Node-Aligned Graph-to-Graph: Elevating Template-free Deep Learning Approaches in Single-Step Retrosynthesis

回顾性分析 计算机科学 图形 人工智能 节点(物理) 理论计算机科学 工程类 化学 全合成 结构工程 有机化学
作者
Lin Yao,Wentao Guo,Zhen Wang,Shang Xiang,Wentan Liu,Guolin Ke
出处
期刊:JACS Au [American Chemical Society]
卷期号:4 (3): 992-1003 被引量:5
标识
DOI:10.1021/jacsau.3c00737
摘要

Single-step retrosynthesis in organic chemistry increasingly benefits from deep learning (DL) techniques in computer-aided synthesis design. While template-free DL models are flexible and promising for retrosynthesis prediction, they often ignore vital 2D molecular information and struggle with atom alignment for node generation, resulting in lower performance compared to the template-based and semi-template-based methods. To address these issues, we introduce node-aligned graph-to-graph (NAG2G), a transformer-based template-free DL model. NAG2G combines 2D molecular graphs and 3D conformations to retain comprehensive molecular details and incorporates product-reactant atom mapping through node alignment, which determines the order of the node-by-node graph outputs process in an autoregressive manner. Through rigorous benchmarking and detailed case studies, we have demonstrated that NAG2G stands out with its remarkable predictive accuracy on the expansive data sets of USPTO-50k and USPTO-FULL. Moreover, the model's practical utility is underscored by its successful prediction of synthesis pathways for multiple drug candidate molecules. This proves not only NAG2G's robustness but also its potential to revolutionize the prediction of complex chemical synthesis processes for future synthetic route design tasks.

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