Введение к работе
Актуальность темы, Пысокоэиергстическне вещества широко используются в современной химии и технологии в качестве источников анергии, компонентов взрывчатых состявов (DC) н ракетных топлнв (РТ). Актуальной является задача разработки пооых эффективных вещестп и определения характеристик уже синтезированных веществ с точки зрения их эффективности II безопасности, Аналогичные проблемы встают и при синтезе других органических соединений с заданными свойствами.
Необходимый при этом этап экспериментального скрининга является дорогостоящим и трудоемким процессом, возможности которого становятся все более ограниченными с появлением новых веществ и необходимостью определения характеристик большого количества синтезированных н гипотетических исіцестя.
Поэтому в последнее время все более широко применяются универсальные методы компьютерной . обработки химических соединений и оценки их параметров, которые можно рассматривать как предварительную теоретическую опенку свойств химических веществ перед стадией экспериментального скрининга. Не претендуя на точность экспериментального определения характеристик химических соединений, они способны относительно быстрым и дешевым способом по введенным в компьютер данным о строении и свойствах уже исследованных соединений оценить эти характеристики для новых соединений и отобрать из них наиболее перспективные для синтеза. Применение этих методов позволяет значительно сократить трудоемкость и затраты на получение веществ с заданными свойствами. Компьютерные методы, направленные на оценку количественных характеристик широких классов химических веществ, выделились п отдельную быстро растущую научную дисциплину количественая связь "структура свойство" (QSPR Quantative Structure-Property Relationship). Поскольку эффективность существующих компьютерных программ, как правило, невысока, актуальной представляется задача повысить эффективность компьютерных методов за счет учета специфики задачи построения корреляций "структура-свойство".
D настоящей работе предложен и реализован метод построения регрессионных уравнений, связывающих свойства с химической структурной формулой веществ и проиллюстрирована его эффектипность на примере энергоемких материалов.
Как известно, при теоретической оценке эффективности взрывчатых веществ наибольший интерес представляют такие параметры, как энергосодержание (энтальпия образования веществ), параметры термической стабильности и чувствительность веществ к разного рода воздействиям. Для оценки энтальпии образовании используются аддитивные расчетные схемы, а также методы молекулярной механики и квантовой химии. Однако, эти методы дают значительную погрешность в вычислениях для полиазотистых соединений, поскольку' в основе их методологии лежит трансферабелыюсть параметров и аддитивность свойств, что для полназотистых веществ часто не выполнимо. Параметры термической стабильности (например, энергии активации реакции термолиза) рассчитываются только полуэмпирическими киантовохимнческими методами с низкой точностью. Для чувствительности к механическому удару падежных методой оценки параметров практически не существует. Поэтому актуальной представляется задача применить новые в этой области исследований подходы QSPR с целью получения надежных схем расчета этих свойств.
Цель работы, Целью работы ивилось разработка вычислительной схемы для прогнозировании свойств органических соединений и предсказание ряда физико-химических параметров на этой основе.
В соответствии с целью работы задачи формулировались следующим образом:
-
разработка методики построения моделей QSPR и вычислительной схемы на ее основе, ориентированной на высокую прогнозирующую способность получаемых моделей корреляций "структура-свойство",;
-
создание программного комплекса, реализующего предложенную методику;
-
проверка эффективности методологии и иллюстрация эффективности разработанной программы в применении к исследованию трудно-оцениваемых физико-химических свойств пысокоэнергетнческих полиазотистых соединений;
-
прогнозирование ряда свойств для гипотетических соединений.
ЦазаіШИІовизіїа .зшшочаи-слицаедукішеш 1) предложена новая методика построения моделей QSPR. Она включает в себи математическую постановку задачи QSPR, методы
построения линейных уравнений и способы оценки и интерпретации моделей с точки зрении их предсказательной способности;
-
разработана компьютерная программа "ЭММА" (Эффективное Моделирование Молекулярной Лктипностн), эффективно реализующая предложенную методику построения моделей QSPR;
-
проиллюстрирована высокая эффективность методов QSPR при моделировании спойстп полиазотнетых веществ;
4) с помощью разработанной программы построены модели,
позволяющие оценивать важнейшие характеристики
высокоэпсргстическнх полиазотнетых веществ: энтальпию
образования, некоторые параметры термической стабильности и
чувствительность веществ к механическому удару.
Практическая ценность работы состоит а том, что создан программный комплекс, показавший свою высокую эффективность при количественной оценке, энергетических характеристик, на основе данных о сотипх веществ. Показана высокая пропюзпрующап способность построенных модельных уравнений в сравнении с существующими аддитивными схемами. Благодаря своей открытой архитектуре существующий программный комплекс может быть использован для построения н анализа новых дескрипторов химических соединений широкого спектра действия,
Апробация^ Основные результаты работы доложены на Первой
Всесоюзной конференции по теоретической органической химии
(Волгоград, 1991), 9-й Всесоюзной конференции "Химическая
информатика" (Черноголовка, 1992), 18-м Международном
пиротехническом семинаре (Колорадо, США, 1992), на семинаре академика Н.С.Зефирова в МГУ (Москва, 1991).
ЩбліІКЗіШйі По материалам диссертации опубликовано 4 печатных труда.
Структура и.объем диссертации, Диссертация состоит из введения, четырех глав, библиографии и заключения.
В первой главе содержится обзор основных методов построения линейных моделей : метода построения всех возможных регрессий, метода "ветвей и границ", пошагового метода, регрессии на главных компонентах, регрессии на собственных значеннях, регрессии на частичных главных компонентах (PLS), ридж регрессии, эволюционного метода МГУЛ.
Вторая глава посвящена изложению новой методики, предназначенной для построения прогнозирующих моделей QSPR.
В третьей главе описана программа "ЭММА", реализующая алгоритм.
В четвертой главе приводятся полученные модели расчета физико-химических параметров для энергетических иитросоедииений и расчета характеристик ряда реальных и гипотетических соединений.
В приложении приводятся формулы расчета основных характеристик моделей, получаемых программой "ЭММА".