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Text File | 1990-02-07 | 19.2 KB | 383 lines

- 1 - Jürgen Linz : Nomenklatur von Alkanen nach IUPAC-Norm Nomen est omen -------------- Nomenklatur von Alkanen nach IUPAC-Norm Bereitet es im allgemeinen bereits Schwierigkeiten dem eigenen Nachwuchs einen - allen gerecht werdenden - Namen zu verpassen, so verzweifelt selbst der gutmütigste Vater bei der Namensgebung in der organischen Chemie. Auch, wenn es sich nur um gesättigte Kohlenwasserstoffe handelt. Doch selbst hier steckt (Betriebs-) System dahinter. Mit ein "paar" Programmzeilen in TURBO-Pascal 5.0 geht's wie von selbst. Um bei der Unmenge chemischer Verbindungen, die bis heute entdeckt bzw. synthetisiert wurden, den Überblick zu behalten und eine vernünftige, d.h. verwechslungfreie Kommunikation der Chemiker untereinander -selbst über Sprachgrenzen hinweg- zu ermöglichen, muß eine einheitliche (genormte) Benennung (Nomenklatur) der Stoffe erfolgen. Dies gilt bereits für die anorganische Chemie mit etwa 500000 bekannten Verbindungen, insbesondere aber für die organische Chemie, die über 8 Millionen Verbindungen kennt und jährlich um etwa 500000 neusynthetisierte Stoffe bereichert wird. Der Grund für diesen enormen Verbindungsreichtum liegt in den außerordentlichen Eigenschaften des Kohlenstoffs begründet, der das dominierende Element der organischen Chemie ist. Deshalb zunächst ein kleiner ... Crash-Curs Chemie Kohlenstoff (C) steht im Periodensystem der Elemente in der IV. Hauptgruppe und besitzt demnach vier Valenzelektronen. Aus energetischen Gründen kann er diese vier Elektronen weder an seinen Bindungspartner abgeben, noch kann er von diesem vier weitere Elektronen aufnehmen, um so in die bei jeder chemischen Bindung angestrebte (weil energetisch günstige) Edelgaskonfiguration der Elektronenhülle zu gelangen. Kohlenstoff kann deshalb keine Ionenbindungen bilden, sondern muß mit seinen Bindungspartnern Atombindungen eingehen. Dabei wird die Oktettregel streng eingehalten, d.h. Kohlenstoff ist stets vierbindig/-wertig. Im Gegensatz zu seinen unmittelbaren Nachbarn im Perioden- system Bor (B), Stickstoff (N) und Silizium (Si) zeichnet sich Kohlenstoff nun aber besonders dadurch aus, daß sich C-Atome in großer Anzahl untereinander verbinden können. Sie bilden unverzweigte und verzweigte Ketten (aliphatische Struktur) und Ring(e)/-systeme (zyklische Struktur). Außer mit sich selbst können C-Atome natürlich mit Atomen anderer Elemente (Fremd-/Heteroatome) verknüpft sein. Zu den häufigsten Bindungspartnern zählen Wasserstoff (H), Sauerstoff (O), Stickstoff (N), Schwefel (S), Phosphor (P), sowie die Halogene Fluor, Chlor und Brom (F, Cl, Br). Zwischen den Atomen sind Einfach-, Doppel- und Dreifach- bindungen möglich. - 2 - Jürgen Linz : Nomenklatur von Alkanen nach IUPAC-Norm Durch diese vielfältigen Bindungsmöglichkeiten ergeben sich so unterschiedliche Substanzklassen/Verbindungen wie : - gesättigte und ungesättigte Kohlenwasserstoffe (KW's) : (Cyclo-) Alkane (Methan, Ethan, Propan, Butan), (Cyclo-) Alkene, Alkine, Enine, halogenierte KW's (Chloroform, FCKW's) - ein- und mehrwertige Alkohole (Methanol, Ethanol, Glycerin) - Aldehyde und Ketone (Formaldehyd, Aceton) - organische Säuren/Fettsäuren (Ameisensäure, Essigsäure) - Aminosäuren -> Peptide u. Proteine/Eiweiß (z.B. Enzyme) - Fette (Lipide) - Kohlenhydrate (Glucose, Lactose, Maltose, Cellulose) - Aromaten (Benzol -> Phenol, Anilin) Auch Farbstoffe, Kunstoffe/-fasern, Arzneimittel, Vitamine, Hormone und die Erbsubstanz DNA haben vornehmlich C-Atome in ihren Strukturen. What's your name ? Doch wir wollen uns auf die Kohlenwasserstoffe und bei diesen auf die gesättigten, aliphatischen KW's (Alkane) beschränken. Alkane sind -neben anderen KW's- der Hauptbestandteil des Erdöls und somit Ausgangspunkt für die Gewinnung hochwertiger Energieträger (Gas, Benzin, Öl), sowie Rohstoff der Petrochemie. Bei den Alkanen sind die C-Atome nur durch Einfachbindungen verknüpft und alle anderen möglichen Bindungen mit Wasserstoff abgesättigt. Ihre allgemeine Summenformel lautet : CnH2n+2 Bereits deren Anzahl ist unermeßlich groß, denn es gibt (theoretisch) unendlich viele unverzweigte Alkane, dazu kommen noch deren Strukturisomere, d.h. verzweigte KW's mit gleicher Anzahl an C-Atomen. So hat z.B. HEPTAN (C7H16) 9 Isomere, DECAN (C10H22) bereits 75, EICOSAN (C20H42) 366319 und TETRACONTAN (C40H82) sogar über 62 Billionen Isomere. Doch davon wollen wir uns nicht abschrecken lassen und allen möglichen Vertretern dieser Verbindungsklasse einen anständigen, d.h. eindeutigen (sogar 1-1-deutigen) Namen zuteilen. Und der setzt sich wie im richtigen Leben aus "Vor-" und "Nachnamen" zusammen und ist noch dazu genormt. Denn die "International Union of Pure and Applied Chemistry" (IUPAC) hat einige Regeln erlassen, wie er zu bilden ist (sogenannte Genfer Nomenklatur). Zunächst ist die Hauptkette (HK) des Moleküls zu bestimmen. Dabei geht man von folgenden Kriterien aus : Hauptkette ist, die (1) längste Kette (größte Zahl an C-Atomen) (2) Kette mit den meisten Nebenketten (NK) (3) Kette mit den niedrigsten Positionsziffern für die NK (4) Kette mit den meisten C-Atomen in den NK (5) Kette mit mehr C-Atomen in der betrachteten NK beim Vergleich der nach der Größe geordneten NK (6) Kette mit möglichst gering verzweigten Nebenketten - 3 - Jürgen Linz : Nomenklatur von Alkanen nach IUPAC-Norm Gibt es nach Anwendung eines Kriteriums noch eine Wahl- möglichkeit, so wird das folgende Kriterium angewandt. Ergibt sich auch durch das letzte Kriterium keine endgültige Entscheidung, so sind die zur Wahl stehenden Möglichkeiten gleichwertig und es ergäbe sich für sie der gleiche Name. Aus der Zahl der C-Atome der Hauptkette ergibt sich der "Nachname" des Alkans, zu dem sich noch das Suffix 'AN' als Kennzeichen dafür, daß es sich um ein Alkan handelt, gesellt. Die ersten vier Alkane besitzen jedoch Trivialnamen : METHAN, ETHAN, PROPAN, BUTAN Ab dem fünften Alkan wird der Name aus dem entsprechenden lateinischen bzw. griechischen Zahlwort gebildet : PENTAN, HEXAN, HEPTAN, OCTAN, NONAN, DECAN usw. Bei unverzweigten Ketten ist dies bereits der endgültige Name des Moleküls. Besitzt das Molekül jedoch Nebenketten, also Verzweigungen, so muß auch noch der "Vorname" gefunden werden. Dazu muß für jede Nebenkette äquivalent zur Hauptkette vor- gegangen werden, d.h. aus der Länge der Nebenkette ergibt sich deren Name, der jedoch mit 'YL' endet. Für den endgültigen Namen spielt neben der Länge auch die Position der Nebenketten eine entscheidende Rolle. Dabei numeriert man die Hauptkette so, daß sich für die Nebenketten kleinstmögliche Positionsziffern ergeben. Ergeben sich von beiden Seiten der Hauptkette aus gleiche Positionsziffern, so erhält die im Namen zuerst auftretende Nebenkette die niedrigste Positionsziffer. Positionnummern und Namen der Nebenketten werden vor den Namen der Hauptkette gesetzt. Zur weiteren Vereinfachung werden identische Nebenketten zusammengefasst, und zwar mit durch Komma getrennten Positionsziffern und den vervielfachenden Affixen DI, TRI, TETRA, ... für die Anzahl der identischen Nebenketten. Zusätzlich werden die Nebenketten alphabetisch geordnet (jedoch ohne Berücksichtigung der Präfixe). Sind auch die Nebenketten verzweigt, so werden diese wie beschrieben benannt, jedoch geklammert hinter ihrer Positionsziffer in den Namen aufgenommen. Die Nebenketten selbst werden so numeriert, daß sie mit ihrer Position 1 an die übergeordnete Kette geknüpft sind. Treten identische Nebenketten auf, die ihrerseits identisch verzweigt sind (identisch weitersubstituierte identische Substituenten), so erhalten sie bei der Vereinfachung des Namens die Multiplikativ-Präfixe BIS, TRIS, TETRAKIS, ... . Repräsentationspflicht Zur Darstellung eines Alkanmoleküls im Rechner wurde die Datenstruktur des Baumes gewählt, da diese die natürliche Hierarchie des Moleküls (Hauptkette mit abzweigenden Nebenketten, die selbst wiederum Nebenketten besitzen können) exakt wiedergibt; sie ist isomorph. Dabei stellt die Hauptkette des Alkans die Wurzel eines t-ären geordneten Baumes dar, d.h. jeder Knoten des Baumes (= Kette des Alkans) hat höchstens t Nachfolger/Söhne (= Nebenketten) in festgelegter Reihenfolge K1 .. Kt. Die Reihenfolge der Nachfolger ergibt sich aus der Position, an der sie von der übergeordnete Kette abzweigen. - 4 - Jürgen Linz : Nomenklatur von Alkanen nach IUPAC-Norm Eine C-Kette der Länge n kann nun höchstens 2*(n-1) Nebenketten haben, da ja - mit Ausnahme des Atoms am Kettenende - von jedem Atom der Kette zwei Nebenketten abgehen können. Die Hauptkette macht hier insofern eine Ausnahme, als daß sie ja zwei Kettenenden besitzt, also nur 2*(n-2) Nebenketten abzweigen können. Die maximale Zahl der Nebenketten einer Kette und damit die Anzahl der Sohnzeiger ist also abhängig von der Länge der Kette, was bei der Codierung der Datenstruktur in einer realen Programmiersprache zum Problem wird, da hier bei der Typverein- barung die Zahl der Zeiger ja bereits feststehen muß. Jeder t-äre Baum läßt sich jedoch durch einen binären Baum repräsentieren, indem der Sohn mit der niedrigsten Positionsziffer über den Zeiger auf den linken Nachfolger (Sohn) an den Vater, die weiteren Söhne als rechte Nachfolger (Brüder) an diesen Sohn angehängt werden. In der realen Implementierung wurde der Baum als doppelt verkettete RECORD-Struktur realisiert, d.h zusätzlich zu den Zeigern auf Sohn und rechten Bruder existieren Zeiger auf Vater und linken Bruder. Neben Angaben über Position und Länge (für Regeln 1 + 3) sind für jede Kette zusätzliche Informationen für die weiteren Kriterien notwendig. Jeder Baumknoten (RECORD-Element) enthält somit folgende Daten : - posit , laenge , niveau - anso (Anzahl Söhne/NK) - anlibr/anrebr (Anzahl linke/rechte Brüder) - sumpos/revpos (Summe der Posziffern der Söhne) - sumanca (Summe der C-Atome in Nebenketten) - anca (geordnete Liste der Atomanzahl in NK) - komplex (Verzweigungsgrad der NK) - atome (Koordinaten der Kettenatome) - vater, sohn, libr, rebr (Zeiger) Generationenkonflikt Bei Programmstart existiert nur die Wurzel des Baumes (Hauptkette) mit der willkürlich gewählten Positions- ziffer 0 und der Länge 1 (METHAN / ein C-Atom ist vorgegeben). Fügt/löscht man nun bei der Eingabe der Strukturgerüst-Formel C-Atome (an), so ergeben sich -abhängig davon, ob man am Kettenende oder innerhalb der Kette anhängt/löscht- zwei mögliche Situationen : - eine bestehende Kette wird verlängert/verkürzt - eine Nebenkette (Baumknoten) wird eingefügt/gelöscht Nach jedem Anhängen bzw. Löschen eines C-Atoms muß nun entsprechend den aufgeführten Regeln geprüft werden, ob sich die "Verwandschaftsverhältnisse" innerhalb des Baums geändert haben. Dazu muß jeweils die betreffende Kette mit ihren Vätern bzw. Söhnen verglichen werden. Die Vaterkette wird bei diesem Vergleich versuchsweise vom Kettenanfang her in die Sohnkette "hineingebogen". Sowohl für Vater als auch für den Sohn müssen dazu die sich neu ergebenden Werte für Position, Länge, Niveau etc. errechnet und verglichen werden. - 5 - Jürgen Linz : Nomenklatur von Alkanen nach IUPAC-Norm Sollte ein Sohn bei diesem Vergleich nun "besser" abschneiden als sein ehemaliger Vater, so wird er selbst zum Vater und der Vater wird zum Sohn. Auch für die übrige Baumstruktur ergeben sich dadurch Konsequenzen. Linke Brüder des alten Sohnes, also Brüder mit niedrigeren Positionsziffern als er selbst, werden zu Söhnen des neuen Vaters (ehemaliger Sohn), rechte Brüder bleiben Söhne des alten Vaters (neuer Sohn), ausgenommen solche mit gleicher Positionsziffer wie der ehemalige Sohn, diese werden Söhne des neuen Vaters. Betrachtet man die Hauptkette, so läßt sich diese auch vom Kettenende her in eine Nebenkette "hineinbiegen", dabei ergeben sich im Vergleich zum oben beschriebenen "Normalfall" für die linken/rechten Brüder die genau umgekehrten Strukturveränderungen. Um bei Errechnung der neuen Kettendaten für Vater und Sohn, sowie für eventuell notwendige Strukturänderungen im Baum keine Sonderfallbehandlung bei der Hauptkette vorsehen zu müssen, wird die Hauptkette beim Vergleich zunächst vom Kettenanfang in die Nebenkette gebogen, dann umgedreht, d.h. vom Kettenende her beginnend durchnumeriert (wobei sich natürlich die Positionen und die Reihenfolge der Söhne ändert), und erneut vom Anfang in die Seitenkette gebogen. Der Vergleich mit den Söhnen beginnt dabei immer beim Sohn mit höchster Positionsziffer, damit bei notwendigen Strukturänderungen des Baumes und dem damit verbundenen Verbiegen der Zeiger (Vater wird Sohn etc.) die Vergleiche mit weiteren Söhnen nicht verschluckt werden können. Rechte Söhne sind damit bei Änderungen immer schon verglichen, linke Söhne bleiben auch beim neuen Vater an ihrem Platz. In einem ARRAY akt_atom speichert das Programm zusätzlich für jedes C-Atom (Feldindizes entsprechen Bildschirmkoordinaten/2), in welcher Kette es enthalten ist (akt_atom^.in_kette), sowie in welche Richtungen Bindungen zu weiteren C-Atomen führen. Dadurch werden Zyklen bzw. Lücken im Molekül verhindert. Die Bindungen sind dabei folgendermaßen in den unteren vier Bit einer INTEGER-Zahl (akt_atom^.bind) verschlüsselt : Bit : 3 2 1 0 Bindung nach : oben rechts unten links dx : 0 +1 0 -1 dy : -1 0 +1 0 Die Richtung bestimmt dabei das "alte" Atom (ax,ay), von dem die Bindung zum neuen Atom (nx,ny) ausgeht. ((nx,ny) = aktuelle Cursor-Koordinaten (x,y) + (dx,dy)) Beim neuen C-Atom muß dann jeweils das Bit der entgegengesetzten Richtung gesetzt werden. Das Setzen selbst erfolgt durch AND-Verknüpfung der bisherigen INTEGER-Zahl mit (1 SHL bit), wobei sich bit aus dx/dy nach folgenden Formeln berechnet : ABS((1 + dx) - 2 * dy) für "altes" C-Atom ABS((1 - dx) + 2 * dy) für "neues" C-Atom Löschen erfolgt durch AND-Verknüpfung mit negiertem (1 SHL bit), wobei bit = ABS((1 - dx) + 2* dy) ist. Für das gelöschte Atom wird akt_atom^.bind natürlich gleich Null. - 6 - Jürgen Linz : Nomenklatur von Alkanen nach IUPAC-Norm Umgekehrt enthält jeder Baumknoten die Koordinaten aller seiner C-Atome. Dies ist notwendig um bei Strukturänderungen des Baumes nach Vater-Sohn-Vergleichen, bei denen sich ja die Ketten- zugehörigkeit der C-Atome ändern kann, diese wieder den richtigen Ketten zuordnen zu können. REMarks In der Prozedur "wertigkeit" wird genaugenommen nicht die Wertigkeit des C-Atoms ermittelt (C-Atome sind immer vierwertig), sondern mit wievielen weiteren C-Atomen Bindungen geknüpft sind, also, ob es sich um ein primäres, sekundäres, tertiäres oder quartäres C-Atom handelt. Zur Ermittlung des Namens wird der Baum in symmetrischer Ordnung (inorder) traversiert; der entsprechende Algorithmus ist rekursiv formuliert. Die Prozeduren "alphsort" und "namen_verkuerzen" sind zweistufig rekursiv : Beide rufen zur Ermittlung des nächsten Namensteils die Prozedur "namteil_finden" auf, die wiederum (bei geklammerten Namensteilen) "alphsort"/"namen_verkuerzen" aufruft, wodurch auch Namensteile in Klammer alphabetisch sortiert/verkürzt werden. Durch die Verwendung von STRINGs wurde die Anzahl der C-Atome pro Kette auf 63 (pro Atom 4 Zeichen), die Länge des Namens auf 255 Zeichen, und damit die Anzahl der Nebenketten auf 20 beschränkt. Jedoch stellt ja bereits die Größe des Bildschirms eine "natürliche" Grenze für die Ausdehnung des Alkanmoleküls dar; demnach sollte diese Einschränkung nicht besonders ins Gewicht fallen. Das Programm wurde auf einem No-name PC-AT (AMI-Bios) mit 512 KB RAM unter MS-DOS 3.30 in TURBO-Pascal 5.0 entwickelt. Der Source-Code benötigt 47 KB, das EXE-File 32 KB. Bei der Compilation sollten folgende Werte im Menue Options/ Compiler gesetzt werden : Low heap limit/High heap limit : 10590 Byte (353 Byte/Kette) Stack-Size : 65520 Byte Alle Compilerdirektiven : OFF Es wurden im wesentlichen nur Standard-Pascal Befehle verwendet, so erfolgt die Bildschirmausgabe über WRITELN-Anweisung auf den normalen Textbildschirm (80 * 25). Aus der UNIT CRT wurden nur die Befehle GOTOXY, CLREOL, CLRSCR, DELAY, READKEY und TEXTBACKGROUND/TEXTCOLOR verwendet. Literatur D. Hellwinkel Die systematische Nomenklatur der organischen Chemie Springer Verlag, Berlin/Heidelberg/New York, 1974 E. Denert, R. Franck Datenstrukturen BI-Wissenschaftsverlag, Zürich 1977 (Reihe Informatik Bd. 22)