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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Strukturcodierung und -Verarbeitung

Browsing in Organic Structures using PC and ONLINE

Browsing in chemical structures has always been a strong point of the printed Beilstein Handbook, and this paper describes the coding system developed at the Beilstein Institute to carry this capability into the computer-based Beilstein-ONLINE era.

A. J. Lawson

Der Einsatz von Hashcodes zur Erkennung der strukturellen Ahnlichkeit von Molekülen

Es wird ein Verfahren zur Codierung der Identität von Atomen, Bindungen, Molekülen und Ensembles in Form von Hashcodes vorgestellt. Als eine Anwendung des Verfahrens wird der Einsatz des Hashcoders in Verbindung mit Transformationsschemata zum Auffinden strukturell ähnlicher Moleküle in einer Datenbank von Ausgangsmaterialien erläutert.

W. D. Ihlenfeldt, J. Gasteiger

Tautomer Processing in the Beilstein Registry System

In a previous presentation [1] we described the Beilstein Registry Connection Table (BRCT) for organic compounds. This consists of a “list of lists”; certain lists are obligatory for each structure, eg. the “from” list which describes the connectivity of the structure graph, while other lists are optional and are only present when necessary, eg. non-Carbon atoms, charges and abnormal masses. In addition, a group of lists describes the configuration, when known, of asymmetric atoms and double bonds; another group of lists contains information about the tautomerism of the structure.

S. H. Welford

Eingabe chemischer Strukturen unter Verwendung eines Stringinterpreters

Die Erfassung chemischer Strukturen mit dem Computer gewinnt zunehmende Bedeutung bei der Dokumentation von Strukturen und Reaktionen, in der Syntheseplanung, bei der QSAR u.a.m. In den Anfängen des Computereinsatzes in der Chemie wurden Strukturen als Linearnotationen (z.B. Wiswesser line-formula notation [1]) oder als Bindungslisten (Connection Table) eingegeben. Aufgrund der beschränkten Möglichkeiten der Hardund Software mußte sich der Benutzer dem Computer anpassen. Heutzutage erfolgt die Eingabe chemischer Strukturen im allgemeinen graphisch mit Hilfe von Cursortasten, einem Lichtgriffel, einer Maus oder einem Tablett. Steht man vor der Aufgabe, eine große Anzahl von Strukturen aus der chemischen Literatur zu erfassen, erweist sich die ausschließlich graphische Eingabe auch als schwerfällig. In der Literatur werden chemische Strukturen zu einem großen Teil als Zeichenketten oder aus einer Kombination von graphischen Darstellungen und Zeichenketten dargestellt. Häufig werden Ringsysteme graphisch dargestellt und die Substitutenten als Zeichenketten angegeben. Ziel dieser Arbeit war eine „Eins zu Eins“-Übertragung chemischer Strukturen aus der Literatur in den Computer (Abb. 1). Es wurde ein Stringinterpreter entwickelt, der die natürliche Formelsprache des organischen Chemikers „versteht“ und in eine computerinterne Darstellung umsetzt.

P. Röse

Software-Entwicklungstrends in der chemischen Nomenklatur

Die Geschichte der chemischen Nomenklatur reicht weit in die vergangenen Jahrhunderte zurück. Ursprünglich konnten chemische Substanzen nur aufgrund ihrer Eigenschaften oder ihres Vorkommens benannt werden. Erst mit fortschreitenden Entwicklungen auf dem Gebiet der Struktur-Erkennung und -Aufklärung konnten auch die chemischen Namen mehr strukturbezogen gestaltet und die chemische Nomenklatur schrittweise systematisiert werden. Eine zentrale Rolle in der Entwicklung der chemischen Nomenklatur übernahm die bereits vor Jahrzehnten gegründete IUPAC Commission on Nomenclature of Organic Chemistry. Die „Sprache der Chemiker“ wurde zu einem der wichtigsten Werkzeuge der wissenschaftlichen Kommunikation.

L. Goebels

Atomkoordinaten aus Strukturformeln organischer Verbindungen

Für computerunterstützte Manipulationen von Molekülmodellen braucht man die Koordinaten der entsprechenden Atome im Rechner. Es wird ein Programmpaket zur Erzeugung von Koordinatensätzen von acyclischen Verbindungen mit folgenden Leistungsmerkmalen vorgestellt: Die Lagen der Atome eines Moleküls in seiner zick-zack-Konformation werden unter Zugriff auf Listen mit Standardwerten für Bindungslängen und -winkel in weniger als 1 Minute errechnet. Maximal 500 Atome (C,H,O,N,S/zweibindig,Cl,Br,I) werden gegenwärtig verarbeitet.Die Eingabe der (zweidimensionalen) Strukturformel erfolgt über einen zeilen- und spaltenorientierten Editor in einer dem Chemiker vom Formelzeichnen im Prinzip vertrauten Weise. Langwieriges Einarbeiten entfällt.Mit einem im Sekundenbereich arbeitenden Graphikprogramm kann anschließend ein Bild des Moleküls mit räumlichem Eindruck erhalten werden. Bei Bedarf kann das Molekül um einen gewünschten Betrag um die x-, y- und z-Achse gedreht werden.Die Programme laufen auf einem Arbeitsplatzrechner vom Typ XT/AT, so daß der Zugang zu einem Mini- oder Großrechner in dieser Phase entbehrlich ist.

B. Krieg, P. Hücker

Ein- und Ausgabetechniken zur Abbildung chemischer Strukturen

In der vorliegenden Studie wird der Versuch einer modernen Mensch-Maschine-Schnittstelle für die graphische Eingabe von Molekülstrukturen für Quantenchemische Programme beschrieben. Es wird ein Moleküleditor vorgestellt, der es erlaubt, mittels einer Maus ein Molekül zu zeichnen und dieses dann zu manipulieren. In einem weiteren Schritt wird dann aus der Zeichnung ein dreidimensionales, Modell des Moleküls erstellt, das dann mittels quantenchemischer Standardpropgramme weiter verarbeitet werden kann.

H.-O. Beckmann, Ch. Höpfner, P. Ulzmann, S. Wiesner

Uber die Parameterisierung empirischer Rechenprogramme zur Simulation von Molekülstrukturen

Ein neues Verfahren zur Erweiterung eines bestehenden Kraftfeldes mit Hilfe quantenmechanisch berechneter Daten wird vorgeschlagen und bei der Ergänzung von Allingers Kraftfeld MM2 12 um die Parameter für einige Verbindungsklassen mit vierfach koordiniertem Phosphor erprobt. Ein Vergleich der Röntgenstrukturdaten menthylsubstituierter Organophosphorverbindungen mit quantenmechanisch und auf der Basis eines Kraftfeldes ermittelten Geometrieparametern demonstriert die Leistungsfähigkeit sowohl der angewandten Methoden zur Struktursimulation als auch des Parameter is ierungsverfahrens.

M. Breuer, G. Hägele, W. Kückelhaus

Datenbankdesign

Probleme beim Aufbau von Faktendatenbanken

Eine numerische Faktendatenbank erlaubt die Suche nach Eigenschaften (numerische und alphanumerische) sowie den schnellen Zugriff auf groβe Mengen von Daten. Sie ist also die ideale DB für den Naturwissenschaftler.

J. Sunkel

Design von Faktendatenbanken

Eine Datenbank ist eine Zusammenfassung von organisierten Daten, die zusammen mit ihren Beschreibungen in einer oder mehreren Dateien in einem Computer gespeichert werden. Die Speicherung erfolgt so, daβ die Datenredundanz weitgehend vermieden wird und die unterschiedlichen Bedürfnisse der Benutzer befriedigt werden. Die Datenbanken können entsprechend ihres Inhaltes wie folgt eingeteilt werden: Elektronischer Karteikasten Im einfachsten Fall werden Karteikästen (Files) in maschinenlesbarer Form erfaßt. Die einzelnen Files sind durch Verweise (Relationen) untereinander verknüpft.Textdatenbank Hierzu zählen die bibliographische Datenbank und die Volltextdatenbank.

A. Barth

Die E L D A R — Methodenbank für Elektrolytlösungen

ELDAR (Electrolyte Data Regensburg) reflects the actual state of knowledge on electrolyte solutions in three parts: fact knowledge is represented in a relational data model, algorithmic knowledge is represented in normalized modules and managed by a method bank, and heuristic knowledge is represented in Horn-clauses. ELDAR, a user-friendly knowledge based system, is implemented on a microcomputer network. ELDAR produces property profiles of electrolyte solutions in a transparent manner from the stored data for the use in fundamental research and chemical engineering.

J. Barthel, H. Popp, G. Schmeer

Strukturierte Dokumentation umweltrelevanter Daten zu chemischen Stoffen in flexiblen Merkmalsstrukturen

Gefährdung und Schädigungen von Mensch und Umwelt haben inzwischen solche Ausmaβe angenommen, daβ Maβnahmen zur Gefahrenabwehr bzw. -Vermeidung, zu Umwelt- und Gesundheitsschutz, mehr und mehr gefordert werden.

L. Austenat, J. Döring, C. Gonzales, A. Heinrich, T. Höfer-Bosse, M. Oenicke, M. Stopp

Spektrenbibliotheken und -interpretation

Massenspektren

Spektren-Bibliotheken in der massenspektrometrischen Analytik

Bei Messungen von Gemischen mit GC/MS-Kopplungen oder fraktionierten Verdampfungen erhält man von Datensystemen schnell Spektren von vielen Verbindungen. Die Interpretation dieser Spektren, im Idealfall eine Identifizierung, wird zunehmend unterstützt durch den Vergleich der gemessenen, eventuell korrigierten Spektren mit den Spektren in Bibliotheken. Dabei erlauben leistungsfähigere Computer immer schnellere Suchen mit komplizierteren Algorithmen in immer gröβeren Bibliotheken.

D. Henneberg, B. Weimann

MSSEARCH ein Programm zur Verarbeitung massenspektroskopischer Daten im Rahmen forensisch toxikologischer Untersuchungen

In den letzten Jahren hat die rasche Entwicklung immer leistungsfähigerer Mikroprozessoren und Speicherchips zu einem starken Preisverfall dieser Komponenten geführt. Als Folge erhält man heute preiswerte Mikrocomputersysteme deren Leistungsgrenze immer mehr in einen Bereich vordringt, der bislang den Workstations vorbehalten war. Diese Entwicklung eröffnete erstmals die Möglichkeit, ein Mikrocomputersystem zur Verarbeitung so groβer Datenmengen einzusetzen, wie sie etwa in der Massenspektrometrie anfallen.

P. Rösner, R. Kühnle, T. Junge

Automatische Interpretation von Massenspektren

Organische Verbindungen, die Chlor und/oder Brom enthalten, liefern entsprechend der Isotopenzusammensetzung (35Cl: 37Cl = 75: 25; 79Br: 81Br =50: 50) Massenspektren, in denen die einzelnen Peaks — je nach Bruttoformel — charakteristische Peakmuster aufweisen. Diese Peakmuster leisten wertvolle Hilfe bei der Interpretation der Spektren und bei der Strukturaufklärung unbekannter Substanzen.

H. Kubinyi

Der Einsatz eines Verteilten Assoziativen Speichers zur Reaktivitätsvorhersage

In unserer Arbeitsgruppe werden Methoden entwickelt, um aus der Struktur organischer Verbindungen deren Massenspektrum vorherzusagen. Dabei werden zwei Wege beschritten. Der erste besteht darin, eine explizite mathematische Funktion aufzustellen, mittels der das Massenspektrum aus der Struktur abgeleitet werden kann. Diese Vorgehensweise und die bisher erzielten Resultate werden in dem Artikel von W. Hanebeck et al. in diesem Buch erläutert [1]. Der andere Ansatz verzichtet dagegen auf eine explizite Funktionsdarstellung und benutzt dafür eine implizite. Es kommt hierbei eine Wertetabelle mit einigen besonderen Eigenschaften zum Einsatz, der sogenannte Verteilte Assoziative Speicher.

K.-P. Schulz, P. Hofmann, J. Gasteiger

Die Vorhersage von Massenspektren basierend auf der Berechnung physikochemischer Parameter

Es wird ein Programmsystem entwickelt, das für eingegebene organisch-chemische Strukturen deren Massenspektrum vorhersagt. Dies soll mit Hilfe empirischer Funktionen geschehen, die aufgrund physikochemischer Parameter Aussagen über das Brechen und Knüpfen von Bindungen während des Zerfalls im Massenspektrum machen können.

W. Hanebeck, H. Saller, J. Gasteiger

Selektive Detektion von Substanzklassen bei GC/MS-Analysen mit einem chemometrischen Detektor

Selective Detection of Chemical Classes in GC/MS-Analyses by Using a Chemometric Detector.Chemometric methods are applied to series of mass spectra for classifying each spectrum to determine whether it belongs to a certain class of chemical compounds. The result is a chromatogram as it would be obtained by a selective detector. Selectivity can be changed and adjusted by software. The method is illustrated by examples for the selective detection of polychlorinated biphenyls and polycyclic aromatic hydrocarbons in complex mixtures.

K. Varmuza, H. Lohninger, W. Werther

übrige spektroskopische Methoden

Verteilte Spektroskopie

Methoden und Geräte für diese Schritte wurden dabei überwiegend an einem Ort eingesetzt. Mit anwachsenden Datenbeständen erfolgte die Auswertung auch abgesetzt im Büro oder der Bibliothek mit Hilfe der auf Fotomaterial oder Papier geschriebenen Spektren.

A. Khuen, D. Ziessow

τ-δ-COSY-pseudo-2D-Spektren durch Umwandlung von 1D-Spektren: zur pH-Abhängigkeit des 31 P Chemical Shift

Bei aciden Verbindungen stellt der pH-Wert ihrer wässrigen Lösungen eine wichtige Kenngröße dar. Schon seit längerem ist bekannt, daß auch chemische Verschiebungen und Kopplungen im NMR-Spektrum solcher Lösungen von ihrem pH-Wert abhängig sind 1). Die Änderungen dieser Größen sind direkt abhängig von den Änderungen der Struktur der beobachteten Substanzen die in der wässrigen Phase mit den pH-Wert-Änderungen einhergehen.

G. Hägele, M. Grzonka

DAISY Neuere Entwicklungen und Anwendungsbeispiele zur Simulation und Automatisierten Analyse hochaufgelöster Kernresonanzspektren.

Wie Automatisch ist eigentlich die Automatisierte Analyse?

In vorangegangenen Präsentationen haben wir unser Programmsystem DAISY zur Simulation und automatisierten Analyse hochaufgelöster Kernresonanzspektren vorgestellt. DAISY behandelt NMR-Spektren von Kernen mit I = 1/2 in Systemen, die aus singulären Spins oder Composite Particles in isotroper oder anisotroper Phase bestehen. DAISY ist über QCPE öffentlich zugänglich.

G. Hägele, P. Reinemer, H. Grzonka

Computerunterstützte Strukturaufklärung organischer Verbindungen. Teil -IV1

Einsatz einer C-13 NMR Datenbank als Informationsquelle zur vollautomatischen Spektreninterpretation

Die Strukturaufklärung organischer Verbindungen wird heute durchwegs mit spektroskopischen Methoden durchgeführt, wobei der 13C-NMR-Spektroskopie durch ihren hohen Informationsgehalt eine zentrale Position zukommt. Die Interpretation spektroskopischer Information — also die eigentliche Umsetzung in Strukturen bzw. Strukturfragmente — ist bei manueller Vorgangsweise oft nur schwierig durchzuführen. Durch die zunehmende Leistungsfähigkeit der Kernresonanzspektrometer sind selbst komplexe zweidimensionale Pulsexperimente heute vollautomatisch durchführbar. Diese 2D-NMR-Spektren geben die Konnektivitätsinformation — also die eigentlich interessierende Strukturinformation — unmittelbar wieder. Allerdings ist bei vergleichsweise einfachen 1D-NMR-Techniken ebenfalls ein hoher Informationsgehalt vorhanden, der sich jedoch oftmals der manuellen Interpretation verschlieβt. Durch den Einsatz geeigneter Datensammlungen und Computerprogramme wird die Spektrenauswertung auf eine wesentlich erweiterte Basis gestellt.Anhand des 13C-NMR-Datenbankprogrammes ‘CSEARCH’, sowie eines vollautomatisch arbeitenden Interpretationsprogrammes und eines Isomerengenerators sollen Konzepte der computerunterstützten Strukturaufklärung gezeigt werden. Durch die enorme Leistungsfähigkeit von Personalcomputern ist es möglich, Datensammlungen mit etwa 5000 Spektren lokal handzuhaben, worauf, neben dem Einbau grafischer Möglichkeiten, bei der Programmentwicklung besonderer Wert gelegt wurde.

M. Kriech, H. Scsibrany, W. Robien

Recherche und Simulation von 13C-NMR-Spektren auf dem PC

Eine der wichtigsten Aufgaben eines Chemikers ist es, aus den Spektren einer chemischen Verbindung Rückschlüsse auf die Struktur zu ziehen. Die Softwarepakete „Datendokumentation I+II“ und der „C-NMR-Simulator“ der Serie VISPER-32 ersparen dem Chemiker mühsames und stundenlanges Suchen nach Spektren und Vergleichsdaten in der Literatur und eröffnen ihm darüber hinaus einen neuen Umgang beim Zuordnen und Berechnen von Spektren

S. Heeb, H. Schulz

Datenerfassung

Parameterfreie Integrations-Software in der Chromatographie

Übliche Integrationsprogramme enthalten willkürlich vorgebbare Parameter, die die Peakerkennung festlegen (z.B. slope sensitivity, threshold). Hieraus resultieren systematische Fehler. Ebenfalls über Parameter (z.B. maximal slope) wird anschließend aus den Peakgrenzen die Basislinie festgelegt.Die hier vorgestellte Software geht umgekehrt vor und legt über das Pattern der 1. Ableitung zunächst alle potentiellen Basislinienpunkte fest, aus denen entweder über chromatograpische Gegebenheiten oder aber z.B. bei der Gradientenelution in der HPLC aus experimentellen Daten eine Näherung für die Basislinie erhalten wird. Aus dem basilinienkorrigierten Chromatogramm werden in einem iterativen Prozess die Peakmaxima und aus dem Pattern der 1. Ableitung die Peakgrenzen ermittelt und anschließend eine Verbesserung der Basislinie und der Peakliste vorgenommen.Diese Peakliste enthält irreale Peaks wie z.B. noise oder spikes und auch FehlInterpretationen wie z.B. durch Rauschen in Teile zerlegte Peaks. Reale Peaks in der Chromatographie sind zwar keine Gauss-Peaks zeigen jedoch zumindest eine gaussoide Form. Mit Hilfe der nichtlinearen Regression werden die basislinienkorrigierten Daten als eine Folge von Gauss-Peaks angepaßt. Dabei werden Peaks mit einem Maximum außerhalb des Chromatogramms und solche mit negativer Peakhöhe oder Peakbreite ausgesondert.Bei sehr stark verrauschten Chromatogrammen wird eine Glättung mit Hilfe der Fourier-Transformation vorgeschaltet, da andere Glättungsalgorithmen zu systematisch verfälschten Chromatogrammen führen.

S. Ebel, M. Herboth, H. Wätzig

Peakerkennung in der Chromatographie

Die Erkennung eines Peaks ist ein wesentlicher Schritt bei der automatischen Auswertung von Chromatogrammen. Da der Peak der Träger der analytischen Information ist, kann die analytische Information nur gewonnen werden, wenn der Peak erkannt wird. Wenn man nun ein Chromatogramm betrachtet, das bei der Analyse einer Umweltprobe entsteht, so ist es oft der Fall, daß die wichtigste Information in relativ kleinen Peaks enthalten ist, die fast im Rauschen verschwinden. Der herkömmliche Algorithmus hat kaum die Möglichkeit, diese Peaks zu erkennen, geschweige denn, sie richtig zu integrieren.

G. Reich

Interferenzrefraktometrie in der HPLC, Steuerung, Datenerfassung und Auswertung mit einem 68020/68881

Da einige chemische Substanzklassen (Aminosäuren, Peptide, Nucleobasen) sehr kurzwellig absorbieren, treten bei konventionellen Detektoren im ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich in der Hochdruckflüssigkeits-Chromatographie (HPLC) Probleme auf. In solchen Fällen werden häufig Detektoren gewählt, die statt der Durchlässigkeit die Brechzahl messen. Allerdings sind diese Systeme weniger empfindlich und gestatten bis her keine spektrale Detektion, die in den letzten Jahren zu einem wesentlichen Gewinn an Information in der HPLC geführt hat. Die spektrale Messung der Brechzahl ergibt die Dispersionskurve (Realteil). Im Gegensatz zu den konventionellen Transmissionsmessungen ist in diesem Fall die Detektion nicht auf die Absorptionsbereiche (Imaginärteil der Dispersionskurve) beschränkt. Vielmehr zeigen alle Chemikalien im gesamten ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich eine charakteristische Dispersionskurve. Kann diese spektral vermessen werden, so ergeben sich in der HPLC für die oben erwähnten Problem Substanzen neue Detektionsmöglichkeiten.Setzt man eine Meßzelle mit einer optischen Schichtdicke von nur ca. 7 μm ein, so kann aus der Überlagerung der reflektierten Strahlen an den Grenzflächen dieser Küvette ein Interferogramm erhalten werden. Aus diesem Interferogramm kann anschließend die Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl, das heißt die Dispersionskurve berechnet werden. Aus diesem Grund bezeichnet man das neue Meßprinzip auch als Interferenzrefraktometrie. Das extrem kleine Zellvolumen eignet sich auch für Micro-HPLC-Techniken. Es setzt aber voraus, daß innerhalb kurzer Zeit eine Vielzahl von Meßpunkten während des Chromatogramms on-line aufgezeichnet werden können. Deswegen sind für diese Detektionsformen in der HPLC eine schnelle Steuerung, Datenerfassung und graphische sowie numerische Auswertemöglichkeiten Voraussetzung. Dazu sind moderne 32 Bit Mikroprozessoren mit arithmetischem Koprozessor, schnellem Graphikprozessor und ein Echtzeitbetriebs system notwendig.

G. Gauglitz, J. Krause-Bonte

Computersimulationen von Titrationskurven in der chemischen Analytik

Das Programm Titrat beschäftigt sich mit der Simulation von Titrationskurven. Dabei werden einfache mehrbasiche Säuren des Typs HnL, die Titration von Basen mit Säuren, Säuregemische, sowie die analytische Titration von Aminophosphonsäuren berücksichtigt. Die letzte Gruppe von Verbindungen ist von besonderem Interesse, da hier erstmalig komplexe Säuren simuliert werden. Im Gegensatz zur Titration im Labor wird bei der Simulation der entgegengesetzte Weg beschritten — zu einem vorgegebenen pH-Wert wird die Anzahl der verbrauchten Milliliter berechnet. Von dem einfachen Modell der Titration einer reinen Säure HnL mit einer Base wie NaOH ausgehend, werden hier die verschiedenen Verbesserungen wie Volumenkorrektur, Einführung von Aktivitäten und Erweiterung der Anwendbarkeit des Programms auf die oben genannten Säuregemische vorgestellt.

G. Hägele, A. Kolacki

Vermischtes

EDV-gestützte Bewertung der Umweltgefährlichkeit von Chemikalien

Bis heute sind ungefähr 100.000 verschiedene Stoffe innerhalb der Europäischen Gemeinschaft auf den Markt gelangt. Angesichts des enormen Kosten- und Zeitaufwands für experimentelle Untersuchungen zu umweltrelevanten Eigenschaften von Chemikalien ist es sinnvoll, mathematische Modelle zu entwickeln, die dann EDV-gestützt Aussagen zur Umweltgefährlichkeit von Substanzen ermöglichen.Es ist ein Programmsystem E4CHEM (Exposure and Ecotoxicity Estimation for Environmental CHEMicals) entwickelt worden, dessen wesentliche Bestandteile Modelle sind, die die Ausbreitung von Chemikalien in Böden, Luft und Fließgewässern beschreiben. Ein wichtiger Aspekt ist die Auswertung der Ergebnisse der Modelle zu möglichst prägnanten Antworten. Hierzu werden sogenannte Deskriptoren definiert, die ihrerseits zu einer Rangfolge von Chemikalien hinsichtlich ihrer Umweltgefährdung führen.Nach einer Vorstellung des Programmpakets E4CHEM wird anhand von acht Chemikalien, die beim „Sandoz-Unglück“ in den Rhein gelangt sind, Klassifikation und Rangfolgenerstellung am Beispiel des Fließgewässermodells EXWAT diskutiert.

R. Brüggemann, J. Benz

Hierarchial Planning in Automatic Synthetic Chemistry

Under developement at RISC-LINZ is an automated synthetic planning system in the form of a multilevel heuristical (introducing a great flexibility in design) expert system (written in LISP) entailing a wide range of techniques from chemistry, mathematics and artificial intelligence. In the first stages of the prototype, where a generalized version of the Wipke algorithm was implemented, it has been recognized that success is highly dependent on the models used. Within a given level, the most accurate model (that uses the minimal amount of chemical information, thus enhancing speed) will be optimized (AI learning and statistics) with respect to concepts in organic chemistry (as given by a higher level) and reaction and molecular data-bases.

E. S. Blurock

Ermittlung thermodynamischer Simultangleichgewichte

Zur Berechnung von thermodynamischen Simultangleichgewichten wurde ein Programmsystem DOROTHEA (Discovery of Redox Reactions by Thermodynamic Analysis) entwickelt. Basierend auf einer Datei von Redoxsystemen, Dissoziationsgleichgewichten und Komplexbildungsgleichgewichten können über Suchelemente interaktiv Reaktionssysteme zusammengestellt werden. Das Programm formuliert selbsttätig alle thermodynamisch möglichen Redoxreaktionen, bestimmt einen Satz linear unabhängiger Reaktionen und ermittelt die erforderlichen Bilanzgleichungen. Das resultierende nichtlineare Gleichungssystem kann dann für vorgegebene Startkonzentrationen gelöst werden. Aufbau und Wirkungsweise des Programmes werden erläutert und einige Beispiele demonstrieren die Anwendungsmöglichkeiten.

G. Linzbach, G. Kreysa

Elektronisches Publizieren von Text und chemischen Strukturen am Beispiel des ChemInform

Der Referatedienst ‘Chemlnform’ erscheint seit 1970 wöchentlich mit rund 360 Referaten pro Heft. Die Kurzreferate sind in der Regel durch Strukturformeln und Reaktionsgleichungen anschaulich gestaltet.

I. Blücher, B. Christoph, F. Ehrhardt, A. Parlow

Rechnergestützte Analyse von Struktur-Wirkungsbeziehungen in der Toxikologie auf der Basis einer relationalen Datenbank

Unser Ziel ist der Aufbau einer Datenbank, die Informationen zu strukturellen, physikalischen und toxischen Eigenschaften chemischer Stoffe enthält. Die Datenstruktur ist so gewählt, daβ die automatische Verarbeitung und Auswertung der Daten begünstigt wird. Die Kombination von Parametern, die für toxische Substanzwirkungen relevant sind, dient der Aufklärung von Struktur-Wirkungsbeziehungen (SAR). Unsere biologische Datenbank (BDB) ist die Basis für die Vorausschätzung unbekannter Toxizitäten durch ein lineares Modell quantitativer SAR (LINQSAR). Die Vorhersage von Toxizitäten ist kein Ersatz für experimentelle Untersuchungen, aber sie kann bei der Planung solcher Tests zum Einsatz kommen, z.B. für die Festsetzung der Testdosen und für die Aufstellung von Prioritätskriterien beim Screening einer groβen Anzahl von Kandidaten für Toxizitätstests (sog. Altstoffe). Die elektronische Speicherung verbessert durch die schnelle Abrufmöglichkeit den Zugriff auf historische Daten, die Schluβfolgerungen aus aktuellen Untersuchungen untermauern können. Die Identifizierung von Ausreiβern kann zur Klassifizierung von Giftstoffen beitragen und zur Formulierung experimentell zu beantwortender Fragen nach der metabolischen Aktivierung bzw. Inaktivierung sowie nach dem Wirkungsmechanismus führen.Die BDB enthält zur Zeit Informationen über 920 (zu 95% organische) Chemikalien, für die 190 Substanzklassen als Deskriptoren der chemischen Struktur definiert wurden. Andere für die Toxizität wichtige Deskriptoren (physikalisch-chemische, elektronische, sterische, etc.) sind in der substrukturellen Information implizit enthalten. Die Zuordnung der Substanzen zu einer oder mehreren Klassen wird durch eine Design-Matrix repräsentiert, deren Spalten den Klassen entsprechen. Jede Zeile steht für eine Substanz, wobei die Spalteneinträge 1 oder O die Zugehörigkeit zu den Klassen angeben. Die Inversion dieser gewöhnlich rangdefekten Matrix wird mit Hilfe einer generalisierten Inversen nach Moore-Penrose durchgeführt. Unsere Berechnungen ergaben, daβ die Toxizitäten allein mit Hilfe der Substanzklassenzugehörigkeit mit hinreichender Genauigkeit geschätzt werden können. Die zusätzliche Berücksichtigung physikalisch-chemischer Parameter (die allein die beobachtete Varianz nicht erklären konnten) verbesserte die Genauigkeit der Schätzung. Die Ergebnisse wurden durch Randomisierungs- und Kreuzvalidisierungs-Verfahren überprüft.

K. T. von der Trenck, T. Förster, S. Knscherf, E. Weber

Konzept für ein LAN für Forschung und Lehre und Verwaltung

Nachdem der Siegeszug der EDV, trotz mancher Bemühungen auch in den Universitäten nicht aufzuhalten war, und sie auch in unserem Institut Einzug gehalten hat, muß man sich jetzt um sinnvolle Konzepte für den Einsatz der Rechner kümmern. Die Lösung alle Rechner als Einzelgeräte zu benutzen erscheint, nach kurzer Begeisterung als unzureichend und unbefriedigend. Sehr schnell kommen Wünsche nach Daten- und Programmaustausch, auch der Wunsch nach anderen Rechnerleistungen tauchen bald auf. Die Lösung dieser Probleme liegt sicherlich in der Entwicklung eines Netzwerkes zwischen den verschiedenen Benutzern. Der Aufbau von Netzwerken in Universitätsbereichen wird heute auch schon häufiger durchgeflihrt. Bei näherem Hinsehen erscheinen diesen Lösungen eher halbherzig und eher aus der Not geboren denn aus einer Planung. Dabei bieten sich gerade im universitären Bereich zahlreiche sinnvolle Netzwerklösungen an, insbesondere für ein chemisches Institut wie unseres. Weiterhin erscheint es uns sinnvoll, wenn ein Universitätsbetrieb sich auf den Stand der Technik bringt, der in der Industrie schon lange üblich ist. Auch würde es dem Rufe unseres Hauses sicherlich nicht schaden, wenn wir hier im universitären Bereich Vorreiter, ja beispielhaft seien könnten. Im übrigen dürfte es sich langsam herum gesprochen haben daß heute zum Berufsbild eines naturwissenschaftlichen Akademikers der “fließende Umgang “ mit der EDV gehört, dieses ist in anderen Ländern, insbesonder in Amerika, dessen Forschungsqualität wir ja immmer bewundern schon lange Bestandteil der Ausbildung. Es ist bemerkenswert, daß an verschieden Schulen der Einsatz von Computern im Unterricht, insbesondere der Naturwissenschaften, und in der Verwaltung schon lange üblich ist. Hier sei in diesem Zusammenhang auf die extrem geringe Anzahl von Lehrveranstalltungen zu diesem Themenkreis an vielen Universitäten hingewiesen.

S. Wiesner, H.-O. Beckmann

Computer Algebra — Software for Symbolic Mathematics — also a Possibility for Chemistry?

Computer Algebra systems could be considered as software systems/packages that support interactive (and batch) processing of symbolic /mathematical nature, i.e. computerized “Buchstabenrechnung” {Cal.Com.Fit 1–2,Loo,Pav, Mac.Red.} That is, algebraic calculations (and numeric) with the speed and accuracy of a computer. In fact a fair part of it could be considered as “modern software technology”.We give a broad overview of this “new” mathematical software, that so far has not found so many applications in chemistry. This even though the first application in chemistry goes back to 1956! [Boy]*.We sketch the background and describe applications in physics — the main field for applications of computer algebra.Some of the applications in chemistry are surveyed, and we try to describe how the field of computer algebra is related to the superfield of symbol/symbolic manipulation/computation — a more structural kind of computation. Some potential applications/application areas in chemistry are indicated.We give an example of a session in the computer algebra language REDUCE and describe the essentials of such a system, we describe a fundamental difficulty with algebraic computing and finally we sketch some future trends.In the bibliography {Was} there is a lot of material for those who want to investigate these matters more in detail. This could pay off since with the new situation old mathematical tools, previously considered as unpractical because of the extensive and complicated algebraic manipulations involved, can now develop to very practical methods. There are discoveries to be made!

Rolf Wasén

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