Представление химических реакций, реагентов и их термохимических свойств в интеллектуальной системе по физической химии радикальных реакций в жидкой фазе с использованием онтологической модели предметной области

Полная исследовательская публикация _______________________ Амосова Е.С. и Туманов В.Е.

Размещено на http://www.allbest.ru/

46 ______ http://butlerov.com/ _______ ©--Butlerov Communications. 2014. Vol.39. No.7. P.39-46. (English Preprint)

г. Казань. Республика Татарстан. Россия. __________ ©--Бутлеровские сообщения. 2014. Т.39. №7. _________ 39

Представление химических реакций, реагентов и их термохимических свойств в интеллектуальной системе по физической химии радикальных реакций в жидкой фазе с использованием онтологической модели предметной области

Амосова Елена Сергеевна и Туманов Владимир Евгеньевич

Институт проблем химической физики РАН. г. Черноголовка, 142432.

Аннотация

В статье представлен фрагмент онтологии предметной области по физической химии радикальных реакций в жидкой фазе. Представленная онтологическая модель предметной области включает в себя около 100 подклассов радикальных реакций, более 50 классов органических соединений и около 45000 свойств объектов (физико-химических свойств молекул, радикалов и радикальных реакций). Онтология разработана с использованием средства проектирования онтологий Protйgй. Онтология будет использована в интеллектуальной системе научной осведомлённости по физической химии радикальных реакций.

Ключевые слова: радикальные реакции, константа скорости, энергия активации, органические молекулы, энергия диссоциации связи, интеллектуальные системы, предметная онтология.

онтология физический химия научный

Разработка интеллектуальных программных систем и внедрение их в сети Интернет является актуальной научно-практической задачей прикладного искусственного интеллекта в области химии и наук о материалах.

В ИПХФ РАН разработана предметно-ориентированная система научной осведомленности по физической химии радикальных реакций [1]. Данная система основана на многоагентной архитектуре и включает в себя хранилище знаний, которое содержит информацию необходимую для вычисления констант скорости, энергии активации, энергии диссоциации связей, энтальпии образования свободных радикалов по экспериментальным кинетическим и термохимическим данным [2]. В системе содержатся кинетические данные об элементарных радикальных реакциях в жидкой фазе, органических молекулах, свободных радикалах и физико-химических свойствах органических молекул и атомов.

Целью настоящей работы является построение фрагмента онтологии для интеллектуальной предметно-ориентированной системы по физической химии жидкофазных радикальных реакций.

Разработкой и внедрением онтологических моделей в области химии и наук о материалах активно занимаются научные группы зарубежных и российских ученых.

В России разработкой химических онтологий занимается группа исследователей под руководством Артемьевой [3-6]. Ими разработана формальная онтология в виде иерархической модели предметной области, например, онтология «Физическая химия» состоит из связанных друг с другом разделов: «Элементы», «Вещества», «Реакции», «Основы термодинамики», «Термодинамика. Химические свойства», «Термодинамика. Физические свойства», «Термодинамика. Связь физических и химических свойств», «Химическая кинетика». Построенная онтология ориентирована на обслуживание учебного процесса в университетах.

За рубежом разработкам онтологических моделей биологии, химии и науках о материалах посвящено много публикаций. Разработанные зарубежными учеными онтологии более ориентированы на междисциплинарную связь химии с биологией, как например, ChEBI (Chemical Entities of Biological Interest) [7]. Непосредственно на использование в области химии ориентирована онтология Chem Axiom (набор онтологий в области химии, отдельно обслуживаемых, но имеющих возможность взаимодействовать и объединяться) [8].

При проектировании Chem Axiom авторы делали заимствования из многих биологических онтологий и получили некоторые выгоды из того, что химические понятия имеют более чёткие границы, чем биологические. В настоящее время основной областью использования онтологий Chem Axiom является описание химических данных, содержащихся в документах различного типа.

Для разрабатываемой нами онтологической модели интеграция с вышеуказанными онтологиями не представляется целесообразной из-за узкой предметно-ориентированной направленности интеллектуальной системы, в которой предполагается ее использование.

Наиболее близкими к нашему исследованию являются работа [9], в которой разработана онтология для представления реакций в химической онтологической системе и работа по онтологическому представлению информации о молекулах [10], основанная на химической номенклатуре UIPAC.

Экспериментальная часть

Методика исследования. Существует много методических подходов к разработке онтологий [11]. Нами выбрана методика разработки и проектирования онтологической модели, заложенная в инструментальном средстве проектирования онтологий Protйgй [12], то есть определение классов и иерархии классов, определение свойств классов, определение ограничений свойств классов и создание экземпляров на основе списка понятий и терминов, охватывающих данные хранилища знаний системы [1].

Результаты и их обсуждение

В предлагаемой нами онтологии на самом верхнем уровне расположен класс «химия» (Chemistry) с подклассом «физическая химия» (Physical_chemistry). В классе «физическая химия», в свою очередь, выделен подкласс «химическая кинетика» (Chemical_kinetics).

В органической химии используются различные походы к классификации химических, в том числе радикальных, реакций. В классификации по типу разрыва химических связей в реагирующих частицах выделяют две большие группы реакций - радикальные и ионные реакции.

В радикальных реакциях происходит гомолитический разрыв ковалентных связей, при котором образуются свободные радикалы, а в ионных реакциях происходит гетеролитический разрыв ковалентных связей с образованием заряженных частиц.

Соответственно, в классе «химическая кинетика» выделены 2 подкласса: «радикальные реакции» (Radical_reaction) и «ионные реакции» (Ion_reaction).

Радикальные реакции могут проходить в твёрдой, жидкой или газовой фазе, поэтому в классе «радикальные реакции» выделены подклассы «радикальные реакции в твёрдой фазе» (Solid_phase_radical_reaction), «радикальные реакции в жидкой фазе» (Liquid_phase_radical_re-action) и «радикальные реакции в газовой фазе» (Gas_phase_radical_reaction) (рис. 1).

Жидкофазные радикальные реакции протекают по разным механизмам, с участием различных реагентов и растворителей. В классе «радикальные реакции в жидкой фазе» определены подклассы: «реакции» (Reactions), «молекулы» (Molecules), «радикалы» (Radicals) и «растворители» (Solvents).

Классы связаны между собой свойствами «имеет реагент» и «является реагентом в» (has_reagent и is_reagent_in), «имеет растворитель» и «является растворителем в» (has_solvent и is_solvent_in) (рис. 2).

По механизму протекания радикальные реакции можно разделить на следующие типы: отрыв атома водорода (Abstraction_H), отрыв атома галогена (Abstraction_X), присоединение (Addition), соединение (Combination), декомпозиция (Decomposition), дециклизация (Decycli-zation), перенос электрона (Electron_transfer), изомеризация (Isomerisation), перенос атома кис-лорода (Oxygen_transfer), генерирование радикалов (Radical_generation), реакции с карбенами (Reactions_of_carbenes), замещение (Substitution) (рис. 3).

Рис. 1. Иерархическое и графическое представление верхнего уровня онтологии предметной области в программе Protйgй

Рис. 2. Графическое представление фрагмента онтологии радикальные реакции в жидкой фазе

Рис. 3. Иерархическое представление классификации реакций по механизму протекания

Для каждого типа реакции задаются подклассы: схемы реакций, например: в классе «отрыв водорода» есть 51 подкласс по типам реакции (рис. 4).

Рис. 4. Иерархическое представление классификации реакций типа «отщепление водорода»

Рис. 5. Иерархическое представление классификации молекул по видам соединений

Рис. 6. Иерархическое представление классификации радикалов по структуре реакционного центра

Молекулы по составу делятся на разные группы соединений, каждая из которых представляет отдельный класс (рис. 5).

Радикалы разделяются на подклассы в зависимости от структуры: линейные, развеетвлённые, с алифатическими циклами и гетероциклами, с ароматическими циклами и гетеро-циклами, макрорадикалы, ненасыщенные (рис. 6).

Для класса «реакции» задаются следующие свойства данных: has_А - имеет предэкспоненциальный множитель; has_E - имеет энергию активации; has_K - имеет константу ск-орости; has_note - имеет условия протекания реакции в эксперименте; has_products - имеет продукты реакции; has_T - имеет температуру; has_Tech - имеет метод измерения.

Рис. 7. Представление свойств данных

Для классов «молекулы» и «радикалы» задаются следующие свойства данных: has_brutto - имеет брутто формулу; has_CASN - имеет номер CAS; has_name - имеет название; has_structure - имеет структуру (рис. 7). На каждый тип реакции накладываются ограничения: какие виды реагентов могут в них участвовать (рис. 8).

Рис. 8. Отображение ограничений на классы реакций по классу реагентов

Класс «растворители» представляет собой список растворителей, участвующих в реакциях, который предполагается заполнить экземплярами класса. Различия в структуре растворителей будут заданы свойствами. Экземпляры класса растворителей будут связаны с экземплярами класса реакций свойствами has_solvent и is_solvent_in.

В некоторые классы радикалов, молекул и реакций добавлены экземпляры, связанные между собой свойствами.

В класс «ариламины» добавлено 2 экземпляра класса: (C₆H₅)₂ND (с брутто формулой C₁₂H₁₀D₁N₁ и названием Benzenamine (N-d), N-phenyl-) и (C₆H₅)₂NH (с брутто формулой (C₆H₅)₂NH и названием Benzenamine, N-phenyl-; Diphenylamine) (рис. 9).

Рис. 9. Представление экземпляра класса «ариламины»

В класс «разветвлённые радикалы с ароматическим циклом» добавлены экземпляры: 2,4,6-(NO₂)₃-C₆H₂N~N(C₆H₅)₂ (с брутто формулой C₁₈H₁₂N₅O₆ и названием 1,1-Diphenyl-2-picrylhydrazyl radical) и C₆H₅C(CH₃)₂C~H₂ (с брутто формулой C₁₀H₁₃, номером CAS 25087-41-6 и названием 2-Methyl-2-phenylpropyl radical; Neophyl radical) (рис. 10).

Рис. 10. Представление экземпляра класса «разветвлённые радикалы с ароматическим циклом»

Соответственно, в класс реакций 'R~_+_AmH(AmD)' добавлен экземпляр C₆H₅C(CH₃)₂C~ H₂_+_(C₆H₅)₂ND с продуктами реакции C₆H₅C(CH₃)₂CH₂D + (C₆H₅)₂N^, температурой 373, константой скорости 5.6E5) (рис. 11).

А в класс реакций 'Am~_+_Am'H(Am'D)' добавлен экземпляр 2,4,6-(NO₂)₃-C₆H₂N~ N(C₆H₅)₂_+_(C₆H₅)₂NH с продуктами 2,4,6-(NO₂)₃-C₆H₂NHN(C₆H₅)₂ + (C₆H₅)₂N^, температурой 293-323, предэкспоненциальным множителем 8.36, энергией активации 5.35(42) (рис. 12).

Рис. 12. Представление экземпляра класса реакций «Am~_+_Am'H(Am'D)»

Экземпляры реакций, молекул и радикалов связаны между собой свойствами has_reagent и is_reagent_in (рис. 13).

Рис. 13. Графическое представление фрагмента онтологии предметной области радикальные реакции в жидкой фазе, отображающее классы и подклассы, а также связи между классами и экземплярами классов.

В настоящий момент в онтологии внесены ограничения на реагенты по типам реакций, а также добавлено несколько экземпляров различных классов.

Разработанная онтология будет использована для организации семантического поиска в разрабатываемой интеллектуальной предметно-ориентированной системе по физической химии радикальных реакций.

Выводы

1. Разработана онтологическая модель, представляющая собой иерархию классов предметной области физическая химия радикальных реакций в жидкой фазе. Разработанная модель включает в себя около 100 подклассов радикальных реакций, более 50 классов органических соединений и около 45000 свойств объектов (физико-химических свойств молекул, радикалов и радикальных реакций).

2. Разработано представление радикальных реакций в жидкой фазе средствами OWL (англ. Web Ontology Language) -- языка описания онтологий для семантической паутины.

3. Разработано представление о термохимических свойствах многоатомных органических молекул (тип связи, энергия диссоциации, связи, энтальпия образования молекул, энтальпия образования свободного радикала) средствами OWL (англ. Web Ontology Language), основанное на химической номенклатуре UIPAC.

Литература

[1] Туманов В.Е., Прохоров А.И., Лазарев Д.Ю., Соловьева М.Е. Система научной осведомленности по физической химии радикальных реакций. Информационные ресурсы России. 2010. №5. С.16-21.

[2] Денисов Е.Т. Новые эмпирические модели реакций радикального отрыва. Успехи химии. 1997. Т.66. №10. С.953-971.

[3] Артемьева И.Л., Цветников В.А. Фрагмент онтологии физической химии и его модель. Электронный журнал "Исследовано в России". 2002. №3. С.454-474.

[4] Артемьева И.Л., Высоцкий В.И., Рештаненко Н.В. Модульная модель онтологии органической химии. Свойства органических соединений. Информатика и системы управления. 2006. №1. С.121-132.

[5] I.L. Artemieva. Multilevel ontologies for domains with complicated structures. In the Proceedings of the XHI-th Intern. Conf. "Knowledge-Dialog-Solution". June 18-24, Varna, Bulgaria, Sofia: FOI ITHEA. 2007. Vol.2. P.403-410.

[6] I.L. Artemieva. Domains with complicated structures and their ontologies. Inf. Theories and Appl. 2008. Vol.15. No.4. P.330-337.

[7] Химические объекты биологического интереса (ХОБИ)

[8] N. Adams, E. Cannon, P. Murray-Rust. ChemAxiom - An Ontological Framework for Chemistry in Science. Nature Precedings, 2009

[9] P. Sankar, G. Aghila. Design and Development of Chemical Ontologies for Reaction Representation. J. Chem. Inf. Model. 2006. Vol.46. P.2355-2368.

[10] E. Armengol, E. Plaza. An Ontological Approach to Represent Molecular Structure Information. Biological and Medical Data analysis, Lecture Notes in Computer Science. 2005. Vol.3745. P.294-304.

[11] R. Subhashini, J. Akilandeswari. A Survey on Ontology Construction Methodologies. International Journal of Enterprise Computing and Business Systems. 2011. Vol.1 No.1.

Размещено на Allbest.ru