Here, we demonstrate how machine learning enables the prediction of comonomers reactivity ratios based on the molecular structure of monomers. We combined multi-task learning, multi-inputs, and Graph Attention Network to build a model capable of predicting reactivity ratios based on the monomers chemical structures.

Ionic Liquids (ILs) provide a promising solution for CO$_2$ capture and storage to mitigate global warming. However, identifying and designing the high-capacity IL from the giant chemical space requires expensive, and exhaustive simulations and experiments. Machine learning (ML) can accelerate the process of searching for desirable ionic molecules through accurate and efficient property predictions in a data-driven manner. But existing descriptors and ML models for the ionic molecule suffer from the inefficient adaptation of molecular graph structure. Besides, few works have investigated the explainability of ML models to help understand the learned features that can guide the design of efficient ionic molecules. In this work, we develop both fingerprint-based ML models and Graph Neural Networks (GNNs) to predict the CO$_2$ absorption in ILs. Fingerprint works on graph structure at the feature extraction stage, while GNNs directly handle molecule structure in both the feature extraction and model prediction stage. We show that our method outperforms previous ML models by reaching a high accuracy (MAE of 0.0137, $R^2$ of 0.9884). Furthermore, we take the advantage of GNNs feature representation and develop a substructure-based explanation method that provides insight into how each chemical fragments within IL molecules contribute to the CO$_2$ absorption prediction of ML models. We also show that our explanation result agrees with some ground truth from the theoretical reaction mechanism of CO$_2$ absorption in ILs, which can advise on the design of novel and efficient functional ILs in the future.

机器学习（ML）已经证明了用于准确和结晶材料的准确性能预测的承诺。为了化学结构的高度精确的ML型号的化学结构属性预测，需要具有足够样品的数据集。然而，获得昂贵的化学性质的获得和充分数据可以是昂贵的令人昂贵的，这大大限制了ML模型的性能。通过计算机视觉和黑暗语言处理中数据增强的成功，我们开发了奥古里希姆：数据八级化图书馆化学结构。引入了弃头晶系统和分子的增强方法，其可以对基于指纹的ML模型和图形神经网络（GNNS）进行脱颖而出。我们表明，使用我们的增强策略意义地提高了ML模型的性能，特别是在使用GNNS时，我们开发的增强件在训练期间可以用作广告插件模块，并在用不同的GNN实施时证明了有效性。模型通过Theauglichem图书馆。基于Python的封装我们实现了EugliChem：用于化学结构的数据增强库，可公开获取：https：//github.com/baratilab/auglichem.1

The accurate prediction of physicochemical properties of chemical compounds in mixtures (such as the activity coefficient at infinite dilution $\gamma_{ij}^\infty$) is essential for developing novel and more sustainable chemical processes. In this work, we analyze the performance of previously-proposed GNN-based models for the prediction of $\gamma_{ij}^\infty$, and compare them with several mechanistic models in a series of 9 isothermal studies. Moreover, we develop the Gibbs-Helmholtz Graph Neural Network (GH-GNN) model for predicting $\ln \gamma_{ij}^\infty$ of molecular systems at different temperatures. Our method combines the simplicity of a Gibbs-Helmholtz-derived expression with a series of graph neural networks that incorporate explicit molecular and intermolecular descriptors for capturing dispersion and hydrogen bonding effects. We have trained this model using experimentally determined $\ln \gamma_{ij}^\infty$ data of 40,219 binary-systems involving 1032 solutes and 866 solvents, overall showing superior performance compared to the popular UNIFAC-Dortmund model. We analyze the performance of GH-GNN for continuous and discrete inter/extrapolation and give indications for the model's applicability domain and expected accuracy. In general, GH-GNN is able to produce accurate predictions for extrapolated binary-systems if at least 25 systems with the same combination of solute-solvent chemical classes are contained in the training set and a similarity indicator above 0.35 is also present. This model and its applicability domain recommendations have been made open-source at https://github.com/edgarsmdn/GH-GNN.

由于控制结构特性关系的分子间相互作用的微妙平衡，预测由分子构建块形成的晶体结构的稳定性是一个高度非平凡的科学问题。一种特别活跃和富有成果的方法涉及对相互作用的化学部分的不同组合进行分类，因为了解不同相互作用的相对能量可以使分子晶体的设计和微调其稳定性。尽管这通常是基于对已知晶体结构中最常见的基序的经验观察进行的，但我们建议采用有监督和无监督的机器学习技术的组合来自动化分子构建块的广泛库。我们介绍了一个针对有机晶体的结合能量预测的结构描述符，并利用以原子为中心的性质来获得对不同化学基团对晶体晶格能量的贡献的数据驱动评估。然后，我们使用结构 - 能量景观的低维表示来解释该库，并讨论可以从本分析中提取的见解的选定示例，从而提供了一个完整的数据库来指导分子材料的设计。

离子液体（ILS）是可持续过程的重要溶剂，并且需要预测IL中溶质的活性系数（AC）。最近，矩阵完成方法（MCM），变压器和图神经网络（GNN）在预测二元混合物的AC方面表现出很高的精度，例如宇宙RS和UNIFAC优于公认的模型。 GNN在这里特别有希望，因为他们学习了分子图到特性的关系，而无需预处理，通常是变压器所需的，并且与MCMS不同，适用于不包括训练中不包括的分子。但是，对于ILS，目前缺少GNN应用程序。在此，我们提出了一个GNN，以预测IL中溶质的温度依赖性无限稀释液。我们在包括40,000多个AC值的数据库上训练GNN，并将其与最先进的MCM进行比较。 GNN和MCM实现了类似的高预测性能，GNN还可以对培训期间未考虑的IL和溶质的AC进行高质量的预测。

反转合是药物发现的主要任务。通过许多现有方法，它被称为生成图的问题。具体而言，这些方法首先识别反应中心，并相应地打破靶分子以生成合成子。反应物是通过顺序添加到合成图或直接添加正确的离开组来生成反应物。但是，两种策略都遭受了添加原子以来会导致长期的预测顺序，从而增加了产生难度，同时添加离开组只能考虑训练集中的序列，从而导致概括不佳。在本文中，我们提出了一个新颖的端到端图生成模型，用于逆转录合成预测，该模型顺序识别反应中心，生成合成子，并将基序添加到合成子中以生成反应物。由于化学有意义的基序比原子大，比离开组还小，因此与添加原子相比，与添加离开组相比，我们的方法的预测复杂性较低。基准数据集上的实验表明，所提出的模型显着胜过先前的最新算法。

阐明并准确预测分子的吸毒性和生物活性在药物设计和发现中起关键作用，并且仍然是一个开放的挑战。最近，图神经网络（GNN）在基于图的分子属性预测方面取得了显着进步。但是，当前基于图的深度学习方法忽略了分子的分层信息以及特征通道之间的关系。在这项研究中，我们提出了一个精心设计的分层信息图神经网络框架（称为hignn），用于通过利用分子图和化学合成的可见的无限元素片段来预测分子特性。此外，首先在Hignn体系结构中设计了一个插件功能的注意块，以适应消息传递阶段后自适应重新校准原子特征。广泛的实验表明，Hignn在许多具有挑战性的药物发现相关基准数据集上实现了最先进的预测性能。此外，我们设计了一种分子碎片的相似性机制，以全面研究Hignn模型在子图水平上的解释性，表明Hignn作为强大的深度学习工具可以帮助化学家和药剂师识别出设计更好分子的关键分子，以设计更好的分子，以设计出所需的更好分子。属性或功能。源代码可在https://github.com/idruglab/hignn上公开获得。

Graph classification is an important area in both modern research and industry. Multiple applications, especially in chemistry and novel drug discovery, encourage rapid development of machine learning models in this area. To keep up with the pace of new research, proper experimental design, fair evaluation, and independent benchmarks are essential. Design of strong baselines is an indispensable element of such works. In this thesis, we explore multiple approaches to graph classification. We focus on Graph Neural Networks (GNNs), which emerged as a de facto standard deep learning technique for graph representation learning. Classical approaches, such as graph descriptors and molecular fingerprints, are also addressed. We design fair evaluation experimental protocol and choose proper datasets collection. This allows us to perform numerous experiments and rigorously analyze modern approaches. We arrive to many conclusions, which shed new light on performance and quality of novel algorithms. We investigate application of Jumping Knowledge GNN architecture to graph classification, which proves to be an efficient tool for improving base graph neural network architectures. Multiple improvements to baseline models are also proposed and experimentally verified, which constitutes an important contribution to the field of fair model comparison.

定量探索了量子化学参考数据的训练神经网络（NNS）预测的不确定性量化的价值。为此，适当地修改了Physnet NN的体系结构，并使用不同的指标评估所得模型，以量化校准，预测质量以及预测误差和预测的不确定性是否可以相关。 QM9数据库培训的结果以及分布内外的测试集的数据表明，错误和不确定性与线性无关。结果阐明了噪声和冗余使分子的性质预测复杂化，即使在发生变化的情况下，例如在两个原本相同的分子中的双键迁移 - 很小。然后将模型应用于互变异反应的真实数据库。分析特征空间中的成员之间的距离与其他参数结合在一起表明，训练数据集中的冗余信息会导致较大的差异和小错误，而存在相似但非特定的信息的存在会返回大错误，但差异很小。例如，这是对含硝基的脂肪族链的观察到的，尽管训练集包含了与芳香族分子结合的硝基组的几个示例，但这些预测很困难。这强调了训练数据组成的重要性，并提供了化学洞察力，以了解这如何影响ML模型的预测能力。最后，提出的方法可用于通过主动学习优化基于信息的化学数据库改进目标应用程序。

Models that accurately predict properties based on chemical structure are valuable tools in drug discovery. However, for many properties, public and private training sets are typically small, and it is difficult for the models to generalize well outside of the training data. Recently, large language models have addressed this problem by using self-supervised pretraining on large unlabeled datasets, followed by fine-tuning on smaller, labeled datasets. In this paper, we report MolE, a molecular foundation model that adapts the DeBERTa architecture to be used on molecular graphs together with a two-step pretraining strategy. The first step of pretraining is a self-supervised approach focused on learning chemical structures, and the second step is a massive multi-task approach to learn biological information. We show that fine-tuning pretrained MolE achieves state-of-the-art results on 9 of the 22 ADMET tasks included in the Therapeutic Data Commons.

预测分子系统的结构和能量特性是分子模拟的基本任务之一，并且具有化学，生物学和医学的用例。在过去的十年中，机器学习算法的出现影响了各种任务的分子模拟，包括原子系统的财产预测。在本文中，我们提出了一种新的方法，用于将从简单分子系统获得的知识转移到更复杂的知识中，并具有明显的原子和自由度。特别是，我们专注于高自由能状态的分类。我们的方法依赖于（i）分子的新型超图表，编码所有相关信息来表征构象的势能，以及（ii）新的消息传递和汇总层来处理和对此类超图结构数据进行预测。尽管问题的复杂性，但我们的结果表明，从三丙氨酸转移到DECA-丙氨酸系统的转移学习中，AUC的AUC为0.92。此外，我们表明，相同的转移学习方法可以用无监督的方式分组，在具有相似的自由能值的簇中，deca-丙氨酸的各种二级结构。我们的研究代表了一个概念证明，即可以设计用于分子系统的可靠传输学习模型，为预测生物学相关系统的结构和能量性能的未开发途径铺平道路。

在药物发现中，分子优化是在所需药物性质方面将药物候选改变为更好的阶梯。随着近期人工智能的进展，传统上的体外过程越来越促进了Silico方法。我们以硅方法提出了一种创新的，以通过深生成模型制定分子并制定问题，以便产生优化的分子图。我们的生成模型遵循基于片段的药物设计的关键思想，并通过修改其小碎片来优化分子。我们的模型了解如何识别待优化的碎片以及如何通过学习具有良好和不良性质的分子的差异来修改此类碎片。在优化新分子时，我们的模型将学习信号应用于在片段的预测位置解码优化的片段。我们还将多个这样的模型构造成管道，使得管道中的每个模型能够优化一个片段，因此整个流水线能够在需要时改变多个分子片段。我们将我们的模型与基准数据集的其他最先进的方法进行比较，并证明我们的方法在中等分子相似度约束下具有超过80％的性质改善，在高分子相似度约束下具有超过80％的财产改善。 。

它是科学技术的基础，能够预测化学反应及其性质。为实现此类技能，重要的是要培养良好的化学反应表示，或者可以自动从数据中学习此类表示的良好深度学习架构。目前没有普遍和广泛采用的方法，可强健地代表化学反应。大多数现有方法患有一个或多个缺点，例如：（1）缺乏普遍性; （2）缺乏稳健性; （3）缺乏可解释性;或（4）需要过度手动预处理。在这里，我们利用基于图的分子结构表示，以开发和测试一个超图注意神经网络方法，以一次解决反应表示和性能 - 预测问题，减轻了上述缺点。我们使用三个独立数据集化学反应评估三个实验中的这种超照片表示。在所有实验中，基于超图的方法与其他表示和它们相应的化学反应模型相匹配或优于相应的模型，同时产生可解释的多级表示。

这项工作介绍了神经性等因素的外部潜力（NEQUIP），E（3） - 用于学习分子动力学模拟的AB-INITIO计算的用于学习网状体电位的e（3）的神经网络方法。虽然大多数当代对称的模型使用不变的卷曲，但仅在标量上采取行动，Nequip采用E（3） - 几何张量的相互作用，举起Quivariant卷曲，导致了更多的信息丰富和忠实的原子环境代表。该方法在挑战和多样化的分子和材料集中实现了最先进的准确性，同时表现出显着的数据效率。 Nequip优先于现有型号，最多三个数量级的培训数据，挑战深度神经网络需要大量培训套装。该方法的高数据效率允许使用高阶量子化学水平的理论作为参考的精确潜力构建，并且在长时间尺度上实现高保真分子动力学模拟。

图形神经网络（GNN）正在化学工程中出现，以基于分子图的物理化学特性端到端学习。 GNNS的一个关键要素是合并函数，将原子矢量结合到分子指纹中。大多数以前的作品都使用标准池功能来预测各种属性。但是，不合适的合并功能会导致概括不佳的非物理GNN。我们根据有关学习特性的物理知识比较并选择有意义的GNN合并方法。通过量子机械计算计算出的分子特性证明了物理池函数的影响。我们还将结果与最近的SET2Set合并方法进行了比较。我们建议使用总和池来预测取决于分子大小的性能并比较分子大小无关的属性的池函数。总体而言，我们表明物理池功能的使用显着增强了概括。

Supervised learning on molecules has incredible potential to be useful in chemistry, drug discovery, and materials science. Luckily, several promising and closely related neural network models invariant to molecular symmetries have already been described in the literature. These models learn a message passing algorithm and aggregation procedure to compute a function of their entire input graph. At this point, the next step is to find a particularly effective variant of this general approach and apply it to chemical prediction benchmarks until we either solve them or reach the limits of the approach. In this paper, we reformulate existing models into a single common framework we call Message Passing Neural Networks (MPNNs) and explore additional novel variations within this framework. Using MPNNs we demonstrate state of the art results on an important molecular property prediction benchmark; these results are strong enough that we believe future work should focus on datasets with larger molecules or more accurate ground truth labels.Recently, large scale quantum chemistry calculation and molecular dynamics simulations coupled with advances in high throughput experiments have begun to generate data at an unprecedented rate. Most classical techniques do not make effective use of the larger amounts of data that are now available. The time is ripe to apply more powerful and flexible machine learning methods to these problems, assuming we can find models with suitable inductive biases. The symmetries of atomic systems suggest neural networks that operate on graph structured data and are invariant to graph isomorphism might also be appropriate for molecules. Sufficiently successful models could someday help automate challenging chemical search problems in drug discovery or materials science.In this paper, our goal is to demonstrate effective machine learning models for chemical prediction problems

偶极矩是一个物理量，指示分子的极性，并通过反映成分原子的电性能和分子的几何特性来确定。大多数用于表示传统图神经网络方法中图表表示的嵌入方式将分子视为拓扑图，从而为识别几何信息的目标造成了重大障碍。与现有的嵌入涉及均值的嵌入不同，该嵌入适当地处理分子的3D结构不同，我们的拟议嵌入直接表达了偶极矩局部贡献的物理意义。我们表明，即使对于具有扩展几何形状的分子并捕获更多的原子相互作用信息，开发的模型甚至可以合理地工作，从而显着改善了预测结果，准确性与AB-Initio计算相当。

可拍照的分子显示了可以使用光访问的两个或多个异构体形式。将这些异构体的电子吸收带分开是选择性解决特定异构体并达到高光稳态状态的关键，同时总体红色转移带来的吸收带可以限制因紫外线暴露而限制材料损害，并增加了光疗法应用中的渗透深度。但是，通过合成设计将这些属性工程为系统仍然是一个挑战。在这里，我们提出了一条数据驱动的发现管道，用于由数据集策划和使用高斯过程的多任务学习支撑的分子照片开关。在对电子过渡波长的预测中，我们证明了使用来自四个Photoswitch转变波长的标签训练的多输出高斯过程（MOGP）产生相对于单任务模型的最强预测性能，并且在操作上超过了时间依赖时间依赖性的密度理论（TD） -dft）就预测的墙壁锁定时间而言。我们通过筛选可商购的可拍摄分子库来实验验证我们提出的方法。通过此屏幕，我们确定了几个图案，这些基序显示了它们的异构体的分离电子吸收带，表现出红移的吸收，并且适用于信息传输和光电学应用。我们的策划数据集，代码以及所有型号均可在https://github.com/ryan-rhys/the-photoswitch-dataset上提供

电子密度$ \ rho（\ vec {r}）$是用密度泛函理论（dft）计算地面能量的基本变量。除了总能量之外，$ \ rho（\ vec {r}）$分布和$ \ rho（\ vec {r}）$的功能通常用于捕获电子规模以功能材料和分子中的关键物理化学现象。方法提供对$ \ rho（\ vec {r}）的可紊乱系统，其具有少量计算成本的复杂无序系统可以是对材料相位空间的加快探索朝向具有更好功能的新材料的逆设计的游戏更换者。我们为预测$ \ rho（\ vec {r}）$。该模型基于成本图形神经网络，并且在作为消息传递图的一部分的特殊查询点顶点上预测了电子密度，但仅接收消息。该模型在多个数据组中进行测试，分子（QM9），液体乙烯碳酸酯电解质（EC）和Lixniymnzco（1-Y-Z）O 2锂离子电池阴极（NMC）。对于QM9分子，所提出的模型的准确性超过了从DFT获得的$ \ Rho（\ vec {r}）$中的典型变异性，以不同的交换相关功能，并显示超出最先进的准确性。混合氧化物（NMC）和电解质（EC）数据集更好的精度甚至更好。线性缩放模型同时探测成千上万点的能力允许计算$ \ Rho（\ vec {r}）$的大型复杂系统，比DFT快于允许筛选无序的功能材料。