立体异构体的穷举生成.ppt

* §14.4 立体异构体的穷举生成[59] 目前, 世界上具有穷举生成立体异构体的结构解析系统很少, 仅有DENDRAL[60,61], CHEMICS[62], SEMAMI[63]以及STREC[9]等, 而国内尚未见报道. 另外近来也有对化合物按照饱和与不饱和、含环与不含环对其进行分类研究立体异构的报道[64,65]. 如前所述, 在作者的实验室里, 关于结构异构体生成器已进行了较系统的研究[42,44], 特别是在拓扑等价性方面, 提出了新的算法[43,66], 使得高效、穷举、无冗余的结构生成器成为可能. 在此基础上ESESOC的立体异构体的穷举生成工作主要包括以下三个步骤: 首先由拓扑结构产生器所生成的候选化合物的二维连接表，得到化合物中的所有立体中心, 然后通过本实验室提出的拓扑等价性算法, 生成以该化合物的二维连接表作为图的自同构群, 最后, 各对应的立体中心在自同构群的作用下, 来消除冗余的立体异构体. §14.4.1 立体中心的查找 1. 碳的立体中心的查找 在立体异构体的穷举生成过程中, 立体中心的查找是至关重要的. 所谓立体中心是指能够产生立体异构的键和基团. 在有机化合物中, 由碳所导致的立体异构占大多数, 所以这里首先讨论碳的立体异构, 然后再讨论其它的立体异构如N、P、S和Si等. 碳的立体中心主要包括不对称碳、不对称的碳碳双键以及累烯键. 所谓不对称碳是指碳的4个连接不完全相同. 不对称的碳碳双键和累烯键是指双键或累烯键相连的两个碳原子在结构上是不同的. 可以看出, 结构的拓扑等价判定在立体中心的判定过程中起着重要的作用. 本实验室提出的全通道拓扑等价性算法能够正确、快速地对化合物中的拓扑结构进行等价性划分. 本研究中, 首先采用该算法对化合物结构进行等价性分析, 然后进行立体中心的查找和确认. 具体过程如下: (1)运用全通道算法[8]进行拓扑等价性划分. (2)预过滤. 把化合物的结构作为图. 即以化合物中的非氢原子作为结点, 非氢原子之间相连的键作为图的边, 并采用ESESOC系统中的结点库[64], 如表14.8所示, 把常见原子的结点分为54种. 这样, 查找立体中心, 就变成了对表14.8中54类结点的判断. 表.14.8 常见元素的节点形式 在本研究起始仅考虑碳的立体异构, 从表14.8可以看出, 只有结点4、5、7和8可能成为立体中心. 如下所示为ESESOC系统中的二维连接表, 其中, 第1列代表该结点在表14.8中的序号, 2~5列代表相连结点的序号, 6~9列代表相连键的类型, 第10列代表该结点的连接度. 所以通过简单的方法就滤除了大量的不可能成为立体中心的结点. 在预过滤阶段, 其它的结构解析系统如DENDRAL、CHEMICS 等, 是对键和原子要分别进行滤除, 本系统中只需一次即可, 所以这种滤除方法对于比较大的分子其运行速度明显优于其它系统. (1)为了表达立体中心, 把ESESOC系统中的二维连接表进行了扩展, 增加了两列, 即第十一列代表该结点是否为不对称碳: 是置为1, 可能为-1, 否为0. 第十二列代表该结点的双键是否为不对称的双键: 是置为1, 可能为-1, 否为0. 对于表14.8中结点4、7, 置其第十一列为-1, 而对于结点5和8, 则置其第十二列值为-1. (2)当化合物的结构图经过预过滤后, 需要对剩余的可能为立体中心的结点进行判定, 该种判定是对每一可能为立体中心的结点进行拓扑等价性分析, 这种判定为一循环过程, 该过程直到可能的立体中心数目不再减少为止. 在判定过程中, 主要遵从以下规则: 规则1: 对于碳原子, 如果与该结点相连的四个紧邻是拓扑不等价的, 那么该结点为立体中心; 对于双键, 如果与之相连的两个结点的邻接拓扑均不等价,那么该双键为立体中心. 规则2: 对于表14.8中4和7, 如果相连的四个邻接全部是拓扑等价或部分拓扑等价, 这时要判断该结点是否为立体中心就要根据Td群的五个等价类分别予以考虑. 如表14.9所示. 表14.9四面体自同构群的五种置换 a 置换循环类型1a2b3c4d意思是指长度为1的循环的个数为a, 长度为2的循环的个数为b, 等等. 对于14, 就是指4个邻接结点全部拓扑不等价, 即规则1的情况. 对于122, 指的是4个邻接结点中有一对拓扑等价, 此时从一个拓扑等价结点出发, 对该结构图进行深度优先遍历到另一拓扑等价结点, 如果在这过程中发现另外的立