[發明專利]量子化學計算對環狀有機物反應活性和致癌性的預測方法

在審

• 申請號: 202011325807.4
• 申請日: 2020-11-23
• 公開（公告）號: CN112466406A
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發明（設計）人: 王曉華;邊佳輝
• 申請（專利權）人: 中國科學院植物研究所;北京林業大學
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00;G16C20/40
• 代理公司: 北京化育知識產權代理有限公司 11833
• 代理人: 涂琪順

本發明公開了量子化學計算對環狀有機物反應活性和致癌性的預測方法，根據IARC數據庫中幾種有機化合物的分子結構，首先對各種結構進行能量和結構的優化，在此基礎上進行不同電子態的能量和波函數計算，通過對比得到的參數，建立環狀有機物反應活性的量化指標預測和致癌性的預測。本發明基于概念密度泛函理論(CDFT)的波函數分析，通過計算化合物的全局指數、實空間函數和原子指數等量子化學參數作為預測描述符，結合IARC數據庫進行分類，篩選出5種最優描述符。該模型應用域明確，具有良好的穩健性和預測能力。本發明中的預測方法能夠準確、高效地完成化合物毒性及致癌性的預測，為有機化合物健康危害評價提供有效方法。

技術領域

本發明涉及一種預測環狀有機物的方法，特別涉及量子化學計算對環狀有機物反應活性和致癌性的預測方法。

背景技術

隨著隨著全球發展進程的加快，以及大量化學物質的生產和應用，排放到環境以及食物、飲用水中的種類和數量的日益增多，對化學物質的安全性評估和環境評價越來越重要。其中，對生命健康影響最大、關注最廣的是環狀化合物，以及易形成氧化或硝化多環芳烴衍生物，其衍生物往往具有更大的毒性和致癌性。因此獲得環狀有機及其衍生物的危險性質，如毒性，DNA堿基結合和致癌性等，對于危險物質的風險評估、管理控制、生活應用等具有重要的理論和實際意義。傳統的毒性風險評價包括下列四個步驟：危害識別、劑量-反應評價、暴露評價和風險表征。然而，在實際的研究分析中，這些數據的獲取要通過實驗獲得，而面對大量已存在的和即將投入使用的有機化合物，其工作量是非常巨大的。這會造成實測毒性數據不全，且毒性測試受體不一致，無法有效地對其毒性和致癌性進行評價。

發明內容

本發明的目的在于提供量子化學計算對環狀有機物反應活性和致癌性的預測方法，該方法通過量子化學計算和波函數分析，確定最佳的對環狀化合物反應活性和致癌性的預測指標參數。用于環狀化合物的定量結構-反應活性相關研究，并預測它們的致癌性，可以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

量子化學計算對環狀有機物反應活性和致癌性的預測方法，包括如下步驟：

步驟1：通過相關的毒性試驗或者已有的數據庫和文獻，獲取6個環狀有機物的致癌性呈陰性或陽性的數據；

步驟2：使用ChemDraw化學軟件構建環狀化合物的分子結構，利用量子化學軟件Gaussian或ORCA，以不低于DFT的B3LYP方法和6-311G*基組對環狀化合物進行結構優化；

步驟3：取優化后的結構文件，對中性N、得到1個電子N+1和失去一個電子N-1的3個狀態的分子，分別制作不同帶電狀態對應的量化軟件Gaussian或ORCA輸入文件；

步驟4：在不低于B3LYP/6-311G*的計算水平下計算分子的單點能，獲得量子化學參數，同時獲得相應的含有波函數信息的wfn文件；

步驟5：利用波函數分析軟件Multiwfn的CDFT模塊，通過讀取wfn文件中的能量信息和波函數信息，通過計算Hirshfeld電荷，得到各種CDFT指數；

步驟6：進一步通過Multiwfn的Fukui函數計算模塊，計算不同帶電狀態分子的福井函數等值面，并導出相應的親電、親核、自由基反應和雙描述符的等值面圖；

步驟7：通過考察不同致癌性值和CDFT指數、不同描述符的關聯，確定最佳的對環狀化合物反應活性和致癌性的預測指標參數，用于預測沒有經過試驗測定的同類型有機物的相關反應活性和致癌性。

進一步地，步驟2中采用分子力學方法，在MM2力場下對所建幾何構型進行初步優化，或直接通過半經驗的PM6量子化學方法進行結構優化，以獲得能量最低的穩定構型。