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Efficient Discovery of Visible Light-Activated Azoarene Photoswitches with Long Half-Lives Using Active Search

异构化 虚拟筛选 光致变色 螺吡喃 化学 葫芦素 分子 光电开关 化学空间 药物发现 光化学 计算化学 分子动力学 催化作用 超分子化学 有机化学 生物化学
作者
Fatemah Mukadum,Quan Nguyen,Daniel Adrion,Gabriel Appleby,Rui Chen,Haley Dang,Remco Chang,Roman Garnett,Steven A. Lopez
出处
期刊:Journal of Chemical Information and Modeling [American Chemical Society]
卷期号:61 (11): 5524-5534 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acs.jcim.1c00954
摘要

Photoswitches are molecules that undergo a reversible, structural isomerization after exposure to certain wavelengths of light. The dynamic control offered by molecular photoswitches is favorable for materials chemistry, photopharmacology, and catalysis applications. Ideal photoswitches absorb visible light and have long-lived metastable isomers. We used high-throughput virtual screening to predict the absorption maxima (λmax) of the E-isomer and half-life (t1/2) of the Z-isomer. However, computing the photophysical and kinetic stabilities with density functional theory of each entry of a virtual molecular library containing thousands or millions of molecules is prohibitively time-consuming. We applied active search, a machine-learning technique, to intelligently search a chemical search space of 255 991 photoswitches based on 29 known azoarenes and their derivatives. We iteratively trained the active search algorithm on whether a candidate absorbed visible light (λmax > 450 nm). Active search was found to triple the discovery rate compared to random search. Further, we projected 1962 photoswitches to 2D using the Uniform Manifold Approximation and Projection algorithm and found that λmax depends on the core, which is tunable by substituents. We then incorporated a second stage of screening to predict the stabilities of the Z-isomers for the top candidates of each core. We identified four ideal photoswitches that concurrently satisfy the following criteria: λmax > 450 nm and t1/2 > 2 h.These candidates had λmax and t1/2 range from 465 to 531 nm and hours to days, respectively.
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