Методы выдвижения гипотез о механизмах сложных реакций

Министерство общего и профессионального образования РФ
Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М. В. Ломоносова
Кафедра Химии и технологии основного органического синтеза
МЕТОДЫ ВЫДВИЖЕНИЯ
ГИПОТЕЗ О МЕХАНИЗМАХ
СЛОЖНЫХ РЕАКЦИЙ
Учебное пособие к семинарским занятиям
Брук Л.Г., д.х.н., доцент
Зейгарник А.В., к.х.н., ассистент
Темкин О.Н., д.х.н., профессор
Вальдес-Перес Р.Е., Ph.D., ст.н.с.
Москва 1999
1
УДК:
Методы выдвижения гипотез о механизмах сложных реакций
Авторы – Л. Г. Брук, А. В. Зейгарник, О. Н. Темкин,
Р. Е. Вальдес-Перес
Москва, 1999. ISBN
, 74 с.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся
по магистерской программе 550801 "Химия и технология
продуктов основного органического и нефтехимического
синтеза". Может быть полезно в процессе обучения аспирантов, стажеров и слушателей постдипломного цикла
образования.
74 с.
Рецензенты: проф. МИТХТ им. М.В. Ломоносова,
д.т.н., Солохин А.В., зав. кафедрой основного органического и нефтехимического синтеза синтеза РХТУ им Д.И.
Менделеева, проф., д.х.н. В.Ф. Швец.
Утверждено
МИТХТ
Библиотечно-издательской
ISBN
 МИТХТ, 1999 г.
2
комиссией
Предисловие
В связи с переходом Академии (МИТХТ) на многоуровневую систему подготовки специлистов возникла
необходимость обеспечить магистерские программы специальными учебно-методическими материалами. Настоящая учебно-методическая разработка является учебным
пособием по магистерской программе 550801 "Химия и
технология продуктов основного органического и нефтехимического синтеза", а также может быть использована
при подготовке инженеров по специализации 250101
"Технология основного органического и нефтехимического синтеза". Учитывая целесообразность и возможности
непрерывной подготовки специалистов высшей квалификации в системе магистратура–аспирантура, пособие следует использовать и в процессе обучения аспирантов.
Пособие содержит описание современных формализованных методов и компьютерных программ выдвижения
гипотез о механизмах сложных каталитических процессов, задачи для проверки усвоения учебного материала и
описание методики выполнения заданий для семинарских
и практических занятий, а также для самостоятельной работы студентов.
3
Введение
Задача выяснения механизма реакций – одна из самых
трудных и интересных проблем современной химии. Знание основных черт механизмов химических реакций дает
возможность глубже понять процессы, происходящие в
природе, открывать новые реакции и катализаторы, совершенствовать известные и разрабатывать новые химико-технологические процессы.
Понятие "механизм химической реакции" включает
разнообразную информацию о закономерностях протекания химических превращений атомов и молекул. Различают понятия "механизм элементарной реакции" и "механизм сложной реакции". Элементарная реакция включает
только одинаковые элементарные акты химического взаимодействия атомов и молекул, в ходе которых преодолевается один энергетический барьер в одном направлении
и отсутствуют промежуточные соединения – интермедиаты. Понятие "механизм элементарной реакции" объединяет данные о механизме передачи энергии, необходимой
для реакции, о природе возбужденных состояний молекул,
участвующих в элементарном акте, о геометрии переходного состояния, величине константы скорости (предэкспоненциального множителя и энергии активации).
Механизм сложной реакции – это информация о последовательности элементарных стадий, приводящих к
образованию продуктов реакции из реагентов, величинах
констант скорости, составе, структуре и реакционной способности интермедиатов.
Предмет данного пособия – методики выдвижения гипотез о механизме сложных реакций. Под механизмом мы
будем понимать, в основном последовательность элементарных стадий, приводящих к образованию продуктов из
реагентов, структуру интермедиатов, состояние катализатора (если он присутствует в данной системе).
4
1. Как изучают механизм реакции?
На этот вопрос не существует единственного ответа, с которым были бы согласны большинство химиков. Имеются
различные подходы к решению проблемы, которые можно
условно разделить на две группы, отличающиеся стратегией.
1.1. Традиционная стратегия
К концу 60-х годов ХХ века полностью сформировалась
стратегия, которую мы будем называть традиционной.
Основным этапом в рамках этой стратегии является кинетическое исследование. Это не исключает использования
других, некинетических методов (исследование комплексообразования в случае гомогенно-каталитических реакций и адсорбции в случае гетерогенно-каталитических,
изотопных методов и т. д.), но именно из результатов кинетического исследования получают уравнения, описывающие процесс. Из этих уравнений "выводят" кинетическую схему, включающую символы интермедиатов.
Например, для многих каталитических процессов использовалась и используется кинетическая схема с одним интермедиатом X:
S+K


XP+K
В ферментативном катализе такую схему называют механизмом Михаэлиса–Ментен.
На следующем этапе делают предположения относительно химической природы и строения интермедиатов.
Традиционную стратегию исследования механизма
реакций при всем многообразии ее вариантов можно
упрощенно свести к следующей последовательности:
Физико-химический эксперимент –(1) Математическое
описание –(2) Кинетическая схема –(3) Механизм
В указанной последовательности гипотеза о механизме возникает в явном виде на третьем этапе при "вложении" химического смысла в кинетическую схему. Если
найденная гипотеза о механизме не противоречит результатам эксперимента (а такое противопечие было бы
5
странно, так как механизм по существу появляется на этапе (2)), то она признается истинной. На основе этого подхода получена бόльшая часть информации о механизмах
химических реакций. Тем не менее традиционная стратегия имеет ряд серьезных недостатков, которые ставят под
вопрос целесообразность ее использования даже в случае
одномаршрутных реакций и приводят к невозможности ее
использования в случае многомаршрутных реакций.
Основной недостаток этой стратегии связан с отсутствием общих и однозначных алгоритмов реализации переходов 1, 2 и 3 в указанной выше схеме. Одни и те же
экспериментальные данные могут быть одинаково хорошо
описаны бесконечным множеством уравнений, а из математического описания невозможно однозначно получить
кинетическую схему. Столь же неоднозначен и переход от
формально-кинетической схемы к механизму. В этой связи, остановившись на первом согласующимся с результатами эксперимента механизме, мы оставляем открытым
вопрос о других механизмах, которые также могут не противоречить результатам эксперимента. Кроме того, эксперимент не безразличен к гипотезам, которые вольно или
невольно имеет ввиду исследователь. В рамках традиционной стратегии в основном рассматривались механизмы,
содержащие один или два (и очень редко три) маршрута.
Проблема выбора кинетических уравнений для многомаршрутных процессов преодолевалась интуитивно, в конечном счете, путем последовательного неформализованного перебора гипотез. Эта процедура требовала больших
затрат времени и уже в случае трех маршрутов сталкивалась с большими трудностями.
С усложнением рассматриваемых механизмов трудность решения этих задач существенно возрастает и интуитивное их решение становится практически невозможным.
1.2. Рациональная стратегия
Рассмотрение все более сложных механизмов, характерное для последних десятилетий, связано с усовершенствованием методов исследования и анализа, увеличением
6
объема информации о механизмах и появлением новых
типов стадий в каталитической химии.
Для решения проблемы исследования механизма
предложен подход, который авторы пособия считают более рациональным. Ключевым этапом рациональной стратегии является использование гипотез о механизме с самого начала исследования и в явном виде:
Априорная информация, предварительный эксперимент 
Выдвижение гипотез  Анализ гипотез и планирование
эксперимента  Эксперимент  Механизм(ы)
Идея использования альтернативных гипотез для исследования механизма и построения теоретически обоснованных кинетических моделей возникла довольно давно
и является предпочтительной, но до сих пор мало используется осознанно и последовательно. Причины этого связаны с отсутствием у большинства химиков информации о
приемлемых методах выдвижения и анализа гипотез о механизме.
Механизм реакции включает два типа информации:
физико-химическую (состав и строение интермедиатов и
переходных состояний, реакционная способность интермедиатов, состав и строение нереакционноспособных соединений, включающих компоненты каталитической системы) и топологическую (взаимосвязи на множестве веществ в реакционной системе). Эти два типа информации
тесно взаимосвязаны и взаимообусловлены. В общем случае информация о двух составляющих механизма не может быть получена независимо (то есть нельзя сначала
получить "схему взаимосвязей реагентов, интермедиатов
и продуктов", а потом определить, что собой представляют интермедиаты). Гипотезы естественным образом объединяют обе части информации о механизме и позволяют
целенаправленно планировать (в широком смысле слова)
эксперименты, направленные на проверку их характерных
черт.
Для каталитических реакций целесообразно рассматривать гипотезы четырех уровней: первый уровень – гипотезы о состоянии катализатора, структуре каталитиче7
ски активного комплекса или центра; второй уровень –
гипотетические стадии, реализующиеся в реакционной
системе, последовательности стадий образования каждого
продукта процесса; третий уровень – гипотезы о структуре узлов сопряжения последовательностей стадий образования отдельных продуктов (узлом сопряжения последовательности стадий образования двух продуктов процесса
называют часть механизма, включающую последний перед разветвлением общий интермедиат и стадии после
него, ведущие к образованию рассматриваемых продуктов); четвертый уровень – гипотезы о механизме процесса
в целом. Выдвижение гипотез должно происходить в соответствии с указанными уровнями в четыре этапа. В зависимости от объема априорной информации, данных
предварительного эксперимента и специфики системы
относительная важность гипотез указанных уровней может быть различна. Очевидно, что для одномаршрутных
механизмов гипотезы второго, третьего и четвертого
уровней совпадают.
Функции катализатора по современным представлениям выполняют обычные химические соединения, существующие в растворе или на поверхности. Эти соединения
подвергаются химическим превращениям (равновесным,
обратимым, необратимым), некоторые из которых могут
приводить к образованию исходных веществ наряду с
другими. Тогда говорят, что каталитический цикл замкнулся, и образовались продукты каталитической реакции. Вопрос о том, какие именно соединения выполняют
каталитические функции, – один из самых сложных, и далеко не всегда удается на него ответить. Очень часто истинным катализатором является не то вещество, которое
загружают в реактор, а совсем другое соединение, из него
образующееся. В этом случае говорят о предшественнике
катализатора и об истинном катализаторе.
Пример. Реакция этерификации катализируется кислотами.
Если мы вносим некоторое количество серной кислоты в смесь
уксусной кислоты и этанола, то реакция, записываемая очень
просто,
CH3COOH + C2H5OH  CH3COOC2H5 + H2O
8
может протекать с участием многих частиц, в частности сольватированного протона: CH3COOH2+, C2H5OH2+, H3O+, H5O2+, и т.
д. Гипотезы о состоянии кислотного катализатора в данном растворе и будут включать в данном случае предположения о том,
какие частицы, включающие протон, присутствуют в растворе и
какие из них играют активную роль в катализе.
В случае металлокомплексного катализа в системе могут образовываться и играть различные роли в каталитическом процессе моноядерные и многоядерные комплексы, кластеры, содержащие металлы в различных степенях
окисления и с разным координационным окружением.
Гипотезы первого уровня должны содержать информацию
о распределении металла между указанными комплексами. Этот этап выдвижения гипотез пока не формализован,
и в дальнейшем обсуждаться не будет.
Как появляются гипотезы? Если механизм интересующего нас процесса ранее изучался, то гипотезы можно
найти в научных публикациях. Однако такое решение
напоминает ситуацию из известного анекдота о деньгах,
которые магическим образом попадают в тумбочку. Новые гипотезы нельзя в готовом виде найти в литературе.
Появляются они в результате творческого процесса, в котором важную роль играют знания, способность проводить аналогии, интуиция, способность предложить плодотворную идею, не вытекающую логически из известной
информации.
Гипотезы о механизме всегда были тесно связаны с
современными им представлениями о том, каким образом
могут протекать химические реакции. В основе современных количественных представлений лежат принцип независимости протекания реакций и закон действия масс
(ЗДМ) (см. любой курс химической кинетики). На основе
этих представлений скорость элементарной химической
реакции A  P должна быть пропорциональна концентрации реагента. Коэффициент пропорциональности kм –
константа скорости мономолекулярной реакции. Для того,
чтобы произошла бимолекулярная элементарная реакция
A + B  P необходимо столкновение двух молекул и вероятность этого события, а следовательно и скорость,
9
пропорциональна произведению концентраций реагирующих молекул. Уже Вант-Гофф, предложивший первую
классификацию элементарных реакций (мономолекулярные, бимолекулярные, тримолекулярные), пришел к выводу, что скорость подавляющего большинства реакций
не подчиняется ЗДМ, записываемому для стехиометрического уравнения реакции. Этот результат был связан с неэлементарностью большинства реакций, то есть с их протеканием через определенное количество элементарных
стадий и промежуточных соединений. Все каталитические
реакции являются сложными, так как их механизм должен
включать, как минимум, две стадии (образование промежуточного соединения катализатора с реагентами или одним реагентом и превращение этого соединения в продукт(ы) реакции с выделением катализатора). Поэтому
появились относительно простые стадийные механизмы
(например, механизм Михаэлиса–Ментен). Тем не менее
количество рассматриваемых вариантов механизмов и их
сложность были невелики и исследователь всегда мог их
иметь ввиду при проведении эксперимента и проводить их
дискриминацию на основе полученных результатов. Эти
обстоятельства создали иллюзию возможности выведения
схемы механизма из кинетического эксперимента, обусловили появление традиционной стратегии и ее живучесть. С ростом объема информации о возможных механизмах, увеличением их числа и сложности все труднее
стало охватить все варианты. В связи с этим возникает
необходимость формализации процедуры выдвижения
гипотез. Необходимо отметить, что никакая формальная
процедура не заменяет исследователя с его интуицией, но
только усиливает его возможности.
Задачи и примечания к разделу 1
1. Ответьте на следующие вопросы и обоснуйте ответ:
(а) Можно ли доказать гипотетический механизм какойлибо реакции? (б) Какие преимущества имеет химик, использующий компьютерные программы для выдвижения
гипотез, перед химиком не использующим эти программы?
10
2. Некоторые философские проблемы исследования
механизмов реакций рассмотрены в научно-популярной
монографии Роальда Хоффманна (Hoffmann, R. The Same
and Not the Same; Columbia University Press: New York,
1995, Chapter 29). Он обсуждает также интересный пример. В 60-х годах в Национальном Бюро Стандартов США
проводили исследование фотолиза этана. Исследователи
(Ocabe и McNesby) предложили три механизма указанной
реакции (см. рисунок).
H H
(A)
H C C H
hv
(B)
H C C H
H
C C
H
H H
H H
H
..
H C C
H
..
H C C
H H
+
H
H
C C
H
H H
H C C H
+
H H
H
H H
H H
H
hv
H H
(C)
+
H
H
H H
hv
H C C
.
H H
H H
H H
H C C H + H
.
H H
.
H C C
H H
.
+
H H
H H
Они проводили исследования с мечеными атомами. В
частности, для исследования брали либо смесь C2H6 и
C2D6, либо CH3–CD3. Наблюдали соотношение H2, D2 и
HD в продуктах реакции. Задание: 1. Механизм С не дописан, попробуйте дополнить его правдоподобными стадиями. Проанализируйте, какие продукты должны наблюдаться (и в каком соотношении), если верен (а) механизм
А, (b) механизм B, (c) механизм С. При анализе рассмотрите два варианта: (вариант 1) взят смешанный этан CH3–
11
CD3; (вариант 2) взята смесь C2H6 и C2D6. В действительном эксперименте наблюдали только H2 и D2 в продуктах
как при исходном CH3–CD3, так и при исходной смеси
C2H6 и C2D6. Какой механизм оказывается предпочтительнее других в этом случае.
3. Для чтения рекомендуется также замечательный
учебник, написанный Рейнхардом Хоффманном (Р.В. Хоффман, Механизмы химических реакций, Москва: Химия,
1979). Вот интересная задача из этого учебника: Рассматриваются два альтернативных механизма реакции
H2C CHCH2Cl + C6H5Li
C6H5 + LiCl.
На определенных этапах процесса использовали добавки
воды.
Механизм А
H2C CHCH2Cl
C6H5Li
LiCH2CHCH2Cl
-LiCl
C6H5
C6H5
Механизм B
H2C CHCH2Cl
C6H5Li
-C6H6
H2C CHCHCl
-LiCl
Li
..
H2C CH CH
C6H5Li
H2 O
Li
-LiOH
C6H5
C6H5
Рассмотрите, какие из перечисленных субстратов могут
помочь различить эти два механизма: D2C=CHCH2Cl,
H2C=13CHCH2Cl, H2C=CH14CH2Cl, H2C=CHCD2Cl.
4. В разделе 1.1 обсуждаются стадийные кинетические
схемы. В них не фигурируют конкретные вещества, а
12
только символы типа А, В, С и т.д. Вот пример стадийной
схемы:
A + B  C + P1,
C  E,
E  A + B.
Проанализируйте эту схему и объясните, почему она
должна быть признана неправильной при любой наблюдаемой кинетике.
5. Пример кинетической дискриминации стадий. Пиролиз этана протекает по следующему механизму
C2H6  2 ˙CH3,
k1, E1 = 351.1 кДж/моль,
C2H6 + ˙CH3  ˙C2H5 + CH4,
k2,
C2H5  C2H4 + H˙,
k3, E3 = 167.2 кДж/моль,
C2H6 + H˙  ˙C2H5 + H2,
k4, E4 = 41.8 кДж/моль,
а обрыв цепи может быть происходить по одной из перечисленных ниже реакций:
2 ˙C2H5  C4H10,
2 H˙ + M  H2 + M*,
H˙ + ˙C2H5  C2H6
Скорость суммарного процесса пропорциональна первой
степени давления и имеет эффективную энергию активации 284 кДж/моль. Определите, какая из реакций обрыва
осуществляется.
6. Более подробное изложение рассматриваемого в
разделе 1 материала можно найти в нашем обзоре (Темкин О.Н., Брук Л.Г., Зейгарник А.В. Некоторые аспекты
стратегии изучения механизмов и построения кинетических моделей каталитических реакций, Кинетика и катализ, 1993, Т. 34, №3, С. 445–462).
2. Формализованные методы
выдвижения гипотез о механизмах
Под формализованными методом мы понимаем либо процедуру, которую можно осуществить вручную, либо компьютерную программу, в результате работы с которой появляются гипотезы о механизме. В любом случае в основе
лежит алгоритм. Программы, конечно более эффективны
13
и застрахованы от ошибок, если конечно в самой программе их нет. В разное время появлялись различные программы для выдвижения гипотез о механизмах, подавляющее большинство из которых в настоящее время недоступны для пользователя. Однако они сыграли определенную роль в понимании возможностей формализованных методов и определении стратегических направлений
их развития. Проекты развития этих программ были приостановлены по разным причинам, но есть и общее:
большинство из них были неэффективны, так как их писали не профессионалы, а химики, а компьютеры были не
так мощны как сейчас. В большинстве из них наглядность
метода доминировала над эффективностью алгоритма.
2.1. Программы, основанные на BE/Rматрицах, и математическая модель
структурной химии
В прошлом одним из наиболее распространенных подходов к разработке программ для исследования механизмов
являлся метод, основанный на так называемой математической модели структурной химии ДугунджиУги. Популярность его связанна в основном с тем, что это был первый приближенный к реальной химии метод, для которого
имелась простая и наглядная математическая основа. Он
мог быть понятен любому химику, не обладающему специальными знаниями в области искусственного интеллекта. Сегодня использование этого метода, по-видимому,
было бы не слишком рационально (хотя и не слишком
плохо). В то же время обсуждаемая модель стала, можно
сказать, классической для органической химии, а ее знание – элементом химической культуры.
Пусть задан фиксированный набор атомов A = A1, A2
... An. Можно рассматривать все химически осмысленные
наборы молекул, составленные из этих атомов, как изомерные ансамбли молекул EM(A). Каждый атом Ai, Ai 
A, включается в каждый EM(A) один и только один раз.
Набор всех изомерных ансамблей молекул образует семейство изомерных ансамблей FIEM(A) = {EM1(A),
EM2(A), ... EMk(A)}. Исходные вещества и конечные про14
дукты реакции могут быть представлены в виде структурных be-матриц двух изомерных ансамблей (EM для исходных веществ и EM для продуктов). Недиагональные
элементы be-матрицы какого-либо EM равны кратности
связи между атомами из набора A в молекулах, входящих
в EM. Диагональные элементы равны числу валентных
электронов соответствующего атома. Пусть матрица B
описывает исходные вещества, матрица E  конечные вещества в некоторой реакции, EM(B)  EM(E). Тогда перераспределение связей может быть описано матричным
уравнением
B + R = E,
где R  реакционная r-матрица.
Рассмотрим в качестве примера реакцию гидрохлорирования ацетилена в присутствии катализатора M.
CH≡CH + HCl  CH2=CHCl
Набор атомов A = M, H, Cl, C, C, H, H. Это то из чего состоит исходная система. Изомерный ансамбль исходных веществ в этом случае – EMисх = {M, HCl, C2H2}.
Продукты описываются изомерным ансамблем EMпрод =
{M, CH2=CHCl}. Проблема отыскания механизма сводится к нахождению последовательности реакций изомеризации ансамблей, которые бы превращали EMисх в EMпрод:
EMисх  EM1  EM2  ...  EMn–1  EMпрод
В матричной форме итоговая реакция запишется следующим образом:
C
C
H
H
Cl
H
M
C
0
3
1
0
0
0
0
C
3
0
0
1
0
0
0
H
1
0
0
0
0
0
0
H
0
1
0
0
0
0
0
Cl
0
0
0
0
0
1
0
H
0
0
0
0
1
0
0
M
0
0
0
0
0
0
0
+R=
C
C
H
H
Cl
H
M
C
0
2
1
0
0
1
0
C
2
0
0
1
1
0
0
H
1
0
0
0
0
0
0
H
0
1
0
0
0
0
0
Cl
0
1
0
0
0
0
0
В качестве упражнения найдите матрицу R.
Рассмотрим механизм, состоящий из трех стадий:
1. M + HCl  HMCl
2. HCCH + HMCl  HMCH=CHCl
3. HMCH=CHCl  M + CH2=CHCl
15
H
1
0
0
0
0
0
0
M
0
0
0
0
0
0
0
Он может быть представлен в виде последовательности
изомеризаций ансамблей:
{M, HCl, C2H2}  {HMCl, C2H2}  {HM–CH=CHCl} 
{M, CH2=CHCl}.
или в виде матричных уравнений
1.
C
C
H
H
Cl
H
M
C
0
3
1
0
0
0
0
C
3
0
0
1
0
0
0
H
1
0
0
0
0
0
0
H
0
1
0
0
0
0
0
Cl
0
0
0
0
0
1
0
C
C
H
H
Cl
H
M
2.
C
C
H
H
Cl
H
M
C
0
3
1
0
0
0
0
C
3
0
0
1
0
0
0
H
1
0
0
0
0
0
0
H
0
1
0
0
0
0
0
3.
C
0
2
1
0
0
0
1
C
2
0
0
1
1
0
0
H
1
0
0
0
0
0
0
H
0
1
0
0
0
0
0
C
0
3
1
0
0
0
0
Cl
0
0
0
0
0
0
1
C
C
H
H
Cl
H
M
C
C
H
H
Cl
H
M
H
0
0
0
0
1
0
0
C
3
0
0
1
0
0
0
H
0
0
0
0
0
0
1
C
0
2
1
0
0
0
1
Cl
0
1
0
0
0
0
0
C
C
H
H
Cl
H
M
M
0
0
0
0
0
0
0
M
0
0
0
0
1
1
0
H
0
0
0
0
0
0
1
C
0
2
1
0
0
1
0
+
H
1
0
0
0
0
0
0
C
2
0
0
1
1
0
0
H
0
1
0
0
0
0
0
H
1
0
0
0
0
0
0
H
0
1
0
0
0
0
0
Cl
0
1
0
0
0
0
0
C
C
H
H
Cl
H
M
+
H
1
0
0
0
0
0
0
Cl
0
0
0
0
0
0
1
C
C
H
H
Cl
H
M
+
M
1
0
0
0
0
1
0
C
2
0
0
1
1
0
0
C
C
H
H
Cl
H
M
H
0
1
0
0
0
0
0
Cl
0
1
0
0
0
0
0
C
0
0
0
0
0
0
0
C
0
0
0
0
0
0
0
H
0
0
0
0
0
0
0
H
0
0
0
0
0
0
0
Cl H M
0 0 0
0 0 0
0 0 0
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
=
C C H
0 1 0
1 0 0
0 0 0
0 0 0
0 1 0
0 0 0
1 0 0
H
0
0
0
0
0
0
0
Cl H
0 0
1 0
0 0
0 0
0 0
0 0
1 0
M
1
0
0
0
1
0
0
=
H
0
0
0
0
0
0
0
Cl
0
0
0
0
0
0
0
H M
1 1
0 0
0 0
0 0
0 0
0 1
1 0
=
H
0
0
0
0
0
0
1
M
0
0
0
0
1
1
0
H
0
0
0
0
0
0
1
C
0
0
0
0
0
1
1
H
1
0
0
0
0
0
0
M
1
0
0
0
0
1
0
C
0
0
0
0
0
0
0
H
0
0
0
0
0
0
0
M
0
0
0
0
0
0
0
Существует несколько различных программ, в которых использована математическая модель структурной
химии. Одним из возможных методов является использование набора стандартных R-матриц. Каждую из таких
16
матриц применяют к исходному ансамблю молекул, затем
к каждому вновь полученному ансамблю и т.д. до тех пор
пока новые ансамбли не перестанут образовываться. Другой метод состоит в том, чтобы находить все возможные
R-матрицы, удовлетворяющие некоторым заданным ограничениям, и проводить с ними генерацию изомерных ансамблей.
2.2. Программа MECHEM
В основе программы MECHEM лежит исчерпывающий
поиск возможных элементарных реакций и путей реакции,
исходя, главным образом, из общих соображений. В частности, согласно данному подходу в ходе элементарной
реакции происходят лишь небольшие изменения связности атомов в реагирующих молекулах (число таких изменений может быть определено пользователем). Исходные
вещества и продукты, а также при желании и некоторые
интермедиаты, задаются пользователем. MECHEM формирует стадии в виде
[известные регенты]  X + Y
и затем строит все возможные структуры гипотетических
веществ X и Y (используя теоретико-графовые алгоритмы), в предположении, что число разрывов и образований
связей не больше, например, трех. При этом, никакие схемы преобразований не задаются, то есть реакция может
быть произвольного типа, что создает хорошие предпосылки к новизне получаемых результатов.
После того, как программа получила все возможные
варианты первой стадии в механизме, используя исходные
вещества, и после того как X и Y стали конкретными веществами, программа аналогичным образом генерирует
вторую стадию, предполагая, что теперь исходные вещества пополнены интермедиатами X и Y. "Пространство"
возможных путей реакции – это просто множество возможных списков элементарных стадий, получаемых таким
образом. Неизменным условием является то, что число
реагентов и продуктов в каждой стадии не превышает
двух. Других встроенных в алгоритм условий нет.
17
При формировании каждого механизма программа
осуществляет перебор возможных продуктов каждой стадии, а затем самих стадий. Поиск механизмов осуществляется в порядке усложнения механизмов. В начале программа ищет механизмы с одним гипотетическим веществом, затем с двумя, с тремя и т. д. Кроме того, при некотором фиксированном числе гипотетических веществ программа сначала ищет механизмы с меньшим числом стадий.
Поскольку программа при генерации не использует
никаких предположений относительно конкретной химии
рассматриваемой реакции, то маловероятно, что получаемые механизмы будут разумными. Например, при генерации гипотетических механизмов какой-либо реакции, не
протекающей без катализатора, программа получит и механизм, в котором катализатор полностью игнорируется.
В этом случае, пользователь имеет возможность сформулировать свои возражения в виде ограничений, например,
"катализатор должен участвовать во всех стадиях" или "
катализатор должен участвовать в перераспределении связей на каждой стадии". Такого рода ограничения не являются встроенными в алгоритм и программа их не использует до тех пор, пока пользователь явно об этом программу не попросит. Однако в программе предусмотрена возможность использования большого числа ограничений
(это, так сказать, "активизируемые знания"). Возражения
пользователя могут быть основаны на данных эксперимента, интуиции, на всем, что разумно.
Программа организована таким образом, чтобы введенные пользователем ограничения заработали на как
можно более ранних стадиях ее работы, чтобы не тратить
время на бесполезный перебор.
Каково в итоге участие пользователя? Что пользователь должен уметь? Во-первых, пользователь должен
уметь сформулировать ограничения, а для этого надо хорошо знать специфический предмет исследования, обладать знаниями из смежных областей (физической, органической и неорганической химии) и уметь использовать
различные эвристические правила (например, правило
18
сохранения орбитальной симметрии). Во-вторых, если
необходимо проводить дискриминацию полученных гипотетических механизмов, то, анализируя механизмы,
надо уметь предложить экспериментальный или теоретический метод, который дал бы такую возможность (это то,
чему в идеале должен научиться каждый студент).
Рассмотрим использование программы MECHEM на
примере реакции гидрохлорирования ацетилена.
Вначале задаются реагенты (C2H2, HCl, M) и продукты
(винилхлорид) и указывается максимальная валентность
каждого атома: C(4), H(1), Cl(1), M(2). затем вводятся
ограничения. В нашем случае мы решили для начала использовать ограничение на стехиометрию итоговой реакции:
C2H2 + HCl  CH2=CHCl
Такое ограничение не является обязательным (скорее
наоборот), оно использовано, чтобы привести все рассматриваемые здесь примеры “к общему знаменателю”.1
Затем мы просто запустили программу и получили
один единственный механизм, состоящий из реакции, которую мы считаем итоговой. Программа не использовала
катализатор M, так как ей никто не сказал, что это нужно
сделать. Мы решили исправить эту ошибку и попросили
программу использовать катализатор в следущем эксперименте. Для этого добавили ограничение, что атом металла M должен участвовать в каждой реакции. С этими
двумя ограничениями запустили программу снова, и она
возвратила нам 45 механизмов (попробуйте их перечислить!). Конечно, в них было много химических ошибок.
Посмотрим, какие интермедиаты придумала программа:
M–CH=CH
M=C=CH2
H–M–Cl
MH–CCH
H–M–CH=CH–Cl
H–M–CH=C
Подумайте, какие механизмы может генерировать
программа, если такое ограничение не использовать.
1
19
M–CH2–C
Cl–M–CH2–CH
HM–CCl=CH2
M=C=CH–CH=CH2
H–M–CH2–CCl
CH–M–CH
H–M–CHCl–CH
Cl–M–CH=CH2
M–CHCl–CH2
M–CH2–CHCl
M=CH–CH2Cl
H–M–CC–CH=CH2
CHCl–M–CH2
CH2=CH–M–CCH
CH2=CH–M–CH=C
CH2=CH–C–M–CH
M=CCl–CH3
M=CH–C–CH=CH2
M CH CH CH2
C
M
M
CH
M
C CH CH2
CH
CH
CH2
CHCl
M C CH CH2
CH
Можно заметить, что число ковалентных двухэлектронных связей некоторых атомов углерода в указанных
выше интермедиатах меньше четырех. Мы ввели новое
ограничение, исправляющее эту ошибку и требующее,
чтобы углерод всегда был четырехвалентен. После применения нового ограничения, программа оставила только
17 механизмов (стехиометрические числа стадий указаны
в скобках на стрелках):
(1)
1. M + HCl –(1) H–M–Cl
2. HCCH + H–M–Cl –(1) H–M–CH=CHCl
3. H–M–CH=CHCl –(1) M + CH2=CHCl
(2)
1. M + HCl (0) H–M–Cl
2. HCCH + H–M–Cl –(1) H–M–CH=CHCl
3. HCl + H–M–CH=CHCl –(1) CH2=CHCl + H–M–Cl
20
(3)
1. M + HCl –(1) H–M–Cl
2. HCCH + H–M–Cl –(1) Cl–M–CH=CH2
3. Cl–M–CH=CH2 –(1) M + CH2=CHCl
(4)
1. M + HCl (0) H–M–Cl
2. HCCH + H–M–Cl –(1) Cl–M–CH=CH2
3. HCl + Cl–M–CH=CH2 –(1) CH2=CHCl + H–M–Cl
(5)
1. HCCH + M –(1) M
2. HCl + M
3. M
CH
CH
CH
CH2
–(1) M
CH
CHCl
CH2
–(1) M + CH2=CHCl
CHCl
(6)
1. HCCH + M (0) M
2. HCCH + M
3. HCl + M
CH
CH
CH
CH
–(1) M
C CH CH2
CH
CH
C CH CH2
–(1) CH2=CHCl + M
(7)
21
CH
CH
1. HCCH + M –(1) M=C=CH2
2. HCl + M=C=CH2 –(1) M=CCl–CH3
3. M=CCl–CH3 –(1) M + CH2=CHCl
(8)
1. HCCH + M –(1) M=C=CH2
2. HCl + M=C=CH2 –(1) M=CH–CH2Cl
3. M=CH–CH2Cl –(1) M + CH2=CHCl
(9)
1. HCCH + M –(1) M=C=CH2
2. HCl + M=C=CH2 –(1) Cl–M–CH=CH2
3. Cl–M–CH=CH2 –(1) M + CH2=CHCl
(10)
1. HCCH + M –(1) M=C=CH2
2. HCl + M=C=CH2 –(1) H–M–CCl=CH2
3. H–M–CCl=CH2 –(1) M + CH2=CHCl
(11)
1. HCCH + M (0) M=C=CH2
2. HCCH + M=C=CH2 –(1) M=C=CH–CH=CH2
3. HCl + M=C=CH–CH=CH2 –(1) CH2=CHCl + M=C=CH2
(12)
1. HCCH + M –(1) H–M–CCH
2. HCl + H–M–CCH –(1) H–M–CCl=CH2
3. H–M–CCl=CH2 –(1) M + CH2=CHCl
(13)
1. HCCH + M (0) H–M–CCH
2. HCl + H–M–CCH –(1) H–M–CCl=CH2
3. HCCH + H–M–CCl=CH2 –(1) CH2=CHCl + H–M–CCH
22
(14)
1. HCCH + M –(1) H–M–CCH
2. HCl + H–M–CCH –(1) H–M–CH=CHCl
3. H–M–CH=CHCl –(1) M + CH2=CHCl
(15)
1. HCCH + M (0) H–M–CCH
2. HCl + H–M–CCH –(1) H–M–CH=CHCl
3. HCCH + H–M–CH=CHCl –(1) CH2=CHCl + H–M–CCH
(16)
1. HCCH + M (0) H–M–CCH
2. HCCH + H–M–CCH –(1) CH2=CH–M–CCH
3. HCl + CH2=CH–M–CCH –(1) CH2=CHCl + H–M–CCH
(17)
1. HCCH + M (0) H–M–CCH
2. HCCH + H–M–CCH –(1) H–M–CC–CH=CH2
3. HCl + H–M–CC–CH=CH2 –(1) CH2=CHCl + H–M–CCH
Стехиометрическое число, равное нулю означает, что
соответствующая стадия участвует в формировании катализатора и не входит в каталитический цикл.
В этих семнадцати механизмах не фигурируют такие
частицы как H+ и Cl–, так как программа генерирует сначала более простые механизмы. Если бы мы ввели ограничения, исключающие эти механизмы, или потребовали
получить механизмы с большим числом веществ и стадий,
то эти ионы рано или поздно появились бы.
2.3. Программа ChemComb
Программа ChemComb сравнительно проста, но подразумевает сравнительно большие временные затраты пользователя при интерпретации результатов. Однако при этом
она помогает обеспечить нахождение полного набора одномаршрутных механизмов, построенных из ограничен23
ного числа заранее заданных типов элементарных реакций. В следующей главе будет подробно описано, как метод, заложенный в основу программы, может быть использован вручную (без компьютера). Здесь мы опишем
программу в более математизированном виде.
В основу алгоритма положено простейшее (и весьма
неполное) кодирование элементарных реакций. Каждой
элементарной реакции ставится в соответствие кортеж
(неупорядоченный набор целых чисел или символов, допускающий повторения). Каждое число в кортеже идентифицирует разрыв или образование одной связи между
конкретными типами атомов. Понижение порядка связи
рассматривается как разрыв одной связи большей кратности и образование одной связи меньшей кратности. Аналогичным образом рассматривается и увеличение порядка
связи. Итоговая реакция рассматривается с тех же позиций, что и элементарные реакции. Кортежи, поставленные
в соответствие элементарным реакциям, называются элементарными формулами (ai), а кортеж, поставленный в
соответствие итоговой реакции, – простейшей формулой
превращения. Путь реакции, приводящий к заданному
итоговому уравнению, лежит (в простейшем случае) через
разрывы и образования связей, описываемые простейшей
формулой превращения, т.е., элементарные формулы, взятые вместе, дают g:
a1  a2  
 an = g.
Например, если a1 = (1, 2, 4) и a2 = (2, 4, 3), то a1  a2 =
(1, 2, 2, 3, 4, 4). Кортеж g может содержать также коды
изменения других связей. В этом случае g называют расширенной формулой превращения. Если в расширенной
формуле превращения есть коды разрыва (образования),
которые не входят в минимальную формулу превращения,
то они должны быть скомпенсированы кодами образования (разрыва) однотипных связей.
В качестве исходных данных алгоритм использует
библиотеку характерных типов реакций, хранящуюся в
виде текстового файла, и формулу превращения, сформированную пользователем по специальным таблицам. Про24
грамма последовательно перебирает все записи в библиотеке, осуществляя поиск таких элементарных реакций, для
которых ai  g. Результаты поиска оформляются в виде
текстового файла, который может быть отредактирован
пользователем. Часть реакций может быть удалена, а другие добавлены. Далее программа реализует поиск всех
сочетаний m, m – 1, m – 2, …, 2 стадий из конечного списка n стадий (n  m), сформированных пользователем в
окончательном варианте. Программа автоматически выбирает те из них, для которых выполняется указанное
выше условие, и заносит их в файл результатов поиска.
Останов происходит по окончании перебора всех сочетаний. Предусмотрена также возможность проверки сочетаний с повторениями, если в g содержатся повторения чисел.
Результаты далее нуждаются в корректировке и интерпретации.
2.4. Программа ChemNet
Программа ChemNet также подробно описана в следующей главе, а здесь мы опишем лишь основы алгоритма. В
программу вводятся исходные вещества, ограничения на
генерируемые стадии и вещества, а также прообразы элементарных стадий – трансформации, аналогичные тем,
которые используются в ChemComb, но закодированные
исчерпывающе (и однозначно идентифицируемые). Программа превращает исходные вещества в другие вещества,
используя при этом трансформации. Затем трансформации применяются к пополненному списку веществ (исходные вещества плюс вещества, полученные на предыдущем этапе). Затем процедура повторяется вновь и вновь
до тех пор как новые вещества не перестанут формироваться благодаря действию ограничений.
2.5. Программа CASB
Недавно была разработана программа CASB для генерации сетей химических реакций в Марийском Государственном
Университете
(г.
Йошкар-Ола,
автор
А. Поролло). Эта программа, также как и ChemNet, основана на комбинаторной генерации стадий с заданными
25
ограничениями. В качестве исходных данных задаются
структурные формулы веществ, правила, описывающие
элементарные преобразования и ограничения (например,
запрещенные фрагменты, молекулярные массы образующихся соединений).
Трансформации описываются правилами типа «если–
то». Эти правила подразделяются на три типа согласно
способу их применения, а именно трансформирующие,
стабилизирующие и исключающие. В начале соединение
оценивается трансформирующим правилом. Если в нем
присутствует структурный фрагмент, описанный в правиле, то оно подвергается превращению согласно этому правилу. Затем полученное соединение проверяют стабилизирующими правилами, в которых описаны пути перевода
нестабильных частиц в более устойчивые (например, вместо вицинальных бирадикалов формируются кратные связи). Наконец, после этого, каждое из новых соединений
проверяется исключающими правилами на наличие запрещенных фрагментов. Если хотя бы в одном из продуктов найден запрещенный структурный фрагмент, то вся
реакция отбрасывается. Если все вновь полученные соединения не содержат указанных фрагментов, то программа проверяет, не были ли такие соединения сгенерированы ранее. При полученнии продуктов повторно в сеть
добавляется только новая реакция, в противном случае
добавляются как новые структуры, так и реакция, ведущая
к ним. Наконец, программа отбрасывает вырожденные
реакции, в которых хотя бы один из продуктов является
таким же, как и реагент. После этого программа возвращается на этап формирования новых соединений.
Когда просмотр всех комбинаций интермедиатов с
помощью очередного трансформирующего правила закончен, программа возвращается на шаг выбора следующего правила. Итерация процесса генерации считается
завершенной после рассмотрения всех комбинаций исходных веществ и интермедиатов, полученных на предыдущих стадиях с помощью трансформирующих правил.
Тогда программа начинает новую итерацию, включая в
рассмотрение полученные интермедиаты на последней
26
итерации. И так процесс повторяется до тех пор, пока не
будет достигнут предел числа итераций, заданный вначале, или на очередной стадии не будет сгенерировано ни
одного интермедиата или новой реакции.
Результат работы программы – список стадий.
2.6. Общие замечания
Все программы в том или ином виде используют знания о
химических реакциях. Эти знания могут быть встроены в
программу и использоваться при генерации гипотез
(“встроенные знания”), а могут быть сообщены программе
пользователем в ходе ее работы. Для этого в программе,
конечно, должны быть специальные средства, чтобы
пользователь мог эти знания ввести. Это – “активизируемые знания”, они уже есть в программе, но пользователь
должен дать команду, чтобы они начали использоваться.
“Встроенным знанием” в программах MECHEM и
ChemNet является условие, ограничивающее молекулярность стадий. “Активизируемыми знаниями “ в программе
MECHEM являются шаблоны ограничений, а в программе
ChemNet – трансформации, которые уже отобраны экспертами.
Все типы данных, которые использует программа,
можно поделить условно на два типа: (а) что должно произойти (например, пользователь указывает, какие интермедиаты участвуют в реакции) и (б) что не может произойти (пользователь указывает, какие типы реакций не
должны протекать в системе). И те и другие данные ограничивают комбинаторный перебор и очень полезны.
Для многих программ характерно использование в качестве исходных данных списков типов реакций (как в
программах ChemNet и ChemComb) или даже списков самих реакций. Иногда это происходит явно, а иногда – нет.
В частности, в программе RAIN, основанной на модели
BE-матриц и разработанной Э. Фонтейном, трансформации и реакции не используются, но используются так
называемые таблицы переходов (transition tables), которые
описывают фрагменты трансформаций.
27
Задачи к разделу 2
1. Представьте следующий механизм в виде последовательности изомерных ансамблей, запишите реакционные матрицы (P – лиганд)
(1) [RuH2P3] + 2Ph2C=O  [Ru(O=CPh2)P3] + Ph2CHOH
(2) [Ru(O=CPh2)P3] + 2H2  Ph2CHOH +[RuH2P3]
(3) RuH2P3 + H2  [RuH4P3]
(4) [RuH4P3] + Ph2C=O  [RuH2P3] + Ph2CHOH
(5) [RuH4P3] + Ph2CHO–  [RuH3P3]– + Ph2CHOH
(6) [RuH3P3]– + Ph2C=O  [RuH2P3] + Ph2CHO–
2. Запишите в обычном виде механизм, показанный в
виде изомеризаций ансамблей:
{CH3OH + HI + CO + [Rh(CO)2I2]} 
{CH3I + H2O + CO + [Rh(CO)2I2]} {H2O + CO +
[(CH3)Rh(CO)2I3]}  {H2O + [CH3C(O)Rh(CO)2I3]}  {H2O +
CH3C(O)I + [Rh(CO)2I2]}  {HI + CH3C(O)OH + [Rh(CO)2I2]}
3. Запишите механизм в виде матричных уравнений:
2M + CH2=CH2  MCH2–CH2M
2M + H2  2MH
MCH2–CH2M + MH  2M + MCH2–CH3
H2 + MCH2–CH3  CH3–CH3 + MH
4. Проанализируйте 17 механизмов гидрохлорирования ацетилена, полученных программой MECHEM. Выберите те механизмы, которые с Вашей точки зрения неверны или маловероятны. Обоснуйте свой выбор. Сформулируйте ограничения, которые могут быть использованы,
чтобы исключить неверные или маловероятные механизмы из этого списка.
5. Наиболее характерные превращения веществ, имеющие место при термическом пиролизе алканов следующие: образование радикалов (X–Y  X˙ + Y˙), радикальный отрыв или радикальное замещение (X–Y + Z˙  X˙ +
Z–Y), рекомбинация радикалов (X˙ + Y˙  X–Y), присоединение радикала к кратной связи (например, X=Y + Z˙
 ˙X–Y–Z) и обратная реакция отщепления, реакции с
участием и образованием карбенов (X=Y  X: + Y:, X: +
Y:  X=Y, X–Y–Z  Y: + X–Z). Протекают и другие
28
превращения (какие?). Составьте список реакций, которые
протекают при термическом пиролизе этана, считая что
максимальное число атомов углерода в продуктах и интермедиатах равно 2.
Примечания к разделу 2
1. Обзор программ выдвижения гипотез о механизмах
реакций дан в статье: Зейгарник А.В., Брук Л.Г., Темкин
О.Н., Лихолобов В.А., Майер Л.И. Исследование механизмов реакций с использованием компьютерных программ, Успехи химии, 1996, Т. 65, №2, С. 125–139. Некоторые вопросы, связанные со стратегией интерактивного
использования программ (в частности программы
MECHEM) для выдвижения гипотез рассмотрены в статье
Zeigarnik A.V., Valdes-Perez R.E., Temkin, O.N., MetalCatalyzed Ethylene Hydrogenation: The Method of Interactive
Search for Multiple Working Hypotheses, Langmuir, 1998,
Vol. 14, № 16, P. 4510–4516.
2. Есть большое число программ, которые в разное
время использовались. Здесь мы приводим ссылки на литературу и комментарии к ним:
(1) Одной из первых была разработана программа RAIN, основанная на математической модели структурной химии: (a)
Fontain E., Bauer J., Ugi I. Computer Assisted Bilateral
Generation of Reaction Networks from Educts and Products,
Chem. Lett., 1987, P. 3740; (b) Fontain E., Reitsam K. The
Generation of Reaction Networks with RAIN. 1. The Reaction
Generator, J. Chem. Inf. Comput. Sci., 1991, V. 31, P. 97101; (c)
Fontain E. The Generation of Reaction Networks with RAIN. 2.
Resonance Structures and Tautomerism, Tetrahedron Comput.
Methodol., 1990, V. 3, P. 469477; (d) Ugi I., Fontain E., Bauer J.
Transparent formal Methods for Reducing the Combinatorial
Abundance of Conceivable Solutions to a Chemical Problem:
Computer-Assisted Elucidation of Chemical Reaction Mechanisms, Anal. Chim. Acta, 1990, V. 235, P. 155161.
(2) Одна из ранних программ, которая также основана на математической модели структурной химии, разработана в Японии:
Yoneda Y. A Computer Program Package for the Analysis,
29
Creation, and Estimation of Generalized Reactions  GRACE. 1.
Generation of elementary Reaction Network in Radical Reactions
 A/GRACE, Bull. Chem. Soc. Jpn., 1979, V. 52, P. 814.
(3) Интересна программа, основанная на использовании BE/R
матриц была сделана в Высшем танковом инженерном училище в Омске: Дозморов С.В., Генерация механизмов гомогенных реакций, React. Kinet. Catal. Lett. 1982, Vol. 19, P.
289295.
(4) В Новосибирске в Институте катализа в прошлом разрабатывалась программа КОМСИКАТ, основанная на BE/R матрицах. Была сделана попытка приблизится к автоматизированному прогнозированию каталитической активности: (a) Лихолобов В. А., Майер Л. И., Булгаков Н. Н., Федотов А. В.,
Штейнгауер Л. Г. ЭВМ-прогнозирование каталитических
свойств атомов металлов в газофазном гидрировании окиси
углерода, Материалы V Международного симпозиума по связи между гомогенным и гетерогенным катализом, Новосибирск: ИК СО РАН, 1986, С. 2312454; (b) Likholobov V. A.,
Mayer L. I., Bulgakov N. N., Fedotov A. V., Shteingauer L. G.
Computer-Aided Prognosis of the Catalytic Properties of Metal
Atoms in the Gas-Phase Hydrogenation of Carbon Monoxide,
Homogeneous and Heterogeneous Catalysis, Yermakov Yu.,
Likholobov V. A., Eds., Novosibirsk: Inst. of Catalysis, 1986, P.
229–244; (c) Shtokolo L. I., Shteingauer L. G., Likholobov V. A.,
Fedotov A. V. Generation of Mechanisms of Chemical Reactions:
Gas-Phase CO + H2O Reaction in the Absense of Catalysts, React.
Kinet. Catal. Lett., 1984, V. 26, P. 227–233; (d) Shteingauer L. G.,
Mayer L. I., Bulgakov N. N. Fedotov A. V., Likholobov V. A.
Generation of Chemical Reaction Mechanisms. CO Hydrogenation
Catalyzed by Metal Atoms in the Gas Phase, React. Kinet. Catal.
Lett., 1988, V. 36, P. 139–143.
(5) В большой статье (Dugunji J., Ugi I. An Algebraic Model of
Constitutional Chemistry as a Basis of Chemical Computer
Programs, Top. Curr. Chem., 1973, V. 39, P. 1964) рассмотрены математические основы математической модели структурной химии.
(6) Программа TAMREAC для выдвижения гипотез о механизмах
металлокомплексного катализа была разработана во Франции:
(a) Barone R., Chanon M., Green M. L. H. Possible Mechanisms
30
for Ethylene Dimerization Derived by Use of a New Computer
Program, J. Organometal. Chem., 1980, V. 185, P. 8593; (b)
Theodosiou I., Barone R., Chanon M. New Computer Program
Able To Propose Mechanistic Schemes and Secondary Products
for Transformations Catalyzed by Transition Metal Complexes:
Possible Mechanisms for Hydroformylation of Ethylene, J. Mol.
Catal., 1985, V. 32, P. 2750; (c) Theodosiou I., Barone R.,
Chanon M. Computer Aids for Organometallic Chemistry and
Catalysis, Adv. Organometal. Chem., 1986, V. 26, P. 165216. В
этих статьях содержатся таблицы характерных стадий металлоорганических реакций и много другой интересной информации. Программа не распространяется среди пользователей и
проект ее развития в настоящий момент приостановлен.
(7) Программа MECHEM рассмотрена в следующих статьях: (a)
Valdés-Pérez R.E., Algorithm To Generate Reaction Pathways for
Computer-Assisted Elucidation, J. Comput. Chem. 1992, V. 13, P.
1079–1088; (b) Valdés-Pérez R.E., . Algorithm to Test the
Structural Plausibility of a Proposed Elementary Reaction, J.
Comput. Chem. 1993, V. 14, P.14541459; (c) Valdés-Pérez R.E.,
Heuristics for Systematic Elucidation of Reaction Pathways, J.
Chem. Inf. Comput. Sci. 1994, V. 34, P. 976983; (d) ValdésPérez R.E., . Algorithm to Infer the Structures of Molecular
Formulas within a Reaction Pathway, J. Comput. Chem. 1994, V.
15, P. 12661277; (e) Valdés-Pérez R.E., Human/Computer
Interactive Elucidation of Reaction Mechanisms: Application of
Catalyzed Hydrogenolysis of Ethane, Catal. Lett. 1994, V. 28, P.
79–87; (f) Valdes-Perez R.E., Zeigarnik A.V., Interactive
Elucidation (without Programming) of Reaction Mechanisms in
Heterogeneous Catalysis, J. Mol. Catal., A: Chemical 1997, V.
119, №1-3, P. 405-414; (g) Zeigarnik A.V., Valdes-Perez R.E.,
Temkin O.N., Bruk L.G., Shalgunov S.I., Computer-Aided
Mechanism Elucidation of Acetylene Hydrocarboxylation to
Acrylic Acid Based on a Novel Union of Empirical and Formal
Methods, Organometallics 1997, V. 16, №14, P. 3114-3127; (h)
Zeigarnik A.V., Valdes-Perez, R.E. Systematic Prediction of the
Products and Intermediates of Isotopic Labeling in Reaction
Pathway Studies, J. Comput. Chem., 1998, V. 19, №7, P. 741-753;
(i) Bruk, L. G.; Gorodskii, S.N.; Zeigarnik, A.V.; ValdesPerez,R.E.; Temkin, O.N. Oxidative Carbonylation of
31
Phenylacetylene Catalyzed by Pd(II) and Cu(I): Experimental
Tests of Forty-one Computer-Generated Mechanistic Hypotheses,
J. Mol. Catal., A: Chemical., 1998, V. 130, №1-2, P. 29-40.
(8) Программа ChemNet рассмотрена в публикациях посвященных
совместному использованию ChemNet и MECHEM (см. 7 h,i),
а также в работе, приеятой к печати в 1999: Шалгунов С. И.,
Зейгарник А. В., Брук Л. Г., Темкин О. Н., Компьютерная генерация сетей химических реакций: Использование в исследованиях механизмов металлоорганического катализа, Известия
Академии наук, Серия химическая, 1999, №5,. Программа
ChemComb рассматривалась в статье Брука Л. Г., Ошаниной
И. В., Козловой А. П., Темкина О. Н., Одинцова К. Ю., Механизм синтеза ангидридов малеиновой и янтарной кислот карбонилированием ацетилена в растворах комплексов палладия,
Известия Академии наук, Серия химическая, 1998, №6, С.
1104–1115.
(9) В нескольких статьях рассматривалось, как с помощью простых эвристических правил выделить в списке стадий маршруты реакции. Была разработана также программа, которая
впрочем не справляется с задачей, когда список стадий велик.
Однако правила хороши при анализе небольших списков без
всяких программ: (a) Clarke B. L. General Method for
Simplifying Chemical Networks while Preserving Overall
Stoichiometry in Reduced Mechanisms, J. Chem. Phys., 1992, V.
97, P. 40664071; (b) Mavrovouniotis M., Stephanopoulos G.,
Stephanopoulos G. Synthesis of Biochemical Poduction Routes,
Comput. Chem. Eng., 1992, V. 16, P. 605–619; (c)
Mavrovouniotis M., Stephanopoulos G., Stephanopoulos G.
Computer-Aided Synthesis of Biochemical Pathways, Biotech.
Bioeng., 1990, V. 36, P. 1119–1132.
(10) Программа Фромента для генерации реакционных сетей гидрокрекинга и гидроизомеризации углеводородов сообщалась в
статьях (a) Baltanas M. A., Froment G. F. Computer Generation
of Reaction Networks and Calculation of Product Distributions in
the Hydroisomerization and Hydrocracking of Paraffins on Ptcontaining Bifunctional Catalysts, Comput. Chem. Eng., 1985,
Vol. 9, №1, P. 71–81; (b) Clymans P. J., Froment G. F. ComputerGeneration of Reaction Paths and Rate Equations in the Thermal
32
Cracking of Normal and Branched Paraffins, Comput. Chem. Eng.,
1984, Vol. 8, №2, P. 137–142.
(11) Программа для генерирования механизма пиролиза и других
радикальных реакций и для вывода скоростей реакций рассмотрена в следующих публикациях: (a) Broadbelt L. J., Stark
S. M., Klein M. T., Computer Generated Pyrolysis Modeling: Onthe-Fly Generation of Species, Reactions, and Rates, Ind. Eng,
Chem. Res., 1994, Vol. 33, P. 790–799; (b) Broadbelt L. J., Stark
S. M., Klein M. T., Termination of Computer-Generated Reaction
Mechanisms: Species Rank-Based Convergence Criterion, Ind.
Eng, Chem. Res., 1994, Vol. 34, P. 2566–2573; (c) Broadbelt L. J.,
Stark S. M., Klein M. T., Computer Generated Reaction Modelling: Decomposition and Encoding Algorithms for Determining
Species Uniqueness, Comput. Chem. Eng, 1996, Vol. 20, №2, P.
113–129; (d) Klinke II D.J., Broadbelt L. J., Mechanism Reduction during Computer Generation of Compact Reaction Models,
AIChE J., 1997, Vol. 43, №7, P. 1828–1836.
(12) Компьютерная генерация стадий радикально-цепных реакций
рассматривалась в статьях (a) Chinnick S.J., Baulch D.L., Ayscough P.B., An Expert System for Hydrocarbon Pyrolysis Reactions, Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems, 1988, V.
5, P. 39–52; (b) Di Maio F.P., Lignola P.G., King: A Kinetic
Network Generator, Chem. Eng. Sci., 1992, V. 47, №9–11, P.
2713–2718.
(13) Программа CASB описана в статье Porollo A.A., Lushnikov
D.E., Pivina T.S., Ivshin V.P. Computer Representation and Generation of Possible Pathways for Thermal Decomposition Reactions
of organic compounds, J. Mol. Structure (Teochem), 1997, V. 391,
117–124.
3. Практикум
3.1. Генерация гипотез с использованием
"формулы превращения"
Идея метода проста. Он основан на использовании библиотеки (или базы данных) элементарных стадий. Для
осуществления реакции необходимо, чтобы определенные
связи в реагентах разорвались и образовались новые свя33
зи. Каждой рвущейся/образующейся связи может быть
присвоен какой-либо буквенный или цифровой код. Совокупность кодов превращений, необходимых для протекания какой-то итоговой реакции, будем называть формулой
превращения. Каждая элементарная стадия в библиотеке
тоже имеет формулу, которая показывает, какие связи
рвутся и образуются в этой стадии. Подбирая стадии так,
чтобы их коды вместе составили формулу превращения,
можно получить гипотезы о механизме.
Рассмотрим детали метода на примере реакции гидрохлорирования ацетилена.
C2H2 + HCl  CH2=CHCl.
Минимальный набор связей, коды которых войдут в
формулу превращения, следующий: рвутся связи CC и
H–Cl, и образуются связи C–H, C–Cl и двойная связь C=C
на месте тройной. Такой минимальный набор соответствует минимальной формуле превращения. Могут существовать и расширенные формулы превращения. В качестве предельно широкой формулы превращения можно
представить себе формулу, состоящую из кодов разрыва
всех связей в ацетилене и хлористом водороде и кодов
образования всех связей винилхлориде. Едва ли разумно
использовать такую формулу превращения. Если бы все
связи рвались, то реакция не протекала бы селективно, а
нам бы требовалось выполнять непомерный объем работы, перечисляя, а затем проверяя возможные механизмы.
Все же имеет смысл иметь такую возможность ввиду и
формировать расширенные формулы методом исключения связей, превращение которых маловероятно. Для
нашего примера можно предположить, что тройная связь
сначала превращается в двойную, а затем в ординарную,
после чего вновь образуется двойная связь. В этом случае
к минимальной формуле превращения будет необходимо
добавить коды образования связи C–C и ее превращения в
связь C=C. Имея формулу превращения, можно из библиотеки стадий выбрать те, чьи формулы "укладываются"
в итоговую формулу. Если код стадии содержит "лишние"
символы, то эта стадия не может быть использована.
34
Этот метод был реализован программно, но учитывая
его простоту, имеет смысл попробовать проделать все
операции вручную.
Предположим, реакция катализируется комплексом
переходного металла [M]. Примем для упрощения, что
разрыв связи CC происходит только с образованием связи C=C, которая в дальнейшем остается неизменной. Введем обозначения:
Разрыв H–Cl
код А
Превращение тройной свя- код Б
зи в двойную
Образование связи C–Cl
код В
Образование связи C–H
код Г
Тогда минимальная формула превращения будет АБВГ.
Теперь из библиотеки реакций необходимо выбрать стадии, которые могут иметь отношение к данной реакции.
Предположим, что выбраны следующие стадии:
Стадия
Формула
M + HCl  H–M–Cl
А1
M + HCl  MH + Cl
+
M + HCl  MCl + H
–
–
А2
+
А3
M–C + HCl  MCl + H–C
А4Г1
HCl  H+ + Cl–
А5
C–M–Cl  C–Cl + M
В1
C–M + Cl  C–Cl + M
В2
–
+
M
C
+ Cl–  M––C=C–Cl
C
В4
H–M–C  H–C + M
Г2
M–C + H  M + C–H
Г4
MCl + CC  M–C=C–Cl
Б1В3
MH + CC  M–C=C–H
Б2Г3
M + CC + H  M –C=C–H
Б3Г5
+
+
+
+
35
M + CC 
M
C
C
Б4
Очевидно, что все гипотетические механизмы можно
будет найти во множестве таких сочетаний стадий, для
которых суммарный код будет совпадать с формулой превращения. Выпишем такие сочетания стадий:
1. А1В1Б2 Г3
2. А1В1Б3Г5
3. А1В1Б4Г2
4. А1В1Б4Г4
5. А1В2Б2Г3
6. А1В2Б3Г5
7. А1В2Б4Г2
8. А1В2Б4Г4
9. А1В3Б1Г2
10. А1В3Б1Г4
11. А1В4Б2Г3
12. А1В4Б3Г5
13. А1В4Б4Г2
14. А1В4Б4Г4
15. А2В1Б2Г3
16. А2В1Б3Г5
17. А2В1Б4Г2
18. А2В1Б4Г4
19. А2В2Б2Г3
20. А2В2Б3Г5
21. А2В2Б4Г2
22. А2В2Б4Г4
23. А2В3Б1Г2
24. А2В3Б1Г4
25. А2В4Б2Г3
26. А2В4Б3Г5
27. А2В4Б4Г2
28. А2В4Б4Г4
29. А3В1Б2Г3
30. А3В1Б3Г5
31. А3В1Б4Г2
32. А3В1Б4Г4
33. А3В2Б2Г3
34. А3В2Б3Г5
35. А3В2Б4Г2
36. А3В2Б4Г4
37. А3В3Б1Г2
38. А3В3Б1Г4
39. А3В4Б2Г3
40. А3В4Б3Г5
41. А3В4Б4Г2
42. А3В4Б4Г4
43. А4В1Б4Г1
44. А4В2Б4Г1
45. А4В3Б1Г1
46. А4В4Б4Г1
47. А5В1Б2Г3
48. А5В1Б3Г5
49. А5В1Б4Г2
50. А5В1Б4Г4
51. А5В2Б2Г3
52. А5В2Б3Г5
53. А5В2Б4Г2
54. А5В2Б4Г4
55. А5В3Б1Г2
56. А5В3Б1Г4
57. А5В4Б2Г3
58. А5В4Б3Г5
59. А5В4Б4Г2
60. А5В4Б4Г4
Не все сочетания кодов могут быть интерпретированы
в качестве механизмов. Совпадение совокупности кодов
стадий и формулы превращения не является достаточным
условием "разумности" соответствующего механизма.
36
Причиной того, что большая часть сочетаний не является
механизмами может быть следующее: (а) нет стыковки
стадий по интермедиатам (интермедиаты, действующие в
последующих стадиях, не образовались в предыдущих),
(б) не образуется целевой продукт, (в) не выделяется исходная форма катализатора (то есть требуются дополнительные стадии, выходящие за рамки формулы превращения).
Проанализируем некоторые комбинации.
Сочетание А1В1Б2Г3. Последовательность стадий
M + HCl  H–M–Cl
А1
MH + CC  M–C=C–H
Б 2 Г3
C–M–Cl  C–Cl + M
В1
может быть интерпретирована как
M + HCl  HMCl
HMCl + HCCH  ClMHC=CH2
ClMHC=CH2  ClHC=CH2 + M
Основная проблема, которую необходимо решать при
анализе последовательности стадий, – идентификация интермедиатов. Для приведенного примера необходимо сообразить, что MH в стадии Б2Г3 и H–M–Cl в стадии А1 –
одно и то же соединение, а M–C=C–H, образовавшийся в
стадии Б2Г3, может содержать фрагмент C–M–Cl, фигурирующий в стадии В1.
Сочетание А1В2Б2Г5. Последовательность стадий
M + HCl  H–M–Cl
А1
M + CC + H  M –C=C–H
Б3Г5
C–M+ + Cl–  C–Cl + M
В2
+
+
может быть интерпретирована как
M + HCl  HMCl
HMCl + HCCH + H+  HClM+–HC=CH2
HClM+–HC=CH2 + Cl–  ClHC=CH2 + HMCl
Можно видеть, что механизм не получается, так как не
происходит выделения исходной формы катализатора M,
а в стадии Б3Г5 участвует протон, который не образуется
37
по другим стадиям. Для того, чтобы такая последовательность стадий была интерпретируема, необходимо добавить что-то к указанному механизму, например такую
стадию:
HMCl  M + H+ + Cl–
Сочетание А3В1Б2Г3. Последовательность стадий
M + HCl  MCl– + H+
А3
MH + CC  M–C=C–H
Б2Г3
C–M–Cl  C–Cl + M
В1
не стыкуется по интермедиатам, если принять, что исходная форма катализатора M.
Из 60 сочетаний, перечисленных выше, 10 могут быть
интерпретированы как разумные механизмы (читателю
рекомендуется это проверить). Разумные механизмы приведены ниже.
1. А1В1Б2Г3
M + HCl  HMCl
HMCl + HCCH  ClMHC=CH2
ClMHC=CH2  ClHC=CH2 + M
2. А1В1Б4Г2
M + HCl  HMCl
HMCl + HCCH  Cl M CH
H
CH
Cl
CH
 HMCH=CHCl
M
H
CH
HMCH=CHCl  ClHC=CH2 + M
3. А1В3Б1Г2
M + HCl  HMCl
HMCl + HCCH  HMCH=CHCl
HMCH=CHCl  ClHC=CH2 + M
38
4. А2В2Б2Г3
M + HCl  +MH + Cl–
MH + HCCH  +M–HC=CH2
+
M–HC=CH2 + Cl–  ClHC=CH2 + M
+
5. А2В4Б4Г2
M + HCl  +MH + Cl–
MH + HCCH  H+M
+
H+M
CH
CH
CH
+ Cl–  HMCH=CHCl
CH
HMCH=CHCl  ClHC=CH2 + M
6. А3В1Б3Г5
M + HCl  –MCl + H+
MCl + HCCH + H+  HMCH=CHCl
–
HMCH=CHCl  ClHC=CH2 + M
7. А3В1Б4Г4
M + HCl  –MCl + H+
-
MCl + HCCH  Cl M
–
Cl-M
–
CH
CH
CH
 –M–CH=CHCl
CH
M–CH=CHCl + H+  ClHC=CH2 + M
8. А3В1Б1Г4
M + HCl  –MCl + H+
MCl + HCCH  –M–CH=CHCl
–
39
–
M–CH=CHCl + H+  ClHC=CH2 + M
9. А5В2Б3Г5
HCl  H+ + Cl–
MCl + HCCH + H+  +M–CH=CH2
M–CH=CH2 + Cl–  ClHC=CH2 + M
+
10. А5В2Б4Г4
HCl  H+ + Cl–
M + HCCH  M
M
–
CH
CH
CH
+ Cl–  –M–CH=CHCl
CH
M–CH=CHCl + H+  ClHC=CH2 + M
3.2. Программа ChemNet
3.2.1. Исходные данные
В ChemNet используется три типа исходных данных: (1)
исходные вещества, (2) трансформации и (3) ограничения.
Без любого из этих элементов программа работать не может. Исходные вещества необходимы для начала работы
программы. Трансформации служат для преобразования
одних веществ в другие. Ограничения необходимы для
остановки программы.
3.2.1.1. Исходные вещества
Исходные вещества задаются в виде структурных формул.
В отличие от ряда других программ, в ChemNet можно
задавать не только молекулы традиционного строения, в
которых одна связь соединяет два атома, но и n-связи.
Можно задавать, радикалы, карбены, ионы, вещества с
любым набором атомов. При необходимости можно вво40
дить интермедиаты, которые также будут подвергнуты
преобразованиям.
На экране вещества выглядят как структурные формулы, но внутреннее описание веществ значительно сложнее. Оно похоже на то, как описываются объекты в базах
данных. Описание каждого вещества состоит из нескольких строковых и численных переменных. Каждая из таких
переменных декодируется программой при необходимости извлечь какую-либо информацию. Такая организация
удобна для многочисленных проверок, которые осуществляет программа, чтобы узнать, не было ли данное
вещество получено ранее и не содержит ли оно заданную
подструктуру. В частности, программа сохраняет следующие данные:
(1) Число атомов в веществе;
(2) Описание каждого атома:
(2.1) уникальное имя из периодической таблицы,
(2.2) заряд,
(2.3) число неспаренных электронов (знаков радикала);
(3) Дополнительные характеристики атомов-металлов:
(3.1) степень окисления,
(3.2) координационное число,
(3.3) число валентных электронов;
(4) Описание связей в виде троек (первый атом, второй
атом, кратность связи); многоцентровые связи (например
связи в -комплексах описываются несколькими тройками).
Каждое вещество должно быть связным и не может
состоять из нескольких частей. Сходным образом описываются трансформации и получаемые стадии.
3.2.1.2. Трансформации
Трансформации являются прообразами реакций. Несколько однотипных реакций могут описываться одной трансформацией. Например, присоединение любого комплекса,
41
содержащего фрагмент M–X, к двойной связи C=C любой
молекулы, которая таковую содержит, может быть описано следующим образом:
M–X + C=C  M–C–C–X
В отличие от реакции, в трансформации может быть не
указано, какие атомы и как связаны с C, M и X, хотя необходимо в каждом случае указывать, какие конкретно атомы M и X могут принимать участие в превращении.
Например, можно указать, что M может быть Pt или Pd, а
X – H или Cl. Если такая трансформация задана, то программа будет осуществлять поиск всех пар молекул (введенных как исходные вещества или сгенерированных программой на более ранних этапах), в одной из которых есть
фрагмент типа M–X (Pt–H, Pt–Cl, Pd–Cl или Pd–H), а в
другом – C=C (например, этилен, винильный фрагмент, и
т.д.). Трансформация действует на каждую из таких пар,
преобразуя их в другие вещества. В результате формируется реакция (элементарная стадия). Например, если задана указанная выше трансформация, и программа нашла
среди веществ пару PdCl2 и C2H4, то трансформация формирует реакцию
ClPd–Cl + H2C=CH2  ClPd–H2C–CH2–Cl.
Если образовавшееся вещество ClPdCH2CH2Cl не было
получено ранее в других стадиях, оно пополняет список
веществ, к которым будут применяться трансформации.
Трансформации описывают характерные черты происходящего изменения, но степень детализации при описании реакции определяется пользователем. Чем подробнее трансформация, тем меньше веществили их пар, к которым эта трансформация применима. Например, два элементарных преобразования
M–C + CO  M–C(O)–C
M–CC + CO  M–C(O)–CC
описывают одну и ту же реакцию, но вторая трансформация содержит больше подробностей. Разница состоит в
том, что первом случае программа "внедрит" CO во все
соединения, содержащие связь M–C, а в втором случае –
42
только в те фрагменты M–C, которые соседствуют с тройной связью с атомом углерода.
Нетрудно догадаться, что число элементарных стадий,
порожденных одной трансформацией, может значительно
различаться. С одной стороны, "генерирующая способность" трансформации не независима от введенных ограничений, о которых речь пойдет ниже. С другой – есть и
объективные факторы, позволяющие судить о том, каких
последствий от использования той или иной трансформации следует ожидать. Очевидно, например, что если при
определении трансформации мы не записываем атомы в
явном виде, а используем символы типа M, R, X, и затем
вводим для них возможные "заместители" (например, M =
Pt, Pd, Ru), то следует ожидать, что число возможных стадий, прогенерированных такой трансформацией, может
разрастись.
"Степень конкретности" трансформации коррелирует
с числом соответствующих стадий в реакционной сети.
Если мы включаем только те атомы, между которыми
происходит перераспределение связей, и сами эти связи,
то трансформация в наименьшей степени конкретна, и
можно ожидать появления большого числа малореальных
стадий. Другая крайность – включение в трансформацию
всех возможных подробностей. В пределе теряется разница между трансформацией и стадией, которую пользователь пытается описать. Степень конкретности трансформации можно охарактеризовать фактором, который мы
назвали Y-фактор. Он равен отношению числа связей, которые рвутся или образуются, к общему числу указанных
связей (рвущихся, образующихся или неизменяющихся).
Например, для трансформации M–C + CO  M–C(=O)–
C. Общее число связей – 6 (учитывая кратность тройной
связи). Изменяются 4 связи (рвется связь M–C, связь CO
меняет порядок, образуются две связи с атомом углерода
в монооксиде углерода). Если изображать рвущиеся двухэлектронные связи пунктиром "----", неизменные – обычной чертой – "–––", а образующиеся – чертой с кружочком
" o ", то данная трансформация будет выглядеть следующим образом:
43
M
o
o
C
C

O
Таким образом Y-фактор равен 4/6 (т.е. 2/3). В трансформации M–CC + CO  M–C(O)–CC общее число
связей – 9 (добавилась тройная связь), а число изменяющихся – прежнее. Y-фактор равен 4/9. Чем больше Yфактор, тем менее конкретна трансформация, и тем больше она должна дать стадий. В пределе Y-фактор равен
единице (например, в случае трансформации M–C + C 
M–C–C). Другой фактор (мы назвали его X-фактор) связан
со степенью ненасыщенности атомов, фигурирующих в
трансформации. В программе для каждого атома условно
определена "нормальная" валентность (например, нормальная валентность углерода – 4, кислорода – 2 и т. д.).
X-фактор равен отношению суммы валентностей атомов,
указанных в трансформации, к сумме нормальных валентностей. Таким образом, этот фактор характеризует, как
много соседей у атомов в среднем осталось не обозначенными. Чем больше X-фактор, тем конкретнее трансформация.
Программа, вычислив X-фактор и Y-фактор, предупреждает пользователя о целесообразности уточнить
трансформацию или сделать ее, наоборот, менее конкретной. Однако не стоит следовать этим рекомендациям буквально. При необходимости их можно и вовсе игнорировать
3.2.1.3 Ограничения.
Третий тип исходных данных – ограничения (или правила
отбора). У ограничений две функции: исключить формирование ложных ветвей реакционного дерева и создать
условия для останова программы. В программе предусмотрена возможность введения следующих ограничений.
 Ограничение на общее число атомов в генерируемой
молекуле и на число атомов какого-либо типа (C, H,
44




O, ...). Если такого рода ограничения не заданы, то
программу возможно придется останавливать принудительно. В самом деле, если задана трансформация
типа M–C + CO  M–C(O)–C и не задано максимальное число атомов или максимальное число атомов углерода (или кислорода), то программа будет
"полимеризовать" CO, образуя M–[C(O)]n–C.
Пользователь задает максимальное число валентных
электронов, максимальное координационное число и
интервал возможных степеней окисления для каждого
атома металла. При необходимости пользователь может воспользоваться соответствующими значениями,
рекомендуемыми программой. Однако делать это не
рекомендуется, так как в этом случае ограничения
возможно будут слишком слабыми.
Молекулярность трансформаций элементарных реакций не должна превышать 2. Это ограничение не может быть изменено пользователем. Оно, по существу,
отражает компромисс между химической и комбинаторной реалиями. При попытке занести в файл трансформацию с тремя реагирующими или образующимися фрагментами команда выполнена не будет.
Если пользователь предвидит, что с заданными трансформациями программа будет генерировать нежелательные молекулы, то он может сформулировать, какой именно фрагмент (подструктуру) следует запретить. Перед тем, как записать новое вещество в файл,
программа будет проверять, не содержит ли оно запрещенную подструктуру. Если нежелательно появление целой молекулы, а не кого-либо фрагмента, можно запретить и целую молекулу. По мере того, как
программа работает, она выводит на экран каждое новое вещество. Пользователь может в любой момент
приостановить работу программы и запретить вещество или фрагмент.
Некоторые ограничения связаны с числом и величиной заряженных атомов в молекуле (например, число
заряженных атомов в одной молекуле не должно превышать некоторого заданного значения). Аналогич45
ные ограничения существуют и для радикальных реакций.
Кроме того, программа автоматически проверяет, чтобы соблюдался баланс по каждому типу атомов, зарядам,
и неспаренным электронам (в случае радикальных реакций).
3.2.2. Идея алгоритма
Программа начинает работу с того, что пытается применить первую трансформацию, осуществляя поиск веществ
или их пар из заданного пользователем набора, в которых
содержатся описанные в трансформации фрагменты. Если
таковые находятся, то программа записывает соответствующую элементарную стадию и новые вещества. Затем
программа рассматривает пополненный список веществ и
пытается применить трансформацию и к ним. В какой-то
момент оказывается, что при заданных ограничениях новые вещества уже не образуются. Тогда программа переходит ко второй трансформации, повторяя всю процедуру,
затем к третей, четвертой, и т.д. Затем программа возвращается вновь к первой трансформации, и поиск начинается сначала. Если программа переберет все трансформации, но не сможет образовать новых элементарных стадий, то происходит останов. Каждое новое вещество, сгенерированное программой, проверяется на действие ограничений и, если необходимо, "отбраковывается". Соответствующая элементарная стадия также не заносится в список.
Естественно, не любая трансформация применима не
всегда. Так, трансформация T применима к паре веществ
S1 и S2, если
1. S1 и S2 содержат все фрагменты, описанные в T как
"исходные вещества".
2. Полученные продукты удовлетворяют ограничениям.
3. Образующиеся продукты отличаются от S1 и S2; то
есть вырожденные реакции исключаются, но один из
продуктов может быть таким же как S1 или S2.
46
Аналогичные соображения справедливы для мономолекулярных реакций.
3.2.3. Обработка полученных результатов
Полученные результаты могут быть просмотрены и
отредактированы. Например, если в ходе генерации реакционной сети все же образовались какие-либо нежелательные интермедиаты или продукты, то пользователь
может удалить их. При этом происходит анализ реакционной сети на связность. Те ветви реакционной сети, которые "растут" от удаляемого вещества, будут удалены.
3.2.4. Факторы, замедляющие работу
программы
Качество получаемых результатов зависит от умения
и знаний пользователя, поскольку пользователь – основной источник знаний, используемых в программе. Кроме
того пользователь должен иметь представление о "комбинаторных последствиях" каждого своего действия. В
частности надо понимать, что следующие факторы
(большая часть из которых очевидна) замедляют работу
программы или затрудняют получение приемлемого решения:
1) отсутствие достаточно жестких ограничений на максимальное число атомов в образующихся молекулах;
2) использование слишком общих трансформаций;
3) использование "заместителей" при формулировке
трансформаций – часто число получаемых стадий возрастает непропорционально числу заместителей;
4) запрещение сложных подструктур или их большого
числа (в этом случае программа будет тратить слишком
много времени на проверку наличия этих подструктур
в каждом новом веществе);
5) использование большого числа трансформаций.
Самое главное понимать, что в основе множества операций, совершаемых программой, лежит перебор вариан47
тов, время на который возрастает непропорционально
размерности решаемой задачи.
В большинстве случаев работа с программой осложняется поиском компромисса между желанием охватить
возможно большее число стадий (что повышает шансы
нахождения новых механизмов) и желанием получить эти
стадии за разумное время. С другой стороны, использование излишне подробных трансформаций вряд ли даст
сколько-нибудь интересный новый результат. Противоречие между "новизной" и "комбинаторикой" не слишком
огорчительно: в конце концов, возможности любого метода ограничены.
3.2.5. Библиотека трансформаций
Трансформации и ограничения, применяемые пользователем, отражают его знания об изучаемой реакции, которые
можно "перевести на язык структурных превращений",
используемых в ChemNet. Эти знания могут быть получены на основе предварительных экспериментов, теоретических соображений, из литературных источников. Если
угодно, пользователь может опираться на свою интуицию,
что часто и делается с использованием программ и без
них. Ведь механизмы, которые часто публикуют в научных статьях, описываются подробнее, чем наши достоверные знания о них.
Одним из последних усовершенствований, введенных
нами в ChemNet, является справочная библиотека трансформаций, созданная на основе анализа литературы (в основном, монографий и обзоров по металлокомплексному
катализу и металлоорганической химии). Справочная
библиотека трансформаций ChemNet снабжена минимальными возможностями для поиска необходимых
трансформаций. Для этого необходимо воспользоваться
фильтрами, которые позволят сузить предлагаемый для
выбора набор стадий из библиотеки трансформаций. В
фильтрах можно указать признаки, по которым осуществляется поиск: разрыв или/и образование интересующих
связей, выбрать стадии с участием металлического центра, радикалов, ионов. Выбранные трансформации можно
48
затем отредактировать. Список трансформаций приведен
в приложении 1.
3.2.6. Примеры работы программы
3.2.6.1. Гидрокарбоксилирование и
гидроформилирование этилена (гомогенный катализ).
В качестве одного из тестов для программы была получена сеть превращений для реакций карбонилирования этилена
C2H4 + CO + H2  CH3CH2CHO
C2H4 + CO + H2O  CH3CH2COOH
Катализатором этой реакции может быть карбонильный
комплекс Co2(CO)8. Трансформации, сформулированные
для этой задачи, приведены ниже:
1. CoI–H + C=C  CoI–C–C–H
2. Co0–Co0 + H–H  CoI–H + CoI–H
3. R1–CH–CoI=C=O  CoI–C(=O)–CH–R1, R1 = C, H, O
4. Co0 + CO  Co0=C=O
5. Co0 + Co0  Co0–Co0
6. CoI–C=O + C=C  CoI–C–C–C=O
7. CoI–C=O + H–O–H  O=C–OH + CoI–H
8. Co0–Co0 + C=C  CoI–C–C–CoI
9. CoI + CO  CoI=C=O
10. O–CoI=C=O  CoI–C(=O)–O
11. Co0–Co0 + H–O–H  CoI–O–H + CoI–H
12. CoI–C + H–H  CoI–H + C–H
13. CoI–H + CoI–H  Co0–Co0 + H–H
14. CoI–O–H + CoI–H  Co0–Co0 + H–O–H
15. CoI–C + CoI–H  Co0–Co0 + H–C
Исходные вещества, введенные в программу, – Co0,
C2H4, H2, H2O, CO. Ограничения: максимальное число
атомов в генерируемых молекулах – 18, максимальное
число атомов углерода – 6, максимальное число атомов
49
кислорода – 4, максимальное число атомов кобальта – 2.
Контроль за числом валентных электронов не осуществлялся, а контроль за степенями окисления осуществлялся
только с помощью трансформаций. В результате генерации получено 187 реакций (пять из которых были впоследствии удалены, см. далее) и 49 новых веществ.
При генерации сети реакций мы предполагали, что
свободные координационные места кобальта заняты лигандами CO. Поэтому мы добавили три CO лиганда к
каждому атому кобальта после завершения работы программы. Кроме того, мы сократили реакционную сеть
вручную, исключив комплексы Co0(CO)3, Co0(CO)4,
Co0(CO)5, и связанные с ними реакции.
В итоге остаются стадии, которые перечислены в Приложении 2. При генерации получены практически все
продукты, идентифицированные в процессах гидроформилирования и гидрокарбоксилирования этилена: этан,
пропионовый альдегид, пропионовая кислота, диэтилкетон, янтарная кислота. Каждый из этих продуктов может
образоваться по различным маршрутам, присутствующим
в реакционной сети. В числе этих маршрутов все, которые
рассматривались в литературе. Кроме того, можно прогнозировать образование некоторого количества муравьиной и угольной кислот, янтарного альдегида
OHCCH2CH2CHO, альдегидокислоты OHCCH2CH2COOH
и кетоальдегида C2H5C(O)CH2CH2CHO. Соединения с
большим
числом
атомов
(например,
C2H5C(O)CH2CH2COOH) не были генерированы из-за использованных ограничений. Реакции циклизации и гидрирования карбонильной группы и (образование ангидридов
и лактонов, хинонов и гидрохинонов) не были предусмотрены использованными трансформациями.
Есть два принципиально различных варианта использования получаемой реакционной сети. С одной стороны,
она может рассматриваться как максимальный механизм,
в котором отдельные стадии подлежат проверке, с другой
– ее можно разделить на небольшие механизмы, описывающие образование отдельных продуктов, и экспериментально проверять эти отдельные пути реакции.
50
3.2.6.2. Гидрогенолиз этана (гетерогенный катализ)
Мы применили программу ChemNet к реакции гидрогенолиза этана C2H6 + H2  2CH4. После анализа соответствующей литературы, были сформулированы пять трансформаций, которые, как предполагалось, могли послужить
хорошей моделью для химии гидрогенолиза этана и одновременно позволяли избежать трудностей, связанных с
комбинаторикой, которые обычно приходится принимать
во внимание при работе с ChemNet и аналогичными программами. Использование этих трансформаций подразумевало, что карбеновые и карбиновые атомы углерода
связаны с разными центрами на поверхности катализатора: фрагменты типа MC– описываются как M3C–, а
фрагменты типа M=C< описываются как M2=C<. Стерические, энергетические и кинетические факторы во внимание не принимались. Было использовано всего пять
трансформаций, но они были достаточно общими и содержали заместители:
1. M–M + R1–H  M–H + M–R1
R1 = C или H
2. M–H + M–R1  M–M + R1–H
R1 = C или H
3. M–R2 + C–H  M–C + H–R2
R2 = C, H, или M
4. M–C + H–R2  M–R2 + C–H
R2 = C, H, или M
5. M–CR3R4–CR5R6R7 + M–R8 
M–CR3R4–M + CR5R6R7R8
Ri = H или M (i =
3,…,8)
Были использованы следующие ограничения: максимальное число атомов в молекуле – 11, максимальное
число атомов углерода – 2, максимальное число атомов
металла – 6, максимальное число атомов водорода – 6.
Каждый атом металла M рассматривался как активный
центр поверхности с координационным числом, равным
единице.
Программа получила реакционную сеть, состоящую из
150 обратимых (взаимно обратные реакции были свернуты в обратимые стадии) и 24 необратимых элементарных
стадий, а также 16 веществ. Эта реакционная сеть приведена в Приложении 3.
51
Полученная сеть содержит в себе все известные нам
механизмы, которые сообщались в литературе. Так,
например Muhaffy и Hansen (Mahaffy, P.; Hansen, R. S. J.
Chem. Phys. 1979, Vol. 71, P. 1853–1861) изучали гидрогенолиз этана на иридиевых пленках в широком диапазоне
парциальных давлений каждого из реактантов при 80–
205C. Был предложен механизм, состоящий из стадий

M–M + CH3–CH3 
CH3–CH2M + MH
(1)

M–M + H2  2MH
(2)

CH3–CH2M + M–M 
MH + CH3–CHM2
(4)
MCH2–CH3 + M–H  2MCH3
(167)

MCH3 + MH  M–M + CH4
(101)
При этом предполагалось, что связь C–C в этильном
фрагменте рвется под действием гидрида MH, а образующиеся метильные комплексы с поверхностью гидрируются в метан. Гудков и соавторы. (Gudkov, B. S.; Guczi, L.;
Tetenyi, P. J. Catal. 1982, Vol. 74, P. 207–215) изучали реакцию на катализаторах Pt/SiO2 и PtFe/SiO2 и предложили
две альтернативных гипотезы о механизме. По их мнению, эти механизмы могут считаться справедливыми при
различных условиях проведения реакции. Первый механизм состоял из стадий

M–M + CH3–CH3 
CH3–CH2M + MH
(1)

M–M + H2  2MH
(2)
MCH2–CH3 + M–M  M2CH2 + MCH3
(89)

M2CH2 + MH  M–M + MCH3
(100)

MCH3 + MH 
M–M + CH4
(101)
Здесь связь C–C рвется тоже в этильном комплексе, но
под действием поверхности катализатора. Второй механизм состоит из стадий

M–M + CH3–CH3 
CH3–CH2M + MH
(1)

M–M + H2  2MH
(2)

CH3–CH2M + M–M 
MH + MCH2–CH2M
(3)

MCH2–CH2M + M–M  MH + MCH2–CHM2
(5)

MCH2–CHM2 + M–M  MH + M2CH–CHM2
(8)
52
M2CH–CHM2 + M–M  2M3CH
(95)

M3CH + MH  M–M + M2CH2
(99)

M2CH2 + MH  M–M + MCH3
(100)

MCH3 + MH 
M–M + CH4
(101)
Согласно второму механизму разрыв C–C связи происходит в симметричном поверхностном комплексе
CHM2–CHM2. Годдард и сотр. (Goddard, S. A.; Amiridis,
M. D.; Rekovske, J. E.; Cardona-Martinez, N.; Dumesic, J. A.
J. Catal. 1989, Vol. 117, P. 155–169.) изучали механизм
гидрогенолиза этана на Pt, Pd, Ir и Co катализаторах,
нанесенных на оксид кремния, и предложили общий механизм, состоящий из стадий

M–M + CH3–CH3 
CH3–CH2M + MH
(1)

M–M + H2  2MH
(2)

CH3–CH2M + M–M 
MH + MCH2–CH2M
(3)

MCH2–CH2M + M–M  MH + MCH2–CHM2
(5)
MCH2–CH2M + M–M  2M2CH2
(92)
M2CH–CH2M + M–M  M3CH + M2CH2
(94)
M2CH–CHM2 + M–M  2M3CH
(95)

M3CH + MH  M–M + M2CH2
(99)

M2CH2 + MH  M–M + MCH3
(100)

MCH3 + MH  M–M + CH4
(101)
Они выделили три маршрута:
A: (стадии 1–3, 92, 100, 101)
B: (стадии 1–3, 5, 94, 99–101),
C: (стадии 1–3, 5, 8, 95, 99–101).
Было найдено, что маршрут C через образование
CHM2–CHM2 до разрыва C–C связи не работает, что противоречит данным Гудкова. Маршруты A и B могут доминировать в зависимости от катализатора и условий проведения реакции. Zaera и Somorjai предположили, что
гидрогенолиз этана на грани монокристалла платины
Pt(111) протекает через образование этилидиновых фрагментов (Zaera, F.; Somojai, G.A. J. Phys. Chem. 1985, Vol.
89, P. 3211–3216). Предложенный механизм содержит
53
стадии 1, 4, 7, 99–101 и стадию CH3–CM3 + 2M  2CHM3
+MH. Последнюю едва ли можно рассматривать как одну
элементарную кинетическую стадию, и в нашей реакционной сети ее нет, но она может быть “разложена” на несколько элементарных стадий.
Кроме стадий, которые в том или ином виде рассматривались для реакций гидрогенолиза углеводородов на
различных катализаторах и в других гетерогеннокаталитических реакциях углеводородов, сеть реакций
содержит большое число стадий, которые не рассматриваются большинством исследователей, но которые в
принципе могут протекать. Они имеют сходные переходные состояния:
X
C
C
X = C, H,
M
Стадии с такими переходными состояниями (стадии
28–45, 47–54, 57–68, 71–78, 80–82, 84, 85, 87, 106–111,
114–116, 118–123, 126–131, 134–136, 138–140, 142–144,
146–148, 151, 152, 155 в Приложении 3) могут участвовать
в механизме, и если их рассматривать, то число
гипотетических механизмов становится очень велико.
Число возможных механизмов, вырезанных из реакционной сети гидрогенолиза этана (174 реакции) достигает нескольких тысяч.
Обобщая механизмы такого типа (метатезис -связей),
можно предположить, что похожие превращения могут
протекать с участием двух металлических центров на
поверхности:
X
C
C
M
M
54
как, например, в реакции
H
H
C
C
H
H
H
H
H
H C C H
H
C
H
H H H
H C C H
C
Современные методы квантовой химии могут помочь выяснить роль этих реакций в процессах превращения углеводородов на поверхности металлов.
Задачи к разделу 3
1. Пользуясь библотекой трансформаций, приведенной
в приложении 1, и методом, описанным в разделе 3.1,
получите механизмы следующих реакций:
A. C2H4 + H2  C2H6
CH2
C2H4 + 1/2 O2 
C.
2CH4 + 1/2 O2  C2H6 + H2O
D.
C2H4 + C6H6  C6H5CH2CH3
E.
CH3OH + CO  CH3COOH
F.
G.
CH2
B.
O
2C2H2  CH2=CH–CCH
C2H2 + CO + 1/2O2  HCCCOOH (реакция в воде)
H.
C O
С2H2 +2CO + H2O  H2 + HC
HC
I.
C2H2 + CO + H2O  CH2=CHCOOH
2C2H4  CH3CH2CH=CH2
J.
K.
L.
O
C O
CO + H2O  CO2 + H2
C2H2 + CH3COOH  CH2=CHOOCCH3
55
M. 3C2H2  C6H6
N.
C2H2 + 2 ROH  CH3CH(OR)2
O.
P.
CH3OH  CH2O + H2
C2H4 + H2O  C2H5OH
2. Составьте список побочных реакций, которые могут
протекать в системе, если предполагать, что протекают
стадии из приложения 2.
3. Попробуйте найти маршруты реакции, ведущих к
образованию (а) CH3CHO, (б) CH3COOH реакционной сети полученной программой ChemNet (Приложение 2).
56
Приложения
Приложение 1. Библиотека элементарных трансформаций в
металлокомплексном катализе и металлорганической химии
Элементарная трансформация
C: + C:  C=C
+
M C C+H
M
C
H
+
H
M
M
Образование
связи
C=C
M + H C C
M
Разрыв
связи
C
C–H
C–H
H
H
C–H
57
Элементарная трансформация
M
M
H
M
C C
H
C O
M
C O
Разрыв
связи
Образование
связи
H
C
C–H
C
H
C
O
C–H
O C
M
H
C C C
M
C C
M M
M M
C H
C H
H
C
C–H
C–H
58
Элементарная трансформация
M
H
C O
M
Образование
связи
H
C
C
C
Разрыв
связи
C–H
O
M M
M M
H C
O
O C
H C
O
O C
C–H
C
M C H
M
C–H
H
M
C
O
M
C
C–O
O
(Не известна для спиртов)
59
Элементарная трансформация
M
C O
M
O C
Разрыв
связи
Образование
связи
O
C
C–O
O
C
M
O
O
M
C C C
C
C C
C–O
C
M
O C
M
C O
O
C
C
C
-
M C O + OH
-
M
C–O
O
C OH
O
60
C–O
Элементарная трансформация
-
M C O + OC
-
M
C OC
Разрыв
связи
Образование
связи
C–O
O
M C
M C
M O C
M O C
M
H
C
M
C
C–M–X  M + C–X
C
C
C–O
(X = Cl, Br, I)
C–X
H
O
C–O
O
M–C + X  M + C–X
(X = Cl, Br, I)
+
–
C–X
61
Элементарная трансформация
M C
M C
M X
M X
Разрыв
связи
Образование
связи
C–X
(X = Cl, Br, I)
M
C
+ X-
-
M C C X
C
C–X
(X = Cl, Br, I)
M
C
C
M
C
C–С
C
M M
M M
C C
C C
M M
M M
C C
C C
C–С
C–С
62
Элементарная трансформация
C C
M+
M
C C
C
M
Образование
связи
C C
C–С
C C
C
C
C
M+
C
C–С
C
C C
M
Разрыв
связи
C
C
M+ C
C
C C
C
C
C–С
C
M C C
M
C
O
C–С
O
63
Элементарная трансформация
M
H
M
H
H
M M
H H
H H
+
H–H
H–H
+
M H +H
X
Образование
связи
H
M M
M + H2
Разрыв
связи
H–H
X
M
M
H
(X = Cl, Br, I)
H–X
H
M–H + X–  M + H–X
(X = Cl, Br, I)
H–X
M–X + H  M + H–X
(X = Cl, Br, I)
H–X
+
–
+
X + H  H–X
–
+
+
M OH + H
(X = Cl, Br, I)
+
M + H2O .
64
H–X
O–H
Элементарная трансформация
M
O
M
H
M O
M O
M H
M H
O
H
Образование
связи
O
H
M
Разрыв
связи
O–H
O–H
M O H
M O
M O
M O
M O
M O
M O
M O
M O
O–H
O–O
O–O
65
Элементарная трансформация
M
M M
M M
C C
C C
C
M+
C
M
C
M
M
C
C
C
M
C
M
C
Образование
связи
CC
C=C
CC
C=C
CC
C=C
CC
C=C, C–X
CC
C–C, C=C
C
C
M–X + CC  M–C=C–X
(X = Cl, Br, I)
C
M
C
C
C
Разрыв
связи
C
C
66
Элементарная трансформация
M C
M C
C C
C C
M C
M C
C C
C C
M C O
M C O
C C
C C
M C
M C
H C
H C
Разрыв
связи
Образование
связи
CC
C–C, C=C
CC
C–C, C=C
CC
C–C, C=C
CC
C–H, C=C
CC
C–H, C=C
H
M C C H
M
C C
67
Элементарная трансформация
C
C
M C
M C
C C
C C
M C
M C
O C
O C
M
C
C
M
C
C
C
Разрыв
связи
Образование
связи
CC
C–C, C=C
CC
C–O, C=C
CC, CC
C–C, C=C, C=C
CC, H–X
C=C, C–H
CO
C=O
CO
C=O, C–O
C
M–CC + H–X  M=C=C–H + X–
(X = Cl, Br, I)
+
M+ C O
M O + C O
M C O
M C O
O
68
Элементарная трансформация
M C
M C C
C O
M C H
H O
M M
C C
C C
M
C–C, C=O
CO
C–H, C=O
C=C
M M
C
CO
O
C=C  C: + C:
C
Образование
связи
O
M C
M
Разрыв
связи
M
M
C
C
M
C
M+
C
C=C
CC
C=C
CC
C=C
CC
C
C
69
Элементарная трансформация
M
C
C
M
C
Разрыв
связи
Образование
связи
C=C
C–C
C=C
C–C
C=C
C–C, C–C
C=C
C–C, C–C
C=C
C–C, C–O
C
M M
M M
C C
C C
M C
M C
C C
C C
M C
M C
C C
C C
M C
M C
O C
O C
70
Элементарная трансформация
M
M O
M O
C C
C C
C
H +
C
C
C
M
C
C
M
C
C
M
C
C
C
H
Разрыв
связи
Образование
связи
C=C
C–C, C–O
C=C
C–H, C–C
C=C, C=C
C–C, C–C,
C–C
C=C, C–X
CC
C=O
CO
C=O
C–H
C
M–C=C–X  M–X + CC
(X = Cl, Br, I)
M C O
M+ C O
M C O
M C O
H M
H M
71
Элементарная трансформация
O
M
M C + C
O
C
O
C
Разрыв
связи
Образование
связи
C=O
C–O, C–O
C=O
C–O, C–O
C=O
C–O, O–H
C=O
C–O, O–H
O
M O
M O
O C O
O C O
C
C
M C
C
C
M C
H O
H O
C
H
M C
C
H
M C
H O
H O
72
Элементарная трансформация
H
H
M C
H
H
M C
H O
H O
O
M
M H + C
O
M C O
C
O
H
Разрыв
связи
Образование
связи
C=O
C–O, O–H
C=O
O–H, C–O
C=O, C–O
CO
C–C
C=C
C–C
C=C
O
M O + C O
O
M
C
C
M
C
C
M M
M M
C C
C C
73
Элементарная трансформация
C
M
C
C
C
C
M
C
C
C
M C
M C
C C
C C
M C
M C
C C
C C
M C O
M C O
C C
C C
M C
M C
C C
C C
74
Разрыв
связи
Образование
связи
C–C, C=C
CC
C–C, C=C
CC
C–C, C=C
CC
C–C, C=C
CC
C–C, C=C
C–C, C=C
Элементарная трансформация
C
M
C
C
C
C
C
M C C
O
M
Разрыв
связи
Образование
связи
C–C, C=C, C=C
CC, CC
C–C, C=O
CO
C–C, C–C
C=C
C–C, C–C
C=C
C
C
M C
C O
M C
M C
C C
C C
M C
M C
C C
C C
75
Элементарная трансформация
C
M
C
C
C
C
C
M
M C
M C
O C
O C
M O
M O
C C
C C
M
C
H
M
C
Разрыв
связи
Образование
связи
C–C, C–C, C–C
C=C, C=C
C–C, C–O
C=C
C–C, C–O
C=C
C
C
C–H
H
76
Элементарная трансформация
M
M
C O
M
C C
H
H
M
M
H
C
M
C
H
C
H
C
Разрыв
связи
C–H
H
C C
M
O
C–H
H
C O
C–H
O C
M
H
C C C
77
C–H
Образование
связи
Элементарная трансформация
M M
M M
C H
C H
M
C
H
C
M
O
Разрыв
связи
C–H
H
C O
C–H
C
M M
M M
H C
O
O C
H C
O
O C
C–H
C
M C H
M
C–H
H
78
Образование
связи
Элементарная трансформация
M C O
M C O
H M
H M
H M
H M
C O
C O
M–X + H–C  M–C + H–X
(X = Cl, Br, I)
M C
M C
H C
H C
Разрыв
связи
Образование
связи
C–H
C=O
C–H
C–O
C–H
H–X
C–H, C=C
CC
C–H, C=C
CC
H
M C C H
M
C C
79
Элементарная трансформация
M C
M C
C C
C C
H O
O
C
C
M
M
H
C
O
Образование
связи
C–H, C=C
CC
C–H, C=O
CO
C–H, C–C
C=C
M C
M C H
M
Разрыв
связи
M
C
H +
C
C
C–O
O
(Не известна для спиртов)
80
Разрыв
связи
Элементарная трансформация
O
C
M
M
O
C O
C–O
O C
C
M
C C
O
C
M
O
C–O
C C C
C
M
O
C
C
-
M
C OH
M
O
O C
C–O
C O
C
-
M C O + OH
O
81
C–O
Образование
связи
Разрыв
связи
Элементарная трансформация
-
M
C OC
Образование
связи
-
M C O + OC
C–O
O
M C
M C
M O C
M O C
C–O
H M
H M
C O
C O
M O C
M O C
H O C
H O C
M O C
M O C
H O C
H O C
82
C–O
C–H
C–O
C–O
C–O
C–O
Элементарная трансформация
O
+
+H
M C
M+ C
O + H2O .
Разрыв
связи
Образование
связи
C–O
O–H
C–O
O–H
C–O
O–H
C–O
O–H
C–O
O–H
OH
M C
M C
H O
H O
M C O
M C O
H O
H O
M C O
M C O
H O
H O
M
H
O
C
C
M
H
C
C
O
83
Элементарная трансформация
M
C
M C
M C
O C
O C
O
Разрыв
связи
Образование
связи
C–O, C=C
CC
C–O, C–O
C=O
C–O, C–O
C=O
C–O, O–H
C=O
O
C
M C + C
O
O
M O
M O
O C O
O C O
C
C
M C
C
C
M C
H O
H O
84
Элементарная трансформация
C
H
M C
C
H
M C
H O
H O
H
H
M C
H
H
M C
H O
H O
M + C–X  C–M–X
(X = Cl, Br, I)
M + C–X  +M–C + X–
(X = Cl, Br, I)
M C
M C
M X
M X
Разрыв
связи
Образование
связи
C–O, O–H
C=O
C–O, O–H
C=O
C–X
C–X
C–X
(X = Cl, Br, I)
85
Элементарная трансформация
M
C
C
M
C
C–С
C
M M
M M
C C
C C
M M
M M
C C
C C
M+
C C
C C
C C
M
C–С
C C
C
C
C
C–С
C–С
C
M+
Разрыв
связи
M
C
C–С
C
86
Образование
связи
Элементарная трансформация
C
M+ C
C
C
Разрыв
связи
Образование
связи
C C
M
C
C
C–С
C C
C
M C C
M
C–С
C
O
O
H
M
H
H
M
H–H
H
M M
M M
H H
H H
+
+
M ++HH+2 .
M H +H M H
H–H
+
M + H2 .
87
H–H
Элементарная трансформация
M O
M O
H H
H H
M H
M H
X H
X H
Разрыв
связи
Образование
связи
H–H
O–H
H–H
X–H
H–O, C–O,
C=C
C–H, C–C,
C=O
(X = Cl, Br, I)
H C
H C
O C
O C
X
X
M
M
(X = Cl, Br, I)
H–X
H
H
M + H–X  +M–H + X–
(X = Cl, Br, I)
H–X
M + H–X  M–X + H
(X = Cl, Br, I)
H–X
–
H–X  X + H
–
+
+
(X = Cl, Br, I)
88
H–X
Элементарная трансформация
Разрыв
связи
Образование
связи
M–C + H–X  M–X + H–C
(X = Cl, Br, I)
H–X
C–H
M–O + H–X  M–X + H–O
(X = Cl, Br, I)
H–X
O–H
O=O
O–O
O=O
O–O
O=O
O–O, C–O
O=O
O–O, O–H
M
O
O
M
O
O
M O
M O
M O
M O
M O
M O
C O
C O
M O
M O
H O
H O
89
Элементарная трансформация
M
O
H
M
Разрыв
связи
Образование
связи
O
O–H
H
M O
M O
M H
M H
M O H
M
O–H
O
O–H
H
M C O
M C O
H O H
H O H
M C O
M C O
H O C
H O C
90
O–H
C–O
O–H
C–O
Элементарная трансформация
M C
M C
H O
H O
M C O
M C O
H O
H O
M C O
M C O
H O
H O
M O
M O
H H
H H
M–X + H–O  M–X + H–O
(X = Cl, Br, I)
91
Разрыв
связи
Образование
связи
O–H
C–O
O–H
C–O
O–H
C–O
O–H
H–H
O–H
H–X
Элементарная трансформация
M
C
O
Разрыв
связи
Образование
связи
O–H, C–O
C=O
O
M H + C
H
O
O
M O
M O
M O
M O
M O
M O
M O
M O
M
O
M
O–O
O–O
O
O
O
M O
M O
M O
M O
92
O–O
O=O
O–O
O=O
Элементарная трансформация
M O
M O
C O
C O
M O
M O
H O
H O
M H
M H
X H
X H
Разрыв
связи
Образование
связи
O–O, C–O
O=O
O–O, O–H
O=O
X–H
H–H
(X = Cl, Br, I)
M + H–C  M–C + H+
H–C
M–H + O=C=O  M–O–C(O)–H
C=O
+
93
C–O, C–H
Разрыв
связи
Элементарная трансформация
+
H
M +
M
+ H
Образование
связи
+
H–C
Таблица для поиска трансформаций по типам рвущихся/образующихся
связей
Связь
Разрыв
Образование
C–C
84–97, 139–145
24–30, 48–51, 56, 60, 66–73, 151,
156
C=C
62–74, 86–91, 130, 151
1, 44–57, 84, 85, 90, 93–97, 114
CC
44–57
63–65, 74, 86–89, 91, 110–112,
130
94
O–O
173–178
42, 43, 158–161
O=O
158–161
175, 176, 178
H–H
146–150, 179
31–33, 170, 179
C–O
83, 96, 115–135, 151, 172, 177
12–19, 55, 59, 70, 71, 77–82, 108,
123, 124, 160, 165–169, 181
C=O
75–83, 92, 181
58–61, 107, 113, 131–135, 151,
172, 175–177,
CO
58–61
75, 83, 92
C–H
98–114, 180, 182
2–11, 52–54, 57, 61, 72, 73, 76,
122, 151, 181
O–H
133–135, 151, 162–172, 178
38–41, 79–82, 125–129, 149, 156,
161
H–X
152–157, 179
34–37, 109, 150, 171
95
C–X
136–138
20–23, 48
Другие элементарные трасформации
R1–C–R2  R1–R2 + C:
(R1, R2 = H, O, Br, I, Cl, M)
R1–R2 + C:  R1–C–R2
(R1, R2 = H, O, Br, I, Cl, M)
R1–R2 + R3  R1–R3 + R2
(R1, R2, R3 = H, O, Br, I, Cl, M)
C=C + R1  C–C–R1
(R1 = H, O, Br, I, Cl, M)

C–C–R1  C=C + R1
(R1 = H, O, Br, I, Cl, M)
O=O + R1  O–O–R1
(R1 = C, H, M)
O–O–R1  O=O + R1
(R1 = C, H, M)
M–M 
C M+M
C
C
C
C

C
M
M+
M+ M  M–M
M
C
C
M+
C
C
M+
M+
M
M
C
C
96
C
Приложение 2. Стадии реакций гидрокарбоксилирования и
гидроформилирования этилена
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
Co02(CO)6 + C2H4  (CO)3CoICH2CH2CoI(CO)3
Co02(CO)7 + C2H4  (CO)3CoICH2CH2CoI(CO)4
Co02(CO)8 + C2H4  (CO)4CoICH2CH2CoI(CO)4
(CO)3CoICH2CH2CoI(CO)3 + CO  (CO)3CoICH2CH2CoI(CO)4
(CO)3CoICH2CH2CoI(CO)4 + CO  (CO)4CoICH2CH2CoI(CO)4
Co02(CO)6 + H2O  HCoI(CO)3 + HOCoI(CO)3
Co02(CO)7 + H2O  HOCoI(CO)4 + HCoI(CO)3
Co02(CO)7 + H2O  HOCoI(CO)3 + HCoI(CO)4
Co02(CO)8 + H2O  HCoI(CO)4 + HOCoI(CO)4
(CO)3CoICH2CH2CoI(CO)3 + H2  C2H5CoI(CO)3 + HCoI(CO)3
(CO)3CoICH2CH2CoI(CO)4 + H2  C2H5CoI(CO)3 + HCoI(CO)4
(CO)3CoICH2CH2CoI(CO)4 + H2  C2H5CoI(CO)4 + HCoI(CO)3
(CO)4CoICH2CH2CoI(CO)4 + H2  C2H5CoI(CO)4 + HCoI(CO)4
C2H5CoI(CO)3 + H2  HCoI(CO)3 + C2H6
C2H5CoI(CO)4 + H2  C2H6 + HCoI(CO)4
97
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
HCoI(CO)3 + HCoI(CO)3  Co02(CO)6 + H2
HCoI(CO)4 + HCoI(CO)3  Co02(CO)7 + H2
HCoI(CO)4 + HCoI(CO)4  Co02(CO)8 + H2
HCoI(CO)3 + HOCoI(CO)3  Co02(CO)6 + H2O
HOCoI(CO)4 + HCoI(CO)3  Co02(CO)7 + H2O
HCoI(CO)4 + HOCoI(CO)3  Co02(CO)7 + H2O
HCoI(CO)4 + HOCoI(CO)4  Co02(CO)8 + H2O
HCoI(CO)3 + (CO)3CoICH2CH2CoI(CO)3  C2H5CoI(CO)3 + Co02(CO)6
HCoI(CO)3 + (CO)3CoICH2CH2CoI(CO)4  C2H5CoI(CO)3 + Co02(CO)7
HCoI(CO)3 + (CO)3CoICH2CH2CoI(CO)4  Co02(CO)6 + C2H5CoI(CO)4
HCoI(CO)3 + (CO)4CoICH2CH2CoI(CO)4  C2H5CoI(CO)4 + Co02(CO)7
C2H5CoI(CO)3 + HCoI(CO)3  C2H6 + Co02(CO)6
C2H5CoI(CO)4 + HCoI(CO)3  C2H6 +Co02(CO)7
HCoI(CO)4 + (CO)3CoICH2CH2CoI(CO)3 C2H5CoI(CO)3 + Co02(CO)7
HCoI(CO)4 + (CO)3CoICH2CH2CoI(CO)4  C2H5CoI(CO)3 + Co02(CO)8
HCoI(CO)4 + (CO)3CoICH2CH2CoI(CO)4  C2H5CoI(CO)4 + Co02(CO)7
HCoI(CO)4 + (CO)4CoICH2CH2CoI(CO)4  C2H5CoI(CO)4 + Co02(CO)8
C2H5CoI(CO)3 + HCoI(CO)4  C2H6 + Co02(CO)7
98
C2H5CoI(CO)4 + HCoI(CO)4  C2H6 + Co02(CO)8
HCoI(CO)3 + C2H4  C2H5CoI(CO)3
HCoI(CO)4 + C2H4  C2H5CoI(CO)4
Co02(CO)6 + H2  HCoI(CO)3 + HCoI(CO)3
Co02(CO)7 + H2  HCoI(CO)4 + HCoI(CO)3
Co02(CO)8 + H2  HCoI(CO)4 + HCoI(CO)4
(CO)3CoICH2CH2CoI(CO)4  (CO)3CoICH2CH2C(O)CoI(CO)3
(CO)4CoICH2CH2CoI(CO)4  (CO)4CoICH2CH2C(O)CoI(CO)3
C2H5CoI(CO)4  C2H5C(O)CoI(CO)3
(CO)4CoICH2CH2C(O)CoI(CO)3  (CO)3CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)3
Co02(CO)6 + CO  Co02(CO)7
Co02(CO)7 + CO  Co02(CO)8
(CO)3CoICH2CH2C(O)CoI(CO)3 + C2H4 
(CO)3CoICH2CH2C(O)CH2CH2CoI(CO)3
47. (CO)4CoICH2CH2C(O)CoI(CO)3 + C2H4  (CO)4CoICH2CH2C(O)CH2CH2CoI(CO)3
48. C2H5C(O)CoI(CO)3 + C2H4  C2H5C(O)CH2CH2CoI(CO)3
49. (CO)3CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)3 + C2H4 
(CO)3CoIC(O)CH2CH2C(O)CH2CH2CoI(CO)3
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
43.
44.
45.
46.
99
50. (CO)3CoICH2CH2C(O)CoI(CO)3 + H2O 
(CO)3CoICH2CH2COOH + HCoI(CO)3
51. (CO)4CoICH2CH2C(O)CoI(CO)3 + H2O 
(CO)4CoICH2CH2COOH + HCoI(CO)3
52. C2H5C(O)CoI(CO)3 + H2O  CH3CH2COOH + HCoI(CO)3
53. (CO)3CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)3 + H2O 
(CO)3CoIC(O)CH2CH2COOH + HCoI(CO)3
54. (CO)3CoIC(O)CH2CH2COOH + H2O  HOOCCH2CH2COOH + HCoI(CO)3
55. HOCoI(CO)3 + CO  HOCoI(CO)4
56. HCoI(CO)3 + CO  HCoI(CO)4
57. C2H5CoI(CO)3 + CO  C2H5CoI(CO)4
58. (CO)3CoICH2CH2C(O)CoI(CO)3 + CO  (CO)4CoICH2CH2C(O)CoI(CO)3
59. (CO)4CoICH2CH2C(O)CoI(CO)3 + CO  (CO)4CoICH2CH2C(O)CoI(CO)4
60. C2H5C(O)CoI(CO)3 + CO  C2H5C(O)CoI(CO)4
61. (CO)3CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)3 + CO 
(CO)4CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)3
62. (CO)3CoICH2CH2C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + CO 
(CO)4CoICH2CH2C(O)CH2CH2CoI(CO)3
63. C2H5C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + CO  C2H5C(O)CH2CH2CoI(CO)4
100
64. (CO)3CoICH2CH2COOH + CO  (CO)4CoICH2CH2COOH
65. (CO)3CoIC(O)CH2CH2COOH + CO  (CO)4CoIC(O)CH2CH2COOH
66. (CO)4CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)3 + CO 
(CO)4CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)4
67. HOCoI(CO)4  HOOCCoI(CO)3
68. (CO)3CoICH2CH2C(O)CoI(CO)3 + H2 
(CO)3CoICH2CH2CHO + HCoI(CO)3
69. (CO)3CoICH2CH2C(O)CoI(CO)3 + H2 
C2H5C(O)CoI(CO)3 + HCoI(CO)3
70. (CO)4CoICH2CH2C(O)CoI(CO)3 + H2 
C2H5C(O)CoI(CO)3 + HCoI(CO)4
71. (CO)4CoICH2CH2C(O)CoI(CO)3 + H2 
(CO)4CoICH2CH2CHO + HCoI(CO)3
72. C2H5C(O)CoI(CO)3 + H2  C2H5CHO + HCoI(CO)3
73. (CO)3CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)3 + H2 
(CO)3CoIC(O)CH2CH2CHO + HCoI(CO)3
74. (CO)3CoICH2CH2C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + H2 
C2H5C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + HCoI(CO)3
75. (CO)4CoICH2CH2C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + H2 
C2H5C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + HCoI(CO)4
101
76. (CO)4CoICH2CH2C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + H2 
C2H5C(O)CH2CH2CoI(CO)4 + HCoI(CO)3
77. C2H5C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + H2  C2H5C(O)C2H5 + HCoI(CO)3
78. (CO)3CoIC(O)CH2CH2C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + H2 
(CO)3CoICH2CH2C(O)CH2CH2CHO + HCoI(CO)3
79. (CO)3CoIC(O)CH2CH2C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + H2 
(CO)3CoIC(O)CH2CH2C(O)CH2CH3 + HCoI(CO)3
80. (CO)3CoICH2CH2COOH + H2  CH3CH2COOH + HCoI(CO)3
81. (CO)4CoICH2CH2COOH + H2  CH3CH2COOH + HCoI(CO)4
82. (CO)3CoIC(O)CH2CH2COOH + H2 
HOCCH2CH2COOH + HCoI(CO)3
83. (CO)4CoICH2CH2C(O)CoI(CO)4 + H2 
(CO)4CoICH2CH2CHO + HCoI(CO)4
84. (CO)4CoICH2CH2C(O)CoI(CO)4 + H2 
C2H5C(O)CoI(CO)4 + HCoI(CO)4
85. C2H5C(O)CoI(CO)4 + H2  C2H5CHO + HCoI(CO)4
86. (CO)4CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)3 + H2 
(CO)3CoIC(O)CH2CH2CHO + HCoI(CO)4
87. (CO)4CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)3 + H2 
(CO)4CoIC(O)CH2CH2CHO + HCoI(CO)3
102
88. C2H5C(O)CH2CH2CoI(CO)4 + H2  C2H5C(O)C2H5 + HCoI(CO)4
89. (CO)4CoIC(O)CH2CH2COOH + H2 
HOCCH2CH2COOH + HCoI(CO)4
90. (CO)4CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)4 + H2 
(CO)4CoIC(O)CH2CH2CHO + HCoI(CO)4
91. HOOCCoI(CO)3 + H2  HCOOH + HCoI(CO)3
92. (CO)3CoICH2CH2CHO + H2  C2H5CHO + HCoI(CO)3
93. (CO)4CoICH2CH2CHO + H2  C2H5CHO + HCoI(CO)4
94. (CO)3CoIC(O)CH2CH2CHO + H2  HOCCH2CH2CHO + HCoI(CO)3
95. (CO)3CoICH2CH2C(O)CH2CH2CHO + H2 
CH3CH2C(O)CH2CH2CHO + HCoI(CO)3
96. (CO)3CoIC(O)CH2CH2C(O)CH2CH3 + H2 
CH3CH2C(O)CH2CH2CHO + HCoI(CO)3
97. (CO)4CoIC(O)CH2CH2CHO + H2  HOCCH2CH2CHO + HCoI(CO)4
98. (CO)3CoICH2CH2C(O)CoI(CO)3 + HCoI(CO)3 
(CO)3CoICH2CH2CHO + Co02(CO)6
99. (CO)3CoICH2CH2C(O)CoI(CO)3 + HCoI(CO)3 
C2H5C(O)CoI(CO)3 + Co02(CO)6
100. (CO)4CoICH2CH2C(O)CoI(CO)3 + HCoI(CO)3 
C2H5C(O)CoI(CO)3 + Co02(CO)7
103
101. (CO)4CoICH2CH2C(O)CoI(CO)3 + HCoI(CO)3 
(CO)4CoICH2CH2CHO + Co02(CO)6
102. C2H5C(O)CoI(CO)3 + HCoI(CO)3  C2H5CHO + Co02(CO)6
103. (CO)3CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)3 + HCoI(CO)3 
(CO)3CoIC(O)CH2CH2CHO + Co02(CO)6
104. (CO)3CoICH2CH2C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + HCoI(CO)3 
C2H5C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + Co02(CO)6
105. (CO)4CoICH2CH2C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + HCoI(CO)3 
C2H5C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + Co02(CO)7
106. (CO)4CoICH2CH2C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + HCoI(CO)3 
C2H5C(O)CH2CH2CoI(CO)4 + Co02(CO)6
107. C2H5C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + HCoI(CO)3 
C2H5C(O)C2H5 + Co02(CO)6
108. (CO)3CoIC(O)CH2CH2C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + HCoI(CO)3 
(CO)3CoICH2CH2C(O)CH2CH2CHO + Co02(CO)6
109. (CO)3CoIC(O)CH2CH2C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + HCoI(CO)3 
(CO)3CoIC(O)CH2CH2C(O)CH2CH3 + Co02(CO)6
110. (CO)3CoICH2CH2COOH + HCoI(CO)3  CH3CH2COOH + Co02(CO)6
111. (CO)4CoICH2CH2COOH + HCoI(CO)3  CH3CH2COOH + Co02(CO)7
104
112. (CO)3CoIC(O)CH2CH2COOH + HCoI(CO)3 
HOCCH2CH2COOH + Co02(CO)6
113. (CO)4CoICH2CH2C(O)CoI(CO)4 + HCoI(CO)3 
(CO)4CoICH2CH2CHO + Co02(CO)7
114. (CO)4CoICH2CH2C(O)CoI(CO)4 + HCoI(CO)3 
C2H5C(O)CoI(CO)4 + Co02(CO)7
115. C2H5C(O)CoI(CO)4 + HCoI(CO)3  C2H5CHO + Co02(CO)7
116. (CO)4CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)3 + HCoI(CO)3 
(CO)3CoIC(O)CH2CH2CHO + Co02(CO)7
117. (CO)4CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)3 + HCoI(CO)3 
(CO)4CoIC(O)CH2CH2CHO + Co02(CO)6
118. C2H5C(O)CH2CH2CoI(CO)4 + HCoI(CO)3 
C2H5C(O)C2H5 + Co02(CO)7
119. (CO)4CoIC(O)CH2CH2COOH + HCoI(CO)3 
HOCCH2CH2COOH + Co02(CO)7
120. (CO)4CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)4 + HCoI(CO)3 
(CO)4CoIC(O)CH2CH2CHO + Co02(CO)7
121. HOOCCoI(CO)3 + HCoI(CO)3  HCOOH + Co02(CO)6
122. (CO)3CoICH2CH2CHO + HCoI(CO)3  C2H5CHO + Co02(CO)6
123. (CO)4CoICH2CH2CHO + HCoI(CO)3  C2H5CHO + Co02(CO)7
105
124. (CO)3CoIC(O)CH2CH2CHO + HCoI(CO)3 
HOCCH2CH2CHO + Co02(CO)6
125. (CO)3CoICH2CH2C(O)CH2CH2CHO + HCoI(CO)3 
CH3CH2C(O)CH2CH2CHO + Co02(CO)6
126. (CO)3CoIC(O)CH2CH2C(O)CH2CH3 + HCoI(CO)3 
CH3CH2C(O)CH2CH2CHO + Co02(CO)6
127. (CO)4CoIC(O)CH2CH2CHO + HCoI(CO)3 
HOCCH2CH2CHO + Co02(CO)7
128. (CO)3CoICH2CH2C(O)CoI(CO)3 + HCoI(CO)4 
(CO)3CoICH2CH2CHO + Co02(CO)7
129. (CO)3CoICH2CH2C(O)CoI(CO)3 + HCoI(CO)4 
C2H5C(O)CoI(CO)3 + Co02(CO)7
130. (CO)4CoICH2CH2C(O)CoI(CO)3 + HCoI(CO)4 
C2H5C(O)CoI(CO)3 + Co02(CO)8
131. (CO)4CoICH2CH2C(O)CoI(CO)3 + HCoI(CO)4 
(CO)4CoICH2CH2CHO + Co02(CO)7
132. C2H5C(O)CoI(CO)3 + HCoI(CO)4  C2H5CHO + Co02(CO)7
133. (CO)3CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)3 + HCoI(CO)4 
(CO)3CoIC(O)CH2CH2CHO + Co02(CO)7
106
134. (CO)3CoICH2CH2C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + HCoI(CO)4 
C2H5C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + Co02(CO)7
135. (CO)4CoICH2CH2C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + HCoI(CO)4 
C2H5C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + Co02(CO)8
136. (CO)4CoICH2CH2C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + HCoI(CO)4 
C2H5C(O)CH2CH2CoI(CO)4 + Co02(CO)7
137. C2H5C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + HCoI(CO)4 
C2H5C(O)C2H5 + Co02(CO)7
138. (CO)3CoIC(O)CH2CH2C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + HCoI(CO)4 
(CO)3CoICH2CH2C(O)CH2CH2CHO + Co02(CO)7
139. (CO)3CoIC(O)CH2CH2C(O)CH2CH2CoI(CO)3 + HCoI(CO)4 
(CO)3CoIC(O)CH2CH2C(O)CH2CH3 + Co02(CO)7
140. (CO)3CoICH2CH2COOH + HCoI(CO)4  CH3CH2COOH + Co02(CO)7
141. (CO)4CoICH2CH2COOH + HCoI(CO)4  CH3CH2COOH + Co02(CO)8
142. (CO)3CoIC(O)CH2CH2COOH + HCoI(CO)4 
HOCCH2CH2COOH + Co02(CO)7
143. (CO)4CoICH2CH2C(O)CoI(CO)4 + HCoI(CO)4 
(CO)4CoICH2CH2CHO + Co02(CO)8
144. (CO)4CoICH2CH2C(O)CoI(CO)4 + HCoI(CO)4 
C2H5C(O)CoI(CO)4 + Co02(CO)8
107
145. C2H5C(O)CoI(CO)4 + HCoI(CO)4  C2H5CHO + Co02(CO)8
146. (CO)4CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)3 + HCoI(CO)4 
(CO)3CoIC(O)CH2CH2CHO + Co02(CO)8
147. (CO)4CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)3 + HCoI(CO)4 
(CO)4CoIC(O)CH2CH2CHO + Co02(CO)7
148. C2H5C(O)CH2CH2CoI(CO)4 + HCoI(CO)4 
C2H5C(O)C2H5 + Co02(CO)8
149. (CO)4CoIC(O)CH2CH2COOH + HCoI(CO)4  HOCCH2CH2COOH + Co02(CO)8
150. (CO)4CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)4 + HCoI(CO)4 
(CO)4CoIC(O)CH2CH2CHO + Co02(CO)8
151. HOOCCoI(CO)3 + HCoI(CO)4  HCOOH + Co02(CO)7
152. (CO)3CoICH2CH2CHO + HCoI(CO)4  C2H5CHO + Co02(CO)7
153. (CO)4CoICH2CH2CHO + HCoI(CO)4  C2H5CHO + Co02(CO)8
154. (CO)3CoIC(O)CH2CH2CHO + HCoI(CO)4 
HOCCH2CH2CHO + Co02(CO)7
155. (CO)3CoICH2CH2C(O)CH2CH2CHO + HCoI(CO)4 
CH3CH2C(O)CH2CH2CHO + Co02(CO)7
156. (CO)3CoIC(O)CH2CH2C(O)CH2CH3 + HCoI(CO)4 
CH3CH2C(O)CH2CH2CHO + Co02(CO)7
108
157. (CO)4CoIC(O)CH2CH2CHO + HCoI(CO)4 
HOCCH2CH2CHO + Co02(CO)8
158. (CO)4CoICH2CH2C(O)CH2CH2CoI(CO)3 
(CO)3CoIC(O)CH2CH2C(O)CH2CH2CoI(CO)3
159. (CO)4CoICH2CH2COOH  (CO)3CoIC(O)CH2CH2COOH
160. (CO)4CoICH2CH2C(O)CoI(CO)4  (CO)4CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)3
161. C2H5C(O)CH2CH2CoI(CO)4  (CO)3CoIC(O)CH2CH2C(O)CH2CH3
162. (CO)4CoICH2CH2CHO  (CO)3CoIC(O)CH2CH2CHO
163. C2H5C(O)CoI(CO)4 + C2H4  C2H5C(O)CH2CH2CoI(CO)4
164. HOOCCoI(CO)3 + C2H4  (CO)3CoICH2CH2COOH
165. (CO)3CoIC(O)CH2CH2CHO + C2H4  (CO)3CoICH2CH2C(O)CH2CH2CHO
166. (CO)4CoICH2CH2C(O)CoI(CO)4 + H2O 
(CO)4CoICH2CH2COOH + HCoI(CO)4
167. C2H5C(O)CoI(CO)4 + H2O  CH3CH2COOH + HCoI(CO)4
168. (CO)4CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)3 + H2O 
(CO)3CoIC(O)CH2CH2COOH + HCoI(CO)4
169. (CO)4CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)3 + H2O 
(CO)4CoIC(O)CH2CH2COOH + HCoI(CO)3
109
170. (CO)4CoIC(O)CH2CH2COOH + H2O 
HOOCCH2CH2COOH + HCoI(CO)4
171. (CO)4CoIC(O)CH2CH2C(O)CoI(CO)4 + H2O 
(CO)4CoIC(O)CH2CH2COOH + HCoI(CO)4
172. HOOCCoI(CO)3 + H2O  H2CO3 + HCoI(CO)3
173. (CO)3CoIC(O)CH2CH2CHO + H2O 
HOCCH2CH2COOH + HCoI(CO)3
174. (CO)4CoIC(O)CH2CH2CHO + H2O 
HOCCH2CH2COOH + HCoI(CO)4
175. HOOCCoI(CO)3 + CO  HOOCCoI(CO)4
176. (CO)3CoICH2CH2CHO + CO  (CO)4CoICH2CH2CHO
177. (CO)3CoIC(O)CH2CH2CHO + CO  (CO)4CoIC(O)CH2CH2CHO
178. HOOCCoI(CO)4 + H2  HCOOH + HCoI(CO)4
179. HOOCCoI(CO)4 + HCoI(CO)3  HCOOH + Co02(CO)7
180. HOOCCoI(CO)4 + HCoI(CO)4  HCOOH + Co02(CO)8
181. HOOCCoI(CO)4 + C2H4  (CO)4CoICH2CH2COOH
182. HOOCCoI(CO)4 + H2O  H2CO3 + HCoI(CO)4
110
Приложение 3. Стадии реакции гидрогенолиза этана
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.

M–M + CH3–CH3 
CH3–CH2M + MH

M–M + H2  2MH

CH3–CH2M + M–M 
MH + MCH2–CH2M

CH3–CH2M + M–M  MH + CH3–CHM2

MCH2–CH2M + M–M 
MH + MCH2–CHM2

CH3–CHM2 + M–M  MH + MCH2–CHM2

CH3–CHM2 + M–M 
MH + CH3–CM3

MCH2–CHM2 + M–M  MH + M2CH–CHM2

MCH2–CHM2 + M–M 
MH + MCH2–CM3

CH3–CM3 + M–M  MH + MCH2–CM3

M2CH–CHM2 + M–M 
MH + M2CH–CM3

MCH2–CM3 + M–M  MH + M2CH–CM3

M2CH–CM3 + M–M 
MH + M3CCM3

MH + CH3–CH3  H2 + CH3–CH2M

MCH2–CH2M + CH3–CH3 
2CH3–CH2M
111
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.

CH3–CHM2 + CH3–CH3 
2CH3–CH2M

MCH2–CHM2 + CH3–CH3  CH3–CH2M + CH3–CHM2

MCH2–CHM2 + CH3–CH3 
CH3–CH2M + MCH2–CH2M

CH3–CM3 + CH3–CH3  CH3–CH2M + CH3–CHM2

M2CH–CHM2 + CH3–CH3 
CH3–CH2M + MCH2–CHM2

MCH2–CM3 + CH3–CH3  CH3–CH2M + CH3–CM3

MCH2–CM3 + CH3–CH3 
CH3–CH2M + MCH2–CHM2

M2CH–CM3 + CH3–CH3 
CH3–CH2M + MCH2–CM3

M2CH–CM3 + CH3–CH3  CH3–CH2M + M2CH–CHM2

M3CCM3 + CH3–CH3 
CH3–CH2M + M2CH–CM3

MH + CH3–CH2M  H2 + MCH2–CH2M

MH + CH3–CH2M 
H2 + CH3–CHM2

MCH2–CH2M + CH3–CH2M 
CH3–CH2M + CH3–CHM2

MCH2–CHM2 + CH3–CH2M  MCH2–CH2M + CH3–CHM2

MCH2–CHM2 + CH3–CH2M 
2MCH2–CH2M

MCH2–CHM2 + CH3–CH2M 
2CH3–CHM2

CH3–CM3 + CH3–CH2M  MCH2–CH2M + CH3–CHM2

CH3–CM3 + CH3–CH2M 
2CH3–CHM2
112
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
43.
44.
45.
46.
47.
48.
49.
50.
51.

M2CH–CHM2 + CH3–CH2M 
MCH2–CH2M + MCH2–CHM2

M2CH–CHM2 + CH3–CH2M  CH3–CHM2 + MCH2–CHM2

MCH2–CM3 + CH3–CH2M 
MCH2–CH2M + CH3–CM3

MCH2–CM3 + CH3–CH2M 
MCH2–CH2M + MCH2–CHM2

MCH2–CM3 + CH3–CH2M  CH3–CHM2 + CH3–CM3

MCH2–CM3 + CH3–CH2M 
CH3–CHM2 + MCH2–CHM2

M2CH–CM3 + CH3–CH2M  MCH2–CH2M + MCH2–CM3

M2CH–CM3 + CH3–CH2M 
MCH2–CH2M + M2CH–CHM2

M2CH–CM3 + CH3–CH2M  CH3–CHM2 + MCH2–CM3

M2CH–CM3 + CH3–CH2M 
CH3–CHM2 + M2CH–CHM2

M3CCM3 + CH3–CH2M  MCH2–CH2M + M2CH–CM3

M3CCM3 + CH3–CH2M 
CH3–CHM2 + M2CH–CM3

MCH2–CH2M + MH  H2 + MCH2–CHM2

MCH2–CHM2 + MCH2–CH2M 
CH3–CHM2 + MCH2–CHM2

CH3–CM3 + MCH2–CH2M  CH3–CHM2 + MCH2–CHM2

M2CH–CHM2 + MCH2–CH2M 
2MCH2–CHM2

MCH2–CM3 + MCH2–CH2M  MCH2–CHM2 + CH3–CM3

MCH2–CM3 + MCH2–CH2M 
2MCH2–CHM2
113
52.
53.
54.
55.
56.
57.
58.
59.
60.
61.
62.
63.
64.
65.
66.
67.
68.
69.

M2CH–CM3 + MCH2–CH2M 
MCH2–CHM2 + MCH2–CM3

M2CH–CM3 + MCH2–CH2M  MCH2–CHM2 + M2CH–CHM2

M3CCM3 + MCH2–CH2M 
MCH2–CHM2 + M2CH–CM3

CH3–CHM2 + MH  H2 + MCH2–CHM2

CH3–CHM2 + MH 
H2 + CH3–CM3

MCH2–CHM2 + CH3–CHM2 
CH3–CHM2 + CH3–CM3

M2CH–CHM2 + CH3–CHM2  2MCH2–CHM2

M2CH–CHM2 + CH3–CHM2 
MCH2–CHM2 + CH3–CM3

MCH2–CM3 + CH3–CHM2  MCH2–CHM2 + CH3–CM3

MCH2–CM3 + CH3–CHM2 
2MCH2–CHM2

MCH2–CM3 + CH3–CHM2  2CH3–CM3

M2CH–CM3 + CH3–CHM2 
MCH2–CHM2 + MCH2–CM3

M2CH–CM3 + CH3–CHM2  MCH2–CHM2 + M2CH–CHM2

M2CH–CM3 + CH3–CHM2 
CH3–CM3 + MCH2–CM3

M2CH–CM3 + CH3–CHM2  CH3–CM3 + M2CH–CHM2

M3CCM3 + CH3–CHM2 
MCH2–CHM2 + M2CH–CM3

M3CCM3 + CH3–CHM2  CH3–CM3 + M2CH–CM3

MCH2–CHM2 + MH 
H2 + M2CH–CHM2
114
70.
71.
72.
73.
74.
75.
76.
77.
78.
79.
80.
81.
82.
83.
84.
85.
86.
87.

MCH2–CHM2 + MH 
H2 + MCH2–CM3

M2CH–CHM2 + MCH2–CHM2 
MCH2–CHM2 + MCH2–CM3

MCH2–CM3 + MCH2–CHM2  CH3–CM3 + M2CH–CHM2

MCH2–CM3 + MCH2–CHM2 
CH3–CM3 + MCH2–CM3

M2CH–CM3 + MCH2–CHM2  M2CH–CHM2 + MCH2–CM3

M2CH–CM3 + MCH2–CHM2 
2M2CH–CHM2

M2CH–CM3 + MCH2–CHM2  2MCH2–CM3

M3CCM3 + MCH2–CHM2 
M2CH–CHM2 + M2CH–CM3

M3CCM3 + MCH2–CHM2  MCH2–CM3 + M2CH–CM3

CH3–CM3 + MH 
H2 + MCH2–CM3

M2CH–CM3 + CH3–CM3 
2MCH2–CM3

M2CH–CM3 + CH3–CM3  M2CH–CHM2 + MCH2–CM3

M3CCM3 + CH3–CM3 
MCH2–CM3 + M2CH–CM3

M2CH–CHM2 + MH  H2 + M2CH–CM3

M2CH–CM3 + M2CH–CHM2 
MCH2–CM3 + M2CH–CM3

M3CCM3 + M2CH–CHM2  2M2CH–CM3

MCH2–CM3 + MH 
H2 + M2CH–CM3

M3CCM3 + MCH2–CM3 
2M2CH–CM3
115

88. M2CH–CM3 + MH 
H2 + M3CCM3
89. MCH2–CH3 + M–M  M2CH2 + MCH3
90. M2CH–CH3 + M–M  M3CH + MCH3
91. M3C–CH3 + M–M  M4C + MCH3
92. MCH2–CH2M + M–M  2M2CH2
93. MCH2–CHM2 + M–M  M2CH2 + M3CH
94. M2CH–CH2M + M–M  M3CH + M2CH2
95. M2CH–CHM2 + M–M  2M3CH
96. M2CH–CM3 + M–M  M3CH + M4C
97. M3C–CM3 + M–M  2M4C

98. M3CH + M–M 
MH + M4C

99. M3CH + MH  M–M + M2CH2

100. M2CH2 + MH 
M–M + MCH3

101. MCH3 + MH  M–M + CH4

102. M3CH + CH3–CH3 
CH3–CH2M + M2CH2

103. M4C + CH3–CH3  CH3–CH2M + M3CH

104. M2CH2 + CH3–CH3 
CH3–CH2M + MCH3

105. MCH3 + CH3–CH3  CH3–CH2M + CH4
116

106. M3CH + CH3–CH2M 
MCH2–CH2M + M2CH2

107. M3CH + CH3–CH2M  CH3–CHM2 + M2CH2

108. M4C + CH3–CH2M 
MCH2–CH2M + M3CH

109. M4C + CH3–CH2M 
CH3–CHM2 + M3CH

110. M2CH2 + CH3–CH2M  MCH2–CH2M + MCH3

111. M2CH2 + CH3–CH2M 
CH3–CHM2 + MCH3

112. MCH3 + CH3–CH2M  MCH2–CH2M + CH4

113. MCH3 + CH3–CH2M 
CH3–CHM2 + CH4

114. M3CH + MCH2–CH2M  MCH2–CHM2 + M2CH2

115. M4C + MCH2–CH2M 
MCH2–CHM2 + M3CH

116. M2CH2 + MCH2–CH2M  MCH2–CHM2 + MCH3

117. MCH3 + MCH2–CH2M 
MCH2–CHM2 + CH4

118. M3CH + CH3–CHM2  MCH2–CHM2 + M2CH2

119. M3CH + CH3–CHM2 
CH3–CM3 + M2CH2

120. M4C + CH3–CHM2  MCH2–CHM2 + M3CH

121. M4C + CH3–CHM2 
CH3–CM3 + M3CH

122. M2CH2 + CH3–CHM2  MCH2–CHM2 + MCH3

123. M2CH2 + CH3–CHM2 
CH3–CM3 + MCH3
117

124. MCH3 + CH3–CHM2 
MCH2–CHM2 + CH4

125. MCH3 + CH3–CHM2  CH3–CM3 + CH4

126. M3CH + MCH2–CHM2 
M2CH–CHM2 + M2CH2

127. M3CH + MCH2–CHM2 
MCH2–CM3 + M2CH2

128. M4C + MCH2–CHM2  M2CH–CHM2 + M3CH

129. M4C + MCH2–CHM2 
MCH2–CM3 + M3CH

130. M2CH2 + MCH2–CHM2  M2CH–CHM2 + MCH3

131. M2CH2 + MCH2–CHM2 
MCH2–CM3 + MCH3

132. MCH3 + MCH2–CHM2  M2CH–CHM2 + CH4

133. MCH3 + MCH2–CHM2 
MCH2–CM3 + CH4

134. M3CH + CH3–CM3  MCH2–CM3 + M2CH2

135. M4C + CH3–CM3 
MCH2–CM3 + M3CH

136. M2CH2 + CH3–CM3  MCH2–CM3 + MCH3

137. MCH3 + CH3–CM3 
MCH2–CM3 + CH4

138. M3CH + M2CH–CHM2  M2CH–CM3 + M2CH2

139. M4C + M2CH–CHM2 
M2CH–CM3 + M3CH

140. M2CH2 + M2CH–CHM2  M2CH–CM3 + MCH3

141. MCH3 + M2CH–CHM2 
M2CH–CM3 + CH4
118

142. M3CH + MCH2–CM3 
M2CH–CM3 + M2CH2

143. M4C + MCH2–CM3  M2CH–CM3 + M3CH

144. M2CH2 + MCH2–CM3 
M2CH–CM3 + MCH3

145. MCH3 + MCH2–CM3  M2CH–CM3 + CH4

146. M3CH + M2CH–CM3 
M3CCM3 + M2CH2

147. M4C + M2CH–CM3  M3CCM3 + M3CH

148. M2CH2 + M2CH–CM3 
M3CCM3 + MCH3

149. MCH3 + M2CH–CM3  M3CCM3 + CH4

150. M3CH + MH 
H2 + M4C

151. 2M3CH  M4C + M2CH2

152. M2CH2 + M3CH 
M4C + MCH3

153. MCH3 + M3CH  M4C + CH4

154. M2CH2 + MH 
H2 + M3CH

155. 2M2CH2  M3CH + MCH3

156. MCH3 + M2CH2 
M3CH + CH4

157. MCH3 + MH  H2 + M2CH2

158. 2MCH3 
M2CH2 + CH4

159. CH4 + MH  H2 + MCH3
119
160. MCH2–CH3 + M–H  M2CH2 + CH4
161. MCH2–CH2M + M–H  M2CH2+ MCH3
162. M3C–CH3 + M–H  M4C + CH4
163. MCH2–CHM2 + M–H  2M2CH2
164. M2CH–CH2M + M–H  M3CH + MCH3
165. M2CH–CHM2 + M–H  M3CH + M2CH2
166. M2CH–CM3 + M–H  2M3CH
167. MCH2–CH3 + M–H  2MCH3
168. M2CH–CH3 + M–H  M2CH2 + MCH3
169. M3C–CH3 + M–H  M3CH + M2CH2
170. M2CH–CH2M + M–H  2M2CH2
171. MCH2–CHM2 + M–H  MCH3 + M3CH
172. M2CH–CM3 + M–H  M2CH2 + M4C
173. M2CH–CH3 + M–H  M3CH + CH4
174. M3C–CM3 + M–H  M4C + M3CH
120