Výpočty pKa na základě atomových nabojů

RNDr. Stanislav Geidl

Bachelor's thesis

pKa prediction based on atomic charges

Abstract:

Tato bakalářská práce je zaměřena na predikci hodnot pKa molekul fenolů pomocí QSPR modelů využívajících jako deskriptory atomové náboje. Používali jsme datovou sadu obsahující 143 molekul fenolů získaných z databáze NCI. Pro tyto molekuly jsme vypočítali kvantově mechanické náboje pomocí 83 různých kombinací kvantových metod (HF, MP2, B3LYP, BLYP, BP86, AM1 a PM3), bázových sad (STO-3G, 6-31G* a 6-11G) a populačních analýz (NPA, Mullikenova, Löwdinova, Hirshfeldova a ESP). Rovněž jsme pro dané molekuly vypočítal empirické náboje pomocí Gasteigerovy metody. Pro empirické náboje i každý z 83 typů kvantově mechanických nábojů jsme poté vytvořili QSPR modely a tyto modely jsme parametrizovali a validovali. Z výsledků validace vyplývá, že kvantově mechanické náboje jsou velmi vhodnými deskriptory pro predikci pKa pomocí QSPR metod. Všech sedm zkoumaných kvantově mechanických metod a všechny tři báze lze úspěšně použít pro predikci pKa. Takřka všechny populační analýzy poskytovaly atomové náboje, které jsou vhodné pro QSPR modelování pKa. Pouze ESP se ukázala nevhodná pro využití v rámci predikce pKa. QSPR model založený na Gasteigerových nábojích vykazoval naopak jen velmi slabou korelaci s pKa a takovéto empirické náboje nejsou tedy pro výpočet pKa použitelné. Výsledky práce byly publikovány na mezinárodních konferencích a připravujeme časopisecké publikace týkající se dané problematiky.

Abstract:

The bachelor work is focused on prediction of pKa values for phenol molecules and we use QSPR models with atomic charges as descriptors. We worked with a data set containing 143 phenol molecules, obtained from NCI database. Quantum mechanical (QM) charges of these molecules were calculated using 83 different combinations of QM theory levels (HF, MP2, B3LYP, BLYP, BP86, AM1, and PM3), basis sets (STO-3G, 6-31G*, and 6-11G) and population analyses (NPA, Mulliken, Löwdin, Hirshfeld, and ESP). We also calculated empirical charges via Gasteiger method. After it, we parameterized and validated QSPR models for the empirical method and all 83 QM methods. The results of validation show, QM charges are very suitable descriptors for pKa prediction via QSPR methods. All seven analyzed QM theory levels and all three basis sets can be successfully used for pKa prediction. Almost all population analyses provide charges relevant for QSPR modelling, only exception is ESP. Contrariwise, QSPR model based on Gasteiger charges showed a weak correlation with pKa and these empirical charges are not applicable for pKa calculation. Results of work were presented at international conferences and scientific publications are in preparation.

Keywords

disociační konstanta, pKa, fenoly, vztah mezi stukturou a vlastností, QSPR model, náboje dissociation constant, phenols, quantitative structure-property relationship, charges

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 13. 5. 2011

Thesis defence

• Date of defence: 17. 6. 2011
• Supervisor: prof. RNDr. Jaroslav Koča, DrSc.
• Reader: Mgr. Stanislav Kozmon, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Biochemistry / Chemoinformatics and Bioinformatics