簡化分子線性輸入規範

簡化分子線性輸入規範，是一種用ASCII字串明確描述分子結構的規範。SMILES字串可以被大多數分子編輯軟體匯入並轉換成二維圖形或分子的三維模型。轉換成二維圖形可以使用Helson的“結構圖生成演算法”。最初的 SMILES 規範始於 1980 年代，已經被多次修改和擴充套件。 2007 年，開源化學社群開發了一個名為 OpenSMILES 的開放標準。歷史.最初的 SMILES 規範由David Weininger在 1980 年代在德盧斯的 USEPA 大陸生態部實驗室發起。 感謝他們在早期開發中的貢獻：“Gilman Veith 和 Rose Russo (USEPA) 以及 Albert Leo 和Corwin Hansch (Pomona College) 支援這項工作，以及 Arthur Weininger (Pomona; Daylight CIS) 和 Jeremy Scofield (Cedar River Software, Renton, WA) 為系統程式設計提供幫助。” 環境保護署資助了開發 SMILES 的初始專案。它已被其他人或組織修改和擴充套件，例如日光化學資訊系統。 2007 年，Blue Obelisk開源化學社群開發了一個名為“OpenSMILES”的開放標準。其他字串符號表示方法包括 Wiswesser Line Notation (WLN)、 ROSDAL和SLN (Tripos Inc)。2006年7月，IUPAC引入了InChI作為公式表示的標準。 通常認為SMILES比InChI具有更易於人類可讀的優點；它還擁有廣泛的軟體支援基礎，具有廣泛的理論支援。術語.術語 SMILES 是指用於編碼分子結構的行符號，特定例項應嚴格稱為 SMILES 字串。然而，術語 SMILES 也常用於指單個 SMILES 字串和多個 SMILES 字串。確切的含義通常從上下文中顯而易見。當應用於 SMILES 時，術語“規範”和“異構”可能會導致一些混淆。這些術語描述了 SMILES 字串的不同屬性，並不相互排斥。可以為一個分子通常具有多個同樣有效的 SMILES 字串。例如， codice_1 、 codice_2 和 codice_3 都指定了乙醇的結構。為給定的分子生成相同的 SMILES 字串的演算法已經被開發完畢；這些演算法在許多可能的字串中只選擇其中一個。依賴於用於生成它的規範化演算法，這個 SMILES 對於每個結構都是唯一的，這個 SMILES 被稱為規範 SMILES。這些演算法首先將 SMILES 轉換為分子結構的內部表示；然後演算法會檢查該結構並生成唯一的 SMILES 字串。下面是一些包含用於生成規範 SMILES 的演算法的工具，包括 Daylight Chemical Information Systems、 OpenEye Scientific Software 、 MEDIT 、 Chemical Computing Group 、 MolSoft LLC 和Chemistry Development Kit的演算法。規範 SMILES 的一個常見應用是索引並確保資料庫中分子的唯一性。描述 CANGEN 演算法的原始論文聲稱可以為表示分子的圖形生成唯一的 SMILES 字串，但該演算法在許多簡單情況下都失敗了並且被認為不能使用正確的方法典型地表示圖形。 目前沒有跨商業軟體的系統比較來測試這些軟體包中是否存在此類缺陷。SMILES 符號允許指定四面體中心的配置和雙鍵幾何形狀。這些是不能僅由連線性指定的結構特徵，因此編碼此資訊的 SMILES 稱為異構 SMILES。這些規則的一個顯著特徵是它們允許對手性進行嚴格的部分說明。術語異構 SMILES 也適用於指定異構體的 SMILES。基於圖的定義.就基於圖的計算過程而言，SMILES 是透過深度優先遍歷分子結構式的中遇到的符號節點獲得的字串。首先去除圖內的氫原子，然後開啟環以將其變成生成樹。在環中斷的地方插入包含數字字尾的標籤。括號用於表示支鏈。生成的 SMILES 形式取決於選擇：SMILES 定義為上下文無關語言的字串.從形式語言理論的角度來看，SMILES 是一個詞。 SMILES 可以用上下文無關的解析器解析。基於相似分子具有相似特性的化學資訊學的主要原理，這種表示的使用一直用於預測生化特性 ，以及基於統計模式識別的更強大的方案。典範SMILES.典範SMILES保證每個化學分子只有一個SMILES表示式。典範SMILES常用於分子資料庫的索引。記法.原子.原子由方括號中的化學元素的標準縮寫表示，例如codice_4表示金。在以下原子的常見情況下可以省略括號：所有其他元素必須用括號括起來，並明確顯示電荷和氫。例如，水的 SMILES 可以寫為codice_5或codice_6 。氫也可以寫成一個單獨的原子；水也可以寫成codice_7 。使用括號時，如果括號中的原子與一個或多個氫鍵合，則新增符號codice_8 ，如果大於 1，則新增氫原子數，然後新增符號codice_9表示正電荷或codice_10表示負電荷。例如， codice_11表示銨( NH4+ ）。如果有多個電荷，通常寫為數字；但是，也可以根據離子的電荷多次重複該符號：對於鈦(IV) Ti 4+ ，可以寫為codice_12或codice_13 。因此，氫氧根陰離子（OH- ) 由codice_14表示，水合氫陽離子 (H3O+)是codice_15 ，鈷(III)陽離子(Co 3+ )是codice_16或codice_17 。化學鍵.使用其中一個符號表示鍵codice_18 。除非另有說明，否則脂肪族化合物原子之間的鍵被假定為單鍵，並且透過 SMILES 字串中的鄰接來暗示。雖然單鍵可以寫為codice_10 ，但通常省略。例如，乙醇的 SMILES 可以寫成codice_1 、 codice_21或codice_22 ，但通常寫成codice_1 。雙鍵、三鍵和四鍵分別用符號codice_24 、 codice_25和codice_26表示，如 SMILES codice_27 。另一種鍵是“不成鍵”，用 表示codice_30, 表示兩個部分沒有粘合在一起。例如，氯化鈉水溶液可寫為codice_31顯示解離。芳香味化合物的芳香鍵可以用codice_32 ，見下面的。與雙鍵相鄰的單鍵可以使用codice_33或codice_34表示立體化學構型；見下面的。環.為了形成無環結構，需要在所有環的任意點打斷。新增數字標籤以顯示不相鄰原子之間的連線性。例如，環己烷和二惡烷可以分別寫成codice_35和codice_36 。我們將第二個環的順序編為2，例如，十氫化萘可以寫為codice_37 。這是一些符合SMILES規範但很少用的環號編碼方法：但是這通常會使SMILES更難閱讀。例如，環己基環己烷通常寫為codice_38 ，但也可能寫為codice_39 。單個原子後的多個數字表示多個閉環鍵。例如，十氫化萘的另一種 SMILES 符號是codice_40，其中最終的碳同時結束了環1和環2。如果需要兩位數的環號，則標籤前面有codice_41 ，因此codice_42是環12的單個閉環鍵。環號前面可以有一個化學鍵符號用以指示閉環鍵的型別。例如，環丙烯通常寫作codice_43，但如果選擇雙鍵作為閉環鍵，則可以寫作codice_44、codice_45或codice_46（儘量使用codice_43)。不可以對同一個閉環鍵指定多種型別，因此codice_48是非法的。Ring-closing bonds may not be used to denote multiple bonds. For example, codice_49 is not a valid alternative to codice_50 for ethylene. "However, they may be used with non-bonds;" codice_51 is a peculiar but legal alternative way to write propane, more commonly written codice_52.閉環鍵不能用於表示多重鍵。例如乙烯， codice_49不是codice_50的有效替代品。"但它們可以與不成鍵一起使用"； codice_51是一種特殊但合法的書寫丙烷的替代方式，更常見的是書寫codice_52 。選擇與支鏈相鄰的斷環點可以得出更簡單的 SMILES 形式。例如，1,2-環己二醇最簡單地寫為codice_57。選擇不同的位置斷環會產生一個分支結構。芳香環.諸如苯之類的芳香環可以寫成以下三種形式之一：在最後一種情況下，允許未指出兩個芳香原子之間的鍵是芳香鍵。因此，苯、吡啶和呋喃可以分別用 SMILES codice_67 、 codice_68和codice_69 。在吡咯中發現的與氫鍵合的芳香氮必須表示為codice_70 ；因此咪唑用 SMILES 表示法寫為codice_71 。當芳族原子彼此單鍵時，必須明確顯示單鍵。例如聯苯codice_72 。這是需要單鍵符號codice_10的少數情況之一。（實際上大多數 SMILES 軟體可以正確推斷出兩個環之間的鍵不能是芳香的，因此會接受非標準形式codice_74 。 )用於生成規範 SMILES 的 Daylight 和 OpenEye 演算法在處理芳香性方面有所不同。分支.支鏈用括號描述，如丙酸的codice_75和氟仿的codice_76 。括號內的第一個原子和括號內的基團之後的第一個原子都與相同的分支點原子鍵合。化學鍵符號必須出現在括號內；外部無效。取代的環可以用環中的分支點書寫，如編碼 3 和 4-氰基苯甲醚異構體的 SMILES codice_78 所示。以這種方式為替代環編寫 SMILES 可以使它們更易於閱讀。可以按任何順序編寫分支。例如，二氟一氯一溴甲烷可寫為codice_80 、 codice_81 、 codice_82等。通常，如果較簡單的分支出現在最前面，則 SMILES 表單最容易閱讀，最後的未加括號的部分是最複雜的。這種重新排列的唯一警告是：不需要括號的一種分支形式是閉環鍵。在合適的位置斷環能減少括號的數量。例如，甲苯通常寫成codice_83或codice_84 ，避免寫成codice_85或codice_86時所需的括號。立體化學.SMILES 允許但不要求對立體異構體進行規範。雙鍵周圍的配置使用字元codice_33和codice_34指定，以顯示與雙鍵相鄰的定向單鍵。例如， codice_89 是順-1,2-二氟乙烯的一種可能表示形式，其中氟位於雙鍵的同一側。鍵方向符號總是以至少兩個為一組出現，其中第一個是任意的。也就是說， codice_91與codice_89相同。當存在交替的單雙鍵時，基團大於兩個，中間方向符號與兩個雙鍵相鄰。例如，(2,4)-己二烯的常見形式寫作codice_93 。作為一個更復雜的例子， β-胡蘿蔔素有一個很長的單鍵和雙鍵交替的主鏈，可以寫成codice_94 。手性碳的順序由codice_95或codice_96指定。按從字串左側到右側的順序以順序規則考慮四個鍵。從第一個鍵的角度看向碳，其他三個是順時針codice_96或逆時針codice_95。例如，考慮丙氨酸。它的 SMILES 形式之一是codice_100 ，更完整地寫為codice_101 。 丙氨酸，更常見的一種對映異構體，寫作codice_102 。雖然在 SMILES 中指定分支的順序通常並不重要，但在這種情況下它很重要；交換任何兩個組需要反轉手性指標。如果分支顛倒，因此丙氨酸寫為codice_107 ，那麼配置也會顛倒； 丙氨酸寫為codice_108 。其他寫法包括codice_109, codice_110和codice_111 。第一個鍵通常出現在手性碳原子的左側，但如果 SMILES 以手性碳開頭，例如codice_112 ，那麼所有四個鍵都是右邊。但最先出現的被用作對以下三個進行排序的參考： -丙氨酸也可以寫作codice_114 。SMILES 規範包括對codice_95符號的詳細說明，以指示更復雜的手性中心周圍的立體化學，例如雙三角錐形分子構型。同位素.同位素的指定數字等於原子符號前的整數同位素質量。其中一個原子是碳14的苯寫成codice_116 ，氘代氯仿寫成codice_117 。例子.為了說明具有超過 9 個環的分子，請考慮頭孢他汀 -1， 一種具有經驗式C 54 H 74 N 2 O 10的甾體 13 環吡嗪，從印度洋半脊索動物Cephalodiscus "gilchristi"中分離出來：從圖中最左邊的甲基開始：codice_118注意codice_41出現在 9 以上的閉環標籤索引前面；見上面的。SMILES 的其他例子.SMILES 符號在 Daylight Chemical Information Systems 提供的 SMILES 理論手冊中進行了廣泛的描述，並提供了許多說明性示例。 Daylight 的描繪實用程式為使用者提供了檢查他們自己的 SMILES 示例的方法，並且是一種有價值的教育工具。發展.SMARTS是SMILES基礎之上的改進版。SMARTS中增加的一點是，它允許使用萬用字元表示原子和化學鍵。因此，它在化合物資料庫中廣泛用於結構的計算機化搜尋。這種搜尋的機理是先-{zh-cn:透過;zh-tw:透過}-輸入的SMILES式重構化學式，再搜尋子圖的同形；而不是直接-{zh-cn:透過;zh-tw:經由}-SMILES式的對比完成的。USMILES。SMIRKS 是“reaction SMILES”的超集和“reaction SMARTS”的子集，是用於指定反應變換的線符號。反應擴充套件的一般語法是codice_120 ，其中任何欄位可以留空或填充以點 ( codice_30 ) 分隔的多個分子，以及其他依賴於基本語言的描述。原子還可以用數字標識（例如codice_122 ) 用於對映，例如在 .SMILES 對應於離散的分子結構。然而，許多材料都是大分子，它們太大，無法方便地為其生成 SMILES。 BigSMILES 是 SMILES 的擴充套件，旨在為大分子提供有效的表示系統。轉換.可以使用結構圖生成 (SDG) 演算法將 SMILES 轉換回二維表示。 這種轉換並不總是明確的。透過能量最小化方法實現向三維表示的轉換。有許多可下載和基於 Web 的轉換實用程式。其他記法及比較.其他著名的線性記法包括維斯威歇線性表示式，ROSDAL和SLN。最近國際純粹與應用化學聯合會推薦國際化合物標識作為標準的分子式表示式。然而普遍認為，SMILES與InChI相比更具有(對人來說的)可讀性；而且很多軟體都支援SMILES，其中不少軟體都具有圖論等方面的理論基礎。