JP2005345313A - 沸点推算装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 適用範囲が広く、しかも異性体が存在する化学物質であってもそれぞれの沸点を精度よく推算し得る沸点推算装置を提供する。
【解決手段】 入力層１１と中間層１２と出力層１３とからなるニューラルネットワークＫを備えた沸点推算装置１であって、前記入力層１１が、沸点の推算がなされる分子の分子量が入力される複数の処理ユニットＩと、芳香環に結合している原子団に関する情報が入力される所要数の処理ユニットＩと、芳香環の数が入力される処理ユニットＩと、異性体に関する情報が入力される所要数の処理ユニットＩとを有してなるものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は沸点推算装置に関する。さらに詳しくは、異性体が存在する化学物質であってもそれぞれの沸点を精度よく推算し得る沸点推算装置に関する。
従来より、化学物質の沸点の推算にはジョバック（Ｊｏｂａｃｋ）法による推算式が用いられている。
しかしながら、図５８に示すように、このジョバック法の推算式においては、たかだか４０種類の原子団を用いて化学物質の沸点を推算しているため、異なる化学物質に対しても入力データが同一となり、その結果実際の沸点が異なるにもかかわらず、同一の沸点を与えてしまうことになるという不都合がある。例えば、オルト、メタ、パラの異性体が存在するDihydroxybenzene(ジハイドロキシベンゼン)分子の沸点は、オルト体が５１８．２Ｋ、メタ体が５５０．０Ｋ、パラ体が５５８．２Ｋであることが知られているが、ジョバック法の推算式によると、これらの異性体の沸点は全て５１９．６Ｋと推算されてしまうという問題がある。
また、前記推算式は線形式であるため、適用範囲が狭いという問題もある。
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、適用範囲が広く、しかも異性体が存在する化学物質であってもそれぞれの沸点を精度よく推算し得る沸点推算装置を提供することを目的としている。
本発明の沸点推算装置は、入力層と中間層と出力層とからなるニューラルネットワークを備えた沸点推算装置であって、前記入力層が、沸点の推算がなされる分子の分子量が入力される複数の処理ユニットと、原子団に関する情報が入力される所要数の処理ユニットと、芳香環に結合している原子団に関する情報が入力される所要数の処理ユニットと、芳香環の数が入力される処理ユニットと、リング環の種類とその数が入力される処理ユニットと、リング状分子内に存在する異原子の数が入力される処理ユニットと、リング状分子に結合する原子団の数が入力される処理ユニットと、各種異性体に関する情報が入力される所要数の処理ユニットとを有してなることを特徴とする。
本発明の沸点推算装置においては、沸点の推算がなされる分子の分子量が入力される複数の処理ユニットが、第１処理ユニットと最終処理ユニットとされてなるのが好ましい。
また、本発明の沸点推算装置においては、原子団に関する情報が入力される処理ユニットに、鎖状分子を構成する原子団およびその数が入力される処理ユニットと、芳香環を構成する原子団およびその数が入力される処理ユニットと、リング状分子を構成する原子団およびその数が入力される処理ユニットとが含まれてなるのが好ましい。
さらに、本発明の沸点推算装置においては、芳香環に結合している原子団に関する情報が入力される処理ユニットに、電子供与基およびその数が入力される処理ユニットと、電子吸引基およびその数が入力される処理ユニットが含まれてなるのが好ましい。
さらに、本発明の沸点推算装置においては、異性体に関する情報が入力される処理ユニットに、シス異性体を指定する処理ユニットと、トランス異性体を指定する処理ユニットが含まれてなるのが好ましい。
さらに、本発明の沸点推算装置においては、異性体に関する情報が入力される処理ユニットに、芳香環に結合する原子団の情報が入力される処理ユニットが含まれてなるのが好ましい。
さらに、本発明の沸点推算装置においては、芳香環に結合する原子団の情報が入力される処理ユニットに、原子団が１個の場合を処理する処理ユニットと、２つの同じ原子団の場合を処理する処理ユニットと、２つの異なる原子団の場合を処理する処理ユニットとが含まれてなるのが好ましい。
さらに、本発明の沸点推算装置においては、２つの異なる原子団の場合を処理する処理ユニットに、原子団がオルト位にある場合を処理する処理ユニットと、原子団がメタ位にある場合を処理する処理ユニットと、原子団がパラ位にある場合を処理する処理ユニットとが含まれてなるのが好ましい。
本発明の沸点推算装置は、前記の如く構成されているので、適用範囲が広く、しかも異性体が存在する化学物質であっても、それぞれの沸点を精度よく推算できるという優れた効果を奏する。
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
ここで、以下の説明の理解を容易にするため、まずニューラルネットワークについて簡単に説明しておく。
図１にニューラルネットワークの基本構造を示し、同ニューラルネットワークは入力層と中間層と出力層とから構成されている。各層は複数の処理ユニットから構成されており、各処理ユニットは次層および前層の間で学習により定められる重み係数でもって結合されている。
入力層の処理ユニットにおける処理とは、入力信号の値をそのまま出力することである。中間層と出力層の各処理ユニットは、学習により定められる重み係数と、前層の出力値を積和する乗加算器と学習により定められる閾値を持った閾値関数を有している。このニューラルネットワークの学習においては、入力パターン(教師入力)と目標出力パターン(教師出力)との対が提示される。この提示直後に、ニューラルネットワークの出力と目標出力との間の差が減少するように重みと閾値の調整がなされる。学習に際しては、入力パターンと目標出力パターンとの対の集合である学習集合を用い、ニューラルネットワークにはこれを繰り返し提示する。
この学習においては、順伝播ステップとその後に実行される逆伝播ステップとがなされる。この順伝播ステップおよび逆伝播ステップはいずれも学習中にパターンの提示がなされるたびに実行される。順伝播ステップは、ニューラルネットワークの入力層への入力パターンの提示で始まり、活性レベルの計算が中間層を通じて順伝播する間持続する。入力層の処理ユニット(図１での入力層の欄の○印で示されたもの。)は、入力信号の値をそのまま出力する。中間層と出力層の全ての処理ユニット(図１での中間層と出力層の欄の○印で示されたもの。)は、入力の総和を求め、閾値関数により出力を計算する。それから出力層の処理ユニットがニューラルネットワークの出力を行う。
ニューラルネットワークの出力パターンと目標出力パターンとの比較がなされ、それに差異があるときに逆伝播ステップが開始される。逆伝播ステップでは、各層の処理ユニットの閾値と重みの変化分の計算がなされるが、これを出力層から始めて中間層へと順番を逆方向にたどっていく。この逆伝播ステップでは、観測された差異が減少されるように重みと閾値との調整がなされる。
この学習が終了すると、ニューラルネットワークの動作テストがなされる。
しかして、ニューラルネットワークにおいては、このような学習がなされるので、ニューラルネットワークの出力パターンは、基本的には、最終的に目標出力パターンに概ね一致するようになる。
かかるニューラルネットワークは、具体的には、コンピュータに前記演算処理に対応させたプログラムを格納することにより実現される。
以下、ニューラルネットワークについての前記理解の上に立って、本発明を説明する。
図２に、本発明の一実施形態に係る沸点推算装置を機能ブロック図で示す。
沸点推算装置１は、図２に示すように、入力部２と演算処理部３と出力部４とを主要構成要素として備えてなるものとされる。
入力部２は沸点を推算しようとする化学物質の情報(例えば、化学物質の名称、分子式、分子量、原子団の種類およびその数、立体構造情報など。以下、物質情報と総称する)が入力可能なものとされ、例えば、画像表示装置とキーボード、マウスなどを組み合わせたものとされる。
演算処理部３は、図３に示すニューラルネットワークＫが格納されたコンピュータとされる。
出力部４は、例えばプリンタや画像表示装置とされる。
以下、図３に示すニューラルネットワークＫを中心に説明する。
ニューラルネットワークＫは、図３に示すように、入力層１１と中間層１２と出力層１３との３層を備えてなるものとされる。
ニューラルネットワークＫの入力層１１は１４２個の処理ユニットＩ１，Ｉ２，・・・，Ｉ１４２から構成され、中間層１２は１０個の処理ユニットＭ１，Ｍ２，・・・，Ｍ１０から構成され、出力層１３は１個の処理ユニットＯ１から構成されている。
図４に、ニューラルネットワークＫの入力層１１の詳細を示す。前述したように、ニューラルネットワークＫの中間層１２および出力層１３における重み係数と閾値関数は学習により決定される。このニューラルネットワークＫの学習を行うにあたって、学習集合として異性体を含む所定の７６９分子の物質情報と沸点データ（文献値）を用いており、前記入力層１１の１４２個の処理ユニットＩ１〜Ｉ１４２も、その７６９の有機化合物の物質情報に対応している。
中間層１２の処理ユニット数は、数学的根拠から6個以上とすることが推奨されているが、以下の点および学習における収束状況を考慮して処理ユニット数を１０としている。すなわち、この中間層１２の処理ユニット数が少なすぎる場合には、ニューラルネットワークＫの学習能力が低下する。その逆に、中間層１２の処理ユニット数が多すぎる場合には、物質情報と沸点との関連性が低下する。また、ニューラルネットワークＫには、図示はされていないが、重回帰分析における定数項に相当するダミーの処理ユニットがバイアスとして入力層１１に設けられるが、このダミーの処理ユニットと中間層１２の処理ユニットとの重み係数が大きくなることは、中間層１２の処理ユニットの数が不足していることを意味している。したがって、ここでは中間層１２を１０個の処理ユニットＭ１〜Ｍ１０から構成するものとしている。
以下、入力層１１の内容を具体的に説明する。
入力層１１の第１処理ユニットＩ１および第１４２処理ユニットＩ１４２には、推算を行う分子の分子量が入力されて、入力値がそのまま中間層へ出力される。つまり、２つの処理ユニットに対して同じ値を与える。このように分子量を入力するのは、分子量が大きい化学物質ほどつまり重い化学物質ほど、沸点が高くなる傾向があることより、分子量の沸点への影響は大きいと推察され、そこで入力層の最初の処理ユニットつまり第１処理ユニットＩ１、および最終処理ユニットつまり第１４２処理ユニットＩ１４２に分子量を入力することにより、ニューラルネットワークＫでの演算処理において分子量の影響が大きくなり、推算された沸点が実際とかけ離れた値となることを避けることができることによる。
第２処理ユニットＩ２〜第９９処理ユニットＩ９９には原子団に関する情報が入力されて、入力値がそのまま中間層１２へ出力される。このように原子団およびその数を入力するのは、分子を構成する原子団の違いを反映した沸点を推算可能とするためである。
以下、第２処理ユニットＩ２〜第９９処理ユニットＩ９９についてより具体的に説明する。
第１に、構成原子が同じであっても原子団の属性の相違により沸点が変化する場合には、別々の処理ユニットとして取り扱うものとしている。例えば、芳香環を構成する「＝CH-」および「＝C<」という原子団と、リング状分子を構成する「＝CH-」および「＝C<」という原子団とは、属性の相違が沸点に影響するため、独立の処理ユニットとして取り扱うものとしている。この点、ジョバック法ではこれらを同一視しているため、高精度の沸点推算は困難である。
第２に、原子団の嵩（かさ）が物質の沸点に関係する場合には、それを構成要素に分解することなく、独立した処理ユニットとして取り扱うようにしている。例えば、ターシャルブチル基「-C(CH3)3」は、その嵩高さが沸点に関係するため、独立の処理ユニットとして構成している。この点、ジョバック法では、ターシャルブチル基を、「-CH3」の原子団３つと「>C<」の原子団１つの組み合わせとして取り扱うため、原子団の「嵩だかさ」を沸点推算結果に反映することができず、高精度の沸点推算は困難である。
第３に、置換基となり得る原子団については、鎖状分子およびリング状分子に結合する場合と芳香環に結合する場合との相違が物質の沸点に関係するため、それらを独立の処理ユニットとして構成するものとしている。このようにすることによって、芳香環への置換基の影響を適切に反映して、沸点を推算することが可能となる。
第１００処理ユニットＩ１００および第１０１処理ユニットＩ１０１にはそれぞれ芳香環に結合した原子団に関する情報が入力されて、入力値がそのまま中間層へ出力される。この処理をなすのは、芳香環に結合した原子団には、芳香環内に電子を供与する機能を有するもの(電子供与基)と、芳香環内から電子を吸引する機能を有するもの(電子吸引基)とが存在し、それらの存在により沸点に変化が生ずるためである。
本実施形態では、電子供与基と電子吸引基とを、図５に示すように分類し、この分類に従って電子供与基と電子吸引基の数を算出し、第１００処理ユニットＩ１００には対象とされる分子内の電子供与基の数が入力されて処理され、第１０１処理ユニットＩ１０１には対象とされる分子内の電子吸引基の数が入力されて処理される。
第１０２処理ユニットＩ１０２には芳香環の数が入力されて、入力値がそのまま中間層１２へ出力される。例えば、ベンゼンの芳香環の数は１つとされ、ナフタレン芳香環の数は２つとされ、アントラセン芳香環の数は３つとされる。このようにするのは、芳香環の数が増大すると、電子雲の広がりが大きくなって、分子の安定性が増加するからである。つまり、共役系が大きくなり、共鳴エネルギが変化するからである。したがって、芳香環の数について独立の処理ユニットを構成することによって、分子の安定性を考慮して沸点推算がなし得るようになる。
第１０３処理ユニットＩ１０３〜第１０８処理ユニットＩ１０８にはリング環の種類およびその数が入力されて、入力値がそのまま中間層１２へ出力される。
具体的には、第１０３処理ユニットＩ１０３には３員環の数が入力されて前記処理がなされる。第１０４処理ユニットＩ１０４には４員環の数が入力されて前記処理がなされる。第１０５処理ユニットＩ１０５には後述する第１０８処理ユニットＩ１０８に入力される５員環以外の５員環の数が入力されて前記処理がなされる。第１０６処理ユニットＩ１０６には芳香環以外の６員環の数が入力されて前記処理がなされる。第１０７処理ユニットＩ１０７には７員環以上の員環の数が入力されて前記処理がなされる。
第１０８処理ユニットＩ１０８には図６に示すような順序で、３つの一重結合Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３と２つの二重結合Ｄ１，Ｄ２とからなる５員環Ａ１の数が入力されて前記処理がなされる。
例えば、図７に示す分子Ａ２は、第１０５処理ユニットＩ１０５に入力される５員環の数が１とされ、図８に示す分子Ａ３は、第１０６処理ユニットＩ１０６に入力される６員環の数が１とされ、図９に示す分子Ａ４は、第１０５処理ユニットＩ１０５に入力される５員環の数が１でかつ第１０６処理ユニットＩ１０６に入力される６員環の数が１とされる。
また、図１０〜図１１に示すような架橋構造を有するリング状分子Ａ５，Ａ６の場合は、最も大きな環と最も小さな環とを数える。すなわち、図１０に示す分子Ａ５は、第１０４処理ユニットＩ１０４に入力される４員環の数が１とされ、第１０５処理ユニットＩ１０５に入力される５員環の数が１とされる。図１１に示す分子Ａ６は、第１０５処理ユニットＩ１０５に入力される５員環の数が１とされ、第１０６処理ユニットＩ１０６に入力される６員環の数が１とされる。
このようにするのは、リング構造の大きさの違いによる影響を適正に反映させて沸点を推算するためである。
第１０９処理ユニットＩ１０９にはリング状分子内に存在する異原子数が入力されて、入力値がそのまま中間層１２へ出力される。
ここで異原子とは、第２処理ユニットＩ２〜第９９処理ユニットＩ９９に入力される原子団の内でリング分子を構成する飽和炭素以外の原子団をいう。
例えば、図１２〜図１４に示す分子Ａ７，Ａ８，Ａ９については、第１０９処理ユニットＩ１０９にて入力される異原子数はそれぞれ２とされ、図１５に示す分子Ａ１０については、第１０９処理ユニットＩ１０９にて入力される異原子数は３とされる。
このようにするのは、飽和炭素のみで構成されている場合と、異原子が混入している場合とでリング状分子の沸点が変わるからである。
第１１０処理ユニットＩ１１０にはリング状分子に結合する原子団の数が入力されて、入力値がそのまま中間層へ出力される。
例えば、図１６に示す分子Ａ１１は原子団「−ＣＨ３」が２つのリング構造に結合しているので、リング状分子に結合する原子団の数は２とされる。図１７に示す分子Ａ１２は原子団「−ＣＨ３」が２つと原子団「−ＯＨ」が１つとがリング構造に結合しているので、リング状分子に結合する原子団の数は３とされる。図１６中、実線の楔は楔の先端(リング分子と結合している反対側)に結合している置換基が紙面の手前に位置していることを示し、破線の楔は楔の先端に結合している置換基が紙面の奥に位置していることを示している。なお、このことは以下の図においても同様とされている。
このようにするのは、一般的に枝分かれが多いほど沸点が高くなる傾向があるため、それによる影響を推算結果に適正に反映させるためである。
第１１１処理ユニットＩ１１１〜第１４１処理ユニットＩ１４１は、異性体による沸点の相違を推算結果に反映させるためのものである。これにより、各異性体を区別して沸点推算を実行することが可能となり、学習用データの修正、つまり、各異性体の沸点の平均値をとるなどして沸点を近似する必要がなくなる。すなわち、より高精度に沸点を推算することが可能となる。
具体的には、第１１１処理ユニットＩ１１１には鎖状構成用のシス異性体の指定がなされ、第１１２処理ユニットＩ１１２には鎖状構成用のトランス異性体の指定がなされて、それぞれ入力値がそのまま中間層へ出力される。
ここで、シス異性体とは、炭素−炭素二重結合「＞Ｃ＝Ｃ＜」に結合する４つの原子団の内、原子団を構成する全原子量の１番目に大きなものと２番目に大きなものが図１８に示すような関係にあるものをいい、トランス異性体炭素−炭素二重結合「＞Ｃ＝Ｃ＜」に結合する４つの原子団の内、原子団を構成する全原子量の１番目に大きなものと２番目に大きなものが図１９に示すような関係にあるものをいう。したがって、図２０および図２１に示す分子Ａ１３，Ａ１４はシス異性体とされ、図２２および図２３に示す分子Ａ１５，Ａ１６はトランス異性体とされる。
このようにするのは、シス・トランス異性体の沸点差異を推算可能とするためである。
第１１３処理ユニットＩ１１３〜第１１９処理ユニットＩ１１９には芳香環に結合する原子団の情報が入力されて、入力値がそのまま中間層１２へ出力される。このようにするのは、芳香環置換の数と種類、およびオルト、メタ、パラ等の異性体の違いを反映した沸点を推算可能とするためである。
第１１３処理ユニットＩ１１３は、具体的には、芳香環に結合する原子団が１つの場合を処理するものとされる。
第１１４処理ユニットＩ１１４〜第１１６処理ユニットＩ１１６は芳香環に２つの同じ原子団が結合する場合を処理するものとされる。
具体的には、第１１４処理ユニットＩ１１４は２つの原子団がオルト位にある場合を処理するものとされ、第１１５処理ユニットＩ１１５は２つの原子団がメタ位にある場合を処理するものとされ、第１１６処理ユニットＩ１１６は２つの原子団がパラ位にある場合を処理するものとされる。
第１１７処理ユニットＩ１１７〜第１１９処理ユニットＩ１１９は芳香環に２つの異なる原子団が結合する場合を処理するものとされる。
具体的には、第１１７処理ユニットＩ１１７は２つの原子団がオルト位にある場合を処理するものとされ、第１１８処理ユニットＩ１１８は２つの原子団がメタ位にある場合を処理するものとされ、第１１９処理ユニットＩ１１９は２つの原子団がパラ位にある場合を処理するものとされる。
例えば、図２４に示す分子Ａ１７は第１１４処理ユニットＩ１１４により処理されるオルト位にあるものが１つとされ、図２５に示す分子Ａ１８は第１１５処理ユニットＩ１１５により処理されるメタ位にあるものが１つとされ、図２６に示す分子Ａ１９は第１１６処理ユニットＩ１１６により処理されるパラ位にあるものが１つとされる。また、図２７に示す分子Ａ２０は第１１７処理ユニットＩ１１７により処理されるオルト位にあるものが１つとされ、図２８に示す分子２１は第１１８処理ユニットＩ１１８により処理されるメタ位にあるものが１つとされ、図２９に示す分子Ａ２２は第１１９処理ユニットＩ１１９により処理されるパラ位にあるものが１つとされる。
また、芳香環に３つ以上の原子団が結合している場合、それぞれに対して新たな処理ユニットを設けることも考えられるが、それでは処理ユニット数が膨大なものとなってしまう。このため、２つの原子団の位置関係の全てを処理の対象とし、それを数え上げることによってユニット数の増大を抑えるものとしている。
例えば、図３０に示す分子Ａ２３は芳香環に３つの原子団が結合しており、第１１７処理ユニットＩ１１７により処理されるオルト位にあるものが２つと、第１１５処理ユニットＩ１１５により処理されるメタ位にあるものが１つとされる。
図３１に示す分子Ａ２４は芳香環に４つの原子団が結合しており、第１１４処理ユニットＩ１１４および第１１７処理ユニットＩ１１７により処理されるオルト位にあるものが各１つと、第１１５処理ユニットＩ１１５および第１１８処理ユニットＩ１１８により処理されるメタ位にあるものが各１つと、第１１６処理ユニットＩ１１６および第１１９処理ユニットＩ１１９により処理されるパラ位にあるものが各１つとされる。
図３２に示す分子Ａ２５は芳香環に６つの原子団が結合しており、第１１４処理ユニットＩ１１４により処理されるオルト位にあるものが６つと、第１１５処理ユニットＩ１１５により処理されるメタ位にあるものが６つと、第１１６処理ユニットＩ１１６により処理されるパラ位にあるものが６つとされる。
第１２０処理ユニットＩ１２０〜第１２９処理ユニットＩ１２９にはベンゼン環を２つ以上含む芳香族の情報が入力されて、入力値がそのまま中間層１２へ出力される。このようにするのは、芳香環が複数含まれる分子において、隣接する芳香環のつながり方、および置換基の数と異性体の違いを反映した沸点を推算可能とするためである。
具体的には、第１２０処理ユニットＩ１２０には、１つの結合を他の芳香環と共有している芳香環構造の数が入力されて、入力値がそのまま中間層１２へ出力される。第１２１処理ユニットＩ１２１と第１２２処理ユニットＩ１２２には、１つの結合を他の芳香環と共有し、かつ１つの原子団と結合を持つ芳香環の数が入力されて、入力値がそのまま中間層１２へ出力される。また、第１２１処理ユニットＩ１２１と第１２２処理ユニットＩ１２２では、原子団との結合位置が異なっている。第１２３処理ユニットＩ１２３から第１２６処理ユニットＩ１２６には、1つの結合を他の芳香環と共有し、かつ２つの原子団と結合を持つ芳香環の数が入力されて、入力値がそのまま中間層１２へ出力される。また、各処理ユニットでは原子団の結合位置の関係が異なっている。第１２７処理ユニットＩ１２７と第１２８処理ユニットＩ１２８には、２つの結合を他の芳香環と共有している芳香環の数が入力されて、入力値がそのまま中間層１２へ出力される。第１２９処理ユニットＩ１２９には、３つの結合を他の芳香環と共有している芳香環の数が入力されて、入力値がそのまま中間層１２へ出力される。
例えば、図３３に示す分子Ａ２６は第１２０処理ユニットＩ１２０により処理されるものが２つと、第１２８処理ユニットＩ１２８により処理されるものが１つとされる。図３４に示す分子Ａ２７は第１２０処理ユニットＩ１２０により処理されるものが１つと、第１２８処理ユニットＩ１２８により処理されるものが１つと、第１２５処理ユニットＩ１２５により処理されるものが１つとされる。図３５に示す分子Ａ２８は第１２０処理ユニットＩ１２０により処理されるものが２つと、第１２８処理ユニットＩ１２８により処理されるものが１つと、第１２７処理ユニットＩ１２７により処理されるものが１つとされる。
このようにするのは、複数の芳香環から構成される分子において、隣接する芳香環の位置により生じる異性体および、隣接芳香環の位置と原子団との結合位置により生じる異性体ごとの沸点を推算可能とするためである。
第１３０処理ユニットＩ１３０〜第１３６処理ユニットＩ１３６にはリング状分子に結合する原子団の異性体に関する情報が入力されて、入力値がそのまま中間層１２へ出力される。これは、リング状骨格と原子団との結合位置の違いにより生じる異性体ごとの沸点を推算可能とするためである。
具体的には、第１３０処理ユニットＩ１３０には２つの結合がリング構成用の原子団「＞Ｃ＜」における異性体の情報が入力されて、入力値がそのまま中間層１２へ出力され、第１３１処理ユニットＩ１３１および第１３２処理ユニットＩ１３２には２つの隣り合うリング状分子を構成する炭素原子にそれぞれ１つづつ原子団が結合している場合の異性体の情報が入力されて、入力値がそのまま中間層１２へ出力され（第１３１処理ユニットＩ１３１では２つの原子団がシス位にある場合とされて処理され、第１３２処理ユニットＩ１３２では２つの原子団がトランス位にある場合とされて処理される。）、第１３３処理ユニットＩ１３３および第１３４処理ユニットＩ１３４にはリング状分子を構成する３つの炭素原子の関係が、真中の炭素原子が飽和炭素原子とされ、両端の炭素原子にそれぞれ１つづつ原子団が結合している場合の異性体の情報が入力されて、入力値がそのまま中間層１２へ出力され（第１３３処理ユニットＩ１３３では２つの原子団がシス位にある場合とされて処理され、第１３４処理ユニットＩ１３４では２つの原子団がトランス位にある場合とされて処理される。）、第１３５処理ユニットＩ１３５および第１３６処理ユニットＩ１３６にはリング状分子を構成する４つの炭素原子の関係が、真中２つの炭素原子が飽和炭素原子とされ、両端の炭素原子にそれぞれ１つづつ原子団が結合している場合の異性体の情報が入力されて、入力値がそのまま中間層１２へ出力される（第１３５処理ユニットＩ１３５では２つの原子団がシス位にある場合とされて処理され、第１３６処理ユニットＩ１３６では２つの原子団がトランス位にある場合とされて処理される）。
例えば、図３６に示す分子Ａ２９は第１３０処理ユニットＩ１３０で処理されるものが１つとされ、図３７に示す分子Ａ３０は第１３１処理ユニットＩ１３１で処理されるものが１つとされ、図３８に示す分子Ａ３１は第１３２処理ユニットＩ１３２で処理されるものが１つとされ、図３９に示す分子Ａ３２は第１３３処理ユニットＩ１３３で処理されるものが１つとされ、図４０に示す分子Ａ３３は第１３４処理ユニットＩ１３４で処理されるものが１つとされる。
また、図４１に示す分子Ａ３４は第１３５処理ユニットＩ１３５で処理されるものが１つとされ、図４２に示す分子Ａ３５は第１３６処理ユニットＩ１３６で処理されるものが１つとされる。
リング状分子に３つ以上の原子団が結合しているときは、芳香環に３つ以上原子団が結合している場合と同様、２つの原子団の位置関係を全て処理の対象とし、数え上げる。
例えば、図４３に示す分子Ａ３６は第１３２処理ユニットＩ１３２で処理されるものが２つと、第１３３処理ユニットＩ１３３で処理されるものが１つとされる。図４４に示す分子Ａ３７は第１３０処理ユニットＩ１３０で処理されるものが１つと、第１３３処理ユニットＩ１３３で処理されるものが１つと、第１３４処理ユニットＩ１３４で処理されるものが１つとされる。
第１３７処理ユニットＩ１３７〜第１３９処理ユニットＩ１３９にはリング状骨格内に存在する異原子の位置に関する情報が入力されて、入力値がそのまま中間層１２へ出力される。このようにするのは、リング状骨格内に存在する異原子の位置により生じる異性体ごとの沸点を推算可能とするためである。
具体的には、第１３７処理ユニットＩ１３７では２つの異原子が隣り合っている場合についての処理がなされ、第１３８処理ユニットＩ１３８では２つの異原子の間に１つの飽和炭素原子が存在する場合についての処理がなされ、第１３９処理ユニットＩ１３９では２つの異原子の間に２つの飽和炭素原子が存在する場合についての処理がなされる。なお、リング状分子内に３つ以上の異原子が存在する場合は、その全ての位置関係について第１３７処理ユニットＩ１３７〜第１３９処理ユニットＩ１３９による処理がなされる。
例えば、図１２に示す分子Ａ７は、第１３７処理ユニットＩ１３７で処理するものが１つとされ、図１３に示す分子Ａ８は、第１３８処理ユニットＩ１３８で処理するものが１つとされ、図１４に示す分子Ａ９は、第１３９処理ユニットＩ１３９で処理するものが１つとされ、図１５に示す分子Ａ１０は、第１３７処理ユニットＩ１３７で処理するものが２つとされ、第１３８処理ユニットＩ１３８で処理するものが１つとされる。
第１４０処理ユニットＩ１４０および第１４１処理ユニットＩ１４１にはリング骨格を構成する結合中の二重結合に関する情報、つまり二重結合の数が入力されて、入力値がそのまま中間層１２へ出力される。ここでは、一重結合および二重結合によりリング骨格が形成される場合として、「−C＝C-」、「−C＝N-」とを扱うものとされ、第１４０処理ユニットＩ１４０および第１４１処理ユニットＩ１４１は、それぞれ「−C＝C-」および「−C＝N-」に対応している。
具体的には、第１４０処理ユニットＩ１４０では二重結合を構成する原子が２つとも炭素原子である場合についてその数が入力されて処理がなされ、第１４１処理ユニットＩ１４１では二重結合を構成する原子の１つの原子が炭素原子であり、もう１つの原子が窒素原子である場合についてその数が入力されて処理がなされる。
中間層１２の第１処理ユニットＭ１は、入力層１１の第１処理ユニットＩ１〜第１４２処理ユニットＩ１４２の出力値と、学習により求められた重み係数との積和を実行し、その値を基に閾値関数の計算を行う。得られた関数値を処理ユニットの値として出力層１３に対して出力する。
第２処理ユニットＭ２は、入力層１１の第１処理ユニットＩ１〜第１４２処理ユニットＩ１４２からの出力値と、学習により求められた重み係数との積和を実行し、その値を基に閾値関数の計算を行う。得られた関数値を処理ユニットの値として出力層１３に対して出力する。
第３処理ユニットＭ３は、入力層１１の第１処理ユニットＩ１〜第１４２処理ユニットＩ１４２からの出力値と、学習により求められた重み係数との積和を実行し、その値を基に閾値関数の計算を行う。得られた関数値を処理ユニットの値として出力層１３に対して出力する。
第４処理ユニットＭ４は、入力層１１の第１処理ユニットＩ１〜第１４２処理ユニットＩ１４２からの出力値と、学習により求められた重み係数との積和を実行し、その値を基に閾値関数の計算を行う。得られた関数値を処理ユニットの値として出力層１３に対して出力する。
第５処理ユニットＭ５は、入力層１１の第１処理ユニットＩ１〜第１４２処理ユニットＩ１４２からの出力値と、学習により求められた重み係数との積和を実行し、その値を基に閾値関数の計算を行う。得られた関数値を処理ユニットの値として出力層１３に対して出力する。
第６処理ユニットＭ６は、入力層１１の第１処理ユニットＩ１〜第１４２処理ユニットＩ１４２からの出力値と、学習により求められた重み係数との積和を実行し、その値を基に閾値関数の計算を行う。得られた関数値を処理ユニットの値として出力層１３に対して出力する。
第７処理ユニットＭ７は、入力層１１の第１処理ユニットＩ１〜第１４２処理ユニットＩ１４２からの出力値と、学習により求められた重み係数との積和を実行し、その値を基に閾値関数の計算を行う。得られた関数値を処理ユニットの値として出力層１３に対して出力する。
第８処理ユニットＭ８は、入力層１１の第１処理ユニットＩ１〜第１４２処理ユニットＩ１４２からの出力値と、学習により求められた重み係数との積和を実行し、その値を基に閾値関数の計算を行う。得られた関数値を処理ユニットの値として出力層１３に対して出力する。
第９処理ユニットＭ９は、入力層１１の第１処理ユニットＩ１〜第１４２処理ユニットＩ１４２からの出力値と、学習により求められた重み係数との積和を実行し、その値を基に閾値関数の計算を行う。得られた関数値を処理ユニットの値として出力層１３に対して出力する。
第１０処理ユニットＭ１０は、入力層１１の第１処理ユニットＩ１〜第１４２処理ユニットＩ１４２からの出力値と、学習により求められた重み係数との積和を実行し、その値を基に閾値関数の計算を行う。得られた関数値を処理ユニットの値として出力層１３に対して出力する。
出力層の第１処理ユニットＯ１は、中間層１２の第１処理ユニットＭ１〜第１０処理ユニットＭ１０からの出力値と、学習により求められた重み係数との積和を実行し、その値を基に閾値関数の計算を行い、入力された分子の沸点を推算するものとされる。
次に、かかる構成とされたニューラルネットワークＫに、入力パターンと目標出力パターンの対からなる学習集合を用いて学習を１５万回程度行った。学習集合とした分子は総数７６９分子であり、その中には２５４の鎖状分子、２７３の芳香族分子、および２４２のリング状分子が含まれている。
しかして、かかる学習を行ったニューラルネットワークＫを有する沸点推算装置１により、学習に用いた分子と、学習に用いていない分子(総数９５０分子であり、その中には３７０の鎖状分子、２４３の芳香族分子、３３７のリング状分子が含まれている。)の合計１７１９分子について沸点を推算し、その結果を図４５にグラフで示す。また、比較のためにジョバック法による推算値を図４６に併せて示す。なお、図４５および図４６に示すグラフにおいては、横軸が文献値(実測値)を示し、縦軸が推算値を示す。
図４５より、本実施形態の沸点推算装置１による推算値は低温域から高温域まで文献値(実測値)に一致しているのに対し、ジョバック法による推算値は、その分散が大きく、低温および高温の沸点を持つ分子については、文献値(実測値)とのずれが大きくなっているのがわかる。したがって、本実施形態の沸点推算装置１によれば、分子構造が分かっている分子の沸点を精度よく推算できる。
また、図４７に、アルカン分子の炭素数変化に対する沸点推算結果をジョバック法の場合と対比して示す。同図に示すように、本実施形態の推算装置１は、物質情報と沸点との関係を非線形式（曲線）で表すことができ、このため低沸点の物質から高沸点の物質まで真の沸点にほぼ一致する結果を得ることが可能であるのに対して、ジョバック法では両者の関係を直線でしか表すことができず、特に高沸点の物質ほど誤差が大きくなるのが理解される。
図４８および図４９に１２種類の鎖状分子のシス・トランス異性体の推算結果を、図５０〜図５４に芳香環が一つの場合の異性体についての推算結果を、図５５〜図５７にリング状分子の異性体の推算結果を示す。なお、図中、「学習／テスト」の欄は、学習に用いたデータとテストに用いたデータとの区別を表している。
これらの推算結果から、本実施形態の沸点推算装置１による推算値は実測値(または文献値)に良く一致しているのに対し、ジョバック法による推算値は異性体の間で全てが同一の推算値となっているのがわかる。したがって、本実施形態の沸点推算装置１によれば、異性体を有する分子において異性体毎の沸点を精度よく推算することができる。
また、図４８および図４９の１２種類の鎖状分子のシス・トランス異性体の推算結果（同図における実施形態推算値）において、学習データのうちの１つ、およびテストデータのうちの３つについて、沸点の高低が逆転しているのが認められる。このように、高低関係が正しく再現ができなかった物質は、シス・トランス異性体の沸点差（文献値参照）が小さく、本実施形態における推算精度では、この差異を正しく反映できなかったものである。
すなわち、本実施形態における沸点推算は、１０６K〜７９７．２Kという広範囲の温度に対応したものであるため、数K程度の高低関係が再現できない場合があるのはやむを得ないものといえる。数K程度の差が重要となる場合には、学習集合を対応温度前後の物質に絞って学習を行うことにより、より正確な推算結果を得ることが可能である。
また、図５０〜図５４の芳香環の推算結果のうち、置換基が２つの場合は、オルト、メタ、パラの異性体に関して、（オルト＜メタ＜パラ：関係１）、（オルト＜パラ＜メタ：関係２）、（メタ＜オルト＜パラ：関係３）、（メタ＜パラ＜オルト：関係４）、（パラ＜メタ＜オルト：関係５）、（パラ＜オルト＜メタ：関係６）の６通りの関係があり、学習結果およびテスト結果ともに、高低関係の再現ができなかったものが認められた。
これらのうち置換基が３つ（原子団の種類は2種類）の場合は、異性体が6種類存在し、したがって異性体同士の沸点高低関係は、７２０通り存在することになる。これらの関係を前述したような本実施形態における精度で正確に再現することは困難であり、実際、完全に正しい関係を再現することはなされていない。しかし、このような場合にも推算対象を絞ればそれらについてより正確に沸点を推算することができる。
図５５〜図５７のリング状分子の異性体の推算結果のうち、２つおよび３つの原子団によるシス・トランス異性体の沸点高低関係は、鎖状分子のシス・トランス異性体の推算結果におけると同様に、文献値のシス・トランス異性体の沸点差が小さい場合において高低関係が正しく再現ができていないものがあるのが認められる。一方、２つのリングによるシス・トランス異性体の高低関係については、全て関係が一致しているのが認められる。
このように、本実施形態の沸点推算装置によれば、学習を適切に行うことによって、異性体を区別して高精度の沸点推算結果を得ることができる。
本発明は、分子構造が分かっている分子の沸点を異性体を区別して精度よく推算できる。
階層型ニューラルネットワークの一般的な構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る沸点推算装置の機能ブロック図である。 同実施形態のニューラルネットワークの概略構成を示すブロック図である。 同ニューラルネットワークの入力層の構成を示すテーブル図である。 同入力層の処理ユニットにおける電子供与基と電子吸引基との分類を示すテーブル図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される原子団の分子構造を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の例を示す分子構造図である。 シス異性体の説明図である。 トランス異性体の説明図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力されるシス異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力されるシス異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力されるトランス異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力されるトランス異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の異性体の例を示す分子構造図である。 同入力層の処理ユニットの１つでその数が入力される環構造の異性体の例を示す分子構造図である。 同実施形態の沸点推算装置による沸点推算結果を示すグラフ図である。 従来のジョバック法による沸点推算結果を示すグラフ図である。 同実施形態の沸点推算装置によるアルカン分子の沸点推算結果を従来のジョバック法による沸点推算結果と対比して示すグラフ図である。 同実施形態の沸点推算装置により異性体を有する鎖状分子について沸点推算処理を実施したときの推算値、ジョバック法による推算値および当該物質の沸点の文献値の関係を示すテーブル図である。 同実施形態の沸点推算装置により異性体を有する鎖状分子について沸点推算処理を実施したときの推算値、ジョバック法による推算値および当該物質の沸点の文献値の関係を示すテーブル図である。 同実施形態の沸点推算装置により芳香環が１つである分子の各異性体について沸点推算処理を実施したときの推算値、ジョバック法による推算値および当該物質の沸点の文献値の関係を示すテーブル図である。 同実施形態の沸点推算装置により芳香環が１つである分子の各異性体について沸点推算処理を実施したときの推算値、ジョバック法による推算値および当該物質の沸点の文献値の関係を示すテーブル図である。 同実施形態の沸点推算装置により芳香環が１つである分子の各異性体について沸点推算処理を実施したときの推算値、ジョバック法による推算値および当該物質の沸点の文献値の関係を示すテーブル図である。 同実施形態の沸点推算装置により芳香環が１つである分子の各異性体について沸点推算処理を実施したときの推算値、ジョバック法による推算値および当該物質の沸点の文献値の関係を示すテーブル図である。 同実施形態の沸点推算装置により芳香環が１つである分子の各異性体について沸点推算処理を実施したときの推算値、ジョバック法による推算値および当該物質の沸点の文献値の関係を示すテーブル図である。 同実施形態の沸点推算装置によりリング状分子の各異性体について沸点推算処理を実施したときの推算値、ジョバック法による推算値および当該物質の沸点の文献値の関係を示すテーブル図である。 同実施形態の沸点推算装置によりリング状分子の各異性体について沸点推算処理を実施したときの推算値、ジョバック法による推算値および当該物質の沸点の文献値の関係を示すテーブル図である。 同実施形態の沸点推算装置によりリング状分子の各異性体について沸点推算処理を実施したときの推算値、ジョバック法による推算値および当該物質の沸点の文献値の関係を示すテーブル図である。 従来のジョバック法において沸点推算の基礎とする各原子団の分子構造式を示すテーブル図である。
符号の説明
１ 沸点推算装置
２ 入力部
３ 演算処理部
４ 出力部
１１ 入力層
１２ 中間層
１３ 出力層
Ｋ ニューラルネットワーク

Claims (8)

  1. 入力層と中間層と出力層とからなるニューラルネットワークを備えた沸点推算装置であって、
    前記入力層が、沸点の推算がなされる分子の分子量が入力される複数の処理ユニットと、原子団に関する情報が入力される所要数の処理ユニットと、芳香環に結合している原子団に関する情報が入力される所要数の処理ユニットと、芳香環の数が入力される処理ユニットと、リング環の種類とその数が入力される処理ユニットと、リング状分子内に存在する異原子の数が入力される処理ユニットと、リング状分子に結合する原子団の数が入力される処理ユニットと、各種異性体に関する情報が入力される所要数の処理ユニットとを有してなる
    ことを特徴とする沸点推算装置。
  2. 沸点の推算がなされる分子の分子量が入力される複数の処理ユニットが、第１処理ユニットと最終処理ユニットとされてなることを特徴とする請求項１記載の沸点推算装置。
  3. 原子団に関する情報が入力される処理ユニットに、鎖状分子を構成する原子団およびその数が入力される処理ユニットと、芳香環を構成する原子団およびその数が入力される処理ユニットと、リング状分子を構成する原子団およびその数が入力される処理ユニットとが含まれてなることを特徴とする請求項１記載の沸点推算装置。
  4. 芳香環に結合している原子団に関する情報が入力される処理ユニットに、電子供与基およびその数が入力される処理ユニットと、電子吸引基およびその数が入力される処理ユニットが含まれてなることを特徴とする請求項１記載の沸点推算装置。
  5. 異性体に関する情報が入力される処理ユニットに、シス異性体を指定する処理ユニットと、トランス異性体を指定する処理ユニットが含まれてなることを特徴とする請求項１記載の沸点推算装置。
  6. 異性体に関する情報が入力される処理ユニットに、芳香環に結合する原子団の情報が入力される処理ユニットが含まれてなることを特徴とする請求項１記載の沸点推算装置。
  7. 芳香環に結合する原子団の情報が入力される処理ユニットに、原子団が１個の場合を処理する処理ユニットと、２つの同じ原子団の場合を処理する処理ユニットと、２つの異なる原子団の場合を処理する処理ユニットとが含まれてなることを特徴とする請求項６記載の沸点推算装置。
  8. ２つの異なる原子団の場合を処理する処理ユニットに、原子団がオルト位にある場合を処理する処理ユニットと、原子団がメタ位にある場合を処理する処理ユニットと、原子団がパラ位にある場合を処理する処理ユニットとが含まれてなることを特徴とする請求項７記載の沸点推算装置。
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