化学信息学期末论文

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, quantitative structure-activity relationship)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 、Total Connectivity 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：

图2 编号化合物的具体取代基与部分化学特性

表1

Compd IC50 PIC50

32 12.9 -1.1105897103

33 6 -0.77815125038

34 6.1 -0.78532983501

35 7.2 -0.85733249643

36 7.1 -0.85125834872

37 6 -0.77815125038

38 8.7 -0.93951925262

42 8 -0.90308998699

43 4.9 -0.69019608003

44 9.5 -0.97772360529

45 5.9 -0.77085201164

46 4 -0.60205999133

47 4.1 -0.61278385672

48 4.1 -0.61278385672

49 6.2 -0.7923916895

52 14 -1.1461280357

54 9.2 -0.96378782735

55 12.1 -1.0827853703

56 9.3 -0.96848294855

57 3.3 -0.51851393988

59 5.7 -0.75587485567

1.2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。ChemOffice Ultra 包括 ChemDraw Ultra 化学结构绘图、Chem3D Ultra 分子模型及仿真、ChemFinder Ultra 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）Hyperchem 8.0

HyperChemm 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）Gaussian 03

Gaussian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。

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）SPSS 18.0

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 SPSS 18.0 for Windows。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。SPSS 18 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，SPSS 18 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。Microsoft Excel是微软公司的办公软件Microsoft office的组件之一，是由Microsoft为Windows和Apple Macintosh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：