Parametrizace EEM pro chemoinformatické aplikace

Bc. Tomáš Bouchal

Master's thesis

Parameterization of EEM for chemoinformatics applications

Abstract:

Parciální atomové náboje jsou reálná čísla příslušející jednotlivým atomům v molekule a popisující distribuci elektronové hustoty v dané molekule. Náboje nelze určit experimentálně, a proto bylo vyvinuto mnoho metod pro jejich výpočet. Tyto metody lze rozdělit do dvou skupin. První skupina zahrnuje kvantově-mechanické metody, které jsou velmi přesné, ale časově náročné. Druhá skupina zahrnuje rychlé empirické metody. Tato práce je zaměřena na empirickou metodu EEM (Electronegativity equalization method). EEM poskytuje parciální atomové náboje srovnatelné kvality jako kvantová mechanika, ale vyžaduje parametrizaci. Dosud publikované EEM parametry pokrývají jen malou část molekul dostupných v databázích (pouze 35 - 81 % molekul lze zpracovat pomocí těchto parametrů). Z tohoto důvodu bylo cílem mé práce vytvoření nových a vysoce kvalitních EEM parametrů s podstatně vyšším pokrytím. Nejdříve jsem vypočítal 150 různých ab-initio parciálních atomových nábojů pomocí kombinací pěti schémat pro výpočet náboje (AIM, ESP, MPA, NPA, RESP), tří úrovní teorie (B3LYP, HF a MP2) a dvou bázových sad (STO-3G a 6-31G*). Poté jsem pro ně udělal EEM parametrizaci. Tato parametrizace byla úspěšná: 60 % všech vypočítaných sad EEM parametrů mělo R^2 větší než 0.9 a pokrytí bylo lepší než 90 % pro všechny vybrané molekuly.

Abstract:

Partial atomic charges are real numbers assigned to each atom and they describe electron density of a molecule. The charges cannot be determined experimentally and many methods for their calculation were developed. These methods can be divided into two groups. The first group includes quantum mechanical methods, which are very accurate, but time-demanding. The second group includes fast empirical approaches. This work is focused on empirical approach EEM (Electronegativity equalization method). EEM produces the partial atomic charges with similar quality as quantum mechanics, but it requires parameterization. The database coverage of published EEM parameters is insufficient for chemoinformatical applications (i.e., only about 35 - 81 \% molecules are can be processed using these parameters). Therefore, a goal of this work was to create new high quality EEM parameters with markedly better coverage. First, I calculated 150 different ab-initio partial atomic charges by using combinations of five charge calculation schemes (AIM, ESP, MPA, NPA, RESP), three theory levels (B3LYP, HF and MP2) and two basis sets (STO-3G and 6-31G*). Then, I did EEM parameterization for them. These parameterizations were successful: 60 % of all calculated sets of EEM parameters have R^2 greater than 0.9 and the coverage was better than 90 % for all selected databases.

Keywords

EEM, partial atomic charges, parciální atomové náboje, parameterization, parametrizace, organic molecules, organické molekuly

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 19. 5. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 19. 6. 2014
• Supervisor: doc. RNDr. Radka Svobodová Vařeková, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Biochemistry / Chemoinformatics and Bioinformatics