автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Системный анализ и подготовка информации о химических структурах с целью разработки модели конструктора активных добавок для полимерных композитов

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

1.1. Компьютерные методы анализа и использования информации о химических структурах в области изучения строения и свойств веществ.

1.1.1. Дескрипторы - как форма представления информации о структуре химического соединения.

1.1.2. Моделирование взаимосвязи структура - свойство на основе статистической обработки информации.

1.2. Подготовка информации и создание баз данных, использующихся в процессе конструирования.

1.2.1. Характеристика банков данных структур химических соединений.i.

1.2.2. Программные комплексы для работы с информацией баз данных.

1.3. Проблема конструирования активных химических структур с использованием информационных ресурсов.

Глава 2. Системный анализ информации о полистироле, композициях на его основе и конструкционных материалах из них.

2.1. Промышленный синтез полистирола.

2.2. Области применения полистирола.

2.3. Методы регулирования свойств материалов на основе полистирола.

2.3.1. Антиоксиданты.

2.3.2. Термостабилизаторы.

2.3.3. Светостабилизаторы.

2.3.4. Пластификаторы.

2.3.5. Антипирены.

2.3.6. Вспенивающие агенты.

2.3.7. Красители.

2.3.8. Смазки.

2.3.9. Наполнители.

2.4. Системный анализ информационных потоков по полистиролу и полистирольным пластикам.

2.4.1. Информационный поток по органическим добавкам к полистиролу и полистироль ным пластикам.

2.4.2. Дифференциальный анализ информационного потока по полистиролу.

Глава 3. Формирование, систематизация и обработка информации по добавкам к полистиролу для базы данных

3.1. Представление информации о химических структурах в виде дескрипторов.

3.2. Статистическая база данных добавок к полистиролу.

3.2.1. Методика использования информации.

3.2.2. Архитектура базы данных.

3.2.3. Функции информации в базе данных.

Глава 4. Формирование набора деталей для конструктора химических структур.

Глава 5. Теоретические основы конструирования химических структур.

5.1. Математическая задача конструирования технических объектов из деталей конструктора путем бинарного синтеза.

5.1.1. Теоретическая постановка задачи.

5.2. Формализация объектов исследования на примере задачи конструирования химических структур.

5.3. Оценка сложности алгоритма конструирования химических структур.

5.4. Методика конструирования химических структур, как предпроектной основы разработки и создания полистирольных пластиков.

Глава б. Примеры конструирования перспективных химических структур для создания новых технических решений в области полистирольных пластиков.

Выводы.

Конструирование новых конкурентоспособных технических объектов (ТО) в большинстве случаев невозможно без системного анализа, структурирования и использования информации в предметной, смежной, а часто и в далекой областях. Особенно продуктивно, учитывая ее почти неисчерпаемые ресурсы, информация используется в системах автоматизированного проектирования (САПР) возникших как результат компьютерной техники, кибернетических и информационных подходов. Однако при внешней сравнительной простоте применение САПР как инструмента конструирования показывает, что связь элементов приводящих на ранней стадии проектирования к появлению ТО основана на использовании мировых информационных ресурсов. Поэтому само создание САПР, прежде всего, связано с системным анализом и подготовкой к использованию в диалоговом режиме необходимой научно-технической информации.

Сказанное полностью относится к такому техническому объекту как вещество, конструирование и проектирование которого средствами САПР на основе использования баз данных (БД) все больше вытесняет интуитивное, так как открывает широкие возможности для оптимизации процесса создания веществ с заданными свойствами. Последнее необходимо пояснить.

Вещество с заданными свойствами - это проектируемый ТО, который при его практическом осуществлении с определенной вероятностью реализует закладываемые в проект технические характеристики. Применительно к веществу в соответствии с прогрессом техногенного процесса - это не только физико-химические, эргономические, экономические, другие эксплуатационные параметры, но и важнейшие в современных условиях, экологические факторы. Задача проектирования и конструирования вещества с заданными свойствами не может быть поставлена и решена без учета требований экологии. В идеале вещество должно быть безопасным -это необходимо поставить во главу всей проблемы. Учитывая сказанное, возникает ряд вопросов, которые в определенной идее образуют план настоящей диссертации, и на некоторые из них автор в пределах своих возможностей попыталась ответить :

1. Какая информация о химических веществах должна быть собрана, систематизирована и подготовлена для создания элементной базы фрагментов (деталей конструктора) ?

2. Какие соединительные детали надо выбрать для «сборки» вещества?

3. Учитывая, что конструируемое вещество на предпро-ектной стадии является виртуальным объектом, какие математические и программные ресурсы необходимо использовать для продуктивной работы?

4. Как обеспечить конструирование экологически безопасного вещества, обладающего необходимым набором физико-химических и технологических свойств?

5. Как проверить будет ли вещество отвечать поставленным условиям и удастся ли его синтезировать?

6. Будет ли являться виртуальный объект товарным продуктом?

Этот список можно значительно расширить. Однако в своей работе мы не ставим задачу исчерпывающе ответить на все вопросы, которые возникли и могут возникнуть в связи с созданием системы автоматизированного конструирования веществ с заданными свойствами и их предпроектной диагностики. Мы решали более узкий класс задач, ограничив круг ТО характеризуемых как вещество только индивидуальными органическими соединениями (ОС) и их химическими структурами. Но и в таком виде эти задачи охватывают миллионы реальных веществ и десятки миллионов виртуальных. Поэтому мы еще больше сузили это пространство и, учитывая научные интересы коллектива, в котором выполнялась настоящая работа, в качестве конкретного ТО выбрали органические добавки к полистиролу и композициям ее его основе, а в необходимых случаях и другим полимерным композитам.

Кроме того, учитывая достижения в области теории распознавания образов и искусственного интеллекта [1, 2], мы сформировали идею конструирования структуры нового органического соединения (виртуального) , используя структуры веществ с известными физико-химическими, технологическими и экологическими свойствами, хранящихся в базе данных ЭВМ. Понятно, что такая база данных должна создаваться на основе проведения системного анализа и обработки химической информации.

При подготовке информации, создании конструктора и методики конструирования химических структур мы широко использовали общепринятый в научно-технической среде постулат «сходные вещества имеют сходные характеристики». Распространили его на детали конструктора «сходные детали (функциональные группы ОС) имеют сходные функции (проявление этих функций)».

Рис.1. Примерная последовательность действий при разработке реальной модели конструктора активных добавок.

Отметим также, что предлагаемая работа вписывается в перечень приоритетных направлений фундаментальных исследований утвержденных на заседании Президиума РАН от 13.01.98г. направление 3.2. «Зависимость структура -свойство».

Постановка данной работы была бы невозможна без серьезных достижений в области определения и прогнозирования вида активности химических соединений вычислительными методами и средствами [3 -5]. Об этом речь пойдет ниже, поскольку в большой степени решает обратную задачу: исходя из заданных свойств и набора структур, связанных этими свойствами, сконструировать химическую структуру, которая с наибольшей вероятностью будет отвечать зависимости «свойство - структура».

Учитывая вышесказанное, целью настоящей работы является сбор и системный анализ информации о химических структурах веществ, используемых в качестве добавок к композициям на основе полистирола, создание набора деталей (элементов) для конструирования новых структур с заданными свойствами и разработка научно-методических основ конструирования безопасных активных добавок. Сама постановка задачи является новой. Этапы достижения цели представлены на рис.1.

выводы.

1. На основе сбора, анализа и систематизации информации о химических структурах создана актуальная база данных добавок к полистиролу и полистирольным пластикам.

2. Исследованы информационные потоки в области полисти-рольных материалов, выделены их особенности статистическими методами, обоснована актуальность, новизна и мировой уровень данной работы.

3. Химические структуры (добавки) с помощью дескрипторов структурной формулы преобразованы в статистические образы, характеризующие различные технологические свойства (функции) проявляемые при их использовании в полимерных композитах.

4. На основе анализа и исследования вероятностными методами статистических образов созданы наборы базовых структур, основных и соединительных деталей (дескрипторов) в качестве действующей модели конструктора активных химических структур.

5. Сформирована и теоретически решена задача бинарного синтеза при конструировании химических структур на основе использования дескрипторов. Оценена сложность алгоритма конструирования при возможной разработке САПР.

6. Разработана методика конструирования химических структур на основе использования информации об активных соединениях, их статистических образов (дескрипторов -деталей конструктора). Дана вероятностная оценка возможной экологической опасности и технологических свойств новых веществ, как добавок к полимерным композитам .

7. Проведено конструирование новых химических структур с использованием базовой структуры адамантана и др. Совместно с синтетиками проведен синтез и апробация веществ в качестве добавок к полимерным композитам. Подготовлены патентоспособные технические решения.

8. Сделано предложение об использовании данных разработок в учебном процессе высшей школы, в технологических курсах, практических занятиях и лабораторных практикумах .

Администрация Волгоградской области Областной комитет по делам молодежи Совет ректоров ВУЗов

Награждаются аспиранты Волгоградского государственного технического университета Колесникова Е.А. и Цаплева М.Н. за работу

Компьютерная диагностика экологической безопасности органических соединений на примере полимерных композиций" (научный руководитель Дербишер В.Е.), занявшую первое место на V Региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области по направлению "Экология, охрана среды, строительство".

Заключение.

На сегодняшний день, исходя из мировой практики, в технологическом процессе все быстрее развивается конкуренция ТО, создаваемых на стадии творческих идей, пред-проектных проработок, виртуальных объектов и т.д. Идет интенсификация интеллектуального труда, привлечение вычислительных средств, как помощи для принятия быстрого решения не в только рутинных, но и творческих задачах, всестороннее использование информационных ресурсов.

Разработанная в настоящем исследовании методика использования химической информации, которая легко компьютеризуется, может быть применена для активной помощи в решении задач по созданию перспективных безопасных веществ, как один из вариантов поддержки инженерного творчества. Мы считаем, что рассмотренные подходы могут обеспечить, по крайней мере, следующие факторы: разработать четкую стратегию постановки натурного эксперимента в химии и химической технологии; снизить экологический риск от создания вредных веществ; расширить пространство патентоспособных технических решений в области полимерных композиций; ускорить создание новых химических соединений с заданными свойствами; сберечь время ученого и технолога; дать толчок для постановки вычислительного эксперимента в практических и лабораторных работах в учебном процессе высшей школы.

1. Джуре П., Айзенауэр Т. Распознавание образов в химии. — М.: Мир, 1977. — 232 с.

2. Поспелов Г.С. Системный анализ и искусственный интеллект для планирования и управления // Кибернетика. Дела практические. М.: Наука, 1984. - С.141 - 151.

3. Розенблит А. Б., Голендер В. Е. Логико-комбинаторные методы в конструировании лекарств. — Рига: Зинатне, 1983. — 352 с.

4. Барлоу Р. Введение в химическую фармакологию. — М.: Издательство иностранной литературы, 1959. — 464 с.

5. Джонсон К. Уравнение Гаммета. — М. : Мир, 1977.— 240 с.

6. Жукова Т. Б., Анисимов А. В. Тимофеев В. С. Компьютерный синтез химических реакций с участием соединений одинакового брутто-состава // Теоретич. основы хим. технологии. — 1997. — т. 31, №5. — С. 524-526.

7. Goodford P. G. Prediction of pharmacological activity by the method of physicochemical — activity relationships // Advances in Pharmacology and Chemotherapy.— New York — London, 1973. — v. 11. — C. 51-97.

8. Раевский О.А., Сапегин A.M. Возможности и перспективы конструирования биологически активных веществ // Успехи химии. 1988 . - т.57, вып.9. - С.1565-1584.

9. Ю.Стьюпер Э. и др. Машинный анализ связи химической структуры с биологической активностью. М. : Мир, 1982 . 235с.

10. Системы структурных дескрипторов для решения задач структура — свойство органических соединений / М. И. Кумсков, Е. А. Смоленский, Л. А. Пономарева, Д. Ф. Митю-шев, Н. С. Зефиров // Докл. АН (Россия). — 1994. — 336, №1. — С. 64-66.

11. Применение теории графов в химии. / Под ред. Н.С. Зефирова, С.И. Кучанова. Наука, Новосибирск, 1988. 306 с.

12. Витюк Н. В. "Цепные" топологические индексы для решения прямой и обратной задач "структура — свойство"// Ж. физ. химии. — 1993. — 67, №10. — С. 10.

13. Витюк Н. В., Воскресенская Е. Б. Дескрипторно-топологическая модель молекулы в анализе связи "структура— активность" замещенных фенилэтиламинов // Хим.-фармац. ж. — 1995. — 29, №11. — С. 34-36.

14. Рувре Д. В кн. Химическое приложения топологии и теории графов. (Под ред. Р. Кинга). Мир, Москва, 1987. С.181.

15. Раевский О.А. Дескрипторы молекулярной структуры в компьютерном дизайне биологически активных веществ // Успехи химии. 1999. - т.68, вып.6. - С.555-574.

16. Zalewski R. I. Structure — sweet taste relationship by discriminant and principal analysis: Rapp. Sess. "Anal. correl. chim. organ.", Paris, 1-7 juill., 1991 // J. chim. phys. et phis.-chim. biol. — 1992. — 89, №7-8. — C. 1507-1516.

17. God Anshu, Madan A. K. Structure activity study on antiulcer agent using Wiener's topological index and molecular connectivity index // J. Chem. Inf. and Corn-put. Sci. — 1995. — 35, №3. — C. 504-509.

18. Randic M. Restricted random walks on graph // Theor. chim. acta. — 1995. — 92, №2. — C. 97-106.

19. Judson Philip N. Structural similarity searching using descriptors developed for structure-activity relationship studies // J. Chem. Inf. and Comput. Sci. — 1992. — 32, №6. — C. 657-663.

20. Параметры формы молекул пептидов как дескрипторы при решении задач QSAR /В. Е. Кузьмин, J1. П. Тригуб, Ю. Е. Шапиро, А. А. Мазуров, В. В. Позигун, В. Я. Горбатюк,

21. С. А. Андронати // Ж. структур, химии. — 1995. — 3 6, №3. — С. 509-517.

22. Авидон В.В., Голендер В.Е., Розенблит А.Б. В кн. Методы представления и обработки структурной информации для анализа связи структура активность. ИОСАН ЛатССР, Рига, 1981. С. 88.

23. Le Т. D. , Weers J. G. QSPR and GCA models for predicting the normal boiling points of fluorocarbons // J. Phys. Chem. — 1995. — 99, №17. — C. 6739-6747.

24. Велик А. В., Белоусов Д. В., Потемкин В. А. Исследование термической перегруппировки Ауверса с помощью, зависящего от температуры нового "частотного" дескриптора // Хим. ж. Урал, ун-тов. — 1995. — 2. — С. 113-117.

25. Раевский О.А. Развитие концепции молекулярного распознавания // Успехи химии. 1990. - т.89, вып. 8. -С.109-119.

26. Раевский О.А. Введение в конструирование биологически активных веществ. М.: МХТИ, 1984. 80 с.

27. Hansch С., Maloney P. P., Fujita Т. Correlation of biological activity of phenoxyacetic acids with Hammett Substituent Constants and partition coefficients // Nature. — 1962. — 194, №4824, C. 178.

28. Hansch C., Fujita Т. p-a-n Analysis. A method for the correlation of biological activity and chemical structure // Journal of American Chemical Society. —1964. — 86 — C. 1616-1626.

29. Малиновский JI.Г. Классификация объектов средствами дискриминантного анализа. М.: Наука, 1979. - 123с.

30. Налимов В.В. Применение математической статистики при анализе вещества. М.: Наука, 1960. - 214 с.

31. Самарский А. А., Гулин А. В. Численные методы.— М.: Наука, 1989. — 432 с.

32. Мешалкин В. П. Экспертные системы в химической технологии. — М.: Химия, 1995. — 368 с.

33. ЗЭ.Блохнин А. Н. Нечеткий вывод, использующий преобразование функций принадлежности // Теория и системы управления. — 1997. — №5. — С. 119-124.

34. Батыршин И. 3. Представление и обработка нечеткой информации в интеллектуальных системах: Автореф. дис. на соискание уч. ст. докт. техн. наук / Ин-т прогр. систем РАН. — Переяславль-Залесский, 1996. — 38 с.

35. Данилкин Ф. А. Методы обработки изображений на основе теории нечетких множеств в информационно-измерительных системах: Автореф. дис. на соискание уч. ст. канд. техн. наук / Тул. гос. ун-т. — Тула, 1996. — 18 с.

36. Кокорева JI.В., Мешалкин И.И. Проектирование банков данных. М. Наука. Главная редакция физико-математической литературы., 1984 - 256 с.4 8.Глушаков С.В., Ломотько Д. В. Базы данных. М. : ООО «Издательство ACT», 2002. - 504 с.

37. Кулешова Л.Н., Антипин М.Ю. Кембриджский банк структурных данных как инструмент изучения общих закономерностей органических молекулярных кристаллов.//Успехи химии. 1999. - т.68, вып.1.- С.3-8.

38. Бутенко Л. Н., Бутенко Д. В. Разработка автоматизированного банка химических реакций // Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов / Волгоградский гос. технич. ун-т. — Волгоград, 1994. — С. 18-22.

39. Каблов В. Ф., Шевчук В. П. Использование автоматизированных банков данных для проектирования рецептуррезин / Волгоградский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт. — Волгоград, 1988. — 112 с.

40. Green Christ The RAPRA abstracts rubber and plastics database // J. Chem. Inf. and Comput. Sci. — 1991. — 31, №4. — C. 476-481.

41. Уайф Р. Изобретение лекарств в новом тысячелетии: размышления химика // Российский химический журнал. -1999. т.43, вып.5. - С.108-114.

42. Полистирол: физико-химические основы получения и переработки /Под ред. А.А. Малкина, Вольфсон и др. М. : Химия, 1975. - 288 с.

43. Кацнельсон М.Ю., Балаев Г.А. Пластические массы: свойства и применение: Справочник изд. 3-е, перераб. -Л.: Химия, 1978 - 384 с.

44. Переработка пластмасс: справочное пособие /Под ред. В.А. Брагинского JT. : Химия, 1985 - 294 с.

45. Химическая энциклопедия: В 5 т. / Гл. ред. И. JI. Кнунянц. — М. : Советская энциклопедия, 1988-1995. — Т. 1-4 .

46. Вспомогательные вещества для полимерных материалов: Справочник / Под ред. К. Б. Пиотровского. — М.: Химия, 1966. — 176 с.

47. Горбунов Б. Н., Гурвич Я. А., Маслова И. П. Химия и технология стабилизаторов полимерных материалов. — М.: Химия, 1981. — 368 с.

48. Химические добавки к полимерам: Справочник. — М.: Химия, 1973. — 271 с.

49. Химические добавки к полимерам: Справочник / Под ред. И. П. Масловой — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Химия, 1981. — 262 с.

50. Барштейн Р. С., Кирилович В. И., Носовский Ю. Е. Пластификаторы для полимеров. — М.: Химия, 1982. — 197 с.

51. Химикаты для полимерных материалов: Справочник.— М.: Химия, 1984. — 320 с.

52. Рэнби В., Рабек Я. Фотодеструкция, фотоокисление, фотостабилизация полимеров: Пер. с англ. — М. : Мир, 1978. — 676 с.

53. Справочник по пластическим массам: В 2 т. / Под ред. М. И. Гарбара. —М.: Химия, 1969. — Т. 2. — 517 с.

54. Справочник по пластическим массам: В 2 т. / Под ред. В. М. Катаева. — 2-е изд., перераб. и доп. — М. : Химия, 1975. — Т. 1. — 446 с.

55. Шефтель В. О. Полимерные материалы. Токсические свойства. — JI.: Химия, 1982. — 240 с.

56. Кодолов В. И. Замедлители горения полимерных материалов. — М.: Химия, 1980. — 269 с.7 3.Тиниус К. Пластификаторы: Пер. с нем. — J1.: Химия, 1964. — 915 с.

57. Пластификаторы сложноэфирного ряда: Каталог. — Черкассы, 1989.

58. Грасси Н., Скотт Дж. Деструкция и стабилизация полимеров: Пер. с англ. — М. : Мир, 1988. — 246 с.

59. Шляпников Ю.А. Антиокислительная стабилизация полимеров. М.: Химия, 1986. - 252 с.

60. Модификация полимерных материалов: Сб. науч. трудов /Рижский политехи, ин-т. Рига, 1987. - 127 с.

61. Наполнители для полимерных композиционных материалов: справ. Пособие /Под ред. Дж. Милевски, Г. Кац. М.: Химия, 1981. - 736 с.

62. Асеева P.M., Заиков Г.Е. Горение полимерных материалов. М.: Наука, 1981. - 280 с.

63. Изделия из пластмасс: Справ, руков. по выбору, применению и переработке. М. : НПКП «Радиапласт», 1992. - 199 с.

64. Липатов Ю.С., Денисенко JI.B. Роль специализированных изданий в формировании информационных потоков в области многокомпонентных полимерных систем //Композиционные полимерные материалы. 1984. №1. -С. 3 - 8.

65. Липатов Ю.С., Денисенко Л.В. Некоторые особенности формирования структуры и тенденции развития информационных потоков в области исследования пластических масс //Композиционные полимерные материалы. 1984. №5 -С. 17 - 22.

66. Александров Е. А. Основы теории эвристических решений. — М.: Советское радио, 1975. — 254 с.

67. Дербишер В. Е., Гермашев И. В., Колесникова Е. А. Компьютеризированная методика прогнозирования активных добавок к полимерным композициям // Пластические массы.1999. — №2. — С. 32-36.

68. Гермашев И. В., Дербишер В. Е., Васильев П. М. Прогнозирование на основе вероятностных методов активности низкомолекулярных органических соединений в полимерных композициях. // Теоретические основы химической технологии, 1998, №5, с. 563-567.

69. Кнут Д. Э. Искусство программирования, том 3. Сортировка и поиск — М.: Издательский дом «Вильяме», 2000. 832 с.

70. Васильев Ф. П. Численные методы решения экстремальных задач. — М.: Наука, 1988. — 552 с.

71. Famini George R., Penski Carl A., Wilson Leland Y. Using theoretical descriptors in quantitative structure — activity relationships: Some physicochemical properties. // J. Phys. Org. Chem., 1992, №7, c. 395-408.

72. Математический энциклопедический словарь /Гл. ред. Ю. В. Прохоров. — М. : Большая российская энциклопедия, 1995. — 847 с.

73. Музафаров A.M., Ребров В.А., Папков B.C. Объемно-растущие полиорганосилоксаны, возможности молекулярного конструирования в высокофункциональных системах //Успехи химии, 1991. Т.60. - вып.7. - С. 1596-1602.

74. Аскадский А.А., Клинских А.Ф. Компьютерный дизайн полимеров и метод атомных инкрементов //Высокомолекулярные соединения, 1999. Т.41. - №1. - С.83.85.

75. Васильев П.М., Дербишер В.Е., Орлов В. В. Способ прогноза свойств химических соединений методом фазового расстояния //Химия и технология элементоорганических мономеров и полимерных материалов: Сб. науч. тр. /ВолгГТУ. Волгоград, 1999. - С. 57 - 61.

76. Васильев П.М., Орлов В.В., Дербишер В.Е. Прогноз канцерогенной опасности органических соединений методом шансов //Хим.-фарм. журн. 2000. - Т.34. - №7. -С. 19 - 22.