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9. EROS 7

9.1. Programmaufbau

Das Programmsystem EROS7, das von R. Höllering und L. Steinhauer in unserem Arbeitskreis entwickelt wurde, enthält außer der neuen Datenstruktur zur Repräsentation von Molekülen noch weitere Erweiterungen gegenüber früheren EROS-Versionen, die im folgenden vorgestellt werden sollen. Es bietet eine sehr flexible Steuerung der Generierung des Reaktionsnetzwerks und erlaubt zudem eine freie Gestaltung der formalen Reaktionstypen, die als Wissensbasis dienen. Abbildung 9-1 gibt einen Überblick über den schematischen Aufbau von EROS 7. Nach dem Einlesen der Edukte wird das Reaktionsnetzwerk aufgebaut. Anhand der Reaktionsregeln werden alle Edukte geprüft, ob sie den Bedingungen für die Reaktionszentren genügen. Ist dies der Fall, so wird die Reaktion durchgeführt, und abgespeichert. Um Produktkonzentrationen vorauszusagen, kann jede Regel eine Reaktivitätsfunktion enthalten, die die Geschwindigkeitskonstante der Reaktion abschätzt. Am Ende jeder Reaktionsebene werden kinetische Berechnungen durchgeführt, die anhand der Ausgangskonzentrationen und der modellierten Geschwindigkeitskonstanten die Konzentrationen der bis dahin erzeugten Verbindungen bestimmen.

Abb. 9-1: Aufbau von EROS 7.

Wenn keine weitere Reaktion mehr durchgeführt werden kann, wird der Aufbau des Reaktionsnetzwerks beendet und die Ergebnisse ausgegeben. Zum Abbruch der Reaktionsgenerierung führen drei verschiedene Kriterien: Auf ein noch unbehandeltes Edukt kann keine weitere Reaktionsregel mehr angewendet werden, die Konzentration eines Produkts fällt unter eine vorgegebene Schwelle oder die erlaubte Zahl der Reaktionsebenen wird überschritten.

9.1.1. Aufbau des Reaktionsnetzwerks

Das System zur Steuerung des Aufbaus des Reaktionsnetzwerks in EROS 7 enthält verschiedene Modelle, mit denen festgelegt wird, welche der bereits erzeugten Moleküle in der nächsten Reaktionsebene zu neuen Eduktensembles zusammengefaßt werden. Dabei gibt es zwei Möglichkeiten: monomolekulare Zerfallsreaktionen und bimolekulare Reaktionen. In monomolekularen Zerfallsreaktionen darf jedes Eduktensemble nur ein Edukt enthalten Wenn eine Reaktion zu zwei Produkten geführt hat, so werden diese getrennt voneinander als neue Edukte behandelt. In bimolekularen Reaktionen kann zwischen zwei Verfahren zur Kombination der Eduktmoleküle in ein Reaktionsensemble gewählt werden. Einerseits dürfen nur die Produkte einer Reaktion in der nächsten Reaktionsebene gemeinsam als Edukte ausgewählt werden. Andererseits werden die Eduktensembles der nächsten Reaktionesebene erzeugt, indem alle Kombinationen aus zwei der bisher aufgetretenen Moleküle gebildet werden. Dabei kann auch festgelegt werden, ob ein Edukt mit sich selbst oder nur mit einem anderen Reaktionspartner reagieren darf.

9.1.2. Reaktionsgenerierung und Reaktionsregeln

Die Reaktionsgenerierung ist in zwei Bereiche eingeteilt, der Datei, die die formalen Reaktionstypen enthält und der Datenstruktur. Die Regeldatei enthält eine Funktion bzw. Prozedur, die zum Programmsystem statisch oder dynamisch gelinkt werden kann, und über die Regelschnittstelle mit der Reaktionsgenerierung kommuniziert. Eine flexible Gestaltung der formalen Reaktionstypen ist nur dann möglich, wenn die Sprache, die zur Abfassung dieser Reaktionstypen verwendet wird, die geforderte Flexibilität bietet. Dies ist natürlich bei der Verwendung von C++, das auch zur Programmierung des gesamten EROS-Systems verwendet wurde, gegeben. Da es jedoch auch möglich sein soll, die Reaktionstypen unabhängig vom Programm zu formulieren und zu testen, mußte eine Scriptsprache gewählt werden, die leistungsfähig genug ist, um den an sie gestellten Anforderungen zu genügen. Als Scriptsprache wurde Tcl [78] gewählt, die sehr mächtig ist und sich daher für diese Aufgabe gut eignet.

Die Regeldatei besteht aus zwei Teilen, einem globalen, in dem Definitionen, die für alle Regeln gültig sind, gesetzt werden können, und den Reaktionsregeln selbst. Über die globalen Definitionen wird festgelegt, welches Modell zur steuereung der Reaktionsgenerierung verwendet werden soll. Es kann zwischen verschiedenen Modellen zur Lösung der Differentialgleichungssysteme, die bei der Berechnung der Konzentrationen benötigt werden, gewählt werden. Und es können Variablen, die das Kernsystem benötigt, mit Anfangswerten belegt werden, z. B. die Anfangskonzentration.

Jede Reaktionsregel ist in drei Teile gegliedert. Im ersten Teil wird die Reaktionssubstruktur, der Name und andere Attribute der Regel festgelegt. Im zweiten Teil werden die Bedingungen, die für die Reaktionssubstruktur erfüllt sein müssen, damit die Reaktion durchgeführt wird, festgelegt. Der dritte Teil besteht in der eigentlichen Generierung der Reaktion und optional in der Berechnung einer Reaktivitätsfunktion.

Die Reaktionssubstruktur kann aus beliebig vielen Teilsubstrukturen bestehen, die nicht benachbart sein müssen, und auch verzweigte Pfade enthalten dürfen. Auch die Anzahl der Atome einer Reaktionssubstruktur ist frei wählbar.

In den Reaktionsbedingungen können nicht nur die Atome der Reaktionssubstruktur geprüft werden, es ist auch möglich, andere Atome zu prüfen, die nicht notwendigerweise im Molekül vorhanden sein müssen, jedoch einen Einfluß auf die Reaktion haben können. So können Nachbaratome eines Teilzentrums der Reaktionssubstruktur überprüft werden, und falls sie gewissen Bedingungen nicht gehorchen, kann die Reaktion verworfen werden. Falls das entsprechende Teilzentrum jedoch keine Nachbaratome besitzt, kann die Reaktion dennoch durchgeführt werden.

Für die formale Beschreibung einer Reaktion stehen zwei Modelle zur Verfügung. Für Reaktionen, die sich auch gut mit einer Beschreibung als VB-Strukturen formulieren lassen, ist eine Emulation der VB-Elementarreaktionen vorhanden. Dies sind Reaktionen von neutralen Verbindungen aus Hauptgruppenelementen ohne Oktettaufweitung. Sie erlaubt es, die Bindungsordnung zwischen zwei Atomen zu erhöhen und zu erniedrigen und die Zahl der freien Elektronen zu verändern. Diese Funktionen werden intern auf das RICOS-Modell übertragen. Zur Formulierung der Reaktionstypen im RICOS-Modell stehen Funktionen zum Machen und Brechen von Elektronensystemen sowie zum Ändern der Zahl der Elektronen in einem Elektronensystem zur Verfügung.

9.2. Anwendungsbeispiele

Die Modellierung von Reaktionen mit EROS7 soll an zwei Anwendungsbeispielen gezeigt werden, der massenspektrometrischen Fragmentierung des in Kapitel 2.4.1 als Problemfall geschilderten Butan-2-ons und einer allgemeinen Regel zur Formulierung von thermischen Cycloadditionen.

9.2.1. Reaktionen in der Massenspektrometrie

In Kapitel 2 wurde gezeigt, daß sich VB-Strukturen zur Repräsentation von Reaktionen in der Massenspektrometrie nur bedingt eignen. Anhand des Reaktionsschemas von Butan-2-on wird erläutert, wie sich der Aufbau des Reaktionsnetzwerks durch den Einsatz von RICOS und der flexibleren Regelsprache ändert. Zur Generierung von Reaktionen in der Massenspektrometrie eignet sich das Modell zum monomolekularen Zerfall von Verbindungen. Abbildung 9-2 illustriert die verwendeten Reaktionsregeln in RICOS-Schreibweise. Bei der Ionisation werden zwei Fälle unterschieden. Allgemein werden alle -Elektronensysteme eines Neutralmoleküls ionisiert (a). Nur in Carbonylen, in denen das Carbonyl- -Elektronensystem aus zwei Atomen besteht, wird die n-Ionisation am Sauerstoffatom vorgezogen (b). -Ionisation findet nicht statt. Die -Spaltungsreaktion wurde nun so kodiert, daß die beiden Atome A2 und A3, deren Bindung homolytisch gespalten wird, nicht Teil des radikalischen -Elektronensystems sein dürfen. Für die induktive Spaltung muß das Kation am Rand eines -Elektronensystems liegen. Die beiden Reaktionen zur Wasserstoffumlagerung konnten wieder in eine Regel vereinigt werden. Es wird jedoch weiterhin geprüft, ob der Abstand der beiden Schweratome bei der Beteiligung eines Heteroatoms zwischen 0 und 4 Atome beträgt und bei der Beteiligung zweier Kohlenstoffatome zwischen zwei und vier Atomen. Das radikalische Atom kann sowohl an einem Atom lokalisiert sein als auch Teil eines delokalisierten -Elektronensystems sein. In diesem Fall wird das -Elektronensystem vor der eigentlichen Umlagerungsreaktion so gespalten, daß das radikalische Elektron an dem zuvor ermittelten Reaktionszentrum liegt. Die formalen Kriterien der Reaktionstypen für die Carbonyl- und Wasserstoffeliminieriung wurden nicht modifiziert, jedoch auf das RICOS-Modell angepaßt.

Abb. 9-2: Regeln zur Fragmentierung von Carbonylen in EROS 7. Erläuterungen siehe Text.

Wie sich diese Regeln bei der Reaktionsgenerierung auswirken, zeigt Abbildung 9-3 . Alle auftretenden Fragmente sind als VB-Strukturen gezeichnet, da sie so einfacher zu lesen sind. EROS 7 hat nicht die Funktionalität von FRANZ, einen Abgleich zwischen experimentellem Massenspektrum und den Fragmenten des Reaktionsnetzwerks zu machen. Für das relativ einfache Massenspektrum von Butan-2-on kann dieser Vergleich jedoch auch manuell durchgeführt werden. Für alle Fragmente außer den beiden Verbindungen 7 und 13 findet sich ein entsprechendes Isotopenmuster im experimentellen Massenspektrum. Durch Verwendung der neuen Regeln hat sich die Zahl der Reaktionen von 24 auf 10 reduziert. Darin sind auch Wasserstoffumlagerungen enthalten, deren Produkte nicht weiterreagieren und die daher in FRANZ aus dem Reaktionsnetzwerk entfernt würden. Die beiden Reaktionen zu den Fragmenten 9 und 10, die bisher Probleme bereitet hatten, treten nicht mehr auf. Sie sind in der Abbildung entsprechend markiert. Die beiden eingeklammerten Reaktionen zu 7 und 13 werden zwar durchgeführt, sie korrespondieren jedoch nicht mit Signalen im experimentellen Spektrum und wurden daher bei der Analyse mit FRANZ verworfen.

Abb. 9-3: Fragmentierungschema von Butan-2-on mit EROS 7. Die Reaktionen mit durchgestrichenen Reaktionspfeilen werden nicht mehr durchgeführt, die eingeklammerten Reaktionen werden zwar erzeugt, führen jedoch zu Strukturen ohne korrespondierende Signale im experimentellen Spektrum.

9.2.2. Thermische Cycloadditionsreaktionen

Die Diels-Alder Reaktion ist die bekannteste [2+4] Cycloadditionsreaktion. Nach [80] wurde jedoch nicht nur über thermische [2+4] Cycloadditionen berichtet, sondern auch über Reaktionen vom Typ [4+6] und [2+8]. Es wurde nun eine allgemeine Reaktionsregel entwickelt, die auf Additionsreaktionen aller drei Typen angewendet werden kann.

Die Reaktionsbeschreibung einer allgemeinen Regel für thermische [n+m] Cycloadditionen zwischen neutralen Verbindungen lautet folgendermaßen: Es gibt vier unabhängige Atome in der Reaktionssubstruktur. Die Atome A1 und A2 müssen ein gemeinsames -Elektronensystem besitzen, ebenso die Atome A3 und A4. Zwischen den Atomen A1 und A2 sowie A3 und A4 muß sich eine ungeradzahlige Kette von Atomen befinden, die verschieden lang sein darf. Die Summe der beiden Abstände muß eine durch vier teilbare Zahl sein, um symmetrieverbotene Reaktionen wie [2+2] Cycloadditionen zu verhindern. Sie darf nicht größer als 8 sein, um zu lange Ketten zu vermeiden. A1 und A3 müssen sich in zwei verschiedenen Molekülen befinden. Die Reaktion wird nun so durchgeführt, daß die vier Atome mit je einem Elektron aus den -Elektronensystemen entfernt werden und zwischen den Atomen A1 und A3 sowie A2 und A4 ein reguläres -Elektronensystem gebildet wird, zu dem jedes Atom ein Elektron beisteuert. Reaktionen werden dann verworfen, wenn die Produkte Radikale oder Ladungen enthalten.

Abb. 9-4: Allgemeine Reaktionsregel für [n+m] Cycloadditionen und Abbildung der Reaktionsszentren auf Buta-1,3-dien und Ethylen als Edukte.

Im unteren Teil der Abbildung ist das Mapping der Reaktionszentren auf Buta-1,3-dien und Ethylen als Edukte gezeigt.

Für ein Gemisch aus Octa-1,3,5,7-tetraen und Buta-1,3-dien wurden 19 Produkte mit der Reaktionsregel für die Cycloaddition erzeugt. Der verwendete Modus zur Reaktionsgenerierung erlaubte auch die Reaktion eines der beiden Reaktanden mit sich selbst. Die Produkte sind in Abbildung 9-5 dargestellt.

Abb. 9-5: Produkte der [2+4], [4+6] und [2+8] Cycloadditionsreaktionen zwischen Octa-1,3,5,7-tetraen und Buta-1,3-dien.



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