結(jié)構(gòu)解析專家系統(tǒng)ESESOC演講PPT

1、結(jié)構(gòu)解析專家系統(tǒng)ESESOC 主要內(nèi)容 結(jié)構(gòu)解析專家系統(tǒng)概述 拓撲結(jié)構(gòu)窮舉生成 立體異構(gòu)的窮舉生成 1.結(jié)構(gòu)解析專家系統(tǒng)ESESOC概述 專家系統(tǒng)是一個智能計算機程序系統(tǒng)，其內(nèi)部含 有大量的某個領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R與經(jīng)驗，能夠利用 人類專家的知識和解決問題的方法來處理該領(lǐng)域問題。 近年來，專家系統(tǒng)在化學領(lǐng)域的應用主要集中在：(1) 譜圖解析和有機化合物結(jié)構(gòu)的闡明；(2)分離科學；(3) 實驗方案的最優(yōu)設(shè)計；(4)工業(yè)生產(chǎn)的流程控制；(5)計 算機輔助合成路徑方案選擇等。 世界上第一個專家系統(tǒng)誕生于化學領(lǐng)域，即 DENDRAL系統(tǒng)，于1965年在美國斯坦福大學開始研制， 該系統(tǒng)利用低分辨質(zhì)譜和核磁

2、共振波譜來進行有機化 合物的結(jié)構(gòu)解析。 長春應化所的許祿等人的研究室在國家 自然科學基金的資助下，自1987年起在 CLAC13CNMR數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行 有機化合物的結(jié)構(gòu)解析專家系統(tǒng)的研究， 開發(fā)了計算機自動解析專家系統(tǒng)ESESOC I(Expert System for the Elucidation of the Structures of Organic Compounds) 。ESESOC 系統(tǒng)經(jīng)歷了ESESOC -I與ESESOC-II，E S E S O C I系統(tǒng)只能用于含C，H，O有機 化合物 結(jié)構(gòu)解析，而ESESOC II能用于含多種 雜原 子的有機化合物結(jié)構(gòu)的解析。

3、ESESOC系統(tǒng)包括3個部分: 光譜知識庫及 其解析系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生器和結(jié)構(gòu)驗證系統(tǒng) 。 其結(jié)構(gòu)解析過程為: 從分子式或光譜數(shù)據(jù)出發(fā)推導出與之相 一致的子結(jié)構(gòu)約束條件即化合物結(jié)構(gòu)碎片 等， 在其約束下用結(jié)構(gòu)產(chǎn)生器窮舉生成所有 的結(jié)構(gòu)異構(gòu)體，即候選化合物， 最后進行結(jié)構(gòu)的確證并進行結(jié)構(gòu)輸出。 結(jié)構(gòu)產(chǎn)生 器是結(jié)構(gòu)解析專家系統(tǒng)的核心 部分，一個結(jié)構(gòu)產(chǎn)生器應滿足 4個要 求: ( l ) 窮舉性； (2)非冗余性；(3)有效性（避免出 現(xiàn)產(chǎn)生小分子的分支從得不到整體結(jié)構(gòu)）； (4)能接受各種約束條件。 ESESOC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)生成過程分為三步進 行，即利用組合算法先窮舉出結(jié)構(gòu)基元向 量,之后從結(jié)構(gòu)基元向量

4、窮舉產(chǎn)生結(jié)構(gòu)片段 向量, 并得到結(jié)構(gòu)片段集，然后由結(jié)構(gòu)片 段集對接得到整體結(jié)構(gòu)。接下來將以 ESESOC的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生器為例來介紹結(jié)構(gòu)窮舉 生成算法。 2. 拓撲結(jié)構(gòu)窮舉生成 2.1 結(jié)構(gòu)基元和結(jié)構(gòu)片段 把有機化合物結(jié)構(gòu)的最基本單位的元素組成 稱為結(jié)構(gòu)基元， 即把所有的氫原子都分配到非氫 原子上. 在ESESOC系統(tǒng)中， 對含有C、H、O、N、 P、Si、F、Cl、Br、I等十一種元素的有機化合物 共22種結(jié)構(gòu)基元。 1CH32CH23CH4C 5OH6O7SH8S 9NH210NH11N12PH2 13PH14P15SiH316SiH2 17SiH18Si19F20Cl 21Br22I 表2-1

5、 22種結(jié)構(gòu)基元 結(jié)構(gòu)片段是由 結(jié)構(gòu)基元衍生而來 的，首先要列舉出 結(jié)構(gòu)基元上的所有 可能帶有的鍵屬性， 如對CH2有: CH2=， -CH2-，然后把CH3-， O= 等部分只具有 單一自由鍵的單原 子基團組合到含多 個自由鍵的基團上， ESESOC系統(tǒng)中對上 述11種元素共有 109個結(jié)構(gòu)片段(見 右圖及下一張）。 表2-2 19 CH3C 56 O=N 93 P(S) 20(CH3)2C=57 S=N 94 CH3P(S) 21 C=O 58 (O)S=N 95 (CH3)2P(S) 22 C=S 59 NH=N 96 SiH3 23 C=NH 60 N-=N+=N 97 SiH2 24

6、 C(=N+=N-) 61ArN98 CH3SiH2 25 CH3C(=O) 62 N(O) 99 SiH 26 CH3C(=S) 63 CH3N(O) 100 CH3SiH 27 CH3C(=NH) 64 (CH3)2N(O) 101 (CH3)2SiH 28 CH3C(=N+=N-) 65 N(O)= 102 Si 29 (b)ArC 66 CH3N(O)= 103 CH3Si 30CH3ArC67 O=N(O) 104 (CH3)2Si 31 (c)ArC 68 S=N(O) 105 (CH3)3Si 32 C 69 NH=N(O) 106 F 33 CH3C 70 N-=N+=N(O)

7、 107 Cl 34 CHC 71ArNO108 Br 35 NC 72 HS 109 I 36 N(O)C 73 S 37=C=74 CH3S 表2-2 2.2 從分子式到結(jié)構(gòu)片段集 2.2.1 結(jié)構(gòu)基元向量的窮舉生成 ESESOC共有22個結(jié)構(gòu)基元，若用ni表示序號為 i的結(jié)構(gòu)基元的個數(shù)， 則稱向量N(n1，n2，n22) 為結(jié)構(gòu)基元向量，結(jié)構(gòu)基元向量求法步驟如下： 將H分組，即把H分配到非一價元素上。 將各組原子分得的氫原子劃分到本組各個原 子上。 結(jié)構(gòu)基元向量的窮舉生成。 2.2.2 結(jié)構(gòu)片段向量的窮舉生成 在ESESOC系統(tǒng)中共有109個結(jié)構(gòu)片段，若以li(i=1， 2，109)表示

8、序號為i的結(jié)構(gòu)片段的個數(shù)，則向量 L(l1，l2，l109)就是結(jié)構(gòu)片段向量。由結(jié)構(gòu)基元向量 窮舉生成結(jié)構(gòu)片段向量可分為二步進行： 由于表2-2中1 CH2，2 CH3CH2，3 CH2= 三個結(jié)構(gòu)片段個數(shù)和應等于n2 (即CH2的個數(shù))， 所以NCH = l1+l2+ l3； 再計算NC=l14+l15+l16+l42； NCH = n3-l34，所以NCH=l4+l5+ l6+ l13 ； NN = n9-2l13-2l24-2l28-l35-l36-2l41-l42， 所以 NN=l51+l52+l71； 如此依次將所得到的基元向量的數(shù)目分解為結(jié)構(gòu) 片段向量數(shù)目之和。 考慮所有的109種

9、結(jié)構(gòu)片段，便可得窮 舉的結(jié)構(gòu)片段向量。由結(jié)構(gòu)片段向量中的 所有元素構(gòu)成了結(jié)構(gòu)片段集，要做如下測 試： 1.單鍵、雙鍵、叁鍵必須成對出現(xiàn)； 2.結(jié)構(gòu)片段集里的所有結(jié)構(gòu)片段自由價 （再與其他原子結(jié)合的能力）之和要大于 等于2n2，n為結(jié)構(gòu)片段數(shù)目。 3.有芳環(huán)結(jié)構(gòu)片段的應符合4n+2規(guī)則。 4.其他的匹配檢查如子結(jié)構(gòu)約束條件。 下面以C6H8N2O為例說明結(jié)構(gòu)基元和結(jié)構(gòu)片段向量 的窮舉生成過程： 結(jié)構(gòu)基元向量的窮舉生成： 分別把8個H分配給C、N、O，共生成45種分配方 式，但由于和O結(jié)合的H原子應小于等于O原子數(shù)、與N 結(jié)合的小于等于N的數(shù)目乘以2，與C結(jié)合的的小于等 于C數(shù)乘3，所以只剩下10

10、種。即： C原子分配的H數(shù)N原子分配的H數(shù)O原子分配的H數(shù) 第1種800 第2種710 第3種620 第4種530 第5種440 第6種701 第7種611 第8種521 第9種431 第10種341 表2-3 以上面的第三個結(jié)果（6 2 0）為例，將C分 到的6個H原子分配到每個C上，不考慮化學因素生 成11種分配方式，由于每個C上最多有3個H，所 以只剩下7種： 對N做同樣的處理，則有NH2、N和NH、NH兩 種情況。 對O只有O一種情況。 33 32 3 222 22 2 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. CHCHCCCC CHCHCHCCC CHCHCHCHCC CHCHCHC

11、CC CHCHCHCHCC CHCHCHCHCHC CHCHCHCHCHCH 組合上述三個結(jié)果，得72114個結(jié)構(gòu) 基元向量（下表）。 NO. CH3CH2CHC OHOSHS NH2NH N PH2PHPSiH3SiH2SiH SiFCl BrI 12004010010100000000000 22004010002000000000000 31113010010100000000000 41113010002000000000000 51032010010100000000000 61032010002000000000000 70303010010100000000000 8030301

12、0002000000000000 90222010010100000000000 100222010002000000000000 110141010010100000000000 120141010002000000000000 130060010010100000000000 140060010002000000000000 表2-4 對剩余的9組重復的過程，則可得 全部的結(jié)構(gòu)基元向量。 結(jié)構(gòu)片段向量的窮舉生成： 以（C6H6）（N2H2）（O）產(chǎn)生的14個結(jié)構(gòu)基元向量 中的最后一個（n3=6，n6=1，n10=2，即6個CH，一個O，二 個NH）為例： 先把n3=6分解為l4，l5，l1

13、3，其中 l5(CH3CHCH-， 自由價為36=18， l44=1， 有1 個-O-， 自由價為12，l48=2，有2個-NH-， 自 由價為22， 所以總自由價63+22+12=22， 而2n-2=2(6+1+2)2=16， 所以2216，通過測 試可進入結(jié)構(gòu)對接過程。 再看第二個結(jié)果， 其中l(wèi)50=1， 即有1個ArNH， 且只有這一個芳香原子， 故與4n+2規(guī)則相違背， 應舍去. 再看第七個結(jié)果，l7=1，即有一個CH=， 而總含雙鍵的結(jié)構(gòu)片段數(shù)目為應為偶數(shù)， 應舍去。 下圖是表2-5中的結(jié)構(gòu)片段向量經(jīng)過測試后所剩的 結(jié)構(gòu)片段集，是最終符合要求的結(jié)構(gòu)片段。 l4=6，l44=1，l48

14、=2； l4=4，l7=2， l44=1，l48=2； l4=2，l7=4， l44=1，l48=2； 2.3 整體結(jié)構(gòu)窮舉生成法連接矩陣填充法 由結(jié)構(gòu)片段生成整體結(jié)構(gòu)算法的基本策略是 采用深度優(yōu)先算法去搜索結(jié)構(gòu)生成樹, 從方法上 大體可分為: 子結(jié)構(gòu)直接擴展法和連接矩陣填充法 兩大類，ESESOC-I 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)生成算法即是子結(jié) 構(gòu)擴展法，可采用的比較的方法來消除結(jié)構(gòu)生成 樹擴展過程中的不同分支間的冗余對接，但由于 樹擴展的中間結(jié)果的信息量非常巨大, 除了一些較 小的分子外是無法實現(xiàn)的，因而在ESESOC-II中采 用填充連接矩陣法。 2.3.1 鍵性連接矩陣 ESESOC-II中結(jié)構(gòu)生成系

15、統(tǒng)中使用鍵性連接矩陣 表示化合物的結(jié)構(gòu)，如圖，其中各矩陣元的意義： 0，不成鍵；1，單鍵；2，雙鍵；3，叁鍵；9，芳 香鍵。在鍵性連接矩陣中各原子的自由鍵要以鍵 位的形式表達并編號，鍵位生成和編號的規(guī)則為： 不同原子上的鍵作為不同的鍵位賦予不同編號； 如HO和NH2可分別賦予不同序號； 同一原子具有相同鍵屬性的多個鍵作為同一鍵 位賦予同一序號如CH3的三個CH，反之如 CH，CH和CH 是2個不同鍵位應分別編號。 鍵性連接矩陣示意圖 12345678 00200000 00000110 20000000 00001000 00010100 01001001 01000000 00000100

16、8 7 6 5 4 3 2 1 2 2 C C CH CH CH CH NH HO CH2 CHC CH NH2 OH 鍵性連接矩陣具有如下優(yōu)點, 即 (1)由 于只考慮結(jié)構(gòu)片段的原子上的自由鍵, 因 而可以任意加入其它結(jié)構(gòu)片段, 如本系統(tǒng) 沒有選入的 B-, 等，因而增加本系統(tǒng) 的適用范圍；(2)在結(jié)構(gòu)對接中不需要進行 鍵屬性匹配檢測, 從而加快結(jié)構(gòu)對接的速 度。 PH2P PH2 PH2PH2 PH2 2.3.2 超結(jié)構(gòu)的鍵性連接矩陣 超結(jié)構(gòu)的鍵性連接矩陣就是其矩陣元可 為任意鍵屬性的鍵性連接矩陣，它可通過 改變矩陣元的值b而代表不同的結(jié)構(gòu)，b可 為0,1，2，3，9，即代表不鍵連、單鍵、

17、雙 鍵、叁鍵和芳香鍵。 由結(jié)構(gòu)片段集進行結(jié)構(gòu)對接時, 首先把 生成的結(jié)構(gòu)片段集里的各結(jié)構(gòu)片段及其自由 鍵按規(guī)則生成鍵位形式, 并按一定的編號規(guī) 則賦以序號, 然后構(gòu)造一個超結(jié)構(gòu)鍵性連接 矩陣。鍵位編號規(guī)則為：首先對各結(jié)構(gòu)片段 按照表2-2中的序號從小到大編號，若一種 結(jié)構(gòu)片段有多個需分別編號。 然后將結(jié)構(gòu)片段的鍵位進行編號，若結(jié) 構(gòu)片段表中第1個結(jié)構(gòu)片段有k1個鍵位，第2 個結(jié)構(gòu)片段有k2個鍵位， 第3個結(jié)構(gòu)片段有 k3個鍵位，則把序號1，k1賦給第1個 結(jié)構(gòu)片段上的鍵位, 把序號k1+1，k1+k2 賦給第2個結(jié)構(gòu)片段上的鍵位，如此進行下 去， 則得到了鍵位表。 生成鍵位表后，再按以下步驟構(gòu)

18、造超結(jié) 構(gòu)鍵性連接矩陣：把所有的矩陣元都填 上可為任意鍵屬性的b；刪去同一結(jié)構(gòu)片 斷間的鍵;刪去鍵屬性不同的結(jié)構(gòu)片斷間 的鍵;刪去形成小分子的結(jié)構(gòu)片斷間的鍵； 刪去與子結(jié)構(gòu)約束條件不一致的鍵。這 樣就得到了ESESOC系統(tǒng)中用于結(jié)構(gòu)生成的 超結(jié)構(gòu)鍵性連接矩陣。 2.3.3 結(jié)構(gòu)對接 結(jié)構(gòu)對接就是要建立一個系統(tǒng)的搜索方 法以便用0或與其鍵性相一致的值b依序地 填充上述已編號的13個矩陣元，并考慮到 所有組合情況，即可從超結(jié)構(gòu)鍵屬性連接 矩陣中窮舉出由該結(jié)構(gòu)片斷集所可能產(chǎn)生 的全部異構(gòu)體。 消除最終結(jié)果中的冗余結(jié)構(gòu)的方法是： 對每一個最終生成的結(jié)構(gòu)都生成一個唯一 的二維連接表，然后比較這些連接表，

19、即 可剔除冗余結(jié)構(gòu)。 以前一節(jié)窮舉生成的其中一個結(jié)構(gòu)片段集為例介紹連接矩 陣填充法： 212: NHCH-OCH-CH-CH-: 1數(shù)目 結(jié)構(gòu)片斷 1.生成超結(jié)構(gòu)鍵性矩陣： 上述結(jié)構(gòu)片斷集各結(jié)構(gòu)片斷在表2-2中的排 列序號: CH-為4，-CH=為 7, -CH=O 為 10,- CH=NH 為12, 因而CH-編號1, 2個-CH=分別編號 2,3, -CH=O編號4, 2個-CH=NH分別編號5,6,由此 得到如下結(jié)構(gòu)片斷表： 1. CH- 2. CH= 3. CH= 4. -CH=O 5. -CH=NH 6. -CH=NH 對上述結(jié)構(gòu)片斷表中各的鍵位進行編 號,C只有1個鍵位, 賦序號1

20、, CH=有2個 鍵位: -CH和CH=, 分別賦序號2,3, 第二個 CH=也有2個鍵位, 賦序號4,5, -CH=O，- CH=NH， -CH=NH各有1個鍵位, 分別賦序號 6，7，8，下圖為生成的鍵位表。 對鍵位表進行三個操作：(1) 刪除同一原子間 的連接;(2) 刪除不同鍵屬性間的連接;(3) 刪除 形成小分子的連接，即得超結(jié)構(gòu)鍵性矩陣，其超 結(jié)構(gòu)鍵性矩陣的構(gòu)造過程如圖所示： 2.結(jié)構(gòu)對接 因為連接矩陣是對稱的, 因而可以略去下 三角陣, 僅討論上三角陣。 對上述的超結(jié)構(gòu)鍵 性連接矩陣的上三角陣中的矩陣元按先列后行 的自然順序進行編號, 結(jié)果如下： NHCH- NHCH- OCH-

21、 CH CH CH CH -CH 8 7 6 5 4 3 2 1 13107 4 12963 118521 為了考慮所有組合情況，同樣采用構(gòu)造結(jié)構(gòu)生 成樹的方法（見下圖）。 圖中,表示不成鍵, 即在 超結(jié)構(gòu)鍵屬性連接矩陣中的該 矩陣元為 0, 表示成單鍵, 即在超結(jié)構(gòu)鍵屬性連接矩陣中 的該矩陣元為 1, 表示成雙 鍵, 即在超結(jié)構(gòu)鍵屬性連接矩 陣中的該矩陣元為2。最終從分 子式 C6H8N2O, 得到22512 個結(jié) 構(gòu)片斷集, 944900個結(jié)構(gòu)異構(gòu) 體。 3 立體異構(gòu)體的窮舉生成 3.1 立體中心的查找 3.1.1 碳的立體中心的查找 碳的立體中心主要包括手型碳原子、不對稱碳 碳雙鍵及累烯

22、鍵（C），不對稱的碳碳雙鍵及 累烯鍵是指它們兩端的兩個碳原子結(jié)構(gòu)不同。 常見元素的結(jié)點庫 具體過程： 第一步：預過濾：在ESESOC的結(jié)點庫（如圖）中查找 相對應的結(jié)點，從圖中可以看出，對于碳原子，只有結(jié)點 才有可能成為立體中心。 這樣就濾除了不可能成為立體中心的結(jié)點類型。 第二步：為了表達立體中心，對ESESOC二維連接表增 加兩列，1代表是不對稱碳，-1代表可能，0代表不是。 第三步：在預過濾后，對剩余的立體中心的結(jié)點究竟 是否可能是立體中心進行分析，這種分析是一種循環(huán)過程， 一直循環(huán)到可能的立體中心數(shù)目不在減少為止。主要遵循 4個規(guī)則： CH H H H CH H H HCCH2 H H

23、 CCH2 H H 規(guī)則一： 對于碳原子，如果所連接的四個緊鄰的 拓撲不等價，則該結(jié)點為真立體中心；對 于碳碳雙鍵，如果與之相連的兩個結(jié)點均 拓撲不等價，那么該雙鍵為真立體中心。 規(guī)則二： 對于結(jié)點 和 如果相連的四個拓撲等價 或部分拓撲等價，則： 如果四個連接結(jié)點有一對拓撲等價，則從拓撲等價點 出發(fā)優(yōu)先遍歷至另一拓撲等價點 ，如果發(fā)現(xiàn)了另外的立 體中心，則該結(jié)點可能為立體中心，否則不是立體中心。 如果分別兩兩等價，則從一個拓撲等價結(jié)點出發(fā)進行 遍歷，只有在兩個遍歷過程中均存在另外的可能的立體 中心，該結(jié)點才可能是立體中心。 如果如果相連的為三個或四個拓撲等價，則從一個拓 撲等價點出發(fā)進行優(yōu)先

24、遍歷，在這個過程中如發(fā)現(xiàn)另外 兩個立體中心，則該結(jié)點可能為立體中心。 CH H H H CH H H H 規(guī)則三： 對于 和 只要雙鍵兩端相連 的2個結(jié)點的其中一個 有2個拓撲等價點且 從其中一個出發(fā)遍歷到另外一個之前沒有 發(fā)現(xiàn)另外的立體中心，則此雙鍵不是立體 中心。 CO H H CO H H 第四步：當可能的立體中心數(shù)目不再減少 后，可將這些結(jié)點與真立體中心都置為立 體中心，除了真立體中心以外，其余立體 中心均稱作擬立體中心。 當然，對于環(huán)上的雙鍵，尚需判斷所在 環(huán)的大小。另外，對于雜環(huán)以及稠環(huán)也有 許多情況需要考慮。特別是環(huán)上的雙鍵， 究竟如何判斷立體異構(gòu)尚無一定的規(guī)則。 本研究中，當環(huán)

25、的邊數(shù)大于或等于8時才考 慮其可能存在立體異構(gòu)。 3.2 雜原子的立體中心的查找 氮原子的立體化學 1.當?shù)右匀齻€單鍵與三個不同的烴基結(jié)合時，由 于孤電子對的存在可得一個含三價不對稱氮原子的三級胺， 但是從未分離過呈現(xiàn)旋光性的不對稱三級胺，這是由于胺 分子的幾個基團可在氮原子周圍快速上下翻轉(zhuǎn)的緣故。 目前觀測到地三價不對稱氮原子，一般都是在兩個環(huán) 上才出現(xiàn)立體異構(gòu)，所以只有結(jié)點 才有可能成為立 體中心，對于這個結(jié)點，當三個鍵在兩個環(huán)上，再根據(jù)前 面判斷 的方法判斷其是否是立體中心，其中孤對 電子可看做H基團。 N CCH3 CH3 CH3 H 2. 對于結(jié)點 ，其分子呈四面體結(jié)構(gòu)，如圖，

26、只需按照上一個規(guī)則判斷相連的三個單鍵即可。 3.對于含雙鍵的氮原子，即對于NH和N， 判斷方法與烯碳原子相似，如圖。 苯甲酮肟的兩個順反異構(gòu) NO CH3 CH3 CH3 OMe N OMe N HOH N H OH N 磷的立體化學 對于含磷的立體異構(gòu)，其處理方式與氮相似，但與三 價的氮相比，不在環(huán)上的磷卻存在立體異構(gòu)，可能因為其 相連的基團比較大，所以分離出立體異構(gòu)比較容易。所以 對于P和 我們認為它們可能存在立體異構(gòu)，判 斷方法與碳相似。 PCH3 CH3 CH3 硫的立體化學 各種不對稱取代的多價硫化合物，如亞磺酸酯 和亞砜都可以被析解為旋光性的對映體，所以對 于對于結(jié)點 ，判斷其是否

27、為立體中心的方法 與碳碳雙鍵的一樣。 對于 ，由于這種結(jié)點常存在于砜的結(jié)構(gòu) 中，而砜的兩個雙鍵與氧原子相連，所以ESESOC 沒有考慮其立體異構(gòu)。 SCH2 CH3 CH3 OS O CH3 CH3 3.3 立體異構(gòu)體的窮舉生成 一個含有n個立體中心的結(jié)構(gòu)異構(gòu)體，最多可以 有2n個立體異構(gòu)體，但很少能達到2n個，這與分子 中存在對稱性有關(guān)，可以先窮舉生成2n個立體異構(gòu) 體，并以向量的形式表示，再考察每個向量中立體 中心的構(gòu)型從而達到消除冗余的目的。 3.3.1 立體異構(gòu)體的窮舉生成 對于每個立體中心，均可能有2個立體異構(gòu)體， 分別用+1與-1表示。對于不對稱碳，當與其連接 的結(jié)點序列為升序或經(jīng)

28、偶數(shù)次對換后為升序則為 +1，否則為-1；對于雙鍵，其規(guī)則相同。例如： (a) (b) (c) (d) a的序列為1234，所以a的構(gòu)型是+1，b是1324， 經(jīng)過一次變換后變?yōu)?234，所以b的構(gòu)型是-1。 c的序列是123456，所以c的構(gòu)型是+1，d是 123465，經(jīng)過一次變換后變?yōu)?234，所以d的構(gòu)型 是-1。 3 1 4 2 2 1 4 3 C 4 C 3 2 16 5 C 4 C 3 2 15 6 所有立體異構(gòu)構(gòu)型的組合表示了全部的立體異 構(gòu)體，用一個矩陣SCM（立體異構(gòu)矩陣）表示， 每一個行向量對應一個立體異構(gòu)的構(gòu)型（不考慮 拓撲等價），為了檢索方便，每個行向量對應于 一個數(shù)

29、，該數(shù)為2n-i，i表示-1在該向量中的序 號，如向量（-1 1 -1 1 -1 1）則它的序號為26- 1+26-3+26-5=42。 1 2 3 n S1 S3 Sn Sn-1 Sn 立體異構(gòu)矩陣 111.1 111.1 . 111 .1 111 .1 3.3.2 生成構(gòu)型矩陣 立體異構(gòu)矩陣的每一個行向量分別對應S1， S2，S3，然后根據(jù)相對于第一個立體異構(gòu) 立體中心發(fā)生的置換生成置換矩陣P，P的 行向量依次乘以ST的元素得構(gòu)型矩陣CP。 3.3.3 冗余立體異構(gòu)體的消除 對于SCM中的2個行向量ri與rj，如存在一 個構(gòu)型矩陣CP使得CP (ri)T= (rj)T，則稱ri與rj 構(gòu)型

30、等價，i與j較大的那個數(shù)表示的立體異 構(gòu)是冗余的，應從SCM中去掉，這樣從第一 個行向量開始依次進行這樣就可以消除等 價的立體異構(gòu)體，剩下的就是該結(jié)構(gòu)全部 的立體異構(gòu)體。 下面以四甲基環(huán)丁烷為例說明立體異構(gòu)體的窮 舉生成。 1.查找立體中心： 對結(jié)構(gòu)進行預過濾，可知只有結(jié)點5678才可能 是立體中心。結(jié)點5連有6和8兩個拓撲等價點，從 結(jié)點6遍歷至8發(fā)現(xiàn)一個可能的立體中心7，所以5 可能是立體中心，對剩余的可能是立體中心的結(jié) 點用同樣的規(guī)則檢查一遍，不能排除任何一個， 所以5678都是立體中心。 CH 6 CH 7 CH 8 CH 5 CH3 2 CH3 3 CH3 4 CH3 1 2.生成構(gòu)

31、型矩陣CP 首先生成置換向量： P1=(1 2 3 4 5 6 7 8) P2=(4 1 2 3 8 5 6 7) P3=(3 1 2 4 5 8 7 6) P4=(3 4 1 2 7 8 5 6) P5=(2 1 4 3 8 7 6 5) P6=(1 4 3 2 7 6 5 8) P7=(2 3 4 1 6 7 8 5) P8=(4 3 2 1 6 5 8 7) 置換向量反映 了立體中心結(jié)點順 序的變化，例如對 于P1，與結(jié)點5相 連的結(jié)點順序為4， 6，8在P2中可以看 出這一順序變成了 4，8，6。 自同構(gòu) 群 P1：P2： 求輔助向量： 將所得到的四個結(jié)點的構(gòu)型存入一個新 的向量稱之為置換向量的輔助向量S，令S1= （1 1 1 1），此向量與P1對應。對于P2，由 于結(jié)點5相連的結(jié)點順序為4，8，6需對換 一次才可變成升序，所以構(gòu)型變?yōu)?1，同理 結(jié)點7構(gòu)型也應變?yōu)?1，所以S2=( 1 -1 1 -1)。 用此法求S3至S8。 求構(gòu)型矩陣： 首先對置換矩陣做處理，使其立體中心 構(gòu)型的變化能夠反映在置換矩陣中，置換 矩陣僅保留立體中心的結(jié)點，置換矩陣的 行向量依次乘以S的元素便得構(gòu)型矩陣CP， 如對于P2： S2=（1 -1 1 -1），經(jīng)處理后 P2= CP2= 0001 1000 01