SPMS:一种基于球面投影的分子描述符

SPMS：一种基于球面投影的分子描述符

SPMS（Spherical Projection descriptor of Molecular Stereostructure）是一种创新的分子立体结构描述符，它基于球面投影原理，能够精准地刻画分子的范德华表面。以下是对SPMS的详细解释：

一、SPMS的定义与重要性

SPMS旨在解决不对称催化中分子立体结构描述的关键问题。在化学反应中，尤其是手性催化反应，分子的范德华表面与空间位阻直接相关，影响催化剂分子对底物分子的进攻方向。因此，准确刻画分子的范德华表面对于预测手性反应的机器学习模型（如预测反应ee值、ΔΔG等）具有重要意义。SPMS正是为此目的而设计的。

二、SPMS的计算方法

标准化朝向：
为确保相同分子的描述符具有旋转平移不变性，需要为每个分子设定一个标准化的朝向。
通过（半）固定空间中的三个点来固定分子的三维结构朝向。首先确定关键原子（如手性碳），将其移动至三维坐标轴的原点；然后将离原点最近的原子旋转至Z轴正半轴；最后将离原点最远的原子旋转至YZ平面上。
球面投影：
以原点为球心，设定一个能包住整个分子的半径。
计算以原点为中心的所有方向上分子范德华表面至球面的最近距离。
将这些距离信息投影至球面并展开，得到SPMS矩阵，该矩阵精准描绘了分子的范德华表面。

三、SPMS的应用实例

分子形状描述：
SPMS能够清晰展示不同分子骨架、取代基以及手性相反的分子之间的立体结构差异。
如图2所示，通过SPMS图像可以直观比较不同分子的位阻大小，以及对称分子的对称性。
机器学习应用：
SPMS描述符在机器学习模型中具有广阔的应用前景。
可以将参与反应的分子转化为SPMS矩阵，作为机器学习模型的输入特征来预测反应结果。
例如，在亚胺不对称加成反应数据集中，使用SPMS描述符的机器学习模型能够准确预测反应的ΔΔG值。
化学解释：
除了作为机器学习描述符外，SPMS的二维图像还可以用于化学解释。
传统化学研究中常用四象图来定性描述催化剂分子可进攻方向上的位阻。而SPMS描述符则可以对这四个区域进行积分，定量描述这四个象限的位阻。

四、SPMS的优势与前景

优势：
SPMS能够准确捕获分子的范德华表面信息，为机器学习模型提供高质量的输入特征。
SPMS的二维图像直观易懂，有助于化学工作者理解分子的立体环境。
前景：
随着机器学习技术的不断发展，SPMS描述符在不对称催化、药物设计等领域的应用前景将更加广阔。
未来可以进一步探索SPMS与其他描述符的结合使用，以提高机器学习模型的预测性能。

五、结论

SPMS是一种基于球面投影的分子立体结构描述符，能够准确刻画分子的范德华表面信息。它在机器学习预测和化学解释方面都具有重要价值，为不对称催化等领域的研究提供了新的工具和方法。

如需了解更多关于SPMS的信息或获取相关资源，请访问绘制SPMS图像的网站（www.spmsgen.net）或GitHub项目地址（

https://github.com/licheng-xu-echo/SPMS

）。

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