1.3. Теоретико-информационный подход к исследованию

конденсированных полициклических структур и решению некоторых

технологических вопросов переработки каменноугольной смолы

Стремление найти универсальный обобщающий показатель, количественно отражающий свойства КУС как физико-химической системы или групп соединений, определяющих ее физико-химические свойства, привело нас к необходимости использования теории химической информации позволяющей получать количественные характеристики структур и свойств соединений, систем, процессов, которые применяются для кодирования данных в памяти ЭВМ [82-84].

В последние 10-15 лет для исследования таких сложных систем, каш высокомолекулярные соединения различных классов, а также промежуточные вещества для их синтеза (продукты переработки нефти, угля, слан цев и других природных ископаемых) все шире применяются современные физические методы в комплексе, например, хроматомасс-спектрометрия, ЭВМ, УФ-, ИК-, ЭПР-, ЯМР-спектроскопия - ЭВМ и т.п. Эти исследования позволяют получать обширную информацию о структуре и свойства сложных смесевых объектов, какими являются нефть, уголь, различны гудроны, КУС, пек и др.

Строгий подход к данной проблеме требует количественной оценки химических структур, учитывающей, в частности, основные топологические характеристики молекул - их разветвленность и цикличность. Этот вопрос является весьма существенным, т.к. количественный анализ общих закономерностей и особенностей в структуре молекул может быть перенесен в

-30-

извесной степени и на их свойства. Это позволило бы предсказать упорядочение групп соединений, в том числе и изомерных, по значениям таких свойств, как стабильность, реакционная способность, спектральные и термодинамические характеристики и т.п. В этой связи открываются широкие перспективы для прогнозирования веществ и систем с заданными свойствами.

В настоящее время в качестве самостоятельного направления развивается применение неквантовохимических математических методов в структурной химии. Использование теории информации в химии и химической технологии позволяет получать количественные характеристики структур и свойств соединений, которые применяются для кодирования данных в памяти ЭВM |85|. Цифровое кодирование химических структур на основе и информации и теории графов [86] позволяет достаточно полно и которого использовать методы корреляционного анализа и неквантовохимикие расчеты для количественных оценок поведения веществ.

Мерой существующих в системе неоднородностей и разностей, ее несравненности и разнообразия служит энтропия. Термодинамическая энтропия, являясь функцией массы молекулы, температуры, давления, суммы состояний, определяемой значениями всех уровней энергии и их статистических весов, не отражает существенных структурных особенностей молекул в [87]. В этом случае можно использовать энтропию информации (информационную емкость), определяемую по формуле К.Шеннона (1.12):

(1.12)

Ю. Л. Жданов и В.И. Минкин [88] преобразовали формулу (1.12) и отметили аналогию между преобразованным выражением (1.13) и уравнением Больцмана для термодинамической энтропии (1.14):

(1.13)

(1.14)

где:

Н- информационная емкость молекулы;

р_i, - вероятность обнаружения N_i -го числа i - тых структур, присущих

этой молекуле, из общего числа 1 таких структур; к - константа Больцмана; М - общее число частиц; m_i - количество частиц в i-той энергетической ячейке.

-31-

Е. Т. КОВАЛЕВ. Научные основы и технология переработки высококипящих фракций каменноугольной смолы с получением полициклических углеводородов

Если в формуле (1.14) фиксируется распределение частиц (молекул по энергиям, то в выражении (1.13) - по сортам (разновидностям) структур. Вместе с тем резонансные структуры ароматических углеводородов можно рассматривать как энергетически различные состояния одинаковы совокупностей атомов. Следовательно, аналогия не является чисто внешней и понятие информационной емкости наполняется вполне определенным физическим смыслом.

Характеристика информационной емкости позволяет рассматривать ее как критерий, меру сложности молекул [89, 90].

Для подтверждения целесообразности использования информационной емкости как качественной характеристики структуры ароматически соединений КУС была сделана попытка проанализировать взаимосвязи между нею и важными для исследователя-технолога свойствами этих cоединений: плотностью, временем удерживания на неподвижной фазе в колонке хроматографа, экзальтацией магнитной восприимчивости, молекулярной диамагнитной восприимчивостью, потенциалом ионизации, частастой р-линий в УФ-спектрах и восстановительными потенциалами соответствующих хинонов.

Для изучения были выбраны серии соединений КУС, показанные и рис. 1.8. В пределах серии соединения располагаются в порядке усложнения молекул путем линейного или ангулярного наращивания количества ядер.

Рис. 1.8. Серии изучаемых соединений

Информационную емкость молекул аренов как функцию количеств их резонансных структур определяли по преобразованной формуле