Explainable Supervised Machine Learning Model To Predict Solvation Gibbs Energy

溶剂化 水准点(测量) 可达表面积 机器学习 计算机科学 人工智能 相关性(法律) 极化率 人工神经网络 恐溶剂的 特征(语言学) 吉布斯自由能 分子描述符 量子化学 化学 数量结构-活动关系 计算化学 分子 热力学 物理 有机化学 哲学 语言学 法学 地理 政治学 大地测量学
作者
José Ferraz-Caetano,Filipe Teixeira,M. Natália D. S. Cordeiro
出处
期刊:Journal of Chemical Information and Modeling [American Chemical Society]
卷期号:64 (7): 2250-2262 被引量:40
标识
DOI:10.1021/acs.jcim.3c00544
摘要

High Resolution Image Download MS PowerPoint Slide Many challenges persist in developing accurate computational models for predicting solvation free energy (Δ G sol ). Despite recent developments in Machine Learning (ML) methodologies that outperformed traditional quantum mechanical models, several issues remain concerning explanatory insights for broad chemical predictions with an acceptable speed–accuracy trade-off. To overcome this, we present a novel supervised ML model to predict the Δ G sol for an array of solvent–solute pairs. Using two different ensemble regressor algorithms, we made fast and accurate property predictions using open-source chemical features, encoding complex electronic, structural, and surface area descriptors for every solvent and solute. By integrating molecular properties and chemical interaction features, we have analyzed individual descriptor importance and optimized our model though explanatory information form feature groups. On aqueous and organic solvent databases, ML models revealed the predictive relevance of solutes with increasing polar surface area and decreasing polarizability, yielding better results than state-of-the-art benchmark Neural Network methods (without complex quantum mechanical or molecular dynamic simulations). Both algorithms successfully outperformed previous Δ G sol predictions methods, with a maximum absolute error of 0.22 ± 0.02 kcal mol –1, further validated in an external benchmark database and with solvent hold-out tests. With these explanatory and statistical insights, they allow a thoughtful application of this method for predicting other thermodynamic properties, stressing the relevance of ML modeling for further complex computational chemistry problems.

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