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2020年(2)-卤键本质与理论描述方法研究进展与展望

已有 566 次阅读 2020-7-5 16:52 |系统分类:论文交流

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卤键是一种被广泛应用于药物设计、晶体工程和材料科学等多个领域的非共价相互作用。近日,受美国化学会出版的化学信息学和分子模拟核心期刊Journal of Chemical Information and Modeling邀请,中科院上海药物研究所徐志建/朱维良团队撰写Perspective文章,总结了近年来对卤键本质的探讨工作及量子力学、分子力学等多级别下卤键描述方法的研究进展。

尽管IUPAC2013年给出了卤键的推荐定义:“卤键是指含卤分子实体中,卤原子的亲电区域,与同一或另一分子实体中亲核区域的净吸引作用”,然而这一定义本身并没有明确卤键作用的本质,导致有关卤键作用本质和特点的理论探讨仍在继续。本文作者系统地总结了文献中用于卤键理论研究的各种计算方法,并给出了自己的建议和展望。

量子力学(QM)方法由于其高精确性而被广泛应用于各类卤键体系的描述中。近年,多个CCSD(T)/CBS级别的卤键作用数据集被构建报导,为各类新方法的开发与评估提供了极好的对照基准。经典的密度泛函方法(B3LYP等)由于对色散作用的严重低估而不被认为能合理描述卤键作用;而三代(DFT-D3)、四代(DFT-D4)色散校正方法及M06-2X等考虑了非共价相互作用数据集而构建的明尼苏达系列泛函的出现很好地解决了密度泛函方法在非共价相互作用计算中的局限性。而PM系列、xTB系列等各类半经验量化(SQM)方法的发展也为描述卤键提供了性价比更高的方案。

作者以X40数据集(J. Chem. Theory Comput. 2012, 8, 4285-4292)中的18个卤键体系为对照基准,评估了多个QMSQM方法在描述卤键复合物几何结构和相互作用能中的表现,并基于测试结果推荐了不同规模复合物中描述卤键的方案:对用得起杂化泛函(hybrid functionals)的体系,建议使用B3LYP-D3B3LYP-D4做几何结构优化;并使用M06-2X方法或其色散校正(DEZERO)后的版本分别描述X···YX···π卤键体系的单点能。对于仅用得起GGA泛函的体系,建议使用BLYP-D3BLYP-D4做几何优化;用BP86-D4X···Y卤键体系的单点能,而用PBE-D3PBE-D4X···π体系单点能。对SQM方法,建议使用GFN1-xTBGFN2-xTB做几何结构优化;当需要用SQM方法算卤键结合能时,建议使用GFN1-xTB计算X···Y卤键体系,而用PM6PM7计算X···π体系。

经典的分子力场中将原子电荷视为点电荷的方案无法合理地描述共价结合的卤原子电荷分布的各项异性,而外置正电性点电荷(positve extra-point, PEP)的引入为这一问题提供了最简洁地解决方案,在卤代配体-蛋白复合物中展现了良好的描述效果(J. Comput. Chem. 2011, 32, 2564-2574; J. Phys. Chem. B 2012, 116, 3659-3669)。这一方案近年也被引入OPLS系列(J. Chem. Theory Comput. 2016, 12, 281-296; J. Chem. Theory Comput. 2019, 15, 1863-1874)、CHARMM系列(Bioorgan. Med. Chem. 2016, 24, 4812-4825)及一些可极化的力场(J. Phys. Chem. B 2015, 119, 13422-13432; J. Chem. Theory Comput. 2018, 14, 1083-1098)中;另也有对PEP方案的多级校正(Chem. Phys. Lett. 2018, 712, 89-94; J. Chem. Theory Comput. 2019, 15, 1159-1167)和溶剂模型适用性(J. Chem. Theory Comput. 2019, 15, 4241-4251)等方面的探索,均在其各自体系中表现良好。

首个在对接软件中基于分子力学方案合理描述卤键的案例同样基于PEP模型(Chem. Commun. 2013, 49, 981-983)。而几乎是在同一时间,朱维良团队提出了首个不依赖于PEP模型的基于知识的打分函数XBPMFJ. Mol. Model. 2013, 19, 5015-5030)。而联用了XBPMF及该团队后续基于QM计算数据集而开发的XBScoreQMJ. Mol. Model. 2015, 21, 138)而整合开发的对接软件D3DOCKxb,在B-Rafv600E的虚拟筛选中发现了rafoxanideclosantel两个和上市药物vemurafenib具有相当活性的含卤老药(Sci. Rep. 2016, 6, 31074)。此外,文中也讨论了一些基于多级校正(Dokl. Chem. 2016, 471, 338-342)、几何参数(J. Cheminformatics 2016, 8, 27)、以及SQM方法(Chem. Commun. 2016, 52, 3312-3315)而开发的打分函数或虚拟筛选方案。

综上所述,一方面,尽管卤键的“本质”依然面临探讨,但探讨过程本身丰富了研究者用于探索非共价相互作用的计算工具。对此,作者认为,对卤键等非共价相互作用的探讨应当强调其化学意义,即在“经典”化学概念中的可解释性。若是真正溯源相互作用的“本质”,则所有的原子间相互作用都应当被归为物理学基本作用中的电磁作用,但这样的探讨对于理解卤键的化学角色显然是没有意义的。另一方面,图卷积网络预测表面静电势(J. Med. Chem. 2019, DOI: 10.1021/acs.jmedchem.9b01129)及静电背景扣除(Chem. Eur. J. 2016, 22, 9226-9234; Phys. Chem. Chem. Phys. 2019, 21, 15106-15119)等新方案的提出也可能为高效卤键描述方法的发展带来机遇。这些结果将进一步帮助人们理解卤键、硫键、磷键等σ-hole作用,从而促进其在药物设计、高分子自组装等领域的应用与发展。

中科院上海药物研究所朱正诞博士为文章的第一作者,徐志建副研究员和朱维良研究员为通讯作者。

 

参考文献

Zhu, Z.; Xu, Z.; Zhu, W., Interaction Nature and Computational Methods for Halogen Bonding: A Perspective. J. Chem. Inf. Model. 2020, 60 (6), 2683-2696 (DOI: https://doi.org/10.1021/acs.jcim.0c00032). 




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