第五講 化學(xué)結(jié)構(gòu)的歧義性及其計算機表達方法

姚建華 李佳 徐雯麗 蔣舒仰 胡靜

1中國科學(xué)院能量調(diào)控材料重點實驗室，中國科學(xué)院上海有機化學(xué)研究所（上海 200032）

2鄭州工程技術(shù)學(xué)院 （河南鄭州 450044）

截至目前，美國SCIFINDER數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)收錄的化合物數(shù)據(jù)已達1.55億，其中有很多化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)有多種表達形式，被稱為化學(xué)結(jié)構(gòu)表示的歧義性。這種歧義性給化學(xué)結(jié)構(gòu)的計算機處理帶來了困難。結(jié)構(gòu)歧義性產(chǎn)生的主要原因為：（1）有些化合物能夠用多種都滿足價鍵理論的結(jié)構(gòu)式來表示；（2）某些化合物結(jié)構(gòu)不能用數(shù)學(xué)上的圖明確表示。

1 化學(xué)結(jié)構(gòu)表達的歧義性

在眾多的化合物分子中，有些化合物有不止一個滿足價鍵理論的結(jié)構(gòu)表示方式，即可有多個結(jié)構(gòu)式表示同一個化合物分子。如化合物嘌啉，它的化學(xué)結(jié)構(gòu)式可以用如圖1所示的6種結(jié)構(gòu)式表達，這6種表達式之間的主要區(qū)別是其中的雙鍵位置不同，但它們都滿足價鍵理論的要求。化學(xué)家在用結(jié)構(gòu)式來描述或討論嘌啉的化學(xué)物理性質(zhì)時，可以從這6種結(jié)構(gòu)表示式中隨意挑選一個使用，但計算機自動識別這6種結(jié)構(gòu)為同一個化合物，則需要采用專用的策略作預(yù)處理。

2 歧義結(jié)構(gòu)的計算機處理策略

計算機處理歧義結(jié)構(gòu)時遇到的問題主要有兩大類：（1）化合物分子與其結(jié)構(gòu)表達式之間缺少一對一的對應(yīng)關(guān)系；（2）某些歧義結(jié)構(gòu)不能用數(shù)學(xué)上的圖來表示。

所謂化合物分子與其結(jié)構(gòu)表達式之間缺少一對一的對應(yīng)關(guān)系，即一個化合物可有多種結(jié)構(gòu)表達式，如圖1所示。

圖1 嘌啉結(jié)構(gòu)的6種表達方式

所謂某些歧義結(jié)構(gòu)不能用數(shù)學(xué)上的圖來表示，是由于圖論的表達能力不能滿足化學(xué)鍵理論所要表達內(nèi)容的要求。如在價鍵理論中，將化學(xué)鍵描述為由原子間共享電子而形成。根據(jù)提供電子方式的不同，可以形成δ鍵、π鍵以及配價鍵等不同類型的化學(xué)鍵；根據(jù)共享電子云密度的不同，形成的化學(xué)鍵可分為單鍵、雙鍵、三鍵等。δ鍵是成鍵的兩原子各自提供一個電子；π鍵或配價鍵是由成鍵的兩原子可以各自提供一個電子，也可以一個原子提供空軌道而另一個提供共享的電子對，甚至可以由成鍵的π電子來提供。遺憾的是，圖論無法表達化學(xué)鍵的軌道或電子信息。

對于具體某一類型的化合物而言，出現(xiàn)的歧義結(jié)構(gòu)的形式可能具有某種規(guī)律性。為此，不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)處理系統(tǒng)都有對應(yīng)的處理策略和方法。這些方法主要包括：（1）輸入所有結(jié)構(gòu)式（Multiple-Acceptation）；（2） 選擇某一結(jié)構(gòu)（Selection）；（3） 轉(zhuǎn)換成某一確定結(jié)構(gòu)式（Transformation）。

2.1 輸入所有結(jié)構(gòu)式

這是3種方法中最簡單的處理方式。即將一個化合物分子滿足價鍵理論的所有結(jié)構(gòu)都進行編碼處理，并輸入到對應(yīng)的庫文件中。當(dāng)需要恢復(fù)時，可采用任何一種形式的結(jié)構(gòu)式。注意，這里所謂的產(chǎn)生所有結(jié)構(gòu)，并不是產(chǎn)生所有的同分異構(gòu)體，而是在保持化合物分子的物理化學(xué)性質(zhì)不變且滿足價鍵理論時的化學(xué)結(jié)構(gòu)表示形式的變化。為確保完整性和準確性，應(yīng)盡可能窮盡一個化合物的所有結(jié)構(gòu)式，這將大大增加輸入結(jié)構(gòu)式的工作量，而且在結(jié)構(gòu)式的計算機處理過程中會遇到組合問題，這將涉及計算機資源因素。因此，這種方法適用于那些結(jié)構(gòu)變化小，且不是很復(fù)雜的化合物，如碳水化合物和共振離子化合物。

對于碳水化合物而言，其存在方式處于一個動態(tài)平衡之中，習(xí)慣上可寫成直鏈或環(huán)狀（五或六元環(huán)）兩種形式，如圖2所示。在形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)時，羰基碳原子有兩種不同的構(gòu)型，從環(huán)狀形式到直鏈形式會丟失碳原子上的立體化學(xué)信息。此類結(jié)構(gòu)歧義性問題可采用錄入全部可能的結(jié)構(gòu)形式的辦法來解決。

2.2 選擇某一確定結(jié)構(gòu)

在輸入結(jié)構(gòu)時，采用一種基于結(jié)構(gòu)式規(guī)則的自動測試方法，從所有各種可能的結(jié)構(gòu)式中選出一個作為對應(yīng)的標準結(jié)構(gòu)式FG（Formal graph），并只輸入該結(jié)構(gòu)式。FG是在有限個不同結(jié)構(gòu)中選擇出來的最具代表性的一個，它是采用某種判別過程后所得到的結(jié)構(gòu)式。顯然，這種方法應(yīng)滿足一定的要求，或有一個統(tǒng)一的格式。對不同類型的化合物，應(yīng)有不同的標準。

由于化學(xué)結(jié)構(gòu)式的描述是基于化學(xué)鍵理論，而化學(xué)鍵理論自身的不完備性使得對一些類型的化合物分子很難實現(xiàn)結(jié)構(gòu)描述。例如，采用Huckel規(guī)則或Craig規(guī)則來處理大環(huán)輪烯時，當(dāng)輪烯（annulene）的n＞26時，即使符合Huckel規(guī)則，也已不為共振所穩(wěn)定，即已失去芳香性，再選用芳香鍵描述的結(jié)構(gòu)作為代表時，似乎已不再合理。因而，該方法只對一些特定類型的化合物有效，如帶離域電荷的離子、配價鍵化合物、無機化合物、氮鹽及類似物、加成化合物及多肽等。

2.3 轉(zhuǎn)換成某一確定結(jié)構(gòu)式

這是一種規(guī)范化處理方法，即將代表一化合物的所有可能的不同結(jié)構(gòu)表示形式都轉(zhuǎn)換成一個統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)表達式，只對該規(guī)范化后的結(jié)構(gòu)表達式進行編碼處理。在這個轉(zhuǎn)換過程中，需保留盡可能多的結(jié)構(gòu)特征信息。為此，在轉(zhuǎn)換過程中要對被轉(zhuǎn)換的部分進行一定形式的標記。通常不帶標記的轉(zhuǎn)換，因為會丟失太多的信息而不予考慮，而只考慮在采用規(guī)范化標記圖（Normalized graph）的同時也錄入所有其他結(jié)構(gòu)式的轉(zhuǎn)換。規(guī)范化標記圖是有限個不同結(jié)構(gòu)式F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)n的共有標志，它是對所考慮的結(jié)構(gòu)式應(yīng)用某種規(guī)則處理后產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)式。

這種方法的操作步驟主要包含4步：（1）對需錄入化合物的歧義結(jié)構(gòu)表達式進行描述；（2）產(chǎn)生規(guī)范化標記圖；（3）對規(guī)范化標記圖進行描述；（4）對有同一規(guī)范化標記圖的化合物進行關(guān)聯(lián)。

在結(jié)構(gòu)描述文件中，一般只記錄規(guī)范化標記圖和無歧義的結(jié)構(gòu)。每個標記圖中應(yīng)有指針指向放在稱為“原始結(jié)構(gòu)文件”的輔助文件中相應(yīng)的歧義結(jié)構(gòu)。這個文件被查詢時，既可通過標記圖也可通過出現(xiàn)過的結(jié)構(gòu)進行查詢。為了生成標記圖，不可能只確定一個總規(guī)則,因為這涉及到許多特定的規(guī)則,例如共振異構(gòu)、互變異構(gòu)等。但是,生成標記圖的規(guī)則必須與描述化合物結(jié)構(gòu)的規(guī)則相一致。一般規(guī)范化標記圖的產(chǎn)生不應(yīng)十分復(fù)雜，以便簡化文件的使用。因此，只有最常見的那些歧義結(jié)構(gòu)是用標記圖與結(jié)構(gòu)文件相關(guān)聯(lián)的。通常限于以下3種：互變異構(gòu)化合物、交替鍵化合物、金屬鹽類。

由于這種方法會使某些非正規(guī)畫法的化學(xué)結(jié)構(gòu)式中包含的信息丟失。例如，當(dāng)把用箭頭表示配位鍵的結(jié)構(gòu)式轉(zhuǎn)換成其他形式時，就會丟失哪個原子給電子、哪個原子接受電子的信息。因而，這種方法的適用性有一定的范圍。

關(guān)于化合物分子結(jié)構(gòu)表示的歧義性問題，目前還沒有一個通用的解決方法。以上提出的3種解決方法，各自有著不同的優(yōu)缺點，不同的化學(xué)結(jié)構(gòu)處理系統(tǒng)可根據(jù)所處理的化合物類型采用相對應(yīng)的方法。在實際的結(jié)構(gòu)處理過程中，比較合理的解決辦法或一般原則，應(yīng)該能夠遵守化學(xué)中的近似原理，即輸入化學(xué)結(jié)構(gòu)應(yīng)最大限度地反映出化學(xué)家的習(xí)慣。