Prüfung in medizinischer Chemie. Ticketfragen zu Computer-Molekularmodellierung und QSAR-Methoden.

allgemeine Informationen

Die Abkürzung QSAR ist eine Abkürzung für die englischen Quantitative Structure Activity Relationships, was ins Russische übersetzt Quantitative Structure Activity Relationship bedeutet (daher wird in der russischsprachigen Literatur manchmal die Abkürzung KSSA verwendet).

Eine der wichtigsten Aufgaben der modernen chemischen Wissenschaft besteht darin, Zusammenhänge zwischen der Struktur und den Eigenschaften von Stoffen herzustellen. Die Zahl neu synthetisierter neuer organischer Verbindungen nimmt ständig zu, daher ist die dringlichste Aufgabe die quantitative Vorhersage spezifischer Eigenschaften neuer, noch nicht synthetisierter Substanzen auf der Grundlage bestimmter physikalisch-chemischer Parameter einzelner Verbindungen.

Historisch gesehen begann alles mit Versuchen von Wissenschaftlern, einen quantitativen Zusammenhang zwischen der Struktur von Stoffen und ihren Eigenschaften zu finden und diesen Zusammenhang in quantitativer Form, beispielsweise in Form einer mathematischen Gleichung, auszudrücken. Diese Gleichung muss die Abhängigkeit einer Zahlenmenge (die Eigenschaften darstellt) von einer anderen Zahlenmenge (die Strukturen darstellt) widerspiegeln. Eine Eigenschaft in numerischer Form auszudrücken ist recht einfach: Die physiologische Aktivität einer Reihe von Substanzen kann quantitativ gemessen werden. Es ist viel schwieriger, die Strukturen chemischer Verbindungen numerisch auszudrücken. Für diesen Ausdruck verwendet QSAR derzeit sogenannte chemische Strukturdeskriptoren.

Ein Deskriptor ist ein Parameter, der die Struktur einer organischen Verbindung so charakterisiert, dass bestimmte spezifische Merkmale dieser Struktur vermerkt werden. Im Prinzip kann ein Deskriptor jede Zahl sein, die sich aus der Strukturformel einer chemischen Verbindung berechnen lässt – Molekulargewicht, Anzahl der Atome einer bestimmten Art (Hybridisierung), Bindungen oder Gruppen, Molekülvolumen, Teilladungen an Atomen usw.

Um die physiologische Aktivität in QSAR vorherzusagen, werden üblicherweise Deskriptoren verwendet, die auf der Grundlage sterischer, topologischer Strukturmerkmale, elektronischer Effekte und Lipophilie berechnet werden. Eine wesentliche Rolle bei QSAR spielen sogenannte topologische Deskriptoren. Strukturdeskriptoren spielen eine wichtige Rolle bei der Beurteilung der Bindungsstärke einer Testverbindung an ein Biozielmolekül; elektronische Effektdeskriptoren beschreiben die Ionisierung oder Polarität von Verbindungen. Lipophilie-Deskriptoren ermöglichen die Beurteilung der Fähigkeit, sich in Fetten aufzulösen, d. h. sie charakterisieren die Fähigkeit eines Arzneimittels, Zellmembranen und verschiedene Arten von biologischen Barrieren zu überwinden.

Bei der QSAR-Methode wird die Strukturformel in Form einer mathematischen Darstellung – einem Graphen – dargestellt und mit einem speziellen mathematischen Apparat – der Graphentheorie – bedient. Ein Graph ist ein mathematisches Objekt, das durch eine Menge von Eckpunkten und eine Menge geordneter oder ungeordneter Eckpunktpaare (Kanten) definiert ist. Die Graphentheorie ermöglicht die Berechnung der sogenannten Grapheninvarianten, die als Deskriptoren gelten. Es werden auch komplexe Fragmentdeskriptoren verwendet, die den Beitrag verschiedener Teile des Moleküls zur Gesamteigenschaft bewerten. Sie machen es Forschern viel einfacher, unbekannte Verbindungen mit potenziell hoher Aktivität zurückzuentwickeln. Somit ist das QSAR-Modell eine mathematische Gleichung (ein Modell), mit der sowohl die physiologische Aktivität (ein Sonderfall) als auch jede Eigenschaft im Allgemeinen beschrieben werden kann. In diesem Fall ist es korrekter, von QSPR zu sprechen – der quantitativen Beziehung zwischen Strukturen und Eigentum.

Die QSAR-Methodik funktioniert wie folgt. Zunächst wird eine Gruppe von Verbindungen mit bekannter Struktur und bekannten physiologischen Aktivitätswerten (aus Experimenten erhalten) in zwei Teile unterteilt: einen Trainingssatz und einen Testsatz. In diesen Mengen sind die die Aktivität charakterisierenden Zahlen bereits mit einer bestimmten Struktur korreliert. Als nächstes werden Deskriptoren ausgewählt (derzeit wurden viele Hunderte von Deskriptoren erfunden, aber eine ziemlich begrenzte Anzahl ist tatsächlich nützlich; es gibt verschiedene Ansätze zur Auswahl der optimalsten Deskriptoren). Im nächsten Schritt wird eine mathematische Abhängigkeit der Aktivität von den ausgewählten Deskriptoren für Verbindungen aus dem Trainings-(Trainings-)Satz erstellt (eine mathematische Gleichung wird ausgewählt) und als Ergebnis wird die sogenannte QSAR-Gleichung erhalten.

Die Korrektheit der konstruierten QSAR-Gleichung wird anhand eines Testsatzes von Strukturen überprüft. Zuerst werden für jede Struktur aus dem Testprobensatz Deskriptoren berechnet, dann werden sie in die QSAR-Gleichung eingesetzt, Aktivitätswerte werden berechnet und mit bereits bekannten experimentellen Werten verglichen. Wenn für den Testsatz eine gute Übereinstimmung zwischen den berechneten und experimentellen Werten beobachtet wird, kann diese QSAR-Gleichung verwendet werden, um die Eigenschaften neuer, noch nicht synthetisierter Strukturen vorherzusagen. Die QSAR-Methode ermöglicht es, mithilfe einer sehr kleinen Anzahl chemischer Verbindungen mit bekannter Aktivität, die erforderliche Struktur vorherzusagen (oder Richtungen für Modifikationen anzugeben) und dadurch den Suchbereich stark einzuschränken.

In entwickelten Ländern wird die Arbeit im Bereich QSAR immer schneller durchgeführt – der Einsatz von QSAR-Methoden bei der Herstellung neuer Verbindungen mit spezifizierten Eigenschaften ermöglicht es, Zeit und Ressourcen deutlich zu reduzieren und eine gezieltere Synthese von Verbindungen durchzuführen über die erforderlichen Eigenschaften verfügen.

Frage Nr. 3. Das Konzept der molekularen Graphen und ihrer Invarianten. Arten von Molekülstrukturdeskriptoren. Das Konzept topologischer Indizes. Wiener-, Randić-, Keira-Hall-Indizes und andere topologische Indizes. QSAR unter Verwendung topologischer Indizes.

Molekularer Graph- ein zusammenhängender ungerichteter Graph, der in einer Eins-zu-Eins-Entsprechung mit der Strukturformel einer chemischen Verbindung steht, sodass die Eckpunkte des Graphen den Atomen des Moleküls und die Kanten des Graphen chemischen Bindungen entsprechen zwischen diesen Atomen. Das Konzept des „molekularen Graphen“ ist grundlegend für die Computerchemie und Chemoinformatik. Wie eine Strukturformel ist ein molekularer Graph ein Modell eines Moleküls und spiegelt wie jedes Modell nicht alle Eigenschaften des Prototyps wider. Im Gegensatz zu einer Strukturformel, die immer angibt, zu welchem ​​chemischen Element ein bestimmtes Atom gehört, können die Eckpunkte eines Moleküldiagramms unbeschriftet sein – in diesem Fall spiegelt das Moleküldiagramm nur die Struktur, nicht aber die Zusammensetzung des Moleküls wider. Ebenso können die Kanten eines Moleküldiagramms unbeschriftet sein. In diesem Fall wird nicht zwischen einfachen und mehrfachen chemischen Bindungen unterschieden. In einigen Fällen kann ein molekularer Graph verwendet werden, der nur das Kohlenstoffgerüst eines organischen Verbindungsmoleküls widerspiegelt. Diese Abstraktionsebene eignet sich für die rechnerische Lösung einer Vielzahl chemischer Probleme.

Eine natürliche Erweiterung des molekularen Graphen ist der Reaktionsgraph, dessen Kanten der Bildung, dem Aufbrechen und der Neuordnung von Bindungen zwischen Atomen entsprechen.

„Wir betonen, dass die empirische Idee der Additivität erstmals in der Theorie von R. Bader begründet wurde; es war diese Theorie, die es ermöglichte, einer Reihe von Konzepten der klassischen Theorie der Chemie eine strenge physikalische Bedeutung zu geben.“ Struktur, insbesondere der „Valenzstrich“ (Bindungspfad) und die chemische Strukturformel (Moleküldiagramm).

Topologischer Index- Invariante (Invariante ist ein Begriff, der etwas Unveränderliches bedeutet) eines molekularen Graphen bei computerchemischen Problemen. EDies ist ein (normalerweise numerischer) Wert (oder eine Reihe von Werten), der die Struktur des Moleküls charakterisiert. Typischerweise spiegeln topologische Indizes nicht die Vielzahl chemischer Bindungen und Atomarten (C, N, O usw.) wider, Wasserstoffatome werden nicht berücksichtigt. Zu den bekanntesten topologischen Indizes gehören der Hosoi-Index, der Wiener-Index, der Randić-Index, der Balaban-Index und andere.

Globale und lokale Indizes

Der Hosoi-Index und der Wiener-Index sind Beispiele für globale (oder integrale) topologische Indizes, die die Struktur eines bestimmten Moleküls widerspiegeln. Bonchev und Polyansky schlugen einen lokalen (differentiellen) Index für jedes Atom im Molekül vor. Ein weiteres Beispiel für lokale Indizes ist die Modifikation des Hosoi-Index.

Unterscheidungskraft und Superindizes

Die Werte desselben topologischen Index für mehrere verschiedene Molekülgraphen können gleich sein. Je weniger solche Übereinstimmungen vorliegen, desto höher ist die sogenannte Unterscheidungsfähigkeit des Index. Diese Fähigkeit ist das wichtigste Merkmal des Index. Zur Verbesserung können mehrere topologische Indizes zu einem Superindex zusammengefasst werden.

Rechenkomplexität

Die Rechenkomplexität ist ein weiteres wichtiges Merkmal eines topologischen Index. Viele Indizes wie der Wiener-Index, der Randić-Index und der Balaban-Index werden mithilfe schneller Algorithmen berechnet, anders als beispielsweise der Hosoi-Index und seine Modifikationen, für die nur zeitexponentielle Algorithmen bekannt sind.

Anwendung

Topologische Indizes werden in der Computerchemie zur Lösung einer Vielzahl allgemeiner und spezieller Probleme verwendet. Zu diesen Aufgaben gehören: Suche nach Substanzen mit vorgegebenen Eigenschaften (Suche nach Abhängigkeiten wie „Struktur-Eigenschaft“, „Struktur-pharmakologische Aktivität“), primäre Filterung von Strukturinformationen zur wiederholten Erstellung molekularer Diagramme eines bestimmten Typs, vorläufiger Vergleich molekularer Diagramme beim Testen auf Isomorphie und eine Reihe anderer. Der topologische Index hängt nur von der Struktur des Moleküls ab, nicht jedoch von seiner Zusammensetzung. Daher haben Moleküle gleicher Struktur (auf der Ebene der Strukturformeln), aber unterschiedlicher Zusammensetzung, beispielsweise Furan und Thiophen, gleiche Indizes. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, wurden eine Reihe von Indizes vorgeschlagen, beispielsweise Elektronegativitätsindizes.

Bei einer Vektorbeschreibung wird eine chemische Struktur einem Vektor molekularer Deskriptoren zugeordnet, von denen jeder eine Invariante des molekularen Graphen darstellt.

Molekulare Deskriptoren. Arten molekularer Deskriptoren.

Bestehende Sätze molekularer Deskriptoren können in die folgenden Kategorien unterteilt werden:

1. Fragmentdeskriptoren existieren in zwei Hauptversionen - binär Und ganze Zahl. Binäre Fragmentdeskriptoren geben an, ob ein bestimmtes Fragment (Unterstruktur) in einer Strukturformel enthalten ist, d ) ist in einer Strukturformel enthalten. Das heißt, wie oft ein bestimmter Teilgraph im molekularen Graphen enthalten ist, der eine bestimmte chemische Verbindung beschreibt. Die einzigartige Rolle von Fragmentdeskriptoren besteht darin, dass sie die Basis des Deskriptorraums bilden, d. h. jeder molekulare Deskriptor (und jede molekulare Eigenschaft), der eine Invariante des molekularen Graphen ist, kann eindeutig in diese Basis zerlegt werden. Neben der Modellierung der Eigenschaften organischer Verbindungen werden bei der Arbeit mit Datenbanken binäre Fragmentdeskriptoren in Form von molekularen Schlüsseln (Screens) und molekularen Fingerabdrücken verwendet, um die substrukturelle Suche zu beschleunigen und Ähnlichkeitssuchen zu organisieren.

2. Topologische Indizes.(Informationen dazu siehe oben)

3. Physikalisch-chemische Deskriptoren- Dies sind numerische Merkmale, die als Ergebnis der Modellierung der physikalisch-chemischen Eigenschaften chemischer Verbindungen erhalten werden, oder Werte, die eine klare physikalisch-chemische Interpretation haben. Die am häufigsten verwendeten Deskriptoren sind: Lipophilie (LogP), molare Brechung (MR), Molekulargewicht (MW), Wasserstoffbrücken-Deskriptoren, Molekülvolumina und Oberflächen.

4. Quantenchemische Deskriptoren- Dies sind numerische Größen, die als Ergebnis quantenchemischer Berechnungen erhalten werden. Die am häufigsten verwendeten Deskriptoren sind: Energien von Grenzorbitalen (HOMO und LUMO), Teilladungen an Atomen und Teilbindungsordnungen, Fukui-Reaktivitätsindizes (freier Valenzindex, nukleophile und elektrophile Superdelokalisierbarkeit), Energien der kationischen, anionischen und radikalischen Lokalisierung, Dipol- und höhere Multipolmomente der elektrostatischen Potentialverteilung.

5. Deskriptoren für molekulare Felder- Hierbei handelt es sich um numerische Größen, die die Werte molekularer Felder annähern, indem sie die Wechselwirkungsenergie eines an einer Gitterstelle platzierten Testatoms mit einem aktuellen Molekül berechnen. 3D-QSAR-Methoden, von denen CoMFA die bekannteste ist, basieren auf der Konstruktion von Korrelationen zwischen den Werten molekularer Felddeskriptoren und dem numerischen Wert der biologischen Aktivität mithilfe der Methode der partiellen kleinsten Quadrate (PLS).

6. Substituentenkonstanten wurden erstmals von L.P. Hammett im Rahmen der nach ihm benannten Gleichung eingeführt, die Reamit Gleichgewichtskonstanten für bestimmte Klassen organischer Reaktionen verbindet. Mit dem Aufkommen der Hancza-Fujita-Gleichung, die die biologische Aktivität mit Substituentenkonstanten und Lipophiliewerten in Beziehung setzt, kamen Substituentenkonstanten in die QSAR-Praxis. Derzeit sind mehrere Dutzend Substituentenkonstanten bekannt.

7. Pharmakophor-Deskriptoren zeigen, ob die einfachsten Pharmakophore, bestehend aus Paaren oder Tripletts von Pharmakophorzentren mit einem bestimmten Abstand zwischen ihnen, im analysierten Molekül enthalten sein können.

8. Molekulare Ähnlichkeitsdeskriptoren geben ein Maß für die Ähnlichkeit (molekulare Ähnlichkeit) mit Verbindungen aus dem Trainingssatz an.

Wiener-Index(englischer Wiener-Index), auch Wiener-Zahl genannt, ist ein topologischer Index eines ungerichteten Graphen, definiert als die Summe der kürzesten Wege (englisch) d(vi,vj) zwischen den Eckpunkten des Graphen:

Randić-Index ( Englisch Randić-Index), auch bekannt als Konnektivitätsindex eines ungerichteten Graphen ist die Summe der Beiträge entlang der Kanten, wobei v ich Und v j- Eckpunkte, die eine Kante bilden, D(vk) - Scheitelpunktgrad vk:

Der Randić-Index zeichnet sich durch eine gute Differenzierungsfähigkeit aus, ist jedoch keine vollständige Invariante. Für die folgenden Diagrammpaare gilt dasselbe, obwohl die Diagramme nicht isomorph sind.

VARIABILITÄT VIELFALT VON STRUKTUREN UND FORMEN UND FORMEN VON MOLEKÜLEN ORGANISCHER VERBINDUNGEN MOLEKÜLE L. P. OLEKHNOVICH g. und. ygTspzyZau KUTU‚TNLI „UTY‰‡ TЪ‚VMM˚I YML‚V TLIV, KUTU‚-M‡-SUMY Die Frage der Genese und der Artenvielfalt ZZTSSZATS der Spiegelkonfigurationsisomerie organischer Kohlenstoffchemie – organische Chemie - zeichnet sich durch seine abwechslungsreiche Struktur aus und kann mit den zahlreichen individuellen Zusammenhängen die Anwendung einiger schwerer Pfunde besprechen. Die Gesamtzahl der bekannten organischen Verbindungen – Elemente der Graphentheorie. tionen (über zehn Millionen) wird jährlich durch Zehntausende neuer Substanzen aufgefüllt, die in Labors synthetisiert werden. Die organische Chemie überrascht die Molekülanalyse mit der Vielfalt der Molekülklassen, in deren Struktur auf den ersten Blick keine Logik erkennbar ist. Der Hauptgrund für die Entstehung einer Reihe von Organisationen, die nicht einfach aufgezählt werden können (>107), sind aufgeklärt. Verschiedene Verbindungen sind die einzigartigen Eigenschaften von Verbindungen aus achiralem und zentralem Element – ​​Kohlenstoff. Chirale Verbindungen sind Die Welt der Kohlenstoffverbindungen ist eine unerschöpfliche Kombinatorik an Möglichkeiten und Methoden zur Konstruktion. Moleküle aus n C-Atomen, m O-Atomen, k–N, l–S, h–P usw. k ‡ ttpuъ vm˚ ‚uf ut˚ schingtseznkh ntsisikaa ykdoyz f ultıuk ‰ vml fl pmu„ u-zabyekdzaip-igtsdmg u · ‡ bl ° ° Für Formeln und Berechnungen verwenden Chemiker eine spezielle Sprache, um die Struktur von Verbindungen aufzuzeichnen. Diese Sprache wird insbesondere in der organischen Chemie nicht verwendet, um Ideen über die zahlreichen Unterklassen von „SCHU“ zu organisieren. d ‡ЪNU UT‚В˘В- eine gigantische Vielfalt an Molekülen. Um bei der Darstellung von Strukturformeln weniger Zeit und Platz zu verschwenden, beschäftigen sich organische Chemiker oft nicht mit der Bezeichnung von Atomen. Diese Technik M‡ UTMU‚V F V‰ТЪ‡‚OV- ist besonders praktisch, wenn man nicht irgendwelche Eigenschaften einer bestimmten Verbindung berücksichtigt, sondern die allgemeinen Muster der Struktur und Form der Reihe von mo- b LL, ABER‡TTLSHLˆL U‚ ‡- Lekulen. Anstatt also den Buchstaben M˚ UTU·VMMUTL TJUV- Bezeichnungen von Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen in allen Strukturisomeren zu zeichnen, zum Beispiel Grenz- © ІOVıMU‚L˜ g.i. , 1997 MLfl TLPPV L˜M˚ı L th Kohlenwasserstoff Hexan – C6H14, dargestellt durch ‡TLPPV L˜M˚ı TUV‰LMV-Graphen (Schema 1) MLI, ‰‡MU UV V‰WOVMLV NL ‡O¸MUI TLPPV Kommersant LL. Schema 1 44 lykyljZldav jEkDbjZDnTsg'zhv LmkzDg, Nr. 2, 1997 Die Eckpunkte der Diagramme (Punkte) sind Kohlenstoffatome, Verbindungen, stellen auch komplexe Transformationen dar, und die sie verbindenden Linien (Kanten) sind C-C-Bindungen. Moleküle (Reaktionen) und verstehen sich gegenseitig. Da Kohlenstoff vierwertig und Wasserstoff einwertig ist, ist es klar, dass an den endständigen (freien) Eckpunkten des Graphen drei H-Atome vorhanden sein sollten, mit Graphen . In dieser Theorie wird ein Graph G der Ordnung n durch die durchschnittlichen Eckpunkte des Typs – jeweils zwei – bestimmt und ist tertiär als eine nicht leere Menge von Eckpunkten V1, V2, ..., Vn. Wasserstoffatome an quartären Eckpunkten aufrufen verschiedene Eckpunkte. Die Graphentheorie begann mit den berühmten Argumenten von L. Euler. In den obigen Diagrammen (1736) geht es daher nicht um die Königsberg-Brücken, wo die Formeln vollständig waren, aber sie reichen aus, um die Kriterien für das Durchqueren aller Kanten des Diagramms ohne Kreuzstrukturisomere von Kohlenwasserstoffen darzustellen. Nachfolgend finden Sie Grüße sowie seine anderen Werke im Zusammenhang mit Madena-Diagrammen ungesättigter Kohlenwasserstoffmoleküle mit thematischen Rätseln und Unterhaltung. Doppelbindungen (C=C) und Dreifachbindungen (C≡C) sowie Diagramme einiger zyklischer und Gerüstkohlenstoffe von G. Kirchhoff (1847) und W. Hamilton (Tabelle 1). (1859). A. Cayley (1857, 1874–1875) war der erste, der den trigonalen Graphen verallgemeinerte (Schema 2), um Graphendarstellungen (Aufzählungen der Figuren sehr unterschiedlicher Moleküle. Graphen-„Bäume“) im Zusammenhang mit der Zählung der Anzahl der Isomere von zu verwenden Der erste Begriff bezeichnet eine Reihe gesättigter Kohlenwasserstoffe. Somit grafische (grafische) Formen von Alkanen. Tatsächlich ist nur mit Hilfe der La-Verbindung eine wirtschaftliche Darstellung des wichtigen Apparats der Graphentheorie (Pólyas Theorem, 1937) seiner möglichen besonderen und allgemeinsten Muster möglich, aber auch das Problem der Aufzählung (Aufzählung) aller Strukturen und Formen zu lösen. Für Chemiker reichen ähnliche Strukturisomere der Moleküle CnH2n + 2, CnH2n, Diagramme aus, so dass, ohne lange Namen zu verwenden, CnH2n - 2, CnH2n - 4 usw. (siehe Diagramme der Hexan-Isomere), Tabelle 1 Z,E-Isomere von Buten-2 ​​Z E H3C CH CH CH3 .R . R,L-Isomere von 1,3-Dimethyl-3-cumulen L. Z. . E. Z,E-Isomere von 1,4-Dimethyl-4-cumulen. . . . . . Dimethylacetylen 1,4-Dimethylbiacetylen Xylole Benzol Toluol ortho-meta-para- Zyklische gesättigte Kohlenwasserstoffe Cyclopropan Cyclobutan Cyclopentan Cyclohexan usw. Gerüstkohlenwasserstoffe Tetrahedran Prizman Kuban ygTspzyZau g.i. ezYYYYEKDBATS lnkyTszaa oike eigTsdmg ykYDzauTsldap lyTSSazTszav 45 O 2− O − CH2 + F B C N C = F F O O O O H2C CH2 Trifluorid Anion des sauren Rests Trimethylenmethan Borkation Kohlensäure Salpetersäure Säure Schema 2 sowie Isomere von Derivaten (substituiert) von Kohlenstoff eeTsnka a DlaeeTsnka eygTsdmg, Wasserstoffe , wenn „manuell“ für große n, dauert dies viel Zeit. Derzeit ist die Theorie Wenden wir uns nun einem anderen Merkmal unserer Graphen zu, das auf natürliche Weise in das Bewusstsein vieler Menschen eindringt – der Aufmerksamkeit. Wenn wir Zweige der modernen Mathematik betrachten, wie zum Beispiel die Topologie einiger umgebender Objekte (einschließlich Logik und Kombinatorik, lineare Algebra und molekulare Graphentheorie), dann realisieren wir häufig Gruppen, Wahrscheinlichkeitstheorie und numerische Analyse. Es gibt auch bewusst unkontrollierte Operationen. Es wird erfolgreich in der Physik, Chemie und Genetik eingesetzt, bei denen die Übereinstimmung von Teilen eines Objekts zueinander festgestellt wird. Antike Griechen in Informatik, Architektur, Soziologie und Linguistik. Zur Bezeichnung wurde der Begriff „kommensurabel“ (σιеёετροσ) verwendet. Es ist notwendig, die Merkmale der „Sprache“ im Auge zu behalten, solche Merkmale der gegenseitigen Anordnung, relationale Graphen: Teile eines Objekts, die seine symmetrische Erscheinung bestimmen, Form – streng Symmetrie; molekulare Graphen formalisieren die Verbindungen von Gebäuden, Kristallen, Mineralien, zweiseitige Symmetrie, einschließlich in der Regel mehrerer (zwei und Geometrie von Pflanzenblättern, Rotationssymmetrie mehr) Arten von Atomscheitelpunkten; Blumen usw. Wenn die allgemeine Theorie der Graphen die Erzeugung symmetrischer Objekte zulässt, wenn die Proportionalität und die freie Anzahl der Kanten, die von einem Ver- Fehlen von Kanten), dann die chemischen Versionen der Scheitelpunkte (Kombination aus Drehungen und Spiegelungen), der Graph muss genau so viele Kanten haben (deren Verbindung sie (Objekte) unverändert lässt), wie hoch ist die Wertigkeit (Koordinationszahl) der Graphen , verwandelt sie in sich selbst. Die Struktur eines symmetriegegebenen Atoms in einer chemischen Verbindung; ric-Objekte sind so beschaffen, dass sie neben der Symmetrie durch das Vorhandensein mindestens eines der folgenden Elemente des Scheitelpunkts des chemischen Graphen gekennzeichnet sind: Die Richtungen der Kanten müssen klar ausgerichtet sein, die Ebenen der Spiegelreflexion σ (S1) - denn sie repräsentieren die relative Lage der Symmetriegeschwindigkeit, wenn Objekte aus Atomen in Molekülen bestehen, sowie die Winkel zwischen den Bindungen identischer, spiegelgleicher Atomhälften: für ein tetraedrisches Kohlenstoffatom diese (vgl. Grafiken in den Diagrammen 1, 2 und in der Tabelle. 1); die Winkel sind normalerweise gleich 109,5°, für trigonal-planar - 120°, für digonal, Acetylen - Symmetrieachsen Cn, n = 2, 3, 4, ..., - Teile des Objekts - 180°, aber es kann sein Ausnahmen ( siehe die Diagramme der Karte sind kombiniert, wie das Objekt als Ganzes, mit seinen Pokasal-Kohlenwasserstoffen in Tabelle 1) und dreidimensional (um Winkel 2π / n gedreht (siehe Tabelle 1 und Schema 2); groß) Graphenprojektionen sind für die Vorspiegelrotationsachse Sn erforderlich, S2 = i ist das Zentrum der Anordnung molekularer Konfigurationen. Inversion - ist eine Kombination aus C2 + S1, S4 = com- Experimentelle Chemiker entwerfen, Kombinationen von C4 + S1 (siehe E-Isomere von Buten-2, auch wie Ingenieure, Diagramme neuer, bisher unbekannter Cumulene, Tetraeder und Cubane in der Tabelle . 1). Zusammenhänge durchdenken und Methoden dafür umsetzen. Das Objekt ist asymmetrisch, wenn seine innere Synthese vorliegt. Theoretische Chemiker vergleichen die Struktur und die äußere Form; es ist unmöglich, die charakteristische Analyse in quantenchemischen Berechnungen mit einem der aufgeführten Elemente sym- manchmal sehr unterschiedlichen Strukturen zu charakterisieren, um die Eigenschaften aufzudecken (siehe das 2. und 4. Isomer von Hexan in Schema 1, Grenzen der Änderungen der interatomaren Abstände und Ras-Alanin in Schema 3). Für solche Objekte gibt es eine gemeinsame Verteilung der Elektronen in Ionen und Molekülen, die bisherige triviale Symmetrieoperation ist C1. Tragen Sie ein Diagramm ein (siehe Diagramm 2). Grafik: Die Drehung von C1 um 360° (2π) verbindet die asymmetrischen Formeln, die kaum mehr als das Objekt mit sich selbst alltäglich geworden sind. Natürlich werden die Wirkungsweise der Operation - vor 100 Jahren, und die grafische Kommunikationssprache der Chemie C1 miteinander kombiniert und alles ist symmetrisch - kontinuierlich verbessert. ny Objekte, da diese Rotation trivial ist. 46 lykyl Zldav yEkDbjZDnTsgzhv LmkzDg, ‹2, 1997 3 3 H H H H H COOH H3C COOH HOOC CH3 C 2 C C C 2 C 1 4 4 1 H H H2N H H2N H H2N H H NH2 Methan Methylamin Glycin l-Alanin r-Alanin Schema 3 S Kugeln, Kugeln - Beispiele Objekte, die ein asymmetrisches Molekül (Alanin) haben, haben einen Spiegel – unendliche Mengen aller Symmetrieelemente – ein Doppel – ein Doppel (siehe Diagramm 3). S1(σ), Cn , Sn . Die Kugel ist bei jeder Drehung und jeder Ausrichtung des Spiegels auf sich selbst ausgerichtet. In den 60er und 70er Jahren unseres Jahrhunderts entwickelten die Wissenschaftler von Stereoebenen und durch sie verlaufenden Rotationsachsen, die Chemiker R. Kahn, K. Ingold und V. Prelog, ein Zentrum . Daher sind die korrekten konvexen polyedrischen allgemeinen Regeln für die Zuordnung doppelter Komponenten (Tetraeder, Würfel, Oktaeder, Dodekaeder, Ikosaeder – ähnliche Typen wie linke (l) und rechte (r) Formen: ideale platonische Körper), in die Substituenten (Atome) eingeschrieben sind. Mit der Asymmetrie der Kugel verbunden, verfügen sie zwar über endliche Mengen elementaren Kohlenstoffs oder anderer atomarer Symmetriezentren, ihre Anzahl und Diversität ist jedoch immer nach ihrer Hierarchie sortiert, und zwar die ältesten (aber im Vergleich zu anderen größeren Polyedern). Maß 1) ist dasjenige, das die größte hat. Es ist seit langem bekannt, dass, wenn die asymmetrische Atommasse: in Alanin (Schema 3) 14N älter als 12C ist, und diese Zahl in einer Spiegelebene widergespiegelt wird, die sich zwischen den Kohlenstoffatomen von befindet die Methyl- und Carboxylgruppe ist älter als die letztere: Ist sie mit schwerem 16O außerhalb dieses Objekts verbunden, erhält man eine Zahl, während die erste mit leichtem 1H verbunden ist; Genauigkeit ähnlich dem Original, jedoch inkompatibel mit dem ersten für Verschiebungen und Drehungen. Der Follower-Beobachter ist auf das Molekül ausgerichtet (geistig können natürlich alle asymmetrischen Objekte gesalzen werden), oder das Molekül ist auf die Platzierung spiegelähnlicher Zwillinge ausgerichtet. Für einen Beobachter ist es normal, zu sehen, dass Kohlenstoffbeispiele hierfür unsere Schuhe und Handschuhe sind, die linke Mitte vom jüngsten Substituenten (N) „überschattet“ wird und die rechten Zahlenpaare entsprechend und wenn überhaupt zusammenpassen Zeit ist die Flugbahn des aufeinanderfolgenden Liedes links und rechts gespiegelt - Dublett endlicher Übergang vom ältesten zum jüngsten (unverdeckt durch unsere im Allgemeinen planarsymmetrischen) Substituenten (d. h. von der ersten Zahl zu den Figuren. Kristallographen vor mehreren Jahrhunderten bis zum (nächstes) ähnelt der Bewegung von Uhrzeigern. Beachten Sie, dass die Konfiguration spiegelartig vorherrscht, dann ist sie absolut rechts (r). Wenn die beiden enantiomorphen Formen in der anorganischen Welt der Mund sind, dann ist sie absolut links (l). links und rechts Kristalle aus Quarz, Turmalin, Calcit (Islandspat). Nachdem wir Vorstellungen über absolut linke und rechte Konfigurationen eingeführt haben, müssen wir vor der Spiegelisomerie, der Enantiomerie, in der organischen Relativität dieser Absolutheit warnen. Chemische Zerce-Operationen sind ein sehr häufiges Phänomen. Die kalische Reflexion entspricht P – Inversion der Koordinaten aller atomaren und subatomaren Teile des Objekts. tion gehört dem herausragenden Franzosen Louis Pas- Da jedoch die innere Struktur von Theur, der auf die Spiegelähnlichkeit von atomaren (Elektronen) und subatomaren (Quarks, Gluoformen von Kristallen von Kalium-Ammonium-Weinsalzen) Teilchen aufmerksam machte, unbekannt ist, Die Operation P der Physik wird durch Phorinsäuren ergänzt. Der Name Pasteur ist mit der Bildung der kleinen Operation der Ladungskonjugation C - Stereochemie verbunden, die auf den Problemen der Sim-Änderung von Ladungen in entgegengesetzte Vorzeichen und der gesamten Geometrie und Asymmetrie von Molekülen, ihrer Struktur (Form) und anderen Antipoden basiert Quanteneigenschaften des Atoms – im dreidimensionalen Raum. Ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung der (Protonen, Neutronen, Elektronen) und subatomaren Stereochemie waren die 1874 vorgeschlagenen Teilchen (Quarks, Gluonen) sowie die Arbeit von Ya. Van't Hoff und J. Le Bel tetraedrische Umkehrung der Bewegungsrichtungen (Impuls und Modell des Kohlenstoffatoms. Wenn im einfachsten Carbonament des Impulses) aller Komponenten des Objekts, Corode, dessen Figur dem ähnelt Hochsymetrisch entspricht der Umkehrung der Zeit T. Poetometrischer Tetraeder, - Methan-Wasserstoffatome, die eigentliche Grenzinversion besteht darin, sukzessive durch andere Atome zu ersetzen (ersetzen) - eine kombinierte CPT-Operation. Daraus folgt, dass zwischen Atomgruppen und Gruppen die Symmetrie, die beispielsweise der absolute Antipode der ursprünglichen ist, der resultierenden Moleküle schnell abnimmt. Nach dem R-Molekül muss es seinen L-Partner geben, aber bei drei solchen Vorgängen sind bereits vier verschiedene Substituenten mit dem tetraedrischen Kohlenstoff der Antimaterie verbunden und das Zentrum bewegt sich in der Zeit und umgekehrt. Ideen zur Kombination von P-, C- und T-Operatoren ygTspzyZau g.i. ezyYyyEkDbaTs lnkyTsza a oike eigTsdmg ykYDzauTsldap lyTSSazTszav 47 Symmetrien gehören G. Lüders und W. Pauli, um sich zu einer unendlich symmetrischen Kugel zu vereinen, dann alles (1954–1955). Die Symmetrieelemente des ursprünglichen Objekts werden aufgrund der gigantischen Variationsmöglichkeiten vollständig degradiert, d. h. die asymmetrische „Hinzufügen“ von Atomen und bindungsfähigen Atomgruppen verwandelt ein mit Kohlenstoff vollkommen symmetrisches (Singulett) in ein im Prinzip unendlich realisierbares Objekt die Klasse der enantiomeren Dubletts. Allerdings sollte man nicht davon ausgehen, dass die Enantiomerisierung von Molekülen mit asymmetrischen Kohlenstoffzentren unter symmetrischen Figuren (Molekülen) unmöglich ist. mi. Beachten wir ihr grundlegendes Merkmal: Erinnern wir uns an eine einfache Regelmäßigkeit: Ob ein spiegelasymmetrischer Kohlenstoff oder ein anderes Atom, Konfigurationsisomerie, ein wirklich unmögliches Zentrum kann als Substituent in den Reihen von Objekten (Molekülen) platziert werden, die an jedem von ihnen haben Eckpunkte eines hochsymmetrischen Objekts (auf - die Qualität der inneren Elemente der Symmetrieebene - zum Beispiel Tetraeder, Kubaner; Tabelle 1) und sogar Spiegelreflexion Sog σ (S1) und/oder Spiegelreflexion - Tabelle 2 C2 C2 R L . . (CH 2) n (CH 2) n R, L-trans-Cyclooctene R, L-trans-Cycloethylene C2 C2 C2 C2 C2 C2 Twistan R L Z Z -Biphenyle mit Symmetrie C2 Z Z R L -Triphenylmetrice mit Symmetrie C3 L R C2 R Hexagelicene L Spiralen, Federn, Schrauben, Schrauben, Muttern, Bolzen 48 lykylZldav jEkDbyZDnTsgzhv LmkzDg, ‹2, 1997 Drehachsen i (S2, 3, 4, ...). Wenn solche d reflektiert werden, handelt es sich um topologisch chirale Moleküle (ihre Formen an der äußeren Spiegelebene sind Nanomoleküle, Knoten in Schema 4). Kopieren Sie Objekte, die mit den Originalen identisch sind (siehe Grafik). Die Konvention der Partitionierung ist jedoch anhand der Diagramme 1, 2 und Tabelle 1 offensichtlich. Im Gegenteil, wenn die von R. Kahn, K. Ingold und V. Prelonie entwickelte Struktur von Objekten (Molekülen) durch das Fehlen von Regeln zur Zuordnung enantiomerer Konfigurationen (σ, i) gekennzeichnet ist, ergänzt durch ihre Nachfolger interne Spiegelsymmetrieelemente Sn , aber sie sind symmetrisch relativ zu Rotationen von Molekülen zu R- oder L-Reihen, diese sind kreisförmig, spi- Cn (n = 2, 3, 4, ...), dann sind solche Figuren immer R, L-dual ( chirale) Bewegungen entlang (R) oder gegen das Fliegen. Das einfachste Beispiel sind 1,3-Dimethyl-3-cumu-(L)-Uhrzeiger mit sequentieller Verteilung (Tabelle 1) und alle seine Homologen mit einer ungeraden Zahl, abhängig von der „Seniorität“ (Gewicht) der Substituenten, Kohlenstoffatome in linearer Schaltung. In der Tabelle 2 gezeigt (Schema 3) um das Atomzentrum herum – wir haben einige R, L-Dubletts aus einer großen Menge von a, ausgewählter Ebene – b (trans-Cycloethylene, Moleküle, die bezüglich Rotationen symmetrisch sind. Tabelle 2), wenn wir um das gehen Konturen der Propeller - c , vin- Beachten Sie, dass sie überhaupt keine Asymmetrien aufweisen - r, Knoten - d in der Tabelle. 2, im Diagramm 4. Es gibt viele Kohlenstoffzentren. In der Technik ähneln die Moleküle von Biphenylen und Triphenylmethylen den Formen von Lüfterflügeln, Propellern und Turbinenrotoren; Die Figuren der Helicenmoleküle ähneln Spiralen, Federn, Schrauben sowie Links- und Rechtsgewinden von Schrauben. Für eine kurze Beschreibung des an der Wende vom 19. zum 20. Jahrhundert diskutierten Phänomens schlug Lord Kelvin Trefoil Knot (CH2)m mit orientiertem und nicht minimalem m = 66 den Begriff „Chiralität“ vor (aus dem Griechischen χειρ – Hand). identische Ringe Im Russischen werden zwei Varianten der Aussprache und Schreibweise dieses Begriffs verwendet: Chiralität und Schema 4 Chiralität. Der Autor gibt zusammen mit Physikern dem ersten den Vorzug. Konjugiert durch den Vorgang der Spiegelreflexion (Koordinateninversion P) mo- Daher gibt es streng genommen keine Moleküle - Komponenten enantiomerer Dubletts - qualitativ unterschiedliche Arten molekularer Chiralität. unterscheiden sich nur in einer Eigenschaft – pro- Beispielsweise ist die sogenannte topologische Chiralität mit entgegengesetzten Vorzeichen +(R) und −(L) des Drehwinkels d in Diagramm 4 nur eine Widerspiegelung dieser Struktur der Polarisationsebene des Lichts. Ähnliche Merkmale der abgebildeten Moleküle sind, dass antipodale (+, −)-Beziehungen auch für ihre einzelnen Teile charakteristisch sind. Sie werden nicht durch chemische- für die Pole von Magneten, Ladungen und anderen Quantenbindungen, sondern durch die Topologie der Struktur der Moleküle zusammengehalten Ketten (Eigenschaften atomarer und subatomarer Teilchen. Solche Tenans), geschlossene Spiralen und Knoten; Ihre chirale Beziehung wird von Physikern als chirale sym- (R, L)-Form bezeichnet und ist der propellemetrischen Form ziemlich ähnlich. Graben – in und Spiralen – g. Daher sind alle oben genannten Arten der Chiralität von Molekülen dank der Bemühungen synthetischer Chemiker quantitativ einheitlich: das Vorzeichen (+, −) und durch die Probleme der Stereostruktur über dem letzten quantifiziert Größenordnungen des Rotationswinkels der Polarisationsebene sind seit Jahrzehnten bekannt und für eine Vielzahl von Lichtwellenlängen verfügbar. Zahlreiche, auch exotische Arten von Ki- Es ist jedoch auch bekannt, dass es sich um polyrale Moleküle handelt (siehe Tabelle 2 und Schema 4). Es wird angenommen, dass die Kondensation von zentral chiralen (r oder l) Ami- Die Diversität chiraler chemischer Säuren, Ribonukleotide, die Gesamtchiralität restlicher Verbindungen wird im entsprechenden Polymer (Protein, DNA) in fünf Typen unterteilt, kann nicht beurteilt werden mit symmetrischen Strukturmerkmalen: durch triviale Summation einzelner Chia-Moleküle mit chiralem Zentrum haben keine Einheitsralitäten: Σrn(ln) . Diese Summe „Volumen- keine Symmetrieelemente, außer dem Element lässtya“ spiralförmige (helikale) Chiralitätsidentität C1 (Beispiele - Aminosäuren (ala- Makromoleküle, die ihr eigenes Vorzeichen (+R h, −Lh) und nin in Schema 3 haben ), Zucker-Kohlenhydrate ); absoluter Wert, b – planar-chirale Moleküle der Symmetrie Nr (l) ∑ l (r) ⊂ R (L). h h C1 und/oder C2 (das ausgewählte Strukturelement ist der ebene n n (1) Knochen, Beispiele sind trans-Cycloethylene in Tabelle 2); Die Tatsache, dass die regelmäßige Orthokondensation von Akiva – axial chiralen Molekülen aus symmetrischen Benzolringen – auch zu Spirium Cn führt (haben die Form von Propellern oder Hakenkreuzen, Ral-Helicenen (Tabelle 2), nur bestätigte Beispiele – Twistan, Biphenyl, Triphenylmethan in gibt a allgemeine Regel: und Zirkelzuordnung von Tabelle 2 usw.); achirale Monomere geeigneter Struktur und d – helikal-chirale Moleküle mit symmetrischer linearer Polykondensation chiraler (nur r C2 (charakteristische Form ist eine Helix, Beispiele sind Hexa- oder nur l)-Einheiten führen automatisch zu Spigelicen in Tabelle 2, Proteinen, DNA); ralform des Polymers. Es kann davon ausgegangen werden, dass in ygTspzyZau g.i. In 49 Reihen solcher Makromoleküle wird eine gewisse Symmetrie der Chiralitäten verwirklicht, die der Konfiguration Sn, konfigurativ eindeutig (Singulett), Hierarchie der Stereostrukturebenen entspricht. Zum Beispiel per-, da ihre interne Struktur P-gerade ist. Objektive, sekundäre, tertiäre und quartäre Ebenen der Struktur von Hämoglobin, die keine interne P-Parität der Struktur aufweisen, sind offensichtlich charakter- (ohne Symmetrieelemente Sn) und werden immer durch die Sequenzen „verschachtelt-figural zwei“ interisiert -bewertet (Dublett, links + Chiralitäten“ Typ (1) Summe einzelner Chiralitäten). Um von einem P-geraden Objekt seine Co-Aminosäuren in die helikale Chiralität von Polypeppia zu erhalten, ist eine Pσ(i)-Operation ausreichend, aber um diese beiden in die „globuläre“ Chiralität eines P-ungerade zu kopieren Objekt, zwei tertiäre Ebenen werden benötigt, schließlich diese drei – in „supersequentielle P-Operationen: lekulare“ Chiralität eines Quartetts (Tetraeders) vereinter Kügelchen. Daraus folgt übrigens, dass die Stereochemie von Polymeren und ihren Assoziierten zusätzlich zu den aufgeführten berücksichtigt werden sollte. Beachten Sie jedoch, dass nicht jeder um uns herum auch die „globulären“ – e und „supramolekularen“ uns in sich trägt lebende und unbelebte Natur P-ungerade“ – Arten der Chiralität. Es sind die folgenden Objekte, die Sie leicht finden können: die linken oder rechten primären (strukturellen) oberen Konfigurationen von Zwillingspartnern, zum Beispiel die ausgewählten Baumebenen der Organisation von Makromolekülen im Wald oder einen Stein aus einem Trümmerhaufen. Beachten wir außerdem, dass die entscheidende Rolle für ihre Funktion im Körper darin besteht, dass die chirale Symmetrie absolut (100 %) wichtig ist. Somit werden biochemische Reaktionen unter Beteiligung von P-ungerade Molekülen organischer Enzyme effektiv nur in Verbindungen durchgeführt, die Teil aller lebenden Organe sind, wenn zuvor Komismen auf unserem Planeten realisiert wurden. Wenn es sich um Aminosäuren handelt, bleibt nur noch die Züchtung, also die „Erkennung“, Selektion dieser Moleküle (l); wenn Zucker Kohlenhydrate sind, dann nur eine Reihe von Reagenzien und Substraten, Features config-right (r); Wenn es sich dabei um Biopolymere handelt, dann handelt es sich um Spiralen davon („Figuren“), die idealerweise aber nur nach rechts verdreht sind (Proteine, DNA). Dies steht im Einklang mit den Konturen und Formen eines entsprechenden Musters, das als chirale asymmetrische Hohlräume in Enzymkügelchen bezeichnet wird. Die alltägliche Anaria der Biosphäre war auch die erste, die auf das Protokoll einer solchen Ergänzung von D. Koshland aufmerksam machte, der L. Pasteur vorschlug. lebte, um über die Entsprechung von Schlüssel und Schloss nachzudenken. ganTskDnmkD dakDguzD DlaeeTsnka 1. Allgemeine organische Chemie: Trans. aus dem Englischen M.: Chemie, lassen Sie uns das oben Gesagte zusammenfassen. Dieser Artikel stammt aus der Zeit vor 1981–1986. T. 1–12. Das Ziel sollte sein, zu zeigen, dass in der 2. Zhdanov Yu.A. Kohlenstoff und Leben. Rostov n/d: Verlagsansicht zum Material der organischen Chemie einfacher als die Russische Staatsuniversität, 1968. 131 S. um zu navigieren, wenn Sie die Prinzipien der Graphentheorie beherrschen. 3. Tatt U. Graphentheorie. M.: Mir, 1988. Bilder der allgemeinsten Merkmale der Struktur von Molekülen sowie Prinzipien zu ihrer Bewertung 4. Sokolov V.I. Einführung in theoretische Stereokonfigurationen – Formen in der dreidimensionalen Raumchemie. M.: Nauka, 1982; Fortschritte in der Chemie. 1973. T. 42. ve – basierend auf den Ideen von Symmetrie und Asymmetrie. Pop-S. 1037–1051. Letztere beinhalten Ideen zu den wichtigsten 5. Nogradi M. Stereochemie. M.: Mir, 1984. Symmetriesprecher: Ebenen, Achsen und Spiegel – 6. Hargittai I., Hargittai M. Symmetrie durch die Augen von Drehachsen, die bei der Identifizierung dieser Chemiker verwendet werden. M.: Mir, 1989. Interne Merkmale der Struktur von Molekülen, die 7. Filippovich I.V., Sorokina N.I. // Lasst uns Fortschritte machen. Diese bestimmen ihr Aussehen, ihre Form und letztendlich ihre Biologie. 1983. T. 95. S. 163–178. ihre wichtigsten Eigenschaften. Beim „Sortieren“ von Molekülen in symmetrische und * * * asymmetrische Moleküle kommt dem Spiegelreflexionsoperator eine besondere Rolle zu – der Koordinateninversion. Lev Petrovich Olekhnovich, Doktor der chemischen Wissenschaften R. Operator Pσ-Koordinaten aller Teile (atouk, Professor, Leiter der Abteilung Chemie des natürlichen und beweglichen Objekts, das sich links von den ausgewählten hochmolekularen Verbindungen des Rostower Go-Flugzeugs befindet, stellt es in eindeutige Übereinstimmung mit dem Leiter der Genossenschaftsuniversität. Labor der Dinata des invertierten (reflektierten) Objekts der inneren Dynamik von Molekülen der Fakultät für Chemie und des Forschungsinstituts für Phy- rechts von dieser Ebene. Der Operator Pi führt die SIC- und organische Chemie der Russischen Staatlichen Universität durch, der entsprechende Term ist eine ähnliche Koordinatenumkehrung des Relativ-Potenten der Russischen Akademie der Naturwissenschaften. aber ein Punkt, der außerhalb des Objekts gewählt wird (es ist leicht herauszufinden, ob unter der Wirkung des Pi-Operators, auch der Kinetik und Mechanismen molekularer Umlagerungen, ein Spiegeldoppel des Objekts entsteht erhalten, aber verifiziert, Stereochemie und Stereodynamik. Co-Autor 180°). Objekte (Moleküle), zwei Monographien und Autor von mehr als 370 wissenschaftlichen Artikeln. 50 Likes Zldav yEkDbyZDnTsg'zkhv LmkzDg, Nr. 2, 1997

Autor: Chemische Enzyklopädie I. L. Knunyants

GRAPHENTHEORIE In der Chemie wird der Zweig der endlichen Mathematik, der diskrete Strukturen untersucht, als Graphen bezeichnet. Wird zur Lösung verschiedener theoretischer Probleme verwendet. und angewandte Probleme.

Manche grundlegendes Konzept. Ein Graph ist eine Ansammlung von Punkten (Eckpunkten) und eine Ansammlung von Paaren dieser Punkte (nicht unbedingt alle), die durch Linien verbunden sind (Abb. 1,k). Wenn die Linien im Diagramm ausgerichtet sind (d. h. die Pfeile geben die Verbindungsrichtung der Eckpunkte an), werden sie Bögen oder Zweige genannt; wenn nicht ausgerichtet, - Kanten. Bzw. Ein Graph, der nur Bögen enthält, wird als gerichteter Graph oder Digraph bezeichnet. nur kantenunorientiert; Bögen und Rippen gemischt. Ein Graph mit mehreren Kanten wird Multigraph genannt; ein Graph, der nur Kanten enthält, die zu zwei seiner disjunkten Teilmengen (Teile) gehören, ist bipartit; Bögen (Kanten) und (oder) Scheitelpunkte auf der Krim entsprechen bestimmten Gewichten oder Zahlenwerten von k.-l. Parameter - gewichtet. Ein Pfad in einem Diagramm ist eine abwechselnde Folge von Eckpunkten und Bögen, in der sich keiner der Eckpunkte wiederholt (z. B. a, b in Abb. 1,a); Kontur – ein geschlossener Pfad, bei dem der erste und der letzte Scheitelpunkt zusammenfallen (z. B. f, h); ein Schleifenbogen (Kante), der am selben Scheitelpunkt beginnt und endet. Ein Graphpfad ist eine Folge von Kanten, in denen sich keiner der Eckpunkte wiederholt (z. B. c, d, e); Ein Zyklus ist eine geschlossene Kette, deren Anfangs- und Endpunkte zusammenfallen. Ein Graph heißt zusammenhängend, wenn ein beliebiges Paar seiner Eckpunkte durch eine Kette oder einen Pfad verbunden ist; andernfalls wird der Graph als unzusammenhängend bezeichnet.

Ein durch einen Baum verbundener ungerichteter Graph, der keine Zyklen oder Konturen enthält (Abb. 1, b). Der aufspannende Teilgraph eines Graphen ist eine Teilmenge davon, die alle Eckpunkte und nur bestimmte Kanten enthält. Der aufspannende Baum eines Graphen ist sein aufspannender Untergraph, der ein Baum ist. Graphen werden als isomorph bezeichnet, wenn zwischen den Mengen ihrer Eckpunkte und Kanten (Bögen) eine Eins-zu-eins-Entsprechung besteht.

Um Probleme der GRAPHENTHEORIE und ihrer Anwendungen zu lösen, werden Graphen mithilfe von Matrizen (Adjazenz, Inzidenz, Zweizeiler usw.) sowie speziellen Matrizen dargestellt. numerische Merkmale. In der Adjazenzmatrix (Abb. 1c) entsprechen beispielsweise die Zeilen und Spalten den Nummern der Scheitelpunkte des Diagramms, und seine Elemente nehmen die Werte 0 und 1 an (bzw. das Fehlen und Vorhandensein eines Bogens dazwischen). ein gegebenes Scheitelpunktpaar); In der Inzidenzmatrix (Abb. 1d) entsprechen die Zeilen den Nummern der Scheitelpunkte, die Spalten entsprechen den Nummern der Bögen und die Elemente nehmen die Werte 0, + 1 und - 1 (bzw. die Abwesenheit) an oder Vorhandensein eines Bogens, der in den Scheitelpunkt eintritt und ihn verlässt). die häufigsten numerischen Merkmale: Anzahl der Eckpunkte (m), Anzahl der Bögen oder Kanten (n), zyklomatisch. Zahl oder Rang des Graphen (n - m + k, wobei k die Anzahl der verbundenen Untergraphen in einem nicht zusammenhängenden Graphen ist; für den Graphen in Abb. 1,b beträgt der Rang beispielsweise: 10-6+ 1 =5).

Die Anwendung der GRAFENTHEORIE basiert auf der Konstruktion und Analyse verschiedener Klassen chemischer und chemisch-technologischer Graphen, die auch Topologiemodelle genannt werden, d. h. Modelle, die nur die Art der Verbindungen zwischen den Eckpunkten berücksichtigen. Die Bögen (Kanten) und Eckpunkte dieser Diagramme zeigen chemische und chemisch-technologische Elemente. Konzepte, Phänomene, Prozesse oder Objekte und dementsprechend Eigenschaften. und quantitative Beziehungen oder spezifische Beziehungen zwischen ihnen.

Reis. 1. Veranschaulichung einiger grundlegender Konzepte: ein gemischter Graph; b-Baum (durchgezogene Bögen a, h, d, f, h) und ein Teilgraph (gepunktete Bögen c, c, d, k, I) des Digraphen; c- bzw. r-Matrizen der Adjazenz und Inzidenz des Digraphen.

Theoretische Probleme. Chemisch Diagramme ermöglichen es, chemische Transformationen vorherzusagen, das Wesen zu erklären und einige Grundkonzepte der Chemie zu systematisieren: Struktur, Konfiguration, Konformationen, quantenmechanische und statistisch-mechanische Wechselwirkungen von Molekülen, Isomerie usw. Chemische Diagramme umfassen molekulare, zweiteilige und Signaldiagramme von Kinetische Reaktionsgleichungen.

Molekulare Graphen, die in der Stereochemie und Strukturtopologie, der Chemie von Clustern, Polymeren usw. verwendet werden, sind ungerichtete Graphen, die die Struktur von Molekülen darstellen (Abb. 2). Die Eckpunkte und Kanten dieser Diagramme entsprechen Atomen bzw. chemischen Bindungen zwischen ihnen.

Reis. 2. Molekulare Diagramme und Bäume: a, b – Multigraphen von Ethylen bzw. Formaldehyd; Sie sagen Pentan-Isomere (Bäume 4, 5 sind isomorph zu Baum 2).

In der Stereochemie werden am häufigsten organische Substanzen verwendet. Bäume - Kernbäume Pier. Diagramme, die nur alle Eckpunkte enthalten, die den Atomen C entsprechen (Abb. 2, a und b). Zusammenstellung von Pfeilersätzen. Bäume und die Feststellung ihres Isomorphismus ermöglichen es, zu bestimmen, was sie sagen. Struktur und ermitteln Sie die Gesamtzahl der Isomere von Alkanen, Alkenen und Alkinen (Abb. 2, c).

Mol. Diagramme ermöglichen es, Aufgaben im Zusammenhang mit Kodierung, Nomenklatur und Strukturmerkmalen (Verzweigung, Zyklizität usw.) von Molekülen verschiedener Verbindungen auf die Analyse und den Vergleich reiner Mathematik zu reduzieren. Zeichen und Eigenschaften sagen sie. Graphen und ihre Bäume sowie ihre entsprechenden Matrizen. Um quantitative Zusammenhänge zwischen der Struktur von Molekülen und den physikalisch-chemischen (einschließlich pharmakologischen) Eigenschaften einer Verbindung zu identifizieren, wurden mehr als 20 sogenannte topologische Studien entwickelt. Indizes von Molekülen (Wiener, Balaban, Hosoya, Plat, Randic usw.), die anhand von Matrizen und numerischen Eigenschaften des Mols bestimmt werden. Bäume. Beispielsweise korreliert der Wiener-Index W = (m 3 + m)/6, wobei m die Anzahl der Eckpunkte ist, die C-Atomen entsprechen, mit dem mol. Volumina und Brechungen, Bildungsenthalpien, Viskosität, Oberflächenspannung, Chromatographie. Verbindungskonstanten, Oktanzahlen von Kohlenwasserstoffen und sogar Physiol. Aktivität von Lek. Drogen.

Wichtige Parameter sagen. Diagramme, die zur Bestimmung der tautomeren Formen einer bestimmten Substanz und ihrer Reaktivität sowie zur Klassifizierung von Aminosäuren, Nukleinsäuren, Kohlenhydraten und anderen komplexen Naturstoffen verwendet werden, sind späte und vollständige (H) Informationen. Behälter. Der Parameter wird mithilfe der Shannon-Informationsentropieformel berechnet: , wobei p t die Wahrscheinlichkeit der Scheitelpunktmitgliedschaft ist m des Graphen zur i-ten Art oder Äquivalenzklasse, k; i =, Parameter (siehe auch Entropie). Den Pier studieren Strukturen wie anorganische Cluster oder Möbius-Streifen kommt es darauf an, die Isomorphie der entsprechenden Moleküle festzustellen. Graphen durch Platzierung (Einbettung) in komplexe Polyeder (z. B. Polyeder im Fall von Clustern) oder spezielle Polyeder. mehrdimensionale Oberflächen (z. B. Riemann-Oberflächen). Analyse mol. Diagramme von Polymeren, deren Eckpunkte Monomereinheiten und deren Kanten chemischen Bindungen zwischen ihnen entsprechen, ermöglichen es beispielsweise, die Auswirkungen von ausgeschlossenem Volumen zu erklären, die zu Qualitäten führen. Änderungen der vorhergesagten Eigenschaften von Polymeren.

Reis. 3. Reaktionsgraphen: a-bipartit; B-Signal-Kinetikgleichungen; r 1, g 2 Reaktionen; a 1 -a 6 -Reagenzien; k-Rate-Konstanten p-tsny; s-Komplexität der Laplace-Transformationsvariablen.

Unter Verwendung der GRAPHENTHEORIE und der Prinzipien der künstlichen Intelligenz wurde Software für Informationsabrufsysteme in der Chemie sowie für automatisierte Systeme entwickelt. Identifikationssysteme mol. Strukturen und rationale Planung organisch. Synthese. Für die praktische Umsetzung von Operationen auf einem Computer zur Auswahl rationaler Pfade chemischer Transformationen auf der Grundlage von Retrosynthesen. (siehe Retrosynthetische Analyse) und syntonische Prinzipien verwenden mehrstufige verzweigte Graphen zur Suche nach Lösungsmöglichkeiten, deren Eckpunkte dem Pier entsprechen. Diagramme von Reaktanten und Produkten und Bögen zeigen Umwandlungen von Stoffen.

Reis. 4. Chemisch-technologisches Einkreissystem und entsprechende Diagramme: a-Strukturdiagramm; b, c-Materialflussdiagramme jeweils für die Gesamtmassenflussraten und die Flussrate der Komponente A; r – thermisches Strömungsdiagramm; d-Fragment des Gleichungssystems (f 1 - f 6) der Stoffbilanz, erhalten aus der Analyse der Diagramme in Abb. 4, b und c; E-zweiteiliger Informationsdigraph; g-Informationsdiagramm, I-Mischer; II-Reaktor; III-Destillationskolonne; IV-Kühlschrank; I 1 -I 8 -technol. Bäche; q-Massenstrom; H ist die Enthalpie der Strömung; ich. s und i*, s* sind jeweils reale und fiktive Quellen und Senken von Stoff- und Wärmeflüssen; c-Konzentration des Reagenzes; V ist das Volumen des Reaktors.

Matrixdarstellungen sagen. Graphen verschiedener Verbindungen entsprechen (nach Transformation der entsprechenden Matrixelemente) den Matrixmethoden der Quantenchemie. Daher wird die GRAPH-THEORIE bei der Durchführung komplexer quantenchemischer Berechnungen verwendet: um die Anzahl, Eigenschaften und Energien von Mol zu bestimmen. Orbitale, beispielsweise in komplexen Verbindungen, Vorhersage der Reaktivität konjugierter alternierender und nicht alternierender Polyene, Identifizierung aromatischer und antiaromatischer Eigenschaften von Substanzen usw.

Um Störungen in Systemen aus einer großen Anzahl von Teilchen in der chemischen Physik zu untersuchen, werden sogenannte Feynman-Diagramme verwendet – Diagramme, deren Eckpunkte den elementaren Wechselwirkungen physikalischer Teilchen entsprechen, deren Kanten ihren Bahnen nach Kollisionen entsprechen. Insbesondere ermöglichen diese Diagramme die Untersuchung der Mechanismen oszillatorischer Reaktionen und die Bestimmung der Stabilität von Reaktionssystemen.

Um rationale Pfade für die Transformation von Reagensmolekülen für einen gegebenen Satz bekannter Wechselwirkungen auszuwählen, werden zweiteilige Reaktionsgraphen verwendet (Scheitelpunkte entsprechen Molekülen und diesen Reaktionen, Bögen entsprechen der Wechselwirkung von Molekülen in einer Reaktion; Abb. 3,a). Solche Diagramme ermöglichen die Entwicklung interaktiver Algorithmen zur Auswahl optimaler Lösungen. Wege chemischer Umwandlungen, die Naim erfordern. Anzahl der Zwischenreaktionen, min. die Anzahl der Reagenzien aus der Liste der akzeptablen Reagenzien oder die höchste Produktausbeute wird erreicht.

Signaldiagramme reaktionskinetischer Gleichungen zeigen Systeme kinetischer Gleichungen in algebraischer Operatorform (Abb. 3b). Die Eckpunkte der Graphen entsprechen den sogenannten Informationen. Variablen oder Signale in Form von Reagenzienkonzentrationen, Lichtbogen-Signal-Beziehungen und die Gewichte der Lichtbögen werden durch kinetische Konstanten bestimmt. Solche Diagramme werden zur Untersuchung der Mechanismen und Kinetik komplexer katalytischer Reaktionen, komplexer Phasengleichgewichte bei der Bildung komplexer Verbindungen sowie zur Berechnung der Parameter der additiven Eigenschaften von Lösungen verwendet.

Angewandte Probleme. Lösung mehrdimensionaler Probleme der Analyse und Optimierung der chemischen Technologie. Systeme (XTS) nutzen die folgende chemische Technologie. Diagramme (Abb. 4): Fluss-, Informationsfluss-, Signal- und Zuverlässigkeitsdiagramme. Strömungsdiagramme, bei denen es sich um gewichtete Digraphen handelt, umfassen parametrische, materielle Daten im Hinblick auf die Gesamtmassendurchflussraten physikalischer Strömungen und die Massendurchflussraten einiger chemischer Komponenten oder Elemente sowie thermische Diagramme. Die aufgeführten Diagramme entsprechen den physikalischen und chemischen Umwandlungen von Stoffen und Energie in einem bestimmten chemischen System.

Parametrisch Strömungsdiagramme zeigen die Transformation von Parametern (Massenströme usw.) physikalischer Strömungen durch CTS-Elemente; Die Eckpunkte der Diagramme entsprechen mat. Modelle von Geräten sowie Quellen und Senken der angegebenen Flüsse und Bögen – die Flüsse selbst und die Gewichte der Bögen entsprechen der Anzahl der Parameter des entsprechenden Flusses. Parametrisch Mithilfe von Diagrammen werden Algorithmen zur Technologieanalyse entwickelt. Modi des Mehrkreis-CTS. Solche Algorithmen legen die Reihenfolge der Berechnung mathematischer Gleichungssysteme fest. Modelle einzelner Geräte System zur Bestimmung der Parameter seiner Ausgabeströme mit bekannten Werten variabler Eingabeströme.

Stoffstromdiagramme zeigen Veränderungen des Stoffverbrauchs in chemischen Stoffen an. Die Eckpunkte der Diagramme entsprechen Geräten, in denen die Gesamtmassenströme physikalischer Ströme und die Massenströme einiger chemischer Komponenten oder Elemente transformiert werden, sowie Quellen und Senken von Substanzen der Ströme oder dieser Komponenten; dementsprechend entsprechen die Bögen der Graphen physikalischen Flüssen bzw. physikalischen und fiktiven (chemische Umwandlungen von Materie in Apparaten) Quellen und Senken von s.-l. Komponenten und die Gewichte der Bögen sind gleich den Massenströmen beider Typen. Wärmeflussdiagramme zeigen Wärmebilanzen in CTS an; die Eckpunkte der Diagramme entsprechen Geräten, in denen sich der Wärmeverbrauch physikalischer Ströme ändert, und darüber hinaus den Quellen und Senken der Wärmeenergie des Systems; Bögen entsprechen physikalischen und fiktiven (physikalisch-chemischen Energieumwandlungen in Geräten) Wärmeströmen, und die Gewichte der Bögen entsprechen den Enthalpien der Ströme. Material- und Wärmediagramme werden zur Erstellung von Automatisierungsprogrammen verwendet. Entwicklung von Algorithmen zur Lösung von Gleichungssystemen für Stoff- und Wärmebilanzen komplexer chemischer Systeme.

Informationsbestandsdiagramme zeigen logische Informationen an. Struktur mathematischer Gleichungssysteme. XTS-Modelle; werden verwendet, um optimal zu kompilieren Algorithmen zur Berechnung dieser Systeme. Zweiteilige Informationen Graph (Abb. 4, e) ist ein ungerichteter oder orientierter Graph, dessen Eckpunkte jeweils den Gleichungen f l - f 6 und den Variablen q 1 - V entsprechen und die Zweige ihre Beziehung widerspiegeln. Information Graph (Abb. 4, g) – ein Digraph, der die Reihenfolge der Lösung von Gleichungen darstellt; Die Eckpunkte des Diagramms entsprechen diesen Gleichungen, Quellen und Empfängern von XTS-Informationen sowie Informationszweigen. Variablen.

Signalgraphen entsprechen linearen Systemen mathematischer Gleichungen. Modelle der chemischen Technologie. Prozesse und Systeme. Die Eckpunkte der Diagramme entsprechen Signalen (z. B. Temperatur), Zweigverbindungen zwischen ihnen. Solche Diagramme werden zur Analyse statischer Daten verwendet. und dynamisch Multiparameter-Modi Prozesse und chemische Beständigkeit sowie Indikatoren für eine Reihe ihrer wichtigsten Eigenschaften (Stabilität, Empfindlichkeit, Kontrollierbarkeit).

Mithilfe von Zuverlässigkeitsdiagrammen werden verschiedene Indikatoren für die Zuverlässigkeit chemischer Systeme berechnet. Unter den zahlreichen Gruppen dieser Graphen (zum Beispiel parametrisch, logisch-funktional) sind die sogenannten Fehlerbäume besonders wichtig. Jeder dieser Bäume ist ein gewichteter Digraph, der die Wechselbeziehung vieler einfacher Ausfälle einzelner Prozesse und CTS-Geräte darstellt, die zu vielen sekundären Ausfällen und dem daraus resultierenden Ausfall des Systems als Ganzes führen (siehe auch Zuverlässigkeit).

Erstellen automatisierter Programmkomplexe. Synthese optimal. Höchste Produktionssicherheit (auch ressourcenschonend) unter Beachtung der Prinzipien der Kunst. Intelligenz verwenden sie orientierte semantische oder semantische Diagramme von CTS-Lösungsoptionen. Diese Diagramme, bei denen es sich in einem bestimmten Fall um Bäume handelt, stellen Verfahren zur Generierung einer Reihe rationaler alternativer CTS-Schemata (z. B. 14 möglich, wenn eine Fünfkomponentenmischung von Zielprodukten durch Rektifikation getrennt wird) und Verfahren zur geordneten Auswahl unter ihnen dar ein Schema, das nach einem Kriterium der Systemeffizienz optimal ist (siehe Optimierung). Die GRAFISCHE THEORIE wird auch zur Entwicklung von Algorithmen zur Optimierung von Zeitplänen für den Betrieb von Geräten in der flexiblen Mehrproduktproduktion sowie von Optimierungsalgorithmen verwendet. Platzierung von Geräten und Verlegung von Rohrleitungssystemen, optimale Algorithmen. Management der chemischen Technologie Prozesse und Produktion, bei der Netzwerkplanung ihrer Arbeit usw.

Lit.. Zykov A. A., Theorie endlicher Graphen, [in. 1], Nowosibirsk, 1969; Yatsimirsky K. B., Application of graph theory in chemistry, Kiew, 1973; Kafarov V.V., Perov V.L., Meshalkin V.P., Prinzipien der mathematischen Modellierung chemisch-technologischer Systeme, M., 1974; Christofides N., Graphentheorie. Algorithmischer Ansatz, trans. aus Englisch, M., 1978; Kafarov V.V., Perov V.L., Meshalkin V.P., Mathematische Grundlagen des computergestützten Designs der chemischen Produktion, M., 1979; Chemische Anwendungen der Topologie und Graphentheorie, hrsg. R. King, trans. aus Englisch, M., 1987; Chemische Anwendungen der Graphentheorie, Balaban A.T. (Hrsg.), N.Y.-L., 1976. V. V. Kafarov, V. P. Meshalkin.

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Molekulare Graphen und Arten molekularer Strukturen

aus „Anwendung der Graphentheorie in der Chemie“

Chemie gehört zu den Wissenschaftsbereichen, die schwer zu formalisieren sind. Daher wird der informelle Einsatz mathematischer Methoden in der chemischen Forschung hauptsächlich mit den Bereichen in Verbindung gebracht, in denen es möglich ist, aussagekräftige mathematische Modelle chemischer Phänomene zu erstellen.
Eine andere Möglichkeit, Graphen in die theoretische Chemie einzuführen, sind quantenchemische Methoden zur Berechnung der elektronischen Struktur von Molekülen.
Im Hauptteil werden Methoden zur Analyse molekularer Strukturen anhand von Graphen erörtert, die dann zur Konstruktion topologischer Indizes und auf der Grundlage von Struktur-Eigenschafts-Korrelationen verwendet werden, und es werden auch die Elemente des molekularen Designs skizziert.
Wie Sie wissen, kann ein Stoff in festem, flüssigem oder gasförmigem Zustand vorliegen. Die Stabilität jeder dieser Phasen wird durch die Bedingung minimaler freier Energie bestimmt und hängt von Temperatur und Druck ab. Jeder Stoff besteht aus Atomen oder Ionen, die unter bestimmten Bedingungen stabile Subsysteme bilden können. Die Elementzusammensetzung und die relative Anordnung der Atome (Nahordnung) in einem solchen Subsystem bleiben über einen längeren Zeitraum erhalten, obwohl sich Form und Größe ändern können. Wenn die Temperatur sinkt oder der Druck steigt, nimmt die Beweglichkeit dieser Teilsysteme ab, aber die Bewegung der Kerne (Nullpunktschwingungen) hört beim absoluten Temperaturnullpunkt nicht auf. Solche stabilen zusammenhängenden Gebilde, bestehend aus einer kleinen Anzahl von Molekülen, können in einer Flüssigkeit, in einer Koje oder in einem Feststoff existieren und werden molekulare Systeme genannt.
Das MG in einer perspektivischen Projektion spiegelt die Hauptmerkmale der Geometrie des Moleküls wider und bietet eine visuelle Darstellung seiner Struktur. Lassen Sie uns einige Arten molekularer Strukturen in MG-Begriffen diskutieren. Betrachten wir Moleküle, für die es zweckmäßig ist, planare Graphimplementierungen zur Beschreibung ihrer Struktur zu verwenden. Die einfachsten Systeme dieser Art entsprechen baumartigen MGs.
Bei Molekülen der Ethylenreihe enthalten MGs nur Eckpunkte vom Grad drei (Kohlenstoff) und Grad eins (Wasserstoff). Die allgemeine Formel für solche Verbindungen lautet CH,g+2. CH+2-Moleküle sind im Grundzustand normalerweise flach. Jedes Kohlenstoffatom ist durch eine trigonale Umgebung gekennzeichnet. In diesem Fall ist die Existenz von Isomeren vom cis- und trans-Typ möglich. Im Fall von tg 1 kann die Struktur der Isomere recht komplex sein.
Betrachten wir nun einige molekulare Systeme, die zyklische Fragmente enthalten. Wie im Fall der Paraffin-Kohlenwasserstoffe gibt es Moleküle, deren Strukturen durch Diagramme beschrieben werden können, die nur Eckpunkte vom Grad vier und eins haben. Das einfachste Beispiel für ein solches System ist Cyclohexan (siehe Abb. 1.3,6). Typischerweise wird die Struktur von Cyclohexan in einem perspektivischen Bild als MG beschrieben, während die Eckpunkte ersten Grades weggelassen werden. Für Cyclohexape ist die Existenz von drei Rotationsisomeren möglich (Abb. 1.7).

Chemische Bindungen werden häufig durch Elektronen gebildet, die sich in verschiedenen Atomorbitalen befinden (z. B.S - Und R– Orbitale). Trotzdem erweisen sich die Bindungen als äquivalent und symmetrisch angeordnet, was durch die Hybridisierung der Atomorbitale gewährleistet wird.

Orbitale Hybridisierung ist eine Änderung der Form einiger Orbitale während der Bildung einer kovalenten Bindung, um eine effizientere Orbitalüberlappung zu erreichen.

Durch Hybridisierung neu Hybridorbitale, die im Raum so ausgerichtet sind, dass nach ihrer Überlappung mit den Orbitalen anderer Atome die resultierenden Elektronenpaare möglichst weit voneinander entfernt sind. Dadurch wird die Abstoßungsenergie zwischen den Elektronen im Molekül minimiert.

Hybridisierung ist kein echter Prozess. Dieses Konzept wurde eingeführt, um die geometrische Struktur eines Moleküls zu beschreiben. Die Form der Partikel, die durch die Bildung kovalenter Bindungen unter Beteiligung hybrider Atomorbitale entstehen, hängt von der Anzahl und Art dieser Orbitale ab. In diesem Fall bilden σ-Bindungen ein starres „Skelett“ des Teilchens:

An der Hybridisierung beteiligte Orbitale	Hybridisierungstyp	Raumform des Moleküls	Beispiele
s, p	sp – Hybridisierung	Linear	BeCl2 CO2 C2H2 ZnCl2 BeH 2 Zweisp - Orbitale können zwei σ-Bindungen bilden ( BeH 2 , ZnCl 2 ). Zwei mehrP- Verbindungen können gebildet werden, wenn zwei P - Orbitale, die nicht an der Hybridisierung beteiligt sind, enthalten Elektronen (Acetylen). C 2 H 2 ).
s, p, p	sp 2 – Hybridisierung	Dreieckig (flach trigonal)	BH 3 BF 3 C2H4 AlCl3 Wenn eine Bindung durch überlappende Orbitale entlang einer Verbindungslinie zwischen den Atomkernen entsteht, ist sie namens σ - Bindung. Wenn sich die Orbitale außerhalb der Verbindungslinie der Kerne überlappen, dann Es entsteht eine π-Bindung. Drei sp 2 - Orbitale können drei σ-Bindungen bilden ( B.F. 3 , AlCl 3 ). Eine weitere Bindung (π-Bindung) kann gebildet werden, wenn P- Das nicht an der Hybridisierung beteiligte Orbital enthält ein Elektron (Ethylen). C 2 H 4 ).
s, p, p, p	sp 3 – Hybridisierung	Tetraeder	CH 4 NH4+ PO 4 3- BF 4 -

In der Praxis wird zunächst die geometrische Struktur des Moleküls experimentell ermittelt und anschließend die Art und Form der an seiner Entstehung beteiligten Atomorbitale beschrieben. Beispielsweise ist die räumliche Struktur von Ammoniak- und Wassermolekülen nahezu tetraedrisch, aber der Winkel zwischen den Bindungen in einem Wassermolekül beträgt 104,5˚ und in einem Wassermolekül NH 3 – 107,3˚.

Wie lässt sich das erklären?

Ammoniak NH 3

Das Ammoniakmolekül hat die Form trigonale Pyramide mit einem Stickstoffatom an der Spitze . Das Stickstoffatom befindet sich im sp 3 -Hybridzustand; Von den vier Hybridorbitalen des Stickstoffs sind drei und das vierte an der Bildung einzelner N-H-Bindungen beteiligt S. 3 - Das Hybridorbital ist mit einem freien Elektronenpaar besetzt, es kann mit einem Wasserstoffion eine Donor-Akzeptor-Bindung unter Bildung eines Ammoniumions NH 4 + eingehen und verursacht auch eine Abweichung vom Tetraederwinkel in der Struktur

Wasser H2O

Ein Wassermolekül hat Winkelstruktur: ist ein gleichschenkliges Dreieck mit einem Spitzenwinkel von 104,5°. Das Sauerstoffatom befindet sich im sp 3 -Hybridzustand; Von den vier Hybridorbitalen des Sauerstoffs sind zwei an der Bildung einzelner O-H-Bindungen beteiligt und die anderen beiden S. 3 - Hybridorbitale sind mit einsamen Elektronenpaaren besetzt, deren Wirkung dazu führt, dass sich der Winkel von 109,28˚ auf 104,5° verringert.