化学信息学期末论文

Vol1化学信息学期末论文NO.42011年8月ChemoinformaticsFinalPaper09338004简单化合物模拟与结构预测丘国力1沈勇2（中山大学化学与化学工程学院应用化学专业510275广州）摘要采用分子定量构效关系(QSAR,quantitativestructure-activityrelationship)方法，研究20个左右的芳基咪唑取代化合物（单取代或二取代）与它们的分子结构之间的关系，从35个性质参数中选出三个描述子Mass、Refractivity、TotalConnectivity建立了QSAR模型。模型的决定系数R2=0.798，调整决定系数R2adj=0.573，F=9.947，交叉验证（留一法）系数平方Q2=0.62065335005关键词分子模拟；分子定量构效关系；结构预测1.实验准备1.1查阅文献，寻找合适的化合物经网上查阅大量的英文文献，在ACS上终于找到了一类活性很强的化合物，该类化合物是一类芳基咪唑取代化合物（单取代或二取代），出自于一本药物化学文献1。骨架如图1所示，R，R1分别为取代基或氢原子。图1观察文献所提供分子的结构，挑选出21个结构比较统一，简单，易模拟的化合物进行计算，一般是IC50值小于10uM。化合物代号参照原文献标示，具体标号的化合物图2所示。挑出的21个化合物及其IC50与PIC50如下表1所示：Vol1化学信息学期末论文NO.42011年8月ChemoinformaticsFinalPaper09338004图2编号化合物的具体取代基与部分化学特性Vol1化学信息学期末论文NO.42011年8月ChemoinformaticsFinalPaper09338004表1CompdIC50PIC503212.9-1.1105897103336-0.77815125038346.1-0.78532983501357.2-0.85733249643367.1-0.85125834872376-0.77815125038388.7-0.93951925262428-0.90308998699434.9-0.69019608003449.5-0.97772360529455.9-0.77085201164464-0.60205999133474.1-0.61278385672484.1-0.61278385672496.2-0.79239168955214-1.1461280357549.2-0.963787827355512.1-1.0827853703569.3-0.96848294855573.3-0.51851393988595.7-0.755874855671.2相关软件的安装该实验主要用到的软件有：Chemoffice各种组件，Hyperchem，Gaussian，SPSS，Excel等。该实验操作所用的软件版本及其作用简要介绍如下：1）ChemOFFICE2010美国剑桥公司最新版本的ChemOffice是世界上最优秀的桌面化学软件，集强大的应用功能于一身，为我们提供了优秀的化学辅助系统，使研究工作达到一个新的高度。ChemOfficeUltra包括ChemDrawUltra化学结构绘图、Chem3DUltra分子模型及仿真、ChemFinderUltra化学信息搜寻整合系统等一系列完整的软件。可以将化合物名称直接转为结构图，省去绘图的麻烦；也可以对已知结构的化合物命名，给出正确的化合物名称。对分子进行初步优化，并计算拓扑结构的描述子。2）Hyperchem8.0HyperChemm是一款以高质量，灵活易操作而闻名的分子模拟软件。通过利用3D对量子化学计算，分子力学及动力学进行模拟动画，HyperCam为您提供比其它Windows软件更多的模拟工具。计算一系列描述子。3）Gaussian03Gaussian是一个功能强大的量子化学综合软件包。其可执行程序可在不同型号的大型计算机，超级计算机，工作站和个人计算机上运行，并相应有不同的版本。Vol1化学信息学期末论文NO.42011年8月ChemoinformaticsFinalPaper09338004高斯功能：、过渡态能量和结构、键和反应能量、分子轨道、原子电荷和电势、振动频率、红外和拉曼光谱、核磁性质、极化率和超极化率、热力学性质、反应路径，计算可以对体系的基态或激发态执行。可以预测周期体系的能量，结构和分子轨道。因此，Gaussian可以作为功能强大的工具，用于研究许多化学领域的课题，例如取代基的影响，化学反应机理，势能曲面和激发能等等。可以对分子进行更深入的优化，计算能量轨道描述子。4）SPSS18.0业界领先的预测分析软件提供商SPSS公司推出其旗舰统计分析软件SPSS的最新版本SPSS18.0forWindows。该版本继承了原有产品的特点之外还增加了许多显着的新特性。SPSS18在数据管理丶统计分析和可编程性方面增加了许多新的特性。除此之外，SPSS18还提供了新的图形选项以及PDF格式输出功能－这些都是用户强烈要求的新特性。如果用户使用了Dimensions软件用于调查研究，SPSS同样能够直接导入和导出各种Dimensions数据模型。对于企业用户来说，SPSS服务器不仅性能得到加强，其中用于SPSS预测企业服务的SPSS适配器能够让企业内部的各个部门能够更有效地使用一致性的数据。5）Excel主要用于记录数据，进行简单计算。MicrosoftExcel是微软公司的办公软件Microsoftoffice的组件之一，是由Microsoft为Windows和AppleMacintosh操作系统的电脑而编写和运行的一款试算表软件。Excel是微软办公套装软件的一个重要的组成部分，它可以进行各种数据的处理、统计分析和辅助决策操作。2.化合物各种性质计算先用ChemBioDraw画出化合物分子，然后在Chembio3D中进行几何优化（先用分子力学方法，MM2、分子动力学模拟和单键旋转找最低能量结构，然后用GAMESS的半经验法PM3进行优化。）2.1分子优化ChemDraw画出分子结构图，在Chem3D中先对分子进行MM2几何优化，再转动可以转动的化学键，优化几何构型，接下来再做分子动力学，得到最稳定的几何结构。本次实验所选化合物均较简单，所以只有少数化合物有化学键可以转动，其余均利用MM2方法与分子动力学进行优化。2.2拓扑结构描述子计算利用Chem3D中的计算功能计算出拓扑结构描述子等。如下表2.1_2.4记录：Vol1化学信息学期末论文NO.42011年8月ChemoinformaticsFinalPaper09338004表2.1CompdWaterSolubilityBalabanIndexClusterCountMolecularTopologicalIndex320261111207474330339828218835340436849221036135055514323120603606979702413940370868898251600938010718122618275420144300184780430192241195754440253013206874450329016218148460422919229548470537669231119048067650424129744908429712514944520187112206764540373754231039655046598724119585605773712513709570710752261565759010561612820176表2.2NumRotatableBond(s)PolarSurfaceAreaAngstromsSquaredRadiusAtom(s)ShapeAttribute843.84718.05943.84719.0476190481043.84820.0454545451143.84821.0434782611243.84922.0416666671343.84923.041443.841024.038461538543.84616.055555556643.84617.0526316743.84718.05843.84719.047619047943.84820.0454545451043.84821.0434782611143.84922.0416666671243.84923.04Vol1化学信息学期末论文NO.42011年8月ChemoinformaticsFinalPaper09338004343.84618.05643.84721.043782608743.84822.041666667843.84823.04943.84924.0384615381143.841026.035714286表2.3ShapeCoefficientSumOfDegreesSumOfValenceDegreesTopologicalDiameter042581314460140466215148641605066171526818054701903853.7777777781114055.7777777781204257.7777777781314459.7777777781404661.7777777781514863.7777777781605065.7777777781715267.77777777818044661115072140527415154761605678170608219表2.4TotalConnectivityTotalValenceConnectivityWienerIndex0.000868055555564.7250959544E-059450.000613807969783.3411473911E-0511180.000434027777782.3625479772E-0513120.000306903984891.6705736956E-0515280.000217013888891.1812739886E-051767Vol1化学信息学期末论文NO.42011年8月ChemoinformaticsFinalPaper093380040.000153451992448.3528684779E-0620300.000108506944445.9063699431E-0623180.0020046880.000131237664246410.00141752878639.2799042331E-057691.00100234426.561883212E-059160.000708764393174.6399521165E-0510830.00050117213.280941606E-0512710.000354382196582.3199760583E-0514810.0002505861.640470803E-0517140.000177191098291.1599880291E-0519710.00057870370371.0500213232E-058590.000204602653.7123859902E-0613160.0001446759252.625053308E-0615130.00010231.8561929951E-0617347.23379629631.312526654E-0619803.6168981481E-056.5626332701E-0725512.3高斯轨道能量计算用gaussion软计算出HOMO，次级HOMO，LOMO，次级LOMO，以及四个取代位置的电荷描述子。其中NC1是指咪唑环上取代基连着的N的自然电荷，NC1a是指咪唑环上取代基的第一个原子的自然电荷，NC2是指苯环上取代基连着的C的自然电荷，NC2a是指苯环上取代基的第一个原子的自然电荷。具体计算结果如表3所示：表3CompdIC50PIC50Hom