化學合成中開發新的催化劑方法
蛋白酶活性位點通過限制特定位點的肽鍵來保持對底物的高度特異選擇性。催化劑設計中的主要挑戰是將其從效果不佳的原型結構調整到適合工業應用的形態。但是在催化劑活性位點區域，即便是最小差異也會改變其催化性能。在合成化學實驗室中，通常使用兩種主要方法來開發新催化劑：一種方法是通過對大量潛在催化劑庫進行高通量篩選，以探索盡可能多的候選物，另一種方法是：不斷地篩選針對某一特定屬性進行迭代，將催化劑的性能提高到令人滿意的水平。?
催化劑設計中的分子描述符?
圖1. 催化劑設計中的描述符
圖片來源Nature
分子描述符是催化劑設計的關鍵因素，它們可量化催化劑的性能，從而使實驗結果與結構相關聯。?
a：分子空間以及電性描述符與實驗結果相驗證
b：催化中常用的空間描述符：the Tolman cone angle (θ)，the percentage of buried volume (%VBur)，the Sterimol steric parameters
c：Wireframe模型, CPK模型，以及立體空間地圖
Topographic Steric Maps
本文中，作者引入了Topographic Steric Maps的概念，這是一張具有物化性質的圖譜。topographic steric maps提供了復合物中蛋白與底物之間相互作用的圖像，而該圖像的相關數值可用于定量分析。?在將金屬中心設置為與海平面的高度，并且整個復合體的方向已被確定為最大程度地從頂部暴露金屬中心之后，高空輪廓線可以定量描述催化中心。與地圖相類似的配色方案，用于表示催化空腔中的區域變化，例如，深藍色表示在該區域中有足夠的空間容納下面的底物，深紅色則表示高于“海平面”。
拓撲空間圖可以作為催化劑的設計指南，因為它們可以展示相關催化位點附近結構變化的影響。?例如，Bertrand及其同事使用地形空間圖設計了環狀六元（烷基）（氨基）碳烯（CAAC-6）配體，該配體在Pd介導的α中能與五元類似物（CAAC-5）競爭。
圖2. Topographic Steric Maps
圖片來源Nature
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總結
本文使用分子描述符（例如Sterimol空間參數，拓撲空間圖或平均空間占有率）對催化劑的特征進行分類，可以有效的縮短催化劑的研發時間。其最終結果是一個在線工具-SambVca，可利用掩埋體積值和空間圖有效地分析和可視化金屬配位化合物中配體的空間位阻。此軟件遵循GNU協議，并且可以從網站下進行下載，源代碼地址是：https://www.molnac.unisa.it/OMtools/sambvca2.1/index.html
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參考文獻：
Falivene, L., Cao, Z., Petta, A.?et al.?Towards the online computer-aided design of catalytic pockets.?Nat. Chem.?11,?872–879 (2019) doi:10.1038/s41557-019-0319-5
