پایان نامه ايجاد يک مدل مناسب88ص QSPR برای پيش بينی دمای انتقال شيشه ای (Tg ) كارشناسي ارشد شيمي تجزيه دسته ی وسيع-GA0TF6GZ

چكيده پايان نامه

نام خانوادگي دانشجو: افروزي                              نام: علي

عنوان پايان نامه : ايجاد يک مدل مناسب QSPR برای پيش بينی دمای انتقال شيشه ای (Tg ) دسته ی وسيعی از پليمرهاي پلي اتيلني

استاد راهنما: دكتر ولي زارع شاه آبادي                               استاد مشاور: دكتر رضا حاجيان

درجه تحصيلي: كارشناسي ارشد             رشته: شيمي        گرايش: شيمي تجزيه

محل تحصيل: دانشگاه آزاد اسلامي واحد گچساران                دانشكده: علوم

تاريخ فارغ التحصيلي:                                                   تعداد صفحه: 

واژه هاي كليدي: ارتباط كمي ساختار- خاصيت ، دماي انتقال شيشه اي ، پليمرهاي پلي اتيلني

چكيده :

هدف از این پژوهش ایجاد یک مدل مناسب QSPR برای پیش بینی دمای انتقال شیشه ای (Tg ) دسته ی وسیعی از پلیمرها می باشد. QSPR دانش جديدي است كه امكان دستيابي به داده هاي مورد نظر را با صرف حداقل وقت و هزينه فراهم مي آورد. QSPR در لغت به معني برقراري ارتباط كمي بين ساختار و خاصيت مولكول مي باشد.

در واقع با استفاده از آنچه كه قبلاً به صورت تجربي انجام شده است اين ارتباط برقرار مي شود و از آن براي پيش بيني خاصيت تركيبات جديد استفاده مي گردد. زماني كه نمونه هاي استاندارد از لحاظ فعاليت در دسترس نباشند ، آزمايش ها وقت گير و پيچيده بوده يا هزينه كار بالا باشد ، QSPR روش مناسبي براي حل مشكل خواهد بود. تركيبات مورد استفاده در اين پژوهش همگي از خانواده پليمره هاي پلي اتيلني هستند. پلی اتيلن يكی از ساده ترين و ارزان ترين پليمرها و پر مصرف ترين ماده پلاستيكی در جهان است. اين ماده از پليمريزاسيون اتيلن به دست می آيد و به طور خلاصه به صورت PE نشان داده می شود. در اين روش براي ايجاد مدل مناسب ازQSPR دسته ي از تركيبات پليمري شامل88 پليمر پلي اتيلن را بعنوان سري داده ها انتخاب و ساختار مولكولي آنها بوسيله نرم افزار HYPERCHEM به روش AM1   اپتيمايز و با نرم افزار DRAGON بهترين توصيف كننده ها را انتخاب كرده و با دو تكنيك MLR  و PCR مدلسازي و مناسبترين مدل را انتخاب مي كنيم. نتايج بدست آمده برتري مدل بدست آمده با روش MLR (R2cal = 0.8733  و R2per = 0.7575). نسبت به مدلهاي بدست آمده با روش PCR (R2cal = 0.5587  و   0.6092 R2per =). را نشان مي دهد.

مقدمه اي بر روشهاي كمومتريكس،پارامتري و PCR

1-1- مقدمه

امروزه به كارگيري روش هايي كه دستيابي ارزان و سريع به اطلاعات را فراهم مي آورد، بسيار مورد توجه است. شيمي نيز با توجه به گستردگي فراوان و وجود مسائل پيچيده و حل نشده بسيار به كارگيري چنين روش هايي را طلب مي كند. استفاده از علوم رياضي، آمار و رايانه در شاخه هاي مختلف علمي عرصه هايي جديد را ايجاد نموده كه از جمله مي توان به علومي همچون بيومتريك، آمار دارويي و كمومتريكس كه حاصل تلفيق آن سه با زيست شناسي، داروسازي و شيمي مي باشند، اشاره نمود ]2-1[. با وجود آنكه كمتر از 40 سال از پيدايش علم كمومتريكس مي گذرد، امروزه اين شاخه به يك علم پويا مبدل گشته، علمي كه در هر زمينه اي تحولات چشمگيري را به دنبال داشته است. در اين بخش از پژوهش سعي شده است تا اطلاعات اوليه اي از اصول كمومتريكس ، ارتباط كمي ساختار- خاصيت ، دماي انتقال شيشه اي(Tg) و تركيبات مورد استفاده در اختيار قرار گيرد.

1-1-1-كمومتريكس 

كمومتريكس يك نظم شيميايي است كه با هدف تهيه حداكثر اطلاعات از داده هاي شيميايي به وجود آمده است. كاربرد عملي رياضي، آمار و كامپيوتر در شيمي را كمومتريكس يا شيمي سنجي گويند. در واقع چنين تلفيقي با دو هدف عمده صورت مي پذيرد كه عبارتند از :

1- بهبود بخشيدن به فرايندهاي اندازه گيري شيميايي

2- استخراج اطلاعات شيميايي مفيدتر از داده هاي فيزيكي و شيميايي اندازه گيري شده

      پيدايش اين زمينه علمي كه يكي از شاخه هاي شيمي به حساب مي آيد ، به سال 1969 بر مي گردد ، زماني كه جرس  ، كوالسكي  و آيزنور  مقالاتي را در زمينه كاربرد ماشين يادگيري جهت طبقه بندي طيف جرمي با تفكيك پايين منتشر كردند ]5-3[. در سال 1972 ولد  سوئدي معناي واقعي كمومتريكس را مطرح نمود و طي همكاري وي با كوالسكي آمريكايي كه روي روش هاي الگوشناسي كار مي كرد، انجمن بين المللي كمومتريكس در سال 1974 تأسيس گرديد ]6[. تعريف اين انجمن از كمومتريكس به اين صورت مي باشد : « كمومتريكس مجموعه اي از قواعد شيميايي است كه از روش هاي رياضي و آمار جهت طراحي يا انتخاب يك روش مناسب براي آزمايش و يا براي حصول حداكثر اطلاعات شيميايي از داده هاي حاصل از يك فرايند شيميايي استفاده مي كند ]7[» . با ظهور رايانه ، ريزپردازنده ها و بسته هاي نرم افزاري ، كمومتريكس به يك علم توانمند در انجام بسياري از فعاليت هاي شيميايي تبديل شد ]1[. با توجه به پيشرفت و افزايش دستگاه هاي شيميايي و در نتيجه ي آن پيدايش انبوهي از داده ها ، پردازش و استخراج اطلاعات از اين داده ها كاري وقت گير و طاقت فرسا مي نمود كه كمومتريكس با ويژگي هاي خاص خود جهت انجام اين كار ، بيش از پيش مورد توجه و علاقه محققين واقع شد. به طوري كه امروزه در زمينه هاي مختلفي همچون مطالعات QSAR/QSPR ، مدل سازي و پيش بيني رفتارهاي كيفي ، كنترل فعاليت ها و ... به كار مي رود.

1-1-2- بررسي كمي ارتباط بين ساختار و خاصيت (QSPR) 

       آگاهي از ساختار مولكولي كليد فهم عملكرد مولكولهاست و اين به دليل ارتباطي است كه بين ساختار و ويژگي هاي يك تركيب وجود دارد و خواص ماكروسكوپي و ميكروسكوپي آن را به هم مرتبط مي كند. انجام بسياري از كارهاي آزمايشگاهي نيازمند صرف وقت و هزينه ي بسيار مي باشد. QSPR دانش جديدي است كه امكان دستيابي به داده هاي مورد نظر را با صرف حداقل وقت و هزينه فراهم مي آورد. QSPR در لغت به معني برقراري ارتباط كمي بين ساختار وخاصيت مولكول مي باشد.

     در واقع با استفاده از آنچه كه قبلاً به صورت تجربي انجام شده است اين ارتباط برقرار مي شود و سپس از آن براي پيش بيني فعاليت تركيبات جديد استفاده مي گردد. زماني كه نمونه هاي استاندارد از لحاظ فعاليت در دسترس نباشند ، آزمايش ها وقت گير و پيچيده بوده يا هزينه كار بالا باشد ، QSPR روش مناسبي براي حل مشكل خواهد بود. اولين بار QSPR توسط هانش  و فوجيتا  در سال 1960 مطرح گرديد. اين دانشمندان از روش هاي رياضي براي برقراري چنين ارتباطي استفاده گردند. روش رياضي كه به اين منظور به كار گرفته شد روش رگرسيون خطي چندگانه  (MLR) بود. اين روش قادر به بررسي ارتباط خطي موجود بين ساختار- فعاليت و يا ساختار- خاصيت مي باشد. امروزه از روشي ديگر كه برگرفته از مقالات QSAR است براي بررسي ارتباط كمي بين ساختار و خصوصيات استفاده مي شود و با نام اختصاري QSPR  شناخته مي شود. امروزه با بكار بردن اصول QSAR/QSPR در زمينه هاي مختلف علمي مقاله هاي متعددي ارائه شده است ]20-9[.

1-2- دماي انتقال شيشه اي (Tg) 

دماي انتقال شيشه اي(Tg) كه به نام  «دماي ناپايدار شدن شيشه لاستيكي» نيز شناخته مي شود، يك عامل مهم است كه با پيش بيني آن مي توان در مورد كاربرد پليمرها نظر داد. اين دما (Tg) يك نقطه مشخصي ندارد و بدست آوردن آن خيلي سخت تر از بدست آوردن نقطه ذوب و جوش مواد است زيرا ناپايدار شدن به طور نسبي در بازه ي بزرگي از دما صورت مي گيرد. به همين دليل اين دما به روش وطول زمان انجام آزمايش بستگي دارد. در اين پژوهش با استفاده ازدو روش MLR و PCR دماي انتقال شيشه اي دسته اي از پليمرها پيش بيني و مقايسه شده است. 

1-3- پليمرهاي پلي اتيلني

تركيبات مورد استفاده در اين پژوهش همگي از خانواده پليمرهاي پلي اتيلني هستند. پلی اتيلن يكی از ساده ترين و ارزان ترين پليمرها و پر مصرف ترين ماده پلاستيكی در جهان است. اين ماده از پليمريزاسيون اتيلن به دست می آيد و به طور خلاصه به صورت PE نشان داده می شود. نام آيوپاك مونومر آن، برخلاف آنچه كه در گذشته اتيلن ذكر شده، اتن می باشد. بنابراين نام آيوپاك اين پليمر، پلی اتن خواهد بود. البته اين نام هرگز توسط شيميدان ها به كار نمی رود و اين پليمر به نام متداول خود يعنی پلی اتيلن ناميده می شود.

مولكول اتيلن دارای يك پيوند دوگانه C=C است. در فرآيند پليمريزاسيون، پيوند دوگانه هر يك از مونومرها شكسته شده و به جای آن يك پيوند ساده بين اتم های كربن ايجاد و درشت مولكولn حاصل ميشود .پلی اتيلن معمولاً تحت نام های تجاری آلاتون ، هستالن ، مارلكس ، پتروتن ، ترولن ، هيپالن ، لوپولن و آلكاتن به بازارهای دنيا عرضه می شود. 

شكل (1-1): شكل پلي اتيلن

1-4- روش‌هاي پارامتري

روشهاي پارامتري، مجموعه تكنيكهايي است كه براي مدل سازي و پيش بيني خاصيت ملكولي مورد استفاده قرار مي گيرند. با استفاده از اين روش ها مي توان ارتباط منطقي بين خاصيت موردنظر با تعدادي از توصيف كننده هاي ملكولـي برقرار نمود. توصيف كننده هاي ملكولي، متغيرهاي مستقلي هستند كه ويژگي هاي ملكول را به طور كمي بيان مي كنند.  معمولاًً از  روش  رگرسيون  خطي چندگانه جهت ايجاد اين روابط استفاده مي شود. 

      وجود مشكلات و خطرات همراه با اندازه‌گيريهاي شيميايي، همچون عدم امكان دستيابي به برخي مواد شيميايي، سميت برخي از اين مواد، گران بودن آنها، احتمال ايجاد خطا و... موجب شده است تا امروز محاسبة تئوري برخي از ويژگي‌هاي مولكولي با استفاده از روشهاي محاسباتي و يا پارامتري مورد استقبال زيادي واقع شود. در روشهاي پارامتري بين توصيف كننده‌ها و رفتار مورد نظر ارتباط برقرار مي‌گردد(توصيف كننده‌ها مقادير عددي هستند كه هر يك از آنها بيانگر بخشي از ويژگي‌هاي مولكول مي‌باشند، و منظور از رفتار مي‌تواند فعاليت بيولوژيكي، حلاليت، انديس بازداري، ثابت نفوذپذيري و .. باشد). در اين ارتباط توصيف كننده‌ها به عنوان  متغيرهاي مستقل و رفتار مورد نظر به عنوان پارامتر وابسته در نظر گرفته مي‌شوند. سپس با استفاده از روش رگرسيون خطي چندگانه معادلات خطي كه ارتباط دهندة ساختمان مولكول با فعاليت بيولوژيكي مي‌باشند ايجاد مي‌گردد. 

فرم كلي اين معادلات به صورت زير مي‌باشد: 

(1-1)                                  Y=a0+a1x1+a2x2+…+aixi

در اين معادله Y متغير وابسته يا كميت مورد مدلسازي است، xi متغير مستقل يا توصيف كننده‌ها و ai مقدار ضريب رگرسيون و a0 عرض از مبدأ يا مقدار ثابت را در مدل به دست آمده نشان مي‌دهد.