Определение структуры полихлорированных бифенилов (ПХБ) и публикация через EntityStore: Новое в системе Wolfram Language 11

Определение структуры полихлорированных бифенилов (ПХБ) и публикация через EntityStore

Полихлорированный бифенил (ПХБ) представляет собой органическое соединение с химической формулой . В прошлом ПХБ имели ряд промышленных применений, в том числе, использовались в электрических трансформатарах. В данном примере, мы проиллюстрируем генерацию и хранение формул всех возможных полихлорированных бифенилов (ПХБ) в качестве объектов пользователя.

Данные о химических соединениях ChemicalData уже содержат информацию о ПХБ, часто под названием "дифенил" или "бифенил".

In[1]:=

Entity["Chemical", "Biphenyl"]["ColorStructureDiagram"]

Out[1]=

ChemicalData также содержит соединения молекулы ПХБ.

In[2]:=

Entity["Chemical", "PCB"][
 EntityProperty["Chemical", "ColorStructureDiagram"]]

Out[2]=

Общая структура ПХБ включает в себя 10 сторон, обозначенных ниже крестиками. Для того, чтобы получить все возможные моно- дека-хлорированные производные (соединения), хлор-заместители присоединяются к молекуле ПХБ различными способами. Общая структура молекулы в формате "MOL" загружается из заранее созданного объекта файловой системы CloudObject.

In[3]:=

molString = CloudGet[CloudObject[
     "https://www.wolframcloud.com/objects/user-722de5bb-ef39-4cbd-\
999d-546c888892d6/PCB_scaffold"]][[2]];

In[4]:=

ImportString[molString, "MOL"]

Out[4]=

С учетом базовой теории групп мы можем перечислить все структуры ПХБ. Существенным свойством данной структуры будет симметрия, служащая в качестве основы для молекулярных соединений.

In[5]:=

biphenylSymmetry = 
  PermutationGroup[{Cycles[{{6, 10}, {7, 9}}], 
    Cycles[{{1, 5}, {2, 4}}], 
    Cycles[{{1, 6}, {2, 7}, {3, 8}, {4, 9}, {5, 10}}]}];

Сформируем цикличный индекс для многочлена на основе теоремы Полна и будем варьировать коэффициенты данного индекса, чтобы получить 210 возможных соединений (включая незамещенную углеводородную структуру, которая не является ПБХ из-за отсутствия хлора).

In[6]:=

ci = Factor[
  CycleIndexPolynomial[biphenylSymmetry, Array[Subscript[x, #] &, 4]]]

Out[6]=

In[7]:=

Total[CoefficientList[Expand[ci /. Subscript[x, i_] -> (x^i + 1)], x]]

Out[7]=

Далее, генерируем 209 наименования полученных соединений в соответствии со стандартами организации IUPAC (Международный союз теоретической и прикладной химии).

In[8]:=

conPos = Flatten[(PositionIndex /@ 
        First /@ 
         GroupOrbits[biphenylSymmetry, Permutations[#], 
          Permute]) & /@ (LowerTriangularize[
        ConstantArray["Cl", {10, 10}]] /. 0 -> "H")] /. 
   Thread[Range[10] -> {"2", "3", "4", "5", "6", "2'", "3'", "4'", 
      "5'", "6'"}];

In[9]:=

(names = Flatten[{StringJoin[Riffle[Sort[#["Cl"]], ","]] <> 
         "-" <> (Length[#["Cl"]] /. 
           Thread[Range[10] -> {"Chloro", "Dichloro", "Trichloro", 
              "Tetrachloro", "Pentachloro", "Hexachloro", 
              "Heptachloro", "Octachloro", "Nonachloro", 
              "Decachloro"}]) <> "biphenyl"} & /@ conPos] /. 
    "2,2',3,3',4,4',5,5',6,6'-Decachlorobiphenyl" -> 
     "Decachlorobiphenyl") // Short

Out[9]//Short=

Аналогичным образом генерируем все возможные структуры соединений.

In[10]:=

PCBstruct = 
  ImportString[
     StringReplacePart[molString, #, StringPosition[molString, "X"]], 
     "MOL"] & /@ 
   Flatten[(First /@ 
        GroupOrbits[biphenylSymmetry, Permutations[#], 
         Permute]) & /@ (LowerTriangularize[
        ConstantArray["Cl", {10, 10}]] /. 0 -> "H"), 1];

In[11]:=

TextGrid[Transpose[{names, PCBstruct}] // Take[#, 2] &, 
 Dividers -> All]

Out[11]=

Для того, чтобы включить в наши данные более подробные свойства полученных соединений, импортируем данныe o ПХБ из уже существующего объектa облачной файловой системы, CloudObject.

In[12]:=

imp = CloudGet[CloudObject[
    "https://www.wolframcloud.com/objects/user-722de5bb-ef39-4cbd-\
999d-546c888892d6/PCB_congeners_propertylist"]];

In[13]:=

TextGrid[Take[imp, 5], Background -> {Automatic, {LightBlue}}, 
 Dividers -> All]

Out[13]=

Объединим импортированные данные с ранее вычисленными структурами и названиями.

In[14]:=

TextGrid[(PCBdata = 
    SortBy[MapThread[
      Flatten[{#1, 
         Pick[imp[[3 ;;]], imp[[3 ;;, 1]], #2]}] &, {PCBstruct, 
       names}], #[[3]] &]) // Take[#, 2] &, Dividers -> All]

Out[14]=

Сохраним информацию о полученных структурах ПХБ в качестве информационного объекта "entity store" (букв. хранилище сущностей).

код на языке Wolfram Language целиком

In[15]:=

entities = Association @@ Map["PCB" <> ToString[#[[3]]] ->
      <|
       "ColorStructureDiagram" -> #[[1]],
       "IUPACName" -> #[[2]],
       "CASNumber" -> #[[4]],
       "BZNumber" -> #[[3]],
       "PCBDescriptors" -> #[[5]],
       "Label" -> "PCB-BZ#" <> ToString[#[[3]]]
       |> &, PCBdata];

In[16]:=

properties = <|
   
   "ColorStructureDiagram" -> <|"Label" -> "structure diagram"|>,
   "IUPACName" -> <|"Label" -> "IUPAC name"|>,
   "CASNumber" -> <|"Label" -> "CAS number"|>,
   "BZNumber" -> <|"Label" -> "Ballschmiter-Zell number"|>,
   "PCBDescriptors" -> <|"Label" -> "congener shorthand notation"|>,
   "Toxicity" -> <|
     
     "DefaultFunction" -> 
      Function[e, 
       If[StringCount[e["PCBDescriptors"], ","] == 3, "highly toxic", 
        "toxic"]],
     "Label" -> "dioxin-like toxicity"
     |>,
   "NumberOfChlorineSubstituents" -> <|
     "DefaultFunction" -> 
      Function[e, 
       If[e["IUPACName"] == "Decachlorobiphenyl", 10, 
        StringCount[e["IUPACName"], NumberString]]], 
     "Label" -> "number of chlorine substituents"
     |>
   |>;

In[17]:=

classes = <|
   
   "CoplanarPCB" -> <|
     "Entities" -> {"IUPACName" -> (StringFreeQ[
          "2" | "2'" | "6" | "6'" | "Deca"])}, 
     "Label" -> "Coplanar or non-ortho PCBs"
     |>,
   "NoncoplanarPCB" -> <|
     "Entities" -> {"IUPACName" -> 
        StringContainsQ["2" | "2'" | "6" | "6'"]}, 
     "Label" -> "Noncoplanar PCBs"
     |>
   |>;

In[18]:=

store = EntityStore[
  "PCB" -> <|
    "Label" -> "polychlorinated biphenyl",
    "LabelPlural" -> "polychlorinated biphenyls",
    "Entities" -> entities,
    "Properties" -> properties,
    "EntityClasses" -> classes
    |>]

Out[18]=

Зарегистрируем информацию, подготовленную в данной рабочей сессии.

In[19]:=

PrependTo[$EntityStores, store];

Протестируем, доступна ли сохраненная информация для дальнейшего использования.

In[20]:=

EntityValue[RandomEntity["PCB"], "PropertyAssociation"]

Out[20]=

Для того, чтобы все пользовательские информационные объекты были доступны к использованию в дальнейшем (например, для общественных приложений), их необходимо сохранить в качестве объекта облачной системы файлов, CloudObject.

In[21]:=