører til kvalitative ændringer i de forudsagte egenskaber af polymerer .
Ris. 3. Reaktionsgrafer: a-bipartite; b-signal niveau af kinetik; r1, g2-r-tion; a1-a6-reagenser; k-hastighedskonstanter p-tsny; s-kompleks Laplace transformationsvariabel.
Ved hjælp af grafteori og principper for kunstig intelligens er der udviklet software til informationssøgningssystemer i kemi, samt automatiserede systemer til identifikation af molekylære strukturer og rationel planlægning af organisk syntese. Til den praktiske implementering på en computer af operationer til udvælgelse af rationelle veje for kemiske transformationer baseret på retrosyntetiske og syntoniske principper, bruges multi-level forgrenede søgegrafer for løsningsmuligheder, hvis toppunkter svarer til de molekylære grafer for reagenser og produkter, og buerne skildrer omdannelser af stoffer.
Ris. 4. Enkeltkredsløb kemisk-teknologisk system og tilsvarende grafer: a-strukturdiagram; b, henholdsvis c-materiale flow grafer. ved samlede massestrømningshastigheder og komponent A-strømningshastighed; r - termisk flow graf; d-fragment af ligningssystemet (f 1 - f 6) af materialebalancen, opnået fra analysen af graferne i fig. 4, b og c; e-bipartite informationsdigraf; g-information graf, I-mixer; II-reaktor; III-destillationskolonne; IV-køleskab; I 1 -I 8 -teknologi. vandløb; q-masse flow; H er entalpien af flowet; jeg. s og i*, s* - hhv. reelle og fiktive kilder og dræn af materiale og varmestrømme; c-koncentration af reagenset; V er reaktorens volumen.
Matrixrepræsentationer af molekylære grafer af forskellige forbindelser er ækvivalente (efter transformation af de tilsvarende matrixelementer) til matrixmetoder inden for kvantekemi. Derfor bruges grafteori, når man udfører komplekse kvantekemiske beregninger: for at bestemme antallet, egenskaber og energierne af molekylære orbitaler, forudsige reaktiviteten af konjugerede alternerende og ikke-alternerende polyener, identificere aromatiske og anti-aromatiske egenskaber af stoffer osv.
For at studere forstyrrelser i systemer, der består af et stort antal partikler i kemisk fysik, bruges såkaldte Feynman-diagrammer - grafer, hvis toppunkter svarer til fysiske partiklers elementære vekselvirkninger, kanterne til deres veje efter kollisioner. Disse grafer gør det især muligt at studere mekanismerne for oscillerende reaktioner og bestemme stabiliteten af reaktionssystemer.
For at udvælge rationelle veje til transformation af reagensmolekyler for et givet sæt af kendte interaktioner, anvendes bipartite reaktionsgrafer (hjørnerne svarer til molekyler og disse reaktioner, buerne svarer til interaktionerne mellem molekyler i reaktionen; Fig. 3,a ). Sådanne grafer gør det muligt at udvikle interaktive algoritmer til at vælge optimale veje for kemiske transformationer, der kræver det mindste antal mellemreaktioner, det mindste antal reagenser fra listen over acceptable eller opnå det højeste udbytte af produkter.
Signalgrafer af reaktionskinetiske ligninger viser systemer af kinetiske ligninger præsenteret i algebraisk-operatorform (fig. 3b). Grafernes toppunkter svarer til de såkaldte informationsvariable, eller signaler, i form af koncentrationer af reagenser, buer - til signalernes forhold, og buernes vægt bestemmes af kinetiske konstanter. Sådanne grafer bruges til at studere mekanismerne og kinetikken af komplekse katalytiske reaktioner, komplekse faseligevægte i dannelsen af komplekse forbindelser samt til beregning af parametrene for opløsningernes additive egenskaber.
Anvendte problemer. Til løsning af multidimensionelle problemer med analyse og optimering af kemisk-teknologiske systemer (CTS) anvendes følgende kemisk-teknologiske grafer (fig. 4): flow-, informations-flow-, signal- og pålidelighedsgrafer. Flowgrafer, som er vægtede digrafer, inkluderer parametrisk materiale i form af de samlede massestrømningshastigheder af fysiske strømme og massestrømningshastigheder for nogle kemiske komponenter eller elementer, såvel som termiske grafer. De anførte grafer svarer til de fysiske og kemiske omdannelser af stoffer og energi i et givet kemisk system.
Parametriske flowgrafer viser transformationen af parametre (massestrømningshastigheder osv.) af fysiske flows ved hjælp af CTS-elementer; toppunkterne på graferne svarer til de matematiske modeller af enhederne, såvel som kilderne og drænene for de specificerede strømme, og buerne svarer til strømningerne selv, og buernes vægte er lig med antallet af parametre for tilsvarende flow. Parametriske grafer bruges til at udvikle algoritmer til at analysere teknologiske tilstande for kemiske systemer med flere kredsløb. Sådanne algoritmer etablerer sekvensen af beregningssystemer af ligninger af matematiske modeller af individuelle enheder i ethvert system for at bestemme parametrene for dets outputstrømme med kendte værdier af variable inputstrømme.
Materialeflowgrafer viser ændringer i forbruget af stoffer i kemiske stoffer. Hjørnerne på graferne svarer til anordninger, hvori de samlede massestrømningshastigheder af fysiske strømme og massestrømningshastigheder for nogle kemiske komponenter eller elementer omdannes, såvel som kilder og dræn af stoffer i strømme eller disse komponenter; I overensstemmelse hermed svarer buerne af graferne til fysiske strømme eller fysiske og fiktive (kemiske omdannelser af stoffer i apparater) kilder og dræn af alle komponenter, og vægten af buerne er lig med massestrømningshastighederne af begge typer. Termiske flowgrafer viser varmebalancer i CTS; hjørnerne af graferne svarer til enheder, hvor varmeforbruget af fysiske strømme ændres, og derudover til kilderne og drænene til systemets termiske energi; buer svarer til fysiske og fiktive (fysisk-kemisk energiomdannelse i enheder) varmestrømme, og buernes vægte er lig med strømmenes entalpier. Materiale- og termiske grafer bruges til at kompilere programmer til automatiseret udvikling af algoritmer til løsning af ligningssystemer for materiale- og varmebalancer i komplekse kemiske systemer.
Informationsbeholdningsgrafer viser den logiske informationsstruktur af ligningssystemer af matematiske modeller af CTS; bruges til at udvikle optimale algoritmer til beregning af disse systemer. En todelt informationsgraf (fig. 4, e) er en urettet eller orienteret graf, hvis toppunkter henholdsvis svarer til ligningerne f l - f 6 og variablerne q 1 - V, og grenene afspejler deres forhold. Informationsgraf (fig. 4, g) - en digraf, der viser rækkefølgen af løsning af ligninger; toppunkterne på grafen svarer til disse ligninger, kilder og modtagere af XTS-information, og grenene svarer til informationsvariable.
Signalgrafer svarer til lineære ligningssystemer af matematiske modeller af kemiske teknologiske processer og systemer. Grafernes toppunkter svarer til signaler (for eksempel temperatur), og grenene svarer til forbindelser mellem dem. Sådanne grafer bruges til at analysere de statiske og dynamiske tilstande af multiparameterprocesser og kemiske systemer, såvel som indikatorer for en række af deres vigtigste egenskaber (stabilitet, følsomhed, kontrollerbarhed).
Pålidelighedsgrafer bruges til at beregne forskellige indikatorer for pålideligheden af kemisk udstyr. Blandt de talrige grupper af disse grafer (for eksempel parametriske, logisk-funktionelle) er de såkaldte fejltræer særligt vigtige. Hvert sådant træ er en vægtet digraf, der viser sammenhængen mellem mange simple fejl i individuelle processer og CTS-enheder, hvilket fører til mange sekundære fejl og den resulterende fejl i systemet som helhed.
For at skabe komplekser af programmer til automatiseret syntese af optimal meget pålidelig produktion (inklusive ressourcebesparelse) sammen med principperne for kunstig intelligens, orienteret semantisk eller semantisk, bruges grafer over CTS-løsningsmuligheder. Disse grafer, som i et bestemt tilfælde er træer, afbilder procedurer til generering af et sæt af rationelle alternative CTS-skemaer (f.eks. 14 mulige ved adskillelse af en fem-komponent blanding af målprodukter ved rektifikation) og procedurer for det bestilte udvalg blandt dem af en ordning, der er optimal efter et eller andet kriterium for systemeffektivitet.
etc.................