plastik. Karbohidrat terbentuk dalam tumbuhan semasa proses fotosintesis dan berfungsi sebagai bahan permulaan untuk sintesis semua bahan organik lain;
berstruktur. Peranan ini dimainkan oleh selulosa atau serat, bahan pektin, hemiselulosa;
Penyimpanan. Nutrien ganti: kanji, inulin, sukrosa...
Pelindung. Sukrosa adalah nutrien pelindung utama dalam tumbuhan musim sejuk.
Tenaga. Karbohidrat adalah substrat utama pernafasan. Apabila 1 g karbohidrat teroksida, 17 kJ tenaga dibebaskan.
2.2. Protein (B).
Protein, atau protein, adalah sebatian molekul tinggi yang dibina daripada asid amino.
Antara bahan organik, dari segi kuantiti dalam tumbuhan, tempat pertama bukanlah protein, tetapi karbohidrat dan lemak. Tetapi ia adalah B. yang memainkan peranan penting dalam metabolisme.
Fungsi protein dalam tumbuhan.
berstruktur. Dalam sitoplasma sel, bahagian protein adalah 2/3 daripada jumlah jisim. Protein adalah sebahagian daripada membran;
Penyimpanan. Tumbuhan mengandungi kurang protein daripada organisma haiwan, tetapi agak banyak. Jadi, dalam biji bijirin - 10-20% berat kering, dalam biji kekacang dan biji minyak - 20-40%;
Tenaga. Pengoksidaan 1 g protein memberikan 17 kJ;
Pemangkin. Enzim sel yang melakukan fungsi pemangkin ialah bahan protein;
Pengangkutan. Mengangkut bahan melalui membran;
Pelindung. Protein adalah seperti antibodi.
Protein melakukan beberapa fungsi khusus lain.
2.2.1. Asid amino (A),
A ialah unit struktur asas dari mana molekul semua bahan protein dibina. Asid amino ialah terbitan daripada asid lemak atau aromatik, mengandungi kedua-dua kumpulan amino (-NH 2) dan kumpulan karboksil (-COOH). Kebanyakan A. semulajadi mempunyai formula umum
Terdapat kira-kira 200 A. dalam alam semula jadi, tetapi hanya 20, serta dua amida, asparagin dan glutamin, terlibat dalam pembinaan B. Baki A. dipanggil bebas.
Dalam B. hanya asid amino kidal yang ada.
Daripada sifat kimia A. kita perhatikan mereka amfoterisiti. Disebabkan sifat amfoterik A. dalam larutan akueus, bergantung kepada pH larutan, penceraian kumpulan –COOH atau –NH 2 ditindas dan A. mempamerkan sifat asid atau alkali.
(-) persekitaran beralkali cas persekitaran berasid "+"
H 2 O +R-CH-COO - ← OH- +R-CH-COO- + H+ →R-CH-COOH
H 2 NH 3 N + H 3 N +
Tindak balas penyelesaian A., di mana kesamaan cas "+" dan "-" diperhatikan, dipanggil titik isoelektrik (IEP). Dalam IET, molekul A adalah neutral elektrik dan tidak bergerak dalam medan elektrik.
Komposisi B. termasuk 20 A. dan dua amida—asparagine dan glutamin. Daripada 20 A., 8 adalah penting, kerana ia tidak boleh disintesis dalam tubuh manusia dan haiwan, tetapi disintesis oleh tumbuhan dan mikroorganisma. Asid amino penting termasuk: valine; lisin; metionin; threonine; leucine; isoleucine; triptofan; fenilalanin.
Wakil A.
Alanine CH 3 -CH-COOH (6.02)
Cysteine CH 2 -CH-COOH (5.02)
Aspartik COOH-CH 2 -CH-COOH (2.97)
asid |
Glutamik COOH-CH 2 -CH 2 -CH-COOH (3.22)
asid |
Lisin CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH 2 -CH-COOH (9.74)
2.2.2. Komposisi dan sifat umum protein.
Komposisi unsur B. agak malar dan hampir kesemuanya mengandungi 50-60% C, 20-24% O, 6-7% H, 15-19% N, dan jumlah sulfur adalah dari 0 hingga 3% . Dalam bakteria kompleks, fosforus, besi, zink, kuprum terdapat dalam kuantiti yang kecil.....
Sifat-sifat protein.
Amfoterik. B. mengandungi kumpulan NH 2 dan COOH bebas dan boleh berdisosiasi sebagai asid dan bes (lihat contoh A.). Mereka mempunyai IET. Apabila tindak balas larutan adalah sama atau hampir dengan IET, protein dicirikan oleh ketidakstabilan yang melampau dan mudah memendakan daripada larutan di bawah pengaruh luaran yang paling lemah. Ini digunakan untuk mengasingkan protein.
Denaturasi. Ini adalah kehilangan sifat biologi protein di bawah pengaruh pelbagai pengaruh luaran - suhu tinggi, tindakan asid, garam logam berat, alkohol, aseton, dll. (lihat faktor pembekuan koloid). Akibat pendedahan, perubahan dalam struktur rantai polipeptida berlaku dalam molekul protein, struktur spatial terganggu, tetapi penguraian menjadi asid amino tidak berlaku. Sebagai contoh, apabila memanaskan telur ayam, putihnya mengental. Ini adalah denaturasi tidak dapat dipulihkan; atau benih kering sepenuhnya.
Nilai pemakanan biologi protein (BNV). Ia ditentukan oleh kandungan A. penting dalam B. Untuk ini, B. yang dikaji dibandingkan dengan standard B., yang diluluskan oleh FAO (Pertubuhan Makanan dan Pertanian Antarabangsa). Skor asid amino bagi setiap asid amino perlu dikira dan dinyatakan sebagai % kandungan penting A. dalam protein yang dikaji (mg) x 100%
Mereka A., yang skor asid aminonya kurang daripada 100%, dipanggil mengehadkan. Dalam kebanyakan protein tiada protein penting individu sama sekali.Sebagai contoh, triptofan tiada dalam protein epal; dalam kebanyakan bakteria tumbuhan, yang mengehadkan selalunya ialah empat asid amino penting - lisin, triptofan, metionin dan treonine. B. yang tidak mengandungi beberapa A. penting dipanggil rosak. Tumbuhan B. dianggap lebih rendah, dan haiwan B. dianggap lebih rendah. sepenuhnya. Untuk mencipta 1 kg makanan haiwan, 8-12 kg makanan sayuran digunakan. Berdasarkan BOC protein, seseorang boleh menganggarkan: 100% - protein susu dan telur; haiwan lain B – 90-95%; B. kekacang – 75-85%; B. tanaman bijirin - 60-70%.
2.2.3. Struktur protein.
Menurut teori polipeptida struktur B. (Danilevsky, Fischer), asid amino berinteraksi antara satu sama lain untuk membentuk ikatan peptida - CO-NH-. Di-, tri-, pento- dan polipeptida terbentuk.
Molekul B. dibina daripada satu atau lebih rantai polipeptida yang saling berkait yang terdiri daripada sisa asid amino.
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
Alanine cysteine alanylcysteine
(dipeptida)
Struktur B.
Terdapat tahap organisasi molekul protein yang berbeza dan setiap molekul mempunyai struktur ruangnya sendiri. Kehilangan atau gangguan struktur ini menyebabkan gangguan pada fungsi yang dilakukan (denaturasi).
Terdapat pelbagai peringkat organisasi molekul protein.
Struktur utama. Ditentukan oleh bilangan dan urutan asid amino dalam molekul B. Struktur primer adalah tetap secara genetik. Dengan struktur ini, molekul B. mempunyai bentuk seperti benang. …….
Struktur utama protein homolog digunakan, khususnya, sebagai kriteria untuk mewujudkan hubungan antara spesies individu tumbuhan, haiwan dan manusia.
Struktur sekunder. Ia adalah konfigurasi heliks rantai polipeptida. Peranan yang menentukan dalam pendidikannya adalah milik hidrogensambungan...... Walau bagaimanapun, ikatan disulfida (-S-S-) juga boleh muncul di antara titik individu heliks, yang mengganggu struktur heliks biasa.
Struktur tertier. Ini adalah tahap organisasi B yang lebih tinggi. Ia mencirikan konfigurasi ruang molekul. Ia disebabkan oleh fakta bahawa karboksil bebas, amina, hidroksil dan kumpulan radikal sampingan lain bagi molekul asid amino dalam rantai polipeptida berinteraksi antara satu sama lain untuk membentuk ikatan amida, ester dan garam. Disebabkan ini, rantai polipeptida, yang mempunyai struktur sekunder tertentu, terus dilipat dan dibungkus dan memperoleh konfigurasi spatial tertentu. Ikatan hidrogen dan disulfida juga memainkan peranan penting dalam pembentukannya. Bentuk protein globular (sfera) terbentuk.
Struktur kuarternari. Ia dibentuk oleh gabungan beberapa protein dengan struktur tertier. Perlu diingatkan bahawa aktiviti fungsional protein tertentu ditentukan oleh keempat-empat peringkat organisasinya.
2.2.4. Klasifikasi protein.
Berdasarkan strukturnya, protein dibahagikan kepada protein, atau protein ringkas, dibina hanya daripada sisa asid amino, dan protein, atau protein kompleks, yang terdiri daripada protein ringkas dan beberapa sebatian bukan protein lain yang terikat rapat dengannya. Bergantung kepada sifat bahagian bukan protein, protein dibahagikan kepada subkumpulan.
Fosfoprotein - protein digabungkan dengan asid fosforik.
Lipoprotein - protein digabungkan dengan fosfolipid dan lipid lain, contohnya, dalam membran.
Glikoprotein - protein digabungkan dengan karbohidrat dan derivatifnya. Sebagai contoh, dalam komposisi lendir tumbuhan.
Metalloprotein – mengandungi logam, g.o. unsur surih: Fe, Cu, Zn….. Ini terutamanya enzim yang mengandungi logam: katalase, sitokrom, dsb.
Nukleoprotein adalah salah satu subkumpulan yang paling penting. Di sini protein bergabung dengan asid nukleik.
Pengelasan protein mengikut keterlarutan dalam pelbagai pelarut adalah sangat penting. Yang berikut dibezakan: puak B. dengan keterlarutan:
Albumin larut dalam air. Wakil biasa ialah albumin telur ayam, banyak protein adalah enzim.
Globulin ialah protein yang larut dalam larutan lemah garam neutral (4 atau 10% NaCl atau KCl).
Prolamin - larut dalam 70% etil alkohol. Contohnya, gliadin gandum dan rai.
Glutelin - larut dalam larutan alkali lemah (0.2-2%).
Histon ialah bakteria alkali molekul rendah yang terkandung dalam nukleus sel.
Pecahan B. berbeza dalam komposisi asid amino dan nilai pemakanan biologi (BNC). Menurut BPC, pecahan disusun dalam urutan: albumin › globulin ≈ glutelin › prolamins. Kandungan pecahan bergantung pada jenis tumbuhan; ia tidak sama di bahagian bijirin yang berlainan. (lihat biokimia swasta tanaman pertanian).
Lipid (L).
Lipid ialah lemak (F) dan bahan seperti lemak (lipoid) yang serupa dalam sifat fizikokimianya, tetapi berbeza dalam peranan biologinya dalam badan.
Lipid secara amnya dibahagikan kepada dua kumpulan: lemak dan lipoid. Biasanya, vitamin larut lemak juga dikelaskan sebagai lipid.
Mempelajari hubungan antara sifat bahan dan strukturnya adalah salah satu tugas utama kimia. Sumbangan besar kepada penyelesaiannya dibuat oleh teori struktur sebatian organik, yang penciptanya termasuk ahli kimia Rusia yang hebat Alexander Mikhailovich Butlerov (1828-1886). Dialah yang mula-mula menetapkan bahawa sifat-sifat bahan bergantung bukan sahaja pada komposisinya (formula molekul), tetapi juga pada susunan di mana atom-atom dalam molekul disambungkan antara satu sama lain. Perintah ini dipanggil "struktur kimia". Butlerov meramalkan bahawa komposisi C 4 H 10 mungkin sepadan dengan dua bahan yang mempunyai struktur berbeza - butana dan isobutana, dan mengesahkannya dengan mensintesis bahan yang terakhir.
Idea bahawa susunan atom disambungkan adalah kunci kepada sifat jirim telah terbukti sangat membuahkan hasil. Ia berdasarkan perwakilan molekul menggunakan graf, di mana atom memainkan peranan sebagai bucu, dan ikatan kimia di antara mereka bertindak sebagai tepi yang menghubungkan bucu. Dalam perwakilan grafik, panjang ikatan dan sudut di antara mereka diabaikan. Molekul C yang diterangkan di atas 4 H 10 diwakili oleh graf berikut:
Atom hidrogen tidak ditunjukkan dalam graf sedemikian, kerana lokasinya boleh ditentukan dengan jelas oleh struktur rangka karbon. Ingat bahawa karbon dalam sebatian organik adalah tetravalen, jadi dalam graf yang sepadan tidak lebih daripada empat tepi boleh memanjang dari setiap bucu.
Graf ialah objek matematik, jadi ia boleh dicirikan menggunakan nombor. Di sinilah tercetusnya idea untuk menyatakan struktur molekul dengan nombor yang berkaitan dengan struktur graf molekul. Nombor-nombor ini dipanggil "indeks topologi" dalam kimia. Dengan mengira mana-mana indeks topologi untuk sejumlah besar molekul, adalah mungkin untuk mewujudkan hubungan antara nilainya dan sifat bahan, dan kemudian menggunakan sambungan ini untuk meramalkan sifat bahan baru yang belum disintesis. Sehingga kini, ahli kimia dan ahli matematik telah mencadangkan beratus-ratus indeks berbeza yang mencirikan sifat molekul tertentu.
Kaedah untuk mengira indeks topologi
Kaedah untuk mengira indeks topologi boleh sangat pelbagai, tetapi kesemuanya mesti memenuhi keperluan semula jadi:
1) setiap molekul mempunyai indeks individunya sendiri;
2) molekul yang mempunyai sifat yang serupa mempunyai indeks yang serupa.
Mari lihat bagaimana idea ini dilaksanakan menggunakan contoh hidrokarbon tepu - alkana. Konsep utama untuk membina banyak indeks ialah konsep "matriks jarak" D. Ini adalah nama matriks yang unsur-unsurnya menunjukkan bilangan tepi yang memisahkan bucu sepadan graf molekul. Mari bina matriks ini untuk tiga hidrokarbon isomer komposisi C 5 H 12 . Untuk melakukan ini, mari kita lukis graf molekul mereka dan menomborkan semula bucu (dalam susunan rawak):
Unsur pepenjuru matriks jarak untuk hidrokarbon adalah sama dengan 0. Dalam graf pertama, bucu 1 disambungkan ke bucu 2 dengan satu tepi, jadi unsur matriks d 12 = 1. Begitu juga d 13 = 2, d 14 = 3, d 15 = 4. Baris pertama dalam matriks jarak pentana normal mempunyai bentuk: (0 1 2 3 4). Lengkapkan matriks jarak untuk tiga graf:
indeks topologi kimia molekul
Jarak antara bucu tidak bergantung pada susunan di mana ia disenaraikan, jadi matriks jarak adalah simetri berkenaan dengan pepenjuru.
Indeks topologi pertama yang mencerminkan struktur graf molekul (G) telah dicadangkan pada tahun 1947 oleh Wiener. Ia ditakrifkan sebagai jumlah unsur pepenjuru bagi matriks jarak ditambah separuh jumlah unsur bukan pepenjurunya:
(1)
Untuk graf di atas yang sepadan dengan pentana C 5 H 12 , indeks Wiener mengambil nilai 20, 18 dan 16. Ia boleh diandaikan bahawa ia menerangkan tahap percabangan hidrokarbon: nilai tertinggi sepadan dengan hidrokarbon bercabang paling sedikit. Apabila panjang rangka karbon bertambah, indeks Wiener meningkat, kerana terdapat lebih banyak unsur dalam matriks jarak. Analisis statistik menggunakan contoh beberapa ratus hidrokarbon menunjukkan bahawa indeks Wiener berkorelasi dengan beberapa sifat fizikal alkana: takat didih, haba penyejatan, isipadu molar.
Satu lagi jenis indeks bukan berdasarkan jarak antara bucu, tetapi pada bilangan jiran terdekat untuk setiap bucu. Sebagai contoh, mari kita mengira indeks Randić, yang ditakrifkan seperti berikut:
(2)
di mana vi– darjah bucu ke-i, iaitu bilangan tepi yang memanjang daripadanya. Untuk graf di atas, indeks Randić adalah sama dengan:
(3)
(4)
(5)
Indeks ini juga berkurangan dengan peningkatan tahap percabangan rangka karbon dan boleh digunakan untuk menerangkan sifat fizikal alkana.
Alkana adalah jenis molekul organik yang paling membosankan dari sudut pandangan kimia, kerana ia tidak mengandungi sebarang "ciri" - ikatan rangkap dua dan tiga kali ganda atau atom unsur selain hidrogen dan karbon (unsur tersebut dipanggil heteroatom). Pengenalan heteroatom ke dalam molekul secara radikal boleh mengubah sifat sesuatu bahan. Oleh itu, penambahan hanya satu atom oksigen menukarkan gas etana C yang agak lengai 2 H 6 menjadi etanol C 2 H 5 OH, mempamerkan aktiviti kimia dan biologi yang agak tinggi.
Akibatnya, dalam indeks topologi molekul yang lebih kompleks daripada alkana, adalah perlu untuk mengambil kira kehadiran berbilang ikatan dan heteroatom. Ini dilakukan dengan memberikan pekali berangka tertentu - "berat" - pada bucu dan tepi graf. Sebagai contoh, dalam matriks jarak, unsur pepenjuru boleh ditakrifkan dari segi cas nuklear Zi(ingat bahawa untuk karbon Z = 6):
(6)
Unsur luar pepenjuru ditentukan dengan menjumlahkan ke atas tepi, dengan setiap tepi menghubungkan atom dengan cas Zidan Zj, berat ditetapkan
(7)
di mana b adalah sama dengan susunan ikatan antara atom (1 untuk ikatan tunggal, 2 untuk ikatan berganda, 3 untuk ikatan rangkap tiga). Untuk ikatan tunggal karbon-karbon biasa, k = 1. Mari kita bandingkan indeks Wiener propana C 3 H 8 dan tiga bahan yang mengandungi oksigen yang serupa dalam komposisi: propil alkohol C 3 H 8 O, isomer isopropil alkohol C 3 H 8 O dan aseton C 3 H 6 O.
Untuk melakukan ini, kami mengira matriks jarak mengikut peraturan yang ditentukan. Dalam graf molekul kita menunjukkan semua atom kecuali atom hidrogen.1) Propana
2) Dalam molekul propil alkohol, oksigen terikat pada atom karbon terluar:
Untuk ikatan C–O tunggal, pekali pemberat ialah 36/(68) = 0.75. Unsur matriks pepenjuru sepadan dengan oksigen:
d 44 = 1 – 6/8 = 0.25.
Untuk molekul yang mengandungi heteroatom, indeks Wiener tidak lagi menjadi integer. 3) Dalam molekul isopropil alkohol, oksigen terikat pada atom karbon tengah:
4) Dalam aseton, susunan sambungan atom adalah sama seperti dalam isopropil alkohol, tetapi ikatan antara karbon dan oksigen adalah dua kali ganda:
Untuk ikatan berganda C=O faktor pemberat ialah 36/(268) = 0.375
Seperti yang dapat dilihat, penambahan heteroatom kepada struktur alkana membawa kepada peningkatan dalam indeks Wiener disebabkan oleh peningkatan dalam saiz matriks jarak. Menambah berbilang ikatan dan meningkatkan tahap percabangan molekul mengurangkan indeks ini. Peraturan ini juga digunakan untuk molekul yang lebih kompleks. Pada mulanya, indeks topologi dibangunkan hanya untuk tujuan meramal sifat fizikokimia bahan. Walau bagaimanapun, kemudian mereka mula digunakan untuk menyelesaikan masalah lain. Mari lihat sebahagian daripada mereka. Satu aplikasi indeks topologi adalah berkaitan dengan klasifikasi sebatian organik dan penciptaan pangkalan data organik. Tugasnya adalah untuk mencari indeks yang satu-dengan-satu mencirikan struktur kimia dan dari mana struktur ini boleh dibina semula. Indeks yang diperlukan mesti mempunyai keupayaan diskriminasi yang baik, iaitu, ia mesti membezakan antara molekul genap yang serupa dalam struktur. Tugas ini sangat besar, kerana lebih daripada 20 juta struktur organik sudah diketahui. Penyelesaiannya nampaknya akan ditemui melalui penggunaan indeks topologi komposit.
Abstrak pada subjek matematik tinggi pada topik:
Aplikasi teori graf dalam kimia
Dipersembahkan oleh pelajar kumpulan NH-202
Moscow 2011
Graf ialah bidang matematik terhingga yang mengkaji struktur diskret; digunakan untuk menyelesaikan pelbagai masalah teori dan gunaan.
Beberapa konsep asas. Graf ialah himpunan titik (bucu) dan himpunan pasangan titik ini (tidak semestinya semua) yang dihubungkan dengan garis (Rajah 1, a). Jika garisan dalam graf berorientasikan (iaitu, anak panah menunjukkan arah sambungan bucu), ia dipanggil lengkok, atau cawangan; jika tidak berorientasikan, - tepi. Sehubungan itu, graf yang mengandungi hanya lengkok dipanggil graf berarah, atau digraf; hanya tepi-tidak berorientasikan; lengkok dan rusuk - bercampur. Graf yang mempunyai berbilang tepi dipanggil multigraf; graf yang mengandungi hanya tepi kepunyaan dua subset (bahagian) bercapahnya ialah dwipartit; lengkok (tepi) dan (atau) bucu yang sepadan dengan pemberat atau nilai berangka tertentu bagi mana-mana parameter ditimbang. Laluan dalam graf ialah jujukan selang seli bagi bucu dan lengkok di mana tiada satu pun bucu diulang (contohnya, a, b dalam Rajah 1,a); kontur - laluan tertutup di mana bucu pertama dan terakhir bertepatan (contohnya, f, h); gelung - lengkok (tepi) yang bermula dan berakhir pada puncak yang sama. Laluan graf ialah jujukan tepi di mana tiada satu pun bucu diulang (contohnya, c, d, e); kitaran - rantai tertutup di mana bucu awal dan akhirnya bertepatan. Graf dipanggil bersambung jika mana-mana pasangan bucunya disambungkan oleh rantai atau laluan; jika tidak, graf dipanggil terputus.
Pokok ialah graf tidak terarah bersambung yang tidak mengandungi kitaran atau kontur (Rajah 1, b). Subgraf merentang graf ialah subset daripadanya yang mengandungi semua bucu dan hanya tepi tertentu. Pokok rentang bagi graf ialah subgraf rentangnya, iaitu pokok. Graf dipanggil isomorfik jika terdapat padanan satu dengan satu antara set bucu dan tepinya (lengkok).
Untuk menyelesaikan masalah teori graf dan aplikasinya, graf diwakili menggunakan matriks (bersebelahan, kejadian, dua baris, dll.), serta yang istimewa. ciri berangka. Sebagai contoh, dalam matriks bersebelahan (Rajah 1c), baris dan lajur sepadan dengan nombor bucu graf, dan elemennya mengambil nilai 0 dan 1 (masing-masing, ketiadaan dan kehadiran lengkok antara sepasang bucu tertentu); dalam matriks kejadian (Rajah 1d), baris sepadan dengan nombor bucu, lajur sepadan dengan nombor lengkok, dan elemen mengambil nilai 0, + 1 dan - 1 (masing-masing, ketiadaan , kehadiran arka masuk dan keluar dari bucu). Ciri berangka yang paling biasa: bilangan bucu (m), bilangan lengkok atau tepi (n), nombor siklomatik, atau pangkat graf (n - m + k, dengan k ialah bilangan subgraf yang disambungkan dalam graf terputus, sebagai contoh, untuk graf dalam Rajah 1 , kedudukan b ialah: 10-6+ 1 =5).
Aplikasi teori graf adalah berdasarkan pembinaan dan analisis pelbagai kelas graf kimia dan kimia-teknologi, yang juga dipanggil model topologi, i.e. model yang mengambil kira hanya sifat sambungan antara bucu. Lengkok (tepi) dan bucu graf ini memaparkan konsep kimia dan kimia-teknologi, fenomena, proses atau objek dan, sewajarnya, hubungan kualitatif dan kuantitatif atau hubungan tertentu antara mereka.
nasi. 1. Ilustrasi beberapa konsep asas: graf bercampur; b-spanning tree (lengkok pepejal a, h, d, f, h) dan subgraf tertentu (arka putus-putus c, e, g, k, l) digraf; c, r-matriks resp. bersebelahan dan kejadian digraf.
Masalah teori. Graf kimia membolehkan untuk meramalkan transformasi kimia, menerangkan intipati dan mensistematisasikan beberapa konsep asas kimia: struktur, konfigurasi, konformasi, interaksi mekanik kuantum dan statistik-mekanikal bagi molekul, isomerisme, dsb. Graf kimia termasuk graf molekul, dwipartit dan isyarat persamaan tindak balas kinetik.
Graf molekul, yang digunakan dalam stereokimia dan topologi struktur, kimia kelompok, polimer, dsb., ialah graf tidak terarah yang memaparkan struktur molekul (Rajah 2). Bucu dan tepi graf ini masing-masing sepadan dengan atom dan ikatan kimia di antara mereka.
nasi. 2. Graf molekul dan pokok: a, b - multigraf, masing-masing. etilena dan formaldehid; mereka kata isomer pentana (pokok 4, 5 adalah isomorfik kepada pokok 2).
Dalam stereokimia bahan organik, pokok molekul paling kerap digunakan - pokok merentangi graf molekul, yang mengandungi hanya semua bucu yang sepadan dengan atom C (Rajah 2, a dan b). Menyusun set pokok molekul dan mewujudkan isomorfisme mereka membolehkan untuk menentukan struktur molekul dan mencari jumlah bilangan isomer alkana, alkena dan alkuna (Rajah 2, c).
Graf molekul memungkinkan untuk mengurangkan masalah yang berkaitan dengan pengekodan, tatanama dan ciri struktur (percabangan, kitaran, dsb.) molekul pelbagai sebatian kepada analisis dan perbandingan ciri dan sifat matematik semata-mata bagi graf molekul dan pokoknya, serta matriks sepadan mereka. Untuk mengenal pasti korelasi kuantitatif antara struktur molekul dan sifat fizikokimia (termasuk farmakologi) sebatian, lebih daripada 20 ribu nama indeks topologi molekul (Wiener, Balaban, Hosoya, Plat, Randic, dll.) telah dibangunkan, iaitu ditentukan menggunakan matriks dan ciri berangka bagi pokok molekul. Sebagai contoh, indeks Wiener W = (m 3 + m)/6, di mana m ialah bilangan bucu yang sepadan dengan atom C, berkorelasi dengan isipadu dan pembiasan molekul, entalpi pembentukan, kelikatan, tegangan permukaan, pemalar kromatografi sebatian, nombor oktana hidrokarbon dan juga aktiviti fisiologi dadah.
Parameter penting graf molekul yang digunakan untuk menentukan bentuk tautomerik bahan tertentu dan kereaktifannya, serta dalam pengelasan asid amino, asid nukleik, karbohidrat dan sebatian semula jadi kompleks lain, adalah purata dan jumlah kapasiti maklumat (H). Parameter dikira menggunakan formula entropi maklumat Shannon: , dengan p t ialah kebarangkalian bahawa bucu m graf tergolong dalam jenis ke-i, atau kelas kesetaraan, k; i = , Parameter. Kajian tentang struktur molekul seperti gugusan tak organik atau jalur Möbius bermula untuk mewujudkan isomorfisme graf molekul yang sepadan dengan meletakkannya (membenamkan) dalam polyhedra kompleks (contohnya, polyhedra dalam kes gugusan) atau yang istimewa. permukaan berbilang dimensi (contohnya, permukaan Riemann). Analisis graf molekul polimer, bucu yang sepadan dengan unit monomer, dan tepi kepada ikatan kimia di antara mereka, memungkinkan untuk menerangkan, sebagai contoh, kesan volum terkecuali, yang membawa kepada perubahan kualitatif dalam sifat ramalan polimer. .
nasi. 3. Graf tindak balas: a-bipartit; tahap isyarat b kinetik; r 1, g 2 -r-tion; a 1 -a 6 -reagens; pemalar k-kadar p-tsny; s-kompleks pembolehubah transformasi Laplace.
Menggunakan teori graf dan prinsip kecerdasan buatan, perisian telah dibangunkan untuk sistem pencarian maklumat dalam kimia, serta sistem automatik untuk mengenal pasti struktur molekul dan perancangan rasional sintesis organik. Untuk pelaksanaan praktikal pada komputer operasi untuk memilih laluan rasional transformasi kimia berdasarkan prinsip retrosintetik dan sintonik, graf carian bercabang berbilang peringkat untuk pilihan penyelesaian digunakan, bucu yang sepadan dengan graf molekul reagen dan produk, dan lengkok menggambarkan perubahan bahan.
nasi. 4. Sistem kimia-teknologi litar tunggal dan graf yang sepadan: rajah a-struktur; b, graf aliran bahan-c, masing-masing. mengikut jumlah kadar aliran jisim dan kadar aliran komponen A; r - graf aliran haba; d-serpihan sistem persamaan (f 1 - f 6) imbangan bahan, diperoleh daripada analisis graf dalam Rajah. 4, b dan c; digraf maklumat e-bipartit; graf maklumat-g, pengadun-I; II-reaktor; III-lajur penyulingan; IV-peti sejuk; I 1 -I 8 -teknol. aliran; q-aliran jisim; H ialah entalpi aliran; i. s dan i*, s* - resp. sumber sebenar dan rekaan dan tenggelam bahan dan aliran haba; c-kepekatan reagen; V ialah isipadu reaktor.
Perwakilan matriks graf molekul pelbagai sebatian adalah setara (selepas mengubah unsur matriks yang sepadan) kepada kaedah matriks kimia kuantum. Oleh itu, teori graf digunakan semasa melakukan pengiraan kimia kuantum yang kompleks: untuk menentukan bilangan, sifat dan tenaga orbital molekul, meramalkan kereaktifan poliena berganti dan bukan berganti konjugasi, mengenal pasti sifat aromatik dan anti-aromatik bahan, dsb.
Untuk mengkaji gangguan dalam sistem yang terdiri daripada sejumlah besar zarah dalam fizik kimia, apa yang dipanggil gambar rajah Feynman digunakan - graf yang bucunya sepadan dengan interaksi asas zarah fizikal, tepi ke laluan mereka selepas perlanggaran. Khususnya, graf ini memungkinkan untuk mengkaji mekanisme tindak balas berayun dan menentukan kestabilan sistem tindak balas.
Untuk memilih laluan rasional bagi transformasi molekul reagen bagi set interaksi yang diketahui tertentu, graf tindak balas dwipartit digunakan (bucu sepadan dengan molekul dan tindak balas ini, lengkok sepadan dengan interaksi molekul dalam tindak balas; Rajah 3,a ). Graf sedemikian memungkinkan untuk membangunkan algoritma interaktif untuk memilih laluan optimum bagi transformasi kimia yang memerlukan bilangan tindak balas perantaraan terkecil, bilangan reagen minimum daripada senarai yang boleh diterima, atau mencapai hasil produk tertinggi.
Graf isyarat persamaan kinetik tindak balas memaparkan sistem persamaan kinetik yang dibentangkan dalam bentuk pengendali algebra (Rajah 3b). Bucu graf sepadan dengan apa yang dipanggil pembolehubah maklumat, atau isyarat, dalam bentuk kepekatan reagen, lengkok - kepada hubungan isyarat, dan berat lengkok ditentukan oleh pemalar kinetik. Graf sedemikian digunakan dalam mengkaji mekanisme dan kinetik tindak balas pemangkin kompleks, keseimbangan fasa kompleks dalam pembentukan sebatian kompleks, serta untuk mengira parameter sifat aditif penyelesaian.
Masalah yang digunakan. Untuk menyelesaikan masalah multidimensi analisis dan pengoptimuman sistem kimia-teknologi (CTS), graf kimia-teknologi berikut digunakan (Rajah 4): aliran, aliran maklumat, isyarat dan graf kebolehpercayaan. Graf alir, yang merupakan digraf berwajaran, termasuk parametrik, bahan dari segi jumlah kadar aliran jisim aliran fizikal dan kadar aliran jisim beberapa komponen atau unsur kimia, serta graf haba. Graf yang disenaraikan sepadan dengan perubahan fizikal dan kimia bahan dan tenaga dalam sistem kimia tertentu.
Graf aliran parametrik memaparkan transformasi parameter (kadar aliran jisim, dsb.) aliran fizikal oleh elemen CTS; bucu graf sepadan dengan model matematik peranti, serta sumber dan sinki aliran yang ditentukan, dan lengkok sepadan dengan aliran itu sendiri, dan berat lengkok adalah sama dengan bilangan parameter aliran yang sepadan. Graf parametrik digunakan untuk membangunkan algoritma untuk menganalisis mod teknologi sistem kimia berbilang litar. Algoritma sedemikian mewujudkan urutan sistem pengiraan persamaan model matematik peranti individu mana-mana sistem untuk menentukan parameter aliran keluarannya dengan nilai aliran input berubah-ubah yang diketahui.
Graf aliran bahan memaparkan perubahan dalam penggunaan bahan dalam bahan kimia. Bucu graf sepadan dengan peranti di mana jumlah kadar aliran jisim aliran fizikal dan kadar aliran jisim beberapa komponen atau unsur kimia diubah, serta sumber dan sinki bahan aliran atau komponen ini; Sehubungan itu, lengkok graf sepadan dengan aliran fizikal atau fizikal dan rekaan (transformasi kimia bahan dalam radas) sumber dan sinki mana-mana komponen, dan berat lengkok adalah sama dengan kadar aliran jisim kedua-dua jenis. Graf aliran terma memaparkan imbangan haba dalam CTS; bucu graf sepadan dengan peranti di mana penggunaan haba aliran fizikal berubah, dan, sebagai tambahan, kepada sumber dan sinki tenaga haba sistem; arka sepadan dengan aliran haba fizikal dan rekaan (penukaran tenaga fizikal-kimia dalam peranti), dan berat arka adalah sama dengan entalpi aliran. Graf bahan dan terma digunakan untuk menyusun atur cara untuk pembangunan automatik algoritma untuk menyelesaikan sistem persamaan bagi bahan dan imbangan haba sistem kimia kompleks.
Graf maklumat-stok memaparkan struktur maklumat logik sistem persamaan model matematik CTS; digunakan untuk membangunkan algoritma optimum untuk mengira sistem ini. Graf maklumat dwipartit (Rajah 4, e) ialah graf tidak terarah atau berorientasikan, bucu yang masing-masing sepadan dengan persamaan f l - f 6 dan pembolehubah q 1 - V, dan cawangan mencerminkan hubungannya. Graf maklumat (Rajah 4, g) - digraf yang menggambarkan susunan penyelesaian persamaan; bucu graf sepadan dengan persamaan, sumber dan penerima maklumat XTS ini, dan cawangan sepadan dengan pembolehubah maklumat.
Graf isyarat sepadan dengan sistem linear persamaan model matematik proses dan sistem teknologi kimia. Bucu graf sepadan dengan isyarat (contohnya, suhu), dan cawangan sepadan dengan sambungan antara mereka. Graf sedemikian digunakan untuk menganalisis mod statik dan dinamik proses multiparameter dan sistem kimia, serta penunjuk beberapa sifat terpentingnya (kestabilan, kepekaan, kebolehkawalan).
Graf kebolehpercayaan digunakan untuk mengira pelbagai penunjuk kebolehpercayaan peralatan kimia. Di antara banyak kumpulan graf ini (contohnya, parametrik, logik-fungsi), apa yang dipanggil pepohon kesalahan adalah sangat penting. Setiap pokok tersebut ialah digraf berwajaran yang memaparkan perkaitan antara banyak kegagalan mudah proses individu dan peranti CTS, yang membawa kepada banyak kegagalan sekunder dan kegagalan sistem secara keseluruhannya.
Untuk mencipta kompleks program untuk sintesis automatik pengeluaran yang sangat dipercayai (termasuk penjimatan sumber), bersama-sama dengan prinsip kecerdasan buatan, semantik berorientasikan atau semantik, graf pilihan penyelesaian CTS digunakan. Graf ini, yang dalam kes tertentu adalah pokok, menggambarkan prosedur untuk menjana satu set skema CTS alternatif yang rasional (contohnya, 14 mungkin apabila mengasingkan campuran lima komponen produk sasaran melalui pembetulan) dan prosedur untuk pemilihan tersusun antaranya skim yang optimum mengikut beberapa kriteria kecekapan sistem.
dan lain-lain.................