ИНФОРМАЦИОННАЯ ЭНТРОПИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ – НОВАЯ МЕТОДОЛОГИЯ В ЦИФРОВОЙ ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ

Цифровая химия — формирующееся направление математической химии, связанное с использованием методов компьютерного моделирования для решения химических задач (поиска соединений с прогнозируемыми свойствами, анализа кинетических схем многостадийных химических реакций, оценки сложности строения молекул и молекулярного подобия, исчисления и генерации изомеров и т.п.). Одним из ключевых инструментов цифровой химии является использование дескрипторов для описания строения химических соединений, и этот вопрос вполне проработан на концептуальном уровне для изолированных молекул. Вместе с тем, использование структурных дескрипторов (например, информационной энтропии) для описания молекулярных ансамблей и химических процессов до сих остаётся открытым.

В лаборатории математической химии ИНК УФИЦ РАН было найдено [1], что информационная энтропия молекулярного ансамбля (hME) складывается не только из значений информационной энтропии молекул (h) — и включает дополнительное слагаемое, названное корпоративной энтропией HΩ, которая возникает при объединении молекул в ансамбль. Эта величина не зависит от строения молекул и определяется только их размером (числом атомов в молекуле). 
Изменение информационной энтропии в химической реакции рассчитывается как разность значений, соответствующих молекулярным ансамблям продуктов и реагентов, т.е. ΔhR = hME(prod) — hME(react). Использование развиваемого подхода после небольших математических преобразований позволяет не просто рассчитывать значения ΔhR, но и оценивать отдельные вклады в информационную энтропию химического процесса, связанные с (а) изменением строения молекул и/или (б) их размеров, обозначаемые как энтропия реорганизации (Hreorg) и энтропия перераспределения атомов между молекулами (Hredistr) [2].

Новый подход был успешно апробирован для цифрового описания классических реакций органических соединений (реакций атомизации, изомеризации, Дильса—Альдера и др.) [2]. Для однотипных реакций развиваемый подход даёт разные оценки информационной энтропии в зависимости от химической природы взаимодействующих веществ и образующихся продуктов, т.е. его использование открывает возможности «машинной» классификации химических реакций. Например, информационная энтропия реакций образования простых эфиров зависит от того, одинаковые или разные молекулы спирта в ней участвуют [2]; информационная энтропия олигомеризации фуллерена по-разному «реагирует» на чётность числа мономерных звеньев в зависимости от строения образующихся наноструктур [3].

 

В лаборатории математической химии изучаются возможности использования информационной энтропии в качестве базового параметра для решения различных задач математической и физической химии органических соединений. Этот параметр был введён Клодом Шенноном в теорию коммуникации в 1948 году [4] и затем нашёл широкое применение для оценки сложности молекулярных объектов, которые могут быть представлены в виде множеств элементов — атомов и/или химических связей [5, 6]. Ранее в ИНК УФИЦ РАН «классический» информационно-теоретический подход использовался для изучения строения фуллеренов и их производных [7, 8], аллотропных модификаций кислорода [9], органических соединений межзвёздной среды [10]. Однако расчёты изменения информационной энтропии в химических реакциях по аналогии с термодинамической энтропией (как разность значений, соответствующих продуктам и реагентам ΔhR = Σh(prod) — Σh(react) [11]) приводили к контринтуитивным результатам. Это послужило отправной точкой поиска корректного подхода к оценке изменения информационной энтропии в химических процессах.
Отметим, что в настоящее время информационная энтропия в ряде исследований трактуется шире, чем просто структурный дескриптор. В работах [12, 13] обсуждаются варианты её физико-химической интерпретации в контексте самоорганизации вещества. Кроме того, этот параметр имеет отношение к количественной оценке материальных ресурсов, необходимых для хранения информации, в том числе в задачах цифрового кодирования химических объектов [14].