[發(fā)明專利]基于拓?fù)錂C(jī)器學(xué)習(xí)的有機(jī)化學(xué)合成智能分析方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202211425974.5
• 申請(qǐng)日: 2022-11-14
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN115910225A
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-04-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李謙;郭艷慧;王巖;彭李超;楊曉慧
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 河南大學(xué)
• 主分類號(hào): G16C20/10
• 分類號(hào): G16C20/10;G16C20/70;G06F18/23;G06N5/01;G06N20/20
• 代理公司: 鄭州優(yōu)盾知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 41125
• 代理人: 鄭園

本發(fā)明提出了一種基于拓?fù)錂C(jī)器學(xué)習(xí)的有機(jī)化學(xué)合成智能分析方法，包括：拓?fù)涮卣鞯墨@取：通過(guò)拓?fù)鋽?shù)據(jù)分析對(duì)三維結(jié)構(gòu)描述符進(jìn)行拓?fù)洳蛔兞康奶崛。@取拓?fù)涮卣鳎⑷S結(jié)構(gòu)描述符與拓?fù)涮卣骷?jí)聯(lián)；智能預(yù)測(cè)：通過(guò)LightGBM算法對(duì)級(jí)聯(lián)后的特征進(jìn)行訓(xùn)練和預(yù)測(cè)，利用網(wǎng)格搜索法獲取LightGBM算法的最佳參數(shù)以得到LightGBM模型，并利用LightGBM模型預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)率；產(chǎn)率和反應(yīng)條件的相關(guān)性分析：根據(jù)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)率利用拓?fù)鋽?shù)據(jù)分析對(duì)級(jí)聯(lián)后的特征進(jìn)行聚類分析，挖掘出產(chǎn)率和反應(yīng)條件之間的關(guān)系。本發(fā)明能自動(dòng)且高效的對(duì)有機(jī)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)率進(jìn)行智能預(yù)測(cè)，能深層次挖掘產(chǎn)率和反應(yīng)條件之間的內(nèi)在關(guān)系，為用戶提供可靠的決策信息，加速了化學(xué)研發(fā)過(guò)程。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及基于應(yīng)用數(shù)學(xué)和人工智能的有機(jī)化學(xué)合成技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種基于拓?fù)錂C(jī)器學(xué)習(xí)的有機(jī)化學(xué)合成智能分析方法。

背景技術(shù)

偶聯(lián)反應(yīng)在有機(jī)化學(xué)合成中十分重要，其產(chǎn)物廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、天然產(chǎn)物甚至先進(jìn)的功能材料，氨基酸結(jié)合成蛋白質(zhì)的反應(yīng)也是偶聯(lián)反應(yīng)。在過(guò)去的幾十年里，過(guò)渡金屬催化的偶聯(lián)反應(yīng)迅猛發(fā)展，其中鈀(Pd)催化的交叉偶聯(lián)反應(yīng)是其應(yīng)用的一大類，該類反應(yīng)效率較高、選擇性好、反應(yīng)條件溫和，是現(xiàn)代有機(jī)合成的有效手段。

一些復(fù)雜且重要的藥物分子、有機(jī)材料在制造過(guò)程中需要通過(guò)化學(xué)反應(yīng)將碳原子結(jié)合在一起，然而有機(jī)化合物中碳原子成鍵相對(duì)較穩(wěn)定，很難與其它分子直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，一些方法雖然能使碳原子變得更加活躍，但也會(huì)產(chǎn)生大量的副產(chǎn)物，不僅效率低還可能造成一定的污染。而用鈀催化劑一定程度上就可以解決這個(gè)問(wèn)題，鈀原子會(huì)把不同的碳原子吸引過(guò)來(lái)，使得碳原子之間的距離變得更近、更容易結(jié)合，即為“偶聯(lián)”。這樣就不需要把碳原子激活到非常活躍的程度，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物也會(huì)比較少，反應(yīng)將更加精確和高效。Richard?F.Heck早在20世紀(jì)70年代就發(fā)現(xiàn)了用鈀催化劑能夠在較溫和的條件下實(shí)現(xiàn)碳原子之間的連接，隨后Ei-ichi?Negishi和Akira?Suzuki進(jìn)一步發(fā)展了利用鈀催化碳-碳鍵交叉偶聯(lián)的方法，使該類化學(xué)反應(yīng)的底物和產(chǎn)物類型也進(jìn)一步得到了擴(kuò)展。2010年RichardF.Heck、Ei-ichi?Negishi和Akira?Suzuki因發(fā)展出“有機(jī)合成中的鈀催化的交叉偶聯(lián)方法”獲得了該年度的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。這些偶聯(lián)合成方法的誕生，使得化學(xué)家操控原子和分子的能力和水平得到了空前的提升。

鈀催化的偶聯(lián)反應(yīng)不僅可以實(shí)現(xiàn)碳原子與碳原子的結(jié)合，也可以實(shí)現(xiàn)碳原子與其它原子之間的結(jié)合。其中，最具代表性的就是碳原子與氮原子結(jié)合的碳-氮鍵(C-N)偶聯(lián)反應(yīng)。C-N鍵的生成是現(xiàn)代有機(jī)化學(xué)和生物化學(xué)中的一個(gè)重要領(lǐng)域，通過(guò)生成C-N鍵就可以制備胺及其衍生物、含氮雜環(huán)等，它們很多都是具有生物、藥用活性的化合物以及一些物質(zhì)合成的重要中間體，如降壓藥、治療癲癇的藥物、麻醉藥等；芳胺在醫(yī)藥和功能材料等領(lǐng)域也都發(fā)揮著重要作用，如治療頭痛的藥物、抗麻風(fēng)藥物、染料的重要中間體、半導(dǎo)體材料、功能材料等等。自二十世紀(jì)初被報(bào)道以來(lái)，UIImann反應(yīng)已經(jīng)成為構(gòu)筑C-N鍵的經(jīng)典方法，但該方法使用的催化劑是金屬銅，且反應(yīng)劇烈，官能團(tuán)兼容性差，因而難以滿足有機(jī)功能分子的高效合成，特別是復(fù)雜分子的修飾。1994年以來(lái)，鈀催化的Buchwald-Hartwig偶聯(lián)反應(yīng)的發(fā)展讓C-N成鍵在金屬用量、反應(yīng)條件、底物普適性等方面都取得了顯著進(jìn)展。然而，該反應(yīng)條件復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)，成本高，傳統(tǒng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)需要大量的人工試錯(cuò)，導(dǎo)致該反應(yīng)應(yīng)用于復(fù)雜的類藥物分子中仍具有挑戰(zhàn)性。因此，如何在花費(fèi)較少、效率高的情況下得到較高的反應(yīng)產(chǎn)率以及對(duì)應(yīng)的反應(yīng)組合已成為研究人員最關(guān)心的問(wèn)題。