მოლეკულების სტრუქტურული ფორმა და გრაფიკები. ორგანული ნაერთების მოლეკულების სტრუქტურებისა და ფორმების მრავალფეროვნება
პროგრამული კომპლექსების შექმნა ავტომატიზირებისთვის. სინთეზის ოპტიმალური. უაღრესად სანდო პროდუქტები (მათ შორის რესურსების დამზოგავი) ხელოვნების პრინციპებთან ერთად. გამოიყენება CTS გადაწყვეტილების ვარიანტების ინტელექტუალური, ორიენტირებული სემანტიკური ან სემანტიკური გრაფიკები. ეს გრაფიკები, რომლებიც კონკრეტულ შემთხვევაში არის ხეები, ასახავს პროცედურებს რაციონალური ალტერნატიული CTS სქემების გენერირებისთვის (მაგალითად, 14 შესაძლებელია სამიზნე პროდუქტების ხუთკომპონენტიანი ნარევის გასწორებისას) და მათ შორის სქემის მოწესრიგებული არჩევის პროცედურებს. ეს არის ოპტიმალური სისტემის ეფექტურობის ზოგიერთი კრიტერიუმის მიხედვით (იხ. ოპტიმიზაცია).
გრაფიკის თეორია ასევე გამოიყენება მრავალ ასორტიმენტის მოქნილი წარმოებისთვის აღჭურვილობის ფუნქციონირების დროის გრაფიკის ოპტიმიზაციის ალგორითმების შემუშავებისთვის, ოპტიმიზაციის ალგორითმებისთვის. აღჭურვილობის განთავსება და მილსადენის სისტემების მიკვლევა, ოპტიმალური ალგორითმები. ქიმიურ-ტექნოლოგიური მენეჯმენტი. პროცესები და პროდუქცია, მათი მუშაობის ქსელური დაგეგმვით და ა.შ.
ლიტ.. Zykov A. A., სასრული გრაფიკების თეორია, [v. 1], ნოვოსიბ., 1969; Yatsimirsky K. B., გრაფების თეორიის გამოყენება ქიმიაში, კიევი, 1973; Kafarov V. V., Perov V. L., Meshalkin V. P., ქიმიურ-ტექნოლოგიური სისტემების მათემატიკური მოდელირების პრინციპები, მ., 1974; ქრისტოფიდეს ნ., გრაფიკის თეორია. ალგორითმული მიდგომა, ტრანს. ინგლისურიდან, მ., 1978; კაფაროვი ვ.ვ., პეროვ ვ. ტოპოლოგიისა და გრაფიკის თეორიის ქიმიური აპლიკაციები, რედ. რ.კინგი, მთარგმნ. ინგლისურიდან, მ., 1987; გრაფიკის თეორიის ქიმიური აპლიკაციები, Balaban A.T. (რედ.), N.Y.-L., 1976. V. V. Kafarov, V. P. Meshalkin.
===
გამოყენება ლიტერატურა სტატიისთვის "გრაფოვის თეორია": მონაცემები არ არის
გვერდი "გრაფოვის თეორია"მასალების საფუძველზე
1. მოლეკულების გრაფიკული წარმოდგენა და მათი თვისებები - გრაფიკის თეორია ქიმიაში
ნივთიერებების თვისებებსა და მათ სტრუქტურას შორის ურთიერთობის შესწავლა ქიმიის ერთ-ერთი მთავარი ამოცანაა. მის ამოხსნაში დიდი წვლილი შეიტანა ორგანული ნაერთების სტრუქტურულ თეორიამ, რომლის ფუძემდებელთა შორის არის დიდი რუსი ქიმიკოსი ალექსანდრე მიხაილოვიჩ ბუტლეროვი (1828-1886). სწორედ მან დაადგინა, რომ ნივთიერების თვისებები დამოკიდებულია არა მხოლოდ მის შემადგენლობაზე (მოლეკულური ფორმულა), არამედ მოლეკულაში ატომების ურთიერთდაკავშირების თანმიმდევრობაზე. ამ ბრძანებას ეწოდა "ქიმიური სტრუქტურა". ბუტლეროვმა იწინასწარმეტყველა, რომ სხვადასხვა სტრუქტურის მქონე ორი ნივთიერება, ბუტანი და იზობუტანი, შეიძლება შეესაბამებოდეს C 4 H 10-ის შემადგენლობას და ეს დაადასტურა ამ უკანასკნელის ნივთიერების სინთეზით.
იდეა, რომ ატომების დაკავშირების წესრიგს აქვს მატერიის თვისებების მნიშვნელოვანი მნიშვნელობა, ძალიან ნაყოფიერი აღმოჩნდა. იგი ეფუძნება მოლეკულების წარმოდგენას გრაფიკების გამოყენებით, რომლებშიც ატომები ასრულებენ წვეროების როლს, ხოლო მათ შორის არსებული ქიმიური ბმები - წვეროების დამაკავშირებელი კიდეები. გრაფიკულ გამოსახულებაში იგნორირებულია ბმების სიგრძე და მათ შორის კუთხეები. ზემოთ აღწერილი C 4 H 10 მოლეკულები წარმოდგენილია შემდეგი გრაფიკებით:
წყალბადის ატომები არ არის მითითებული ასეთ გრაფიკებში, რადგან მათი ადგილმდებარეობა შეიძლება ცალსახად განისაზღვროს ნახშირბადის ჩონჩხის სტრუქტურიდან. შეგახსენებთ, რომ ორგანულ ნაერთებში ნახშირბადი ოთხვალენტიანია, შესაბამისად, შესაბამის გრაფიკებში, თითოეული წვეროდან არაუმეტეს ოთხი კიდე შეიძლება გამოვიდეს.
გრაფიკები მათემატიკური ობიექტებია, ამიტომ მათი დახასიათება შესაძლებელია რიცხვების გამოყენებით. აქედან გაჩნდა იდეა მოლეკულების სტრუქტურის გამოსახვა რიცხვებით, რომლებიც დაკავშირებულია მოლეკულური გრაფიკების სტრუქტურასთან. ამ ციფრებს ქიმიაში „ტოპოლოგიურ ინდექსებს“ უწოდებენ. დიდი რაოდენობით მოლეკულებისთვის გარკვეული ტოპოლოგიური ინდექსის გამოთვლით, შეიძლება დაამყაროთ კავშირი მის მნიშვნელობებსა და ნივთიერებების თვისებებს შორის და შემდეგ გამოიყენოთ ეს ურთიერთობა ახალი, ჯერ არ სინთეზირებული ნივთიერებების თვისებების პროგნოზირებისთვის. დღემდე, ქიმიკოსებმა და მათემატიკოსებმა შემოგვთავაზეს ასობით სხვადასხვა ინდექსი, რომელიც ახასიათებს მოლეკულების გარკვეულ თვისებებს.
მოლეკულების ინფრაწითელი სპექტრები
ხილული და ულტრაიისფერი დიაპაზონებისგან განსხვავებით, რომლებიც ძირითადად განპირობებულია ელექტრონების გადასვლით ერთი სტაციონარული მდგომარეობიდან მეორეში ...
ორგანული ნაერთების სტრუქტურის შესწავლა ფიზიკური მეთოდების გამოყენებით
მოლეკულების ყველა შესაძლო პოზიცია სამგანზომილებიან სივრცეში დაყვანილია მთარგმნელობით, ბრუნვით და რხევად მოძრაობამდე. N ატომისგან შემდგარ მოლეკულას აქვს მოძრაობის თავისუფლების მხოლოდ 3N გრადუსი...
პოლიანილინის ფოტოფიზიკური თვისებების კვანტური ქიმიური შესწავლა
საინტერესოა ნებისმიერი მეთოდით შესრულებული აგზნებული მდგომარეობების გეომეტრიისა და ელექტრონის სიმკვრივის განაწილების კვანტურ-ქიმიური გამოთვლები, რადგან აქ ნახევრად რაოდენობრივი შედეგებიც კი ძალიან სასარგებლო აღმოჩნდება ...
ხაზოვანი ამორფული პოლიმერების მაკრომოლეკულები
მოლეკულა არის მეტყველების ყველაზე მნიშვნელოვანი ნაწილი, რომელიც წარმოადგენს ძირითად ქიმიურ ძალას და შედგება ატომებისგან, რომლებიც ურთიერთკავშირშია ქიმიური ბმებით. მოლეკულებს შეუძლიათ ბუნებით, ან ატომების დიდი რაოდენობით შერევა ერთმანეთთან...
2.1 გაზომვის აღწერა, მისი მოდელის შედგენა და გაურკვევლობის წყაროების იდენტიფიცირება ნებისმიერი გაზომვის პროცესი შეიძლება წარმოდგენილი იყოს როგორც შესრულებული ოპერაციების თანმიმდევრობა ...
ტკბილეულში, მარცვლეულებში, მარცვლეულსა და მისი გადამუშავების პროდუქტებში (პური და პურპროდუქტები) ტყვიის შემცველობის გაზომვის გაურკვევლობის მეთოდი TA ტიპის ანალიზატორებზე ვოლტამეტრიის ამოღებით.
თუ გაურკვევლობის საზომი არის მთლიანი სტანდარტული განუსაზღვრელობა, მაშინ შედეგი შეიძლება ჩაიწეროს შემდეგნაირად: y(ერთეულები) სტანდარტული განუსაზღვრელობის uc(y) (ერთეულები). თუ გაურკვევლობის საზომი არის გაფართოებული გაურკვევლობა U...
პერიოდული კანონის შემუშავება. ელემენტების თვისებების დამოკიდებულება მისი ატომის ბირთვზე
ელემენტების სერიული ნომრების განსაზღვრამ მათი ატომების ბირთვების მუხტით შესაძლებელი გახადა პერიოდულ სისტემაში ადგილების საერთო რაოდენობის დადგენა წყალბადს (რომელსაც სერიული ნომერი აქვს ცხრილში - 1) და ურანს (რომელსაც სერიული აქვს) შორის. ნომერი - 92) ...
მოლეკულური გრაფიკები და მოლეკულური სტრუქტურების ტიპები
დან "გრაფიკის თეორიის გამოყენება ქიმიაში"
ქიმია მეცნიერების ერთ-ერთი ის სფეროა, რომლის ფორმალიზებაც რთულია. აქედან გამომდინარე, მათემატიკური მეთოდების არაფორმალური გამოყენება ქიმიურ კვლევაში ძირითადად დაკავშირებულია იმ სფეროებთან, რომლებშიც შესაძლებელია ქიმიური ფენომენების მნიშვნელოვანი მათემატიკური მოდელების აგება.თეორიულ ქიმიაში ირონიული გრაფიკების კიდევ ერთი გზა დაკავშირებულია მოლეკულების ელექტრონული სტრუქტურის გამოსათვლელ კვანტურ ქიმიურ მეთოდებთან.
პირველ ნაწილში განხილულია მოლეკულური სტრუქტურების ანალიზის გზები გრაფიკების თვალსაზრისით, რომლებიც შემდეგ გამოიყენება ტოპოლოგიური ინდექსების ასაგებად და სტრუქტურა-საკუთრების კორელაციების საფუძველზე, ასევე მოლეკულური დიზაინის ელემენტებზე.
მოგეხსენებათ, ნივთიერება შეიძლება იყოს მყარ, თხევად ან აირად მდგომარეობაში. თითოეული ამ ფაზის სტაბილურობა განისაზღვრება თავისუფალი ენერგიის მინიმალური მდგომარეობით და დამოკიდებულია ტემპერატურასა და წნევაზე. ნებისმიერი ნივთიერება შედგება ატომებისგან ან იონებისგან, რომლებსაც გარკვეულ პირობებში შეუძლიათ შექმნან სტაბილური ქვესისტემები. ასეთ ქვესისტემაში ატომების ელემენტარული შედგენილობა და ფარდობითი განლაგება (მოკლე დიაპაზონის რიგი) შენარჩუნებულია საკმაოდ დიდი ხნის განმავლობაში, თუმცა მისი ფორმა და ზომა შეიძლება შეიცვალოს. ტემპერატურის შემცირებით ან წნევის მატებასთან ერთად, ამ ქვესისტემების მობილურობა მცირდება, მაგრამ ბირთვების მოძრაობა (ნულოვანი რხევები) არ ჩერდება აბსოლუტურ ნულოვან ტემპერატურაზე. ასეთი სტაბილური დაკავშირებული წარმონაქმნები, რომლებიც შედგება სასრული რაოდენობის ატოლავებისგან, შეიძლება არსებობდეს სითხეში, კალაპოტში ან მყარში და მათ მოლეკულურ სისტემებს უწოდებენ.
MG პერსპექტიულ პროექციაში ასახავს მოლეკულური გეომეტრიის ძირითად მახასიათებლებს და იძლევა მისი სტრუქტურის ვიზუალურ წარმოდგენას. მოდით განვიხილოთ MG-ის თვალსაზრისით მოლეკულური სტრუქტურების ზოგიერთი სახეობა. მოდით განვიხილოთ მოლეკულები, რომელთა სტრუქტურა მოხერხებულად არის აღწერილი გრაფიკების გეგმიური განხორციელების გამოყენებით. ამ ტიპის უმარტივესი სისტემები შეესაბამება ხის მსგავს MG-ებს.
ეთილენის სერიის მოლეკულების შემთხვევაში, MGs შეიცავს მხოლოდ მესამე ხარისხის (ნახშირბადის) და პირველი ხარისხის (წყალბადის) წვეროებს. ასეთი ნაერთების ზოგადი ფორმულა არის C H, r + 2. C H +2 მოლეკულები ძირითად მდგომარეობაში, როგორც წესი, პლანშეტურია. ნახშირბადის თითოეულ ატომს ახასიათებს ტრიგონალური გარემო. ამ შემთხვევაში შესაძლებელია ცის- და ტრანს-ტიპის იზომერების არსებობა. r 1-ის შემთხვევაში იზომერების სტრუქტურა შეიძლება საკმაოდ რთული იყოს.
ახლა განვიხილოთ რამდენიმე მოლეკულური სისტემა, რომელიც შეიცავს ციკლურ ფრაგმენტებს. როგორც პარაფინური სერიის ნახშირწყალბადების შემთხვევაში, არსებობს მოლეკულები, რომელთა სტრუქტურები შეიძლება აღწერილი იყოს გრაფიკების მიხედვით, რომლებსაც აქვთ მხოლოდ მეოთხე და ერთი ხარისხის წვეროები. ასეთი სისტემის უმარტივესი მაგალითია ციკლოჰექსანი (იხ. სურ. 1.3.6) ჩვეულებრივ, ციკლოჰექსანის სტრუქტურა პერსპექტიულ სურათზე აღწერილია როგორც MG, ხოლო პირველი ხარისხის წვეროების გამოტოვება. ციკლოჰექსანისთვის შესაძლებელია სამი ბრუნვითი იზომერის არსებობა (ნახ. 1.7).
ხშირად ქიმიური ბმები წარმოიქმნება ელექტრონების მიერ, რომლებიც მდებარეობს სხვადასხვა ატომურ ორბიტალებში (მაგალითად,ს - და რარის ორბიტალები). ამის მიუხედავად, ბმები ექვივალენტურია და განლაგებულია სიმეტრიულად, რასაც უზრუნველყოფს ატომური ორბიტალების ჰიბრიდიზაცია.
ორბიტალების ჰიბრიდიზაცია - ეს არის ზოგიერთი ორბიტალის ფორმის ცვლილება კოვალენტური ბმის წარმოქმნის დროს ორბიტალების უფრო ეფექტური გადახურვის მისაღწევად.
ჰიბრიდიზაციის შედეგები ახალია ჰიბრიდული ორბიტალები, რომლებიც სივრცეში ისეა ორიენტირებული, რომ სხვა ატომების ორბიტალებთან გადაფარვის შემდეგ წარმოქმნილი ელექტრონული წყვილები რაც შეიძლება შორს არიან ერთმანეთისგან. ეს ამცირებს მოლეკულაში ელექტრონების მომგებიან ენერგიას.
ჰიბრიდიზაცია არ არის რეალური პროცესი. ეს კონცეფცია დაინერგა მოლეკულის გეომეტრიული სტრუქტურის აღსაწერად. კოვალენტური ბმების წარმოქმნის შედეგად წარმოქმნილი ნაწილაკების ფორმა, რომელშიც ჰიბრიდული ატომური ორბიტალები მონაწილეობენ, დამოკიდებულია ამ ორბიტალების რაოდენობასა და ტიპზე. ამავდროულად, σ-ბმები ქმნიან ნაწილაკების მყარ „ჩონჩხს“:
|
ჰიბრიდიზაციაში ჩართული ორბიტალები |
ჰიბრიდიზაციის ტიპი |
მოლეკულის სივრცითი ფორმა |
მაგალითები |
|
ს, გვ |
sp - ჰიბრიდიზაცია |
ხაზოვანი |
BeCl2 CO2 C 2 H 2 ZnCl 2 BeH2 ორიsp - ორბიტალებს შეუძლიათ შექმნან ორი σ - ბმა ( ბეჰ 2 , ZnCl 2 ). Კიდევ ორიგვ- ობლიგაციები შეიძლება ჩამოყალიბდეს ორზე გვ - ორბიტალები, რომლებიც არ მონაწილეობენ ჰიბრიდიზაციაში, არის ელექტრონები (აცეტილენი C 2 ჰ 2 ). |
|
s, p, p |
sp 2 - ჰიბრიდიზაცია |
სამკუთხა (ბრტყელი ტრიგონალი) |
BH 3 BF 3 C 2 H 4 AlCl 3 თუ ბმა წარმოიქმნება ატომების ბირთვების დამაკავშირებელი ხაზის გასწვრივ ორბიტალების გადახურვით, ეწოდება σ-ბმა. თუ ორბიტალები გადახურულია ბირთვების დამაკავშირებელი ხაზის გარეთ, მაშინ იქმნება π ბმა. სამი sp 2 - ორბიტალებს შეუძლიათ შექმნან სამი σ - ბმა ( ბფ 3 , AlCl 3 ). კიდევ ერთი ბმა (π - ბმა) შეიძლება ჩამოყალიბდეს თუ on გვ- ორბიტალი, რომელიც არ მონაწილეობს ჰიბრიდიზაციაში არის ელექტრონი (ეთილენი C 2 ჰ 4 ). |
|
s, p, p, p |
sp 3 - ჰიბრიდიზაცია |
ოთხკუთხედი |
C H 4 NH4+ PO 4 3- BF 4- |
პრაქტიკაში, ჯერ ექსპერიმენტულად დგინდება მოლეკულის გეომეტრიული სტრუქტურა, რის შემდეგაც აღწერილია მის ფორმირებაში მონაწილე ატომური ორბიტალების ტიპი და ფორმა. მაგალითად, ამიაკისა და წყლის მოლეკულების სივრცითი სტრუქტურა ახლოსაა ტეტრაედრულთან, მაგრამ კავშირებს შორის კუთხე წყლის მოლეკულაში არის 104,5˚ და მოლეკულაში. NH 3 - 107.3˚.
როგორ შეიძლება ამის ახსნა?
|
ამიაკი NH3 |
ამიაკის მოლეკულას აქვს ფორმა ტრიგონალური პირამიდა ზევით აზოტის ატომით . აზოტის ატომი sp 3 ჰიბრიდულ მდგომარეობაშია; ოთხი აზოტის ჰიბრიდული ორბიტალიდან სამი მონაწილეობს ერთჯერადი N–H ბმების ფორმირებაში, ხოლო მეოთხე sp 3 - ჰიბრიდულ ორბიტალს იკავებს გაუზიარებელი ელექტრონული წყვილი, მას შეუძლია შექმნას დონორ-მიმღები ბმა წყალბადის იონთან, წარმოქმნას ამონიუმის იონი NH 4 + და ასევე გამოიწვიოს სტრუქტურაში ტეტრაედრული კუთხიდან გადახრა. |
|
წყალი H2O |
წყლის მოლეკულას აქვს კუთხოვანი სტრუქტურა: არის ტოლფერდა სამკუთხედი მწვერვალის კუთხით 104,5°. ჟანგბადის ატომი sp 3 ჰიბრიდულ მდგომარეობაშია; ოთხი ჟანგბადის ჰიბრიდული ორბიტალიდან ორი მონაწილეობს O–H ერთიანი ბმების ფორმირებაში, ხოლო დანარჩენი ორი sp 3 - ჰიბრიდული ორბიტალები დაკავებულია გაუზიარებელი ელექტრონული წყვილებით, მათი მოქმედება იწვევს კუთხის შემცირებას 109,28˚-დან 104,5°-მდე. |
ნივთიერებების თვისებებსა და მათ სტრუქტურას შორის ურთიერთობის შესწავლა ქიმიის ერთ-ერთი მთავარი ამოცანაა. მის ამოხსნაში დიდი წვლილი შეიტანა ორგანული ნაერთების სტრუქტურულ თეორიამ, რომლის ფუძემდებელთა შორის არის დიდი რუსი ქიმიკოსი ალექსანდრე მიხაილოვიჩ ბუტლეროვი (1828-1886). სწორედ მან დაადგინა, რომ ნივთიერების თვისებები დამოკიდებულია არა მხოლოდ მის შემადგენლობაზე (მოლეკულური ფორმულა), არამედ მოლეკულაში ატომების ურთიერთდაკავშირების თანმიმდევრობაზე. ამ ბრძანებას ეწოდა "ქიმიური სტრუქტურა". ბუტლეროვმა იწინასწარმეტყველა, რომ კომპოზიცია C 4 ჰ 10 შეიძლება შეესაბამებოდეს სხვადასხვა სტრუქტურის მქონე ორ ნივთიერებას - ბუტანს და იზობუტანს და ეს დაადასტურა ამ უკანასკნელის ნივთიერების სინთეზით.
იდეა, რომ ატომების დაკავშირების წესრიგს აქვს მატერიის თვისებების მნიშვნელოვანი მნიშვნელობა, ძალიან ნაყოფიერი აღმოჩნდა. იგი ეფუძნება მოლეკულების წარმოდგენას გრაფიკების გამოყენებით, რომლებშიც ატომები ასრულებენ წვეროების როლს, ხოლო მათ შორის ქიმიური ბმები არის წვეროების დამაკავშირებელი კიდეები. გრაფიკულ გამოსახულებაში იგნორირებულია ბმების სიგრძე და მათ შორის კუთხეები. ზემოთ აღწერილი C მოლეკულები 4 ჰ 10 ნაჩვენებია შემდეგ სვეტებში:
წყალბადის ატომები არ არის მითითებული ასეთ გრაფიკებში, რადგან მათი ადგილმდებარეობა შეიძლება ცალსახად განისაზღვროს ნახშირბადის ჩონჩხის სტრუქტურიდან. შეგახსენებთ, რომ ორგანულ ნაერთებში ნახშირბადი ოთხვალენტიანია, შესაბამისად, შესაბამის გრაფიკებში, თითოეული წვეროდან არაუმეტეს ოთხი კიდე შეიძლება გამოვიდეს.
გრაფიკები მათემატიკური ობიექტებია, ამიტომ მათი დახასიათება შესაძლებელია რიცხვების გამოყენებით. აქედან გაჩნდა იდეა მოლეკულების სტრუქტურის გამოსახვა რიცხვებით, რომლებიც დაკავშირებულია მოლეკულური გრაფიკების სტრუქტურასთან. ამ ციფრებს ქიმიაში „ტოპოლოგიურ ინდექსებს“ უწოდებენ. დიდი რაოდენობით მოლეკულებისთვის გარკვეული ტოპოლოგიური ინდექსის გამოთვლით, შეიძლება დაამყაროთ კავშირი მის მნიშვნელობებსა და ნივთიერებების თვისებებს შორის და შემდეგ გამოიყენოთ ეს ურთიერთობა ახალი, ჯერ არ სინთეზირებული ნივთიერებების თვისებების პროგნოზირებისთვის. დღემდე, ქიმიკოსებმა და მათემატიკოსებმა შემოგვთავაზეს ასობით სხვადასხვა ინდექსი, რომელიც ახასიათებს მოლეკულების გარკვეულ თვისებებს.
ტოპოლოგიური ინდექსების გამოთვლის მეთოდები
ტოპოლოგიური ინდექსების გაანგარიშების მეთოდები შეიძლება იყოს ძალიან მრავალფეროვანი, მაგრამ ყველა მათგანი უნდა აკმაყოფილებდეს საკმაოდ ბუნებრივ მოთხოვნებს:
1) თითოეულ მოლეკულას აქვს საკუთარი, ინდივიდუალური ინდექსი;
2) მსგავსი თვისებების მქონე მოლეკულებს აქვთ მსგავსი ინდექსები.
ვნახოთ, როგორ განხორციელდება ეს იდეა გაჯერებული ნახშირწყალბადების - ალკანების მაგალითის გამოყენებით. მრავალი ინდექსის აგების გასაღები არის „დისტანციის მატრიცის“ კონცეფცია D. ეს არის მატრიცის სახელი, რომლის ელემენტები გვიჩვენებს მოლეკულური გრაფის შესაბამისი წვეროების გამიჯნული კიდეების რაოდენობას. მოდით ავაშენოთ ეს მატრიცა C შედგენილობის სამი იზომერული ნახშირწყალბადისთვის 5 ჰ 12 . ამისათვის ჩვენ ვხატავთ მათ მოლეკულურ გრაფიკებს და გადანომრავთ წვეროებს (თვითნებური თანმიმდევრობით):
ნახშირწყალბადებისთვის მანძილის მატრიცის დიაგონალური ელემენტები 0-ის ტოლია. პირველ სვეტში 1 წვერო ერთი კიდით არის დაკავშირებული 2 წვეროსთან, ამიტომ მატრიცის ელემენტი d 12 = 1. ანალოგიურად, დ 13 = 2, დ 14 = 3, დ 15 = 4. ნორმალური პენტანის მანძილის მატრიცაში პირველი რიგია: (0 1 2 3 4). დაასრულეთ მანძილის მატრიცები სამი გრაფიკისთვის:
მოლეკულების ქიმიის ტოპოლოგიური ინდექსი
წვეროებს შორის მანძილი არ არის დამოკიდებული მათი ჩამოთვლის თანმიმდევრობაზე, ამიტომ მანძილის მატრიცები სიმეტრიულია დიაგონალთან მიმართებაში.
პირველი ტოპოლოგიური ინდექსი, რომელიც ასახავს მოლეკულური გრაფიკის სტრუქტურას (G) შემოგვთავაზა 1947 წელს ვინერმა. იგი განისაზღვრება, როგორც მანძილის მატრიცის დიაგონალური ელემენტების ჯამი პლუს მისი არადიაგონალური ელემენტების ჯამის ნახევარი:
(1)
ზემოთ მოყვანილი გრაფიკებისთვის, რომლებიც შეესაბამება პენტანებს C 5 ჰ 12 ვინერის ინდექსი იღებს მნიშვნელობებს 20, 18 და 16. შეიძლება ვივარაუდოთ, რომ იგი აღწერს ნახშირწყალბადების განშტოების ხარისხს: ყველაზე დიდი მნიშვნელობები შეესაბამება ყველაზე ნაკლებად განშტოებულ ნახშირწყალბადებს. ნახშირბადის ჩონჩხის სიგრძის მატებასთან ერთად ვინერის ინდექსი იზრდება, რადგან მანძილის მატრიცაში მეტი ელემენტია. რამდენიმე ასეული ნახშირწყალბადის მაგალითზე სტატისტიკურმა ანალიზმა აჩვენა, რომ ვინერის ინდექსი კორელაციაშია ალკანების ზოგიერთ ფიზიკურ თვისებასთან: დუღილის წერტილები, აორთქლების სიცხეები, მოლური მოცულობა.
ინდექსის სხვა ტიპი არ არის დაფუძნებული წვეროებს შორის დისტანციებზე, არამედ ყოველი წვეროსთვის უახლოესი მეზობლების რაოდენობაზე. მაგალითად, გამოვთვალოთ რანდიკის ინდექსი, რომელიც განისაზღვრება შემდეგნაირად:
(2)
სადაც ვმე- i-th წვერის ხარისხი, ანუ მისგან გაშლილი კიდეების რაოდენობა. ზემოთ მოყვანილი გრაფიკებისთვის, Ranic ინდექსი არის:
(3)
(4)
(5)
ეს ინდექსი ასევე მცირდება ნახშირბადის ჩონჩხის განშტოების ხარისხის მატებასთან ერთად და შეიძლება გამოყენებულ იქნას ალკანების ფიზიკური თვისებების აღსაწერად.
ალკანები ქიმიური თვალსაზრისით ორგანული მოლეკულების ყველაზე მოსაწყენი სახეობაა, რადგან ისინი არ შეიცავს რაიმე "მახასიათებელს" - ორმაგ და სამმაგ ბმებს ან სხვა ელემენტების ატომებს წყალბადისა და ნახშირბადის გარდა (ასეთ ელემენტებს ჰეტეროატომებს უწოდებენ). ჰეტეროატომების მოლეკულის შემადგენლობაში შეყვანამ შეიძლება რადიკალურად შეცვალოს ნივთიერების თვისებები. ამრიგად, მხოლოდ ერთი ჟანგბადის ატომის დამატებით გარდაიქმნება საკმაოდ ინერტული აირისებრი ეთანი C 2 ჰ 6 თხევად ეთანოლზე C 2 ჰ 5 OH, რომელიც ავლენს საკმაოდ მაღალ ქიმიურ და ბიოლოგიურ აქტივობას.
შესაბამისად, ალკანებზე უფრო რთული მოლეკულების ტოპოლოგიურ ინდექსებში გასათვალისწინებელია მრავალი ბმისა და ჰეტეროატომის არსებობა. ეს ხდება გრაფიკების წვეროებსა და კიდეებზე გარკვეული რიცხვითი კოეფიციენტების – „წონის“ მინიჭებით. მაგალითად, მანძილის მატრიცაში დიაგონალური ელემენტები შეიძლება განისაზღვროს Z ბირთვული მუხტის მიხედვითმე(გაიხსენეთ, რომ ნახშირბადისთვის Z = 6):
(6)
არადიაგონალური ელემენტები განისაზღვრება კიდეებზე შეჯამებით და თითოეული კიდე, რომელიც აკავშირებს ატომებს მუხტებთან Z.მედა ზჯ, წონა ენიჭება
(7)
სადაც b უდრის ატომებს შორის კავშირის წესრიგს (1 ერთი ბმისთვის, 2 ორმაგი ბმისთვის, 3 სამმაგი ბმისთვის). ჩვეულებრივი ნახშირბად-ნახშირბადის ერთჯერადი ბმებისთვის k = 1. შეადარეთ პროპან Wiener-ის ინდექსები C 3 ჰ 8 და შემადგენლობით მსგავსი სამი ჟანგბადის შემცველი ნივთიერება: პროპილ სპირტი C 3 ჰ 8 O, მისი იზომერული იზოპროპილ სპირტი C 3 ჰ 8 O და აცეტონი C 3 ჰ 6 ოჰ
ამისათვის ჩვენ ვიანგარიშებთ მანძილის მატრიცებს მითითებული წესების მიხედვით. მოლეკულურ გრაფიკებში მივუთითებთ ყველა ატომს წყალბადის ატომების გარდა 1)პროპანი
2) პროპილ სპირტის მოლეკულაში ჟანგბადი უკავშირდება უკიდურეს ნახშირბადის ატომს:
ერთი C–O ობლიგაციისთვის შეწონილი ფაქტორია 36/(68) = 0,75. ჟანგბადის შესაბამისი მატრიცის დიაგონალური ელემენტი:
დ 44 = 1 – 6/8 = 0.25.
ჰეტეროატომების შემცველი მოლეკულებისთვის, ვინერის ინდექსი წყვეტს იყოს მთელი რიცხვი. 3) იზოპროპილის სპირტის მოლეკულაში ჟანგბადი უკავშირდება შუა ნახშირბადის ატომს:
4) აცეტონში ატომების შეერთების რიგი იგივეა, რაც იზოპროპილის სპირტში, მაგრამ ნახშირბადსა და ჟანგბადს შორის კავშირი ორმაგია:
C=O ორმაგი ბმისთვის, წონის კოეფიციენტია 36/(268) = 0.375
როგორც ჩანს, ჰეტეროატომის დამატება ალკანების სტრუქტურაში იწვევს ვინერის ინდექსის ზრდას მანძილის მატრიცის ზომის გაზრდის გამო. მრავალი ბმის დამატება და მოლეკულის განშტოების ხარისხის გაზრდა ამცირებს ამ ინდექსს. ეს წესები ასევე მოქმედებს უფრო რთულ მოლეკულებზე. თავდაპირველად, ტოპოლოგიური ინდექსები შემუშავდა მხოლოდ ნივთიერებების ფიზიკურ-ქიმიური თვისებების პროგნოზირების მიზნით. თუმცა, მოგვიანებით მათი გამოყენება დაიწყეს სხვა პრობლემების გადასაჭრელად. განვიხილოთ ზოგიერთი მათგანი. ტოპოლოგიური ინდექსების ერთ-ერთი გამოყენება დაკავშირებულია ორგანული ნაერთების კლასიფიკაციასთან და ორგანული მონაცემთა ბაზების შექმნასთან. პრობლემაა ისეთი ინდექსის პოვნა, რომელიც ერთი-ერთზე ახასიათებს ქიმიურ სტრუქტურას და საიდანაც შეიძლება ამ სტრუქტურის აღდგენა. საჭირო ინდექსს უნდა ჰქონდეს კარგი დისკრიმინაციის უნარი, ანუ განასხვავოს ერთმანეთთან ახლოს მდებარე მოლეკულებიც კი. ეს ამოცანა რთულია, რადგან უკვე ცნობილია 20 მილიონზე მეტი ორგანული სტრუქტურა. მისი ამოხსნა, როგორც ჩანს, მოიძებნება კომპოზიტური ტოპოლოგიური ინდექსების გამოყენების შედეგად.
