Способы регулирования свойств полимера

1. Способы регулирования свойств полимера

на стадии
синтеза
Регулирование свойств
полимера
Варьирование условий
полимеризации и
сополимеризации
на стадии
переработки
Варьирование
условий
переработки
Введение функциональных добавок
Создание
многокомпонентных
композиций
1

2. Полимерная композиция как система

Полимерная композиция
Основа
Непрерывная
фаза - матрица
Непрерывная
фаза
Диспергированная фаза
Полимер
Классы функциональных добавок
d1
Пm
Компоненты
С1
d2
С2
С3
d3
…
di
С4
С5
…
Полимеры
…
Сj
dk
…
СN
Пl
Соединения, выполняющие соответствующую функцию
2

3. Классы добавок, улучшающих целевые свойства изделий из полипропилена

Термостабилизаторы
Продление срока
службы изделий
Антиоксиданты
Улучшение
перерабатываемости
Светостабилизаторы
Экструзионные добавки
Антифибрилляционные добавки
Улучшение
поверхностных
свойств
Антистатические добавки
Гидрофильные добавки
Улучшение внешнего
вида
Скользящие добавки (слипы)
Пигменты и красители
Нуклеаторы
Повышение
огнестойкости
Наполнители
Антипирены
Снижение усадки
Повышение
прочностных
характеристик
3

4. Задачи и подходы к решению в проблеме установления взаимосвязи структура-свойство (структура -активность)

Базовая концепция
органической химии
Фундаментальные
проблемы
Структурная теория
Соответствие структуры
и свойств вещества
ПРЯМАЯ ЗАДАЧА
Прикладные
задачи
Подходы
к решению
Прогнозирование
свойств соединений
Осуществление
структурных
трансформаций
ОБРАТНАЯ ЗАДАЧА
Дизайн соединений с
заданными свойствами
Использование
моделей и алгоритмов
распознавания образов
Скрининг молекул
в базах данных
Использование
моделей QSAR (QSPR)
Комбинаторный
синтез
Генерация
структур на основе
моделей QSAR
(QSPR)

5.

QSAR (QSPR) - Quantitative Structure Activity
(Property) Relationships –
Количественные Соотношения «Структура –
Активность (Свойство)»
Процесс тестирования новых соединений на
основе моделей "структура –свойство"
Генерация
новых
структур
Прогнозирование
свойств
структуры
Модель
"структура
–свойство"
Отбор
перспективных
структур
Синтез и
испытания
5

6. Этапы формирования БД органических соединений –ингредиентов полимерных композиций

Этапы формирования БД органических соединений –
ингредиентов полимерных композиций
Сбор доступной информации о различных
ингредиентах композиций на основе ПП
Сортировка массивов в соответствии с классификацией
ингредиентов на основе ПП по их функциональному назначению
Выбор критерия эффективности для каждого
класса ингредиентов композиций на основе ПП
Ранжирование соединений каждого класса по уровню активности в
соответствии с выбранным критерием эффективности
Разработка общей структуры БД
Наполнение БД
6

7. Структура БД ингредиентов композиций на основе ПП

БД
Основная таблица
Mol_ID
Structure
Formula
MolWeight
Источник информации
Chem name
Химическое название
Температура плавления
Температура кипения
Другое
Технологические свойства
Горючесть и взрывоопасность
Растворители
Токсичность
Назначение и эффективность
ID
Полимерная матрица
Содержание добавки
Класс добавок
Группа активности
Поставщики
ID
Торговое название
Производитель
7

8. Графическое представление информации в БД

8

9.

Дескриптор –
параметр, характеризующий структуру органического
соединения, причём таким образом, чтобы
учитывались определенные особенности этой
структуры
Дескрипторы межмолекулярных взаимодействий
Дескрипторы молекулярной формы
Дескрипторы электронной
структуры
Дескрипторы
структурной формулы
Дескрипторы
элементного уровня
9

10. ДЕСКРИПТОРНОЕ ОПИСАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ

Дескрипторы элементного уровня
1.
2.
Число атомов одного сорта
Атомные веса фрагментов структуры
Дескрипторы структурной
формулы
1.
2.
Топологические индексы
Структурные фрагменты
Дескрипторы электронного
уровня
1.
2.
3.
Частичные заряды на атомах
Молекулярная рефракция
Энергии высшей занятой и низшей
незанятой орбиталей
Дескрипторы межмолекулярных
взаимодействий
1.
2.
3.
Константы Гаммета
Индукционная постоянная
Стерические константы
10

11. Схема получения топологического индекса для молекулы н-бутана

1
4
2
3
Молекулярный граф
1
2
3
4
1
0
1
2
3
2
1
0
1
2
3
2
1
0
1
4
3
2
1
0
0,5 dij (G )
Матрица расстояний
Суммирование
ij
Топологический индекс
W(G) =10
11

12. Топологические индексы на основе матрицы расстояний

№
Индекс
Расчетная формула
Обозначения и пояснения
1
2
3
4
1
Индекс Винера
2
Число полярности
Винера
3
Индекс суммы
расстояний (предложен
независимо Бончевым
и Полански)
4
Связность по сумме
усредненных
расстояний Балабана
1
W (G ) d ij
2
1
P(G) d 3,i
2 i
n
S (G) d ij
j 1
dij - число
ребер, соединяющих
вершину i
с
вершиной
j
наикратчайшим путем
d 3,i –расстояния в графе G, для
которого была построена матрица
D(G). Расстояние в данном случае
равно 3.
dij –элемент i-ой строки матрицы
D(G), причем j принимает значения,
соответствующие всем n вершинам
графа G
-цикломатическое
число
графа G (т.е. число циклов в
1 молекуле);
2
vD,i, vD,j –суммы расстояний
D ,i D , j
Суммирование проводится по
всем смежным вершинам. Индекс
имеет нецелочисленное значение 12
2
J (G)
(v v )
1 adj i, j

13. ОПИСАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОГО ГРАФА ТОПОЛОГИЧЕСКИМИ ИНДЕКСАМИ

Фрагмент структуры
Фрагмент
матрицы
HO
C
CH3
CH3 смежности
11
10
7 H3C
HO
13 CH
5
3
H3C
C
8
CH3
12
CH3
15
3
4
5
6
7
8
9
0
1
0
0
0
1
0
0
0
2 CH
13 0
1
0
0
0
0
0
0
1O 0
1
0
CH
0 20
0
0
3
6
3
O 19
14
CH3
2
C
1
4
1
C
2
16
H2C
O
CH2
0
H2C
7
8
9
1
0
1
2
3
2
1
3
2
4
2
1
0
1
2
3
2
4
3
3
3
2
1
0
1
2
3
3
4
2
4
3
2
1
0
1
2
2
3
1
3
2
1
0
1
1
2
2
2
3
2
1
0
2
1
3
4
3
2
1
2
0
3
3
3
4 3
CH
3
2
1
3
0
4
1
0
0
5 OH
2
0 O0
0
1
0
0
1
0
6
1
0
0
0
0
7
3
6
1
O
0C0
H2
0
O
O
6
0
0
C
5
1
0
0
4
0
5
H2C 8
3
0C1
0
7
17
CH3
2
1CH20H3C0
0
C
H3C
1
1C 0
4
H2C
18
Фрагмент матрицы
расстояний
1
H3C
9
C
CH3
H3C
0
0
0
C
1
0H2C0
1
O
1
0
C
H2
H2 Винера
Индекс
C
0
8
0
C
2
CH3
H3C
МолекулярноCH3 топологический
индекс Шульца
H3C
C
H2
C
1
W (G ) d ij
2
CH3
OH
dij - число
H3Cребер,
C
CHi3 с
соединяющих вершину
вершиной j наикратчайшим
H3C
путем
n 1
n
MTI V j (aij dij )
i 1 j i 1
где Vj –степень вершины j,
вычисляемой по А(G) как
n
Vij aij
i 1
13

14. ДЕСКРИПТОРНОЕ ОПИСАНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ

Дескрипторы элементного уровня
1.
2.
Число атомов одного сорта
Атомные веса фрагментов структуры
Дескрипторы структурной
формулы
1.
2.
Топологические индексы
Структурные фрагменты
Дескрипторы электронного
уровня
1.
2.
3.
Частичные заряды на атомах
Молекулярная рефракция
Энергии высшей занятой и низшей
незанятой орбиталей
Дескрипторы межмолекулярных
взаимодействий
1.
2.
3.
Константы Гаммета
Индукционная постоянная
Стерические константы
14

15. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ В ВИДЕ НАБОРА ФРАГМЕНТОВ

OH
Структура
соединения
Хранение библиотеки
фрагментов
CH3
№
Фрагмент структуры
№
фрагмента в
общем
каталоге
Число
фрагментов в
структуре
1
CH3
1
1
2
OH
29
1
56
1
58
1
64
1
3
4
OH
5
CH3
15

16. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ СТРУКТУРЫ В ВИДЕ МАТРИЦЫ ДЕСКРИПТОРОВ

x
( 2)
x j
xj
x (m)
j
(1)
j
x
x
X
(m)
x1
(1)
1
( 2)
1
(1)
2
( 2)
2
x
x
x
(m)
2
x
(m)
x n
(1)
n
( 2)
n
x
16

17. Этапы построения модели QSAR (QSPR)

Свойство
Структура
Y1
Свойство
Дескрипторы
Y1
D11, D21…Dn1
Y2
D12, D22…Dn2
O
O
OH
Y = f (D1,D2…Dn)
Y2
OH
Y3
D13, D23…Dn3
Y4
D14, D24…Dn4
CH3
Y3
…
Y4
…
17

18.

Построение модели QSAR методами
корреляционного и регрессионного
анализа
Y k 0 k1 D1 k 2 D2 k n Dn
где Di –значения дескрипторов молекулярной структуры, i=1 n;
kj –коэффициенты, найденные статистическими методами, j=0 n;
Y –значение свойства
Расчет
коэффициентов
регрессии
методом
наименьших
квадратов
Условия
минимума
N
Ф (Yi f ( D1 , D2 ...Dn )) 2 MIN
i 1
0;
k 0
0;
0
k1
k n
18

19. Оценка качества аппроксимации

Дисперсия адекватности
N
1
(Yi Yi расч )
N n i 1
2
2
Коэффициент корреляции
N
r
(Y
i 1
i
Yi ) (Yi расч Yi расч )
N
N
i 1
i 1
2
2
(
Y
Y
)
(
Y
Y
)
i i i расч i расч
19

20.

Однофакторная модель QSAR для однородной
выборки фосфорорганических соединений ( r =0,97 ;
N=25)
Обобщенный
критерий
эффективности
Корреляционное поле
Тип функции
Линейная
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
QSAR -модель
S0²
Э 0.0406 R s 0.8455 0.021
Ряд1
Степенной (Ряд1)
Экспоненциальная
Логарифмическая
0
10
20
Стерическая Rs -константа
Степенная
Э 0.9775 e 0.0877*Rs
Э 0.3153 ln ( Rs ) 1.14
Э 1.7977 Rs
0.6677
0.009
0.010
0.022
Двухфакторная модель QSAR для однородной
выборки эфиров фенилпропионовой кислоты (r =0.99;
S0²=0.002 ; N=6)
Э 6.122 10 10 J 0.019 ( HOMO LUMO )

21.

Структура системы прогноза свойств / активности с
использованием моделей QSAR /QSPR
Информация об органических
соединениях
Структуры органических
соединений
Построение модели
QSAR /QSPR
Прогноз свойств
/активности
соединений
Анализ соединений
Расчет дескрипторов
Формализованное описание
структуры соединений
Формализованное описание
структуры соединения
Формирование наборов
дескрипторов
Формирование обучающей и
тестовой выборки
Обучающая
выборка
Расчет значений свойства
/активности соединения
Выбор вида моделей
Тестовая
выборка
Построение
моделей
Расчет коэффициентов
Отбор соединений с
желаемым значением
свойства /активности
Тестирование моделей
Модель QSAR /QSPR
Синтез и испытания
Отбор моделей
21

22. Задачи и подходы к решению в проблеме установления взаимосвязи структура-свойство (структура -активность)

Базовая концепция
органической химии
Фундаментальные
проблемы
Структурная теория
Соответствие структуры
и свойств вещества
ПРЯМАЯ ЗАДАЧА
Прикладные
задачи
Подходы
к решению
Прогнозирование
свойств соединений
Осуществление
структурных
трансформаций
ОБРАТНАЯ ЗАДАЧА
Дизайн соединений с
заданными свойствами
Использование
моделей и алгоритмов
распознавания образов
Скрининг молекул
в базах данных
Использование
моделей QSAR (QSPR)
Комбинаторный
синтез
Генерация
структур на основе
моделей QSAR
(QSPR)

23. Методика прогноза свойств/активности с применением логико-комбинаторного подхода

Методика прогноза свойств/активности с применением логикокомбинаторного подхода
Сходство
Различие
AKLM X
ABCD X
BCD Y
A X
A Y
ABCD X
Выборка из k Соединение Si
соединений
H3C
№
CH3
23
C
KA
227
(KVA/
KUA)
Определение наличия
фрагмента в структуре Si∩ fj
да
Фрагмент каталога статистики
Структурный
фрагмент
Фрагмент fj
Библиотека из m
фрагментов
KN
152
CH3
102
308
125
48
81
46
Процедура
повторяется
до
исчерпаемост
и фрагментов
библиотеки
Si ∩ fj=Ø
Fij=0
нет
Fij=1
да
нет
Si =a
La=La+F
Ln=Ln+F
CH3
C
нет
да
i=k
O
HO
208
CH3
H3C
C
CH3
CH3
114
84
P( Ak f j )
La 1
( La Ln ) 2
23

24. Геометрическая интерпретация метода множества эталонов

Класс 1
1
y
2
3
Класс 2
6
тест
y2
y1
5
4
d= ((x2-x1)2+(y2-y1) ²)½
0
х1
х2
х

25. Схема системы прогноза свойств/активности методами распознавания образов

Информация об органических
соединениях
Структуры органических
соединений
Формирование моделей
прогноза свойств/активности
по дискретной шкале
Прогноз свойств
/активности
соединений
Формирование БД соединений
Выделение (расчет) признаков
Формализованное
описание структуры
соединений
Выбор режима
тестирования
Априорный отбор признаков (дескрипторов)
Выбор
параметров
моделей
Выбор вида решающего правила
Формализованное
описание
структуры
соединения
Классификация
соединения
Выбор параметров решающего правила
Формирование
обучающей и тестовой
выборок
Тестовая
выборка
Синтез и
испытания
Обучающая выборка
Расчет текущего
решающего правила
Расчет решающего
правила и голосование
Апостериорный отбор
признаков
25

26. Прогноз активности соединения в качестве стабилизатора полипропилена

26