Химия

Теория химической связи, теория хемографов и анализ сверхбольших данных из области хемоинформатики

Химическая связь — явление взаимодействия атомов, обусловленное перекрыванием электронных облаков связывающихся частиц и сопровождающееся уменьшением полной энергии системы. Для описания электронных облаков атомов и молекул в квантовой физике используется т.н. волновая функция — комплекснозначная функция,  описывающая вероятность обнаружения объекта (в данном случае, электрона) в заданной точке в заданный момент времени. Взаимодействия волновых функций частиц в современных физике и химии описываются основным уравнением квантовой механики – уравнением Шрёдингера.

Вычисления геометрических конфигураций (конформаций) и других свойств молекул по уравнению Шрёдингера чрезвычайно затруднительны, когда необходимо анализировать сверхбольшие данные современной хемоинформатики (сотни миллионов молекул, миллионы активностей молекул). Однако, анализ решений уравнения (II) для различных элементов периодической системы элементов Д.И. Менделеева атомарных систем позволил установить, что волновые функции (орбитали) атомов бывают четырёх основных типов: s-орбитали (сферические), p-орбитали (8-образные), d-орбитали и f-орбитали. Гибридными орбиталями отдельных атомов называются линейные комбинации орбиталей различных типов, подставляемые в уравнение (II). Понятие гибридизации данного атома (т.е. конкретного вида терма для гибридной орбитали атома) принципиально важно для описания конформаций молекул/кристаллов и позволило разработать теорию анализа хемографов (т.е. конечных размеченных графов без петель с кликовым числом не более 3).

Методы теории анализа хемографов успешно применяются в хемоинформатике при работе со сверхбольшими данными для  прогнозирования фармакологических свойств молекул-лигандов на основе их молекулярных структур, прогнозирования эффектов молекул-лигандов на транскриптом и протеом  человека и др. Перспективным направлением приложения теории хемографов также является прогнозирование свойств неорганических кристаллов (в частности, свойств сверхпроводимости).