3.3.3 Transformationen zur Erkennung skeletaler Ähnlichkeit

Dieser Abschnitt beschreibt diejenigen Ähnlichkeitskriterien, die Relationen zwischen Anfrageverbindungen und Katalogverbindungen auf der Basis ihrer Kohlenstoffskelette oder anderer genereller topologischer Merkmale erkennen (Übersicht 3 - 1). Die Verteilung von Substituenten bzw. die Anordnung von funktionellen Gruppen spielt hierbei - wenn überhaupt - eine untergeordnete Rolle.

Übersicht 3 - 1 Ähnlichkeitskriterien zur Erkennung skeletaler Verwandtschaften

C-Skelett

Alle Kohlenstoff-Heteroatom-Bindungen1 werden gespalten, unabhängig vom Bindungsgrad (Heterocyclen werden also geöffnet!), Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungsordnungen2 werden nicht verändert, freie Valenzen mit Wasserstoff gesättigt. Nur das größte Fragment bleibt erhalten.

Reduziertes C-Skelett

Alle CX-Bindungen werden gespalten, unabhängig vom Bindungsgrad (Heterocyclen werden also geöffnet!), CC-Bindungsordnungen werden zu Einfachbindungen reduziert, freie Valenzen mit Wasserstoff gesättigt. Nur das größte Fragment bleibt erhalten.

Größtes Ringsystem

Alle Bindungen von Ringatomen zu acyclischen Zentren werden gespalten, unabhängig von Bindungsgrad oder chemischer Natur. Fragmente die dann keine Ringatome mehr enthalten werden verworfen. Für die verbliebenen Fragmente werden nun auch alle Bindungen, die keine Ringbindungen sind, gespalten. Freie Valenzen werden dann mit Wasserstoff gesättigt und nur das größte Fragment bleibt erhalten.

Ringe und C-Skelett

CX-Bindungen werden gespalten. Ausgenommen werden jene, bei denen mindestens das Heteroatom ein Ringatom ist. Freie Valenzen werden mit Wasserstoff gesättigt. Nur das größte Fragment bleibt erhalten.

Substitutionsmuster auf dem Ringsystem

Für alle Ringatome wird ermittelt, ob eine Bindung zu einem Nicht-Ringatom existiert, das ein Schweratom ist. Danach werden alle exocyclischen Bindungen gebrochen. Fragmente die dann keine Ringatome mehr enthalten werden verworfen. Anschließend wird an jedem Ringatom, das ursprünglich mindestens einen Schweratom-Substituenten hatte, genau ein Chloratom als Markeratom addiert. Nur das größte Fragment bleibt erhalten.

Substitutionsmuster auf dem reduzierten Ringsystem

Wie vorangehendes Kriterium. Allerdings werden hier Mehrfachbindungen in Ringen zu Einfachbindungen reduziert.

Aromatensystem einschließlich -Atome

Zunächst werden alle aromatischen Atome ermittelt. Für jedes dieser Atome wird dann geprüft, ob es einen exocyclischen Schweratom-Nachbarn hat. Dann werden alle Bindungen von aromatischen Atomen zu nicht-aromatischen Zentren gebrochen. Anschließend all jene Fragmente verworfen, die kein Aromatenatom mehr enthalten. Schließlich werden die ursprünglich vorhandenen exocyclischen Schweratom-Nachbarn wieder addiert. Noch freie Valenzen werden dann mit Wasserstoff gesättigt und nur das größte Fragment bleibt erhalten.

1
Im folgenden immer CX-Bindung usw.
2
Im folgenden immer CC-Bindung/Bindungsordnung usw.

Die voranstehende Tabelle veranschaulicht die Wirkungsweise der Ähnlichkeitskriterien. Die letzten drei Transformationen sind Grenzfälle: Neben dem eigentlichen topologischen Merkmal (aromatisches System/Ringsystem) werden auch Substituenteninformationen (in sehr allgemeiner Form bzw. beschränkt auf das aromatische System) einbezogen. Die Suche nach Verbindungen mit einem bestimmten Ringsystem, u. U. ohne Berücksichtigung von Bindungsordnungen in Ringen, mit bestimmten Substitutionspositionen1 ist zwar ein wesentlich anspruchsvolleres Ähnlichkeitskriterium als das Ringsystem allein, jedoch immer noch wesentlich allgemeiner als die Kriterien des Abschnitts 3.3.4. In der Tendenz liegt Aromatensystem einschließlich -Atome" dagegen schon sehr nahe im Bereich des Ähnlichkeitsbegriffs der substitutions-orientierten Transformationssuchen.

Es wäre ohne Schwierigkeiten möglich, ein Ähnlichkeitskriterium Aromatensystem" zu definieren. Für die praktische Anwendung im Bereich der Syntheseplanung ist es aber in der Regel nicht interessant, etwa für ein Cumarin alle einen Phenylring als größtes Aromatensystem enthaltende Ausgangsverbindungen zu finden. Vielmehr ist das gleichzeitige Vorhandensein des heterocyclischen Ringes oder des entsprechenden C-Skelettes in einem Ausgangsmaterial erwünscht. Diese Bedingungen werden aber durch Größtes Ringsystem" bzw. Ringe und C-Skelett" erfaßt.

Inwieweit allein die Kriterien C-Skelett" bzw. Reduziertes C-Skelett" die in Frage kommende Zahl an Ausgangsmaterialien einschränken, zeigen folgende Zahlen2:

Es gibt drei acyclische Pentan-Gerüste.

o

o o Im Fall des nächst größeren, acyclischen C-Skeletts hat man fünf Hexane zu betrachten:

o

o o o o Daraus folgen diese Anwendungshinweise:

Ô

Ô



1
Man beachte, daß Hetero- und C-Substituenten hier völlig gleichwertig behandelt werden. Synthetisch gesehen wird man jedoch kaum eine C-Seitenkette gegen ein Heteroatom austauschen.
2
Für eine tabellarische Aufbereitung siehe Tab. 5 - 2 bzw. 5 - 4 im Abschnitt A.
3
Im neo-Pentan selbst kann es keine CC-Mehrfachbindungen geben. Die unterschiedlichen Zahlen resultieren daher, daß am Ende der Transformation andere Skelettfragmente als größer oder kleiner als ein neo-Pentan-Gerüst bewertet werden.