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.

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。

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.

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。

对混合物相位平衡的知识在性质和技术化学本质上至关重要。混合物的相位平衡计算需要活性系数。但是，由于实验成本高，有关活性系数的实验数据通常受到限制。为了准确有效地预测活性系数，最近已经开发了机器学习方法。然而，对于未知分子的活性系数，当前的机器学习方法仍然很差。在这项工作中，我们介绍了一个自然语言处理网络的微笑到properties-Transformer（SPT），以预测微笑代码的二进制限制活动系数。为了克服可用实验数据的局限性，我们最初是在从COSMO-RS（1000万个数据点）采样的大型合成数据数据集上训练我们的网络，然后对实验数据（20 870个数据点）进行微调。该训练策略使SPT能够准确预测限制活动系数，即使对于未知分子，与最新的活动系数预测（例如COSMO-RS，UNIFAC）相比，将平均预测误差一半切成一半，并改善了最近的机器学习方法。

财产数据的可用性是化学过程开发中的主要瓶颈之一，通常需要耗时且昂贵的实验或将设计空间限制为少数已知分子。这种瓶颈一直是预测性财产模型持续发展的动机。对于新分子的性质预测，群体贡献方法一直在开创性。最近，机器学习加入了更具成熟的财产预测模型。但是，即使取得了最近的成功，将物理约束集成到机器学习模型中仍然具有挑战性。物理约束对于许多热力学特性，例如吉布斯 - 杜纳姆（Gibbs-Dunham）关系至关重要，它将额外的复杂性层引入预测中。在这里，我们介绍了SPT-NRTL，这是一种机器学习模型，以预测热力学一致的活动系数并提供NRTL参数，以便于过程模拟。结果表明，SPT-NRTL在所有官能团的活性系数预测中的精度高于UNIFAC，并且能够以几乎实验的精度预测许多蒸气 - 液位均衡性，如示例性混合物所示。 N-己烷。为了简化SPT-NRTL的应用，用SPT-NRTL计算了100 000 000的NRTL参数，并在线提供。

计算催化和机器学习社区在开发用于催化剂发现和设计的机器学习模型方面取得了长足的进步。然而，跨越催化的化学空间的一般机器学习潜力仍然无法触及。一个重大障碍是在广泛的材料中获得访问培训数据的访问。缺乏数据的一类重要材料是氧化物，它抑制模型无法更广泛地研究氧气进化反应和氧化物电催化。为了解决这个问题，我们开发了开放的催化剂2022（OC22）数据集，包括62,521个密度功能理论（DFT）放松（〜9,884,504个单点计算），遍及一系列氧化物材料，覆盖范围，覆盖率和吸附物（ *H， *o， *o， *o， *o， *o， * n， *c， *ooh， *oh， *oh2， *o2， *co）。我们定义广义任务，以预测催化过程中适用的总系统能量，发展几个图神经网络的基线性能（Schnet，Dimenet ++，Forcenet，Spinconv，Painn，Painn，Gemnet-DT，Gemnet-DT，Gemnet-OC），并提供预先定义的数据集分割以建立明确的基准，以实现未来的努力。对于所有任务，我们研究组合数据集是否会带来更好的结果，即使它们包含不同的材料或吸附物。具体而言，我们在Open Catalyst 2020（OC20）数据集和OC22上共同训练模型，或OC22上的微调OC20型号。在最一般的任务中，Gemnet-OC看到通过微调来提高了约32％的能量预测，通过联合训练的力预测提高了约9％。令人惊讶的是，OC20和较小的OC22数据集的联合培训也将OC20的总能量预测提高了约19％。数据集和基线模型是开源的，公众排行榜将遵循，以鼓励社区的持续发展，以了解总能源任务和数据。

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

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

Molecular machine learning has been maturing rapidly over the last few years.Improved methods and the presence of larger datasets have enabled machine learning algorithms to make increasingly accurate predictions about molecular properties. However, algorithmic progress has been limited due to the lack of a standard benchmark to compare the efficacy of proposed methods; most new algorithms are benchmarked on different datasets making it challenging to gauge the quality of proposed methods. This work introduces MoleculeNet, a large scale benchmark for molecular machine learning. MoleculeNet curates multiple public datasets, establishes metrics for evaluation, and offers high quality open-source implementations of multiple previously proposed molecular featurization and learning algorithms (released as part of the DeepChem

Advancements in neural machinery have led to a wide range of algorithmic solutions for molecular property prediction. Two classes of models in particular have yielded promising results: neural networks applied to computed molecular fingerprints or expert-crafted descriptors, and graph convolutional neural networks that construct a learned molecular representation by operating on the graph structure of the molecule.However, recent literature has yet to clearly determine which of these two methods is superior when generalizing to new chemical space. Furthermore, prior research has

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.

学习表达性分子表示对于促进分子特性的准确预测至关重要。尽管图形神经网络（GNNS）在分子表示学习中取得了显着进步，但它们通常面临诸如邻居探索，不足，过度光滑和过度阵列之类的局限性。同样，由于参数数量大，GNN通常具有较高的计算复杂性。通常，当面对相对大尺寸的图形或使用更深的GNN模型体系结构时，这种限制会出现或增加。克服这些问题的一个想法是将分子图简化为小型，丰富且有益的信息，这更有效，更具挑战性的培训GNN。为此，我们提出了一个新颖的分子图粗化框架，名为FUNQG利用函数组，作为分子的有影响力的构件来确定其性质，基于称为商图的图理论概念。通过实验，我们表明所产生的信息图比分子图小得多，因此是训练GNN的良好候选者。我们将FUNQG应用于流行的分子属性预测基准，然后比较所获得的数据集上的GNN体系结构的性能与原始数据集上的几个最先进的基线。通过实验，除了其参数数量和低计算复杂性的急剧减少之外，该方法除了其急剧减少之外，在各种数据集上的表现显着优于先前的基准。因此，FUNQG可以用作解决分子表示学习问题的简单，成本效益且可靠的方法。

在三维分子结构上运行的计算方法有可能解决生物学和化学的重要问题。特别地，深度神经网络的重视，但它们在生物分子结构域中的广泛采用受到缺乏系统性能基准或统一工具包的限制，用于与分子数据相互作用。为了解决这个问题，我们呈现Atom3D，这是一个新颖的和现有的基准数据集的集合，跨越几个密钥的生物分子。我们为这些任务中的每一个实施多种三维分子学习方法，并表明它们始终如一地提高了基于单维和二维表示的方法的性能。结构的具体选择对于性能至关重要，具有涉及复杂几何形状的任务的三维卷积网络，在需要详细位置信息的系统中表现出良好的图形网络，以及最近开发的设备越多的网络显示出显着承诺。我们的结果表明，许多分子问题符合三维分子学习的增益，并且有可能改善许多仍然过分曝光的任务。为了降低进入并促进现场进一步发展的障碍，我们还提供了一套全面的DataSet处理，模型培训和在我们的开源ATOM3D Python包中的评估工具套件。所有数据集都可以从https://www.atom3d.ai下载。

近年来，基于Weisfeiler-Leman算法的算法和神经架构，是一个众所周知的Graph同构问题的启发式问题，它成为具有图形和关系数据的机器学习的强大工具。在这里，我们全面概述了机器学习设置中的算法的使用，专注于监督的制度。我们讨论了理论背景，展示了如何将其用于监督的图形和节点表示学习，讨论最近的扩展，并概述算法的连接（置换 - ）方面的神经结构。此外，我们概述了当前的应用和未来方向，以刺激进一步的研究。

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。

人工智能（AI）已被广泛应用于药物发现中，其主要任务是分子财产预测。尽管分子表示学习中AI技术的繁荣，但尚未仔细检查分子性质预测的一些关键方面。在这项研究中，我们对三个代表性模型，即随机森林，莫尔伯特和格罗弗进行了系统比较，该模型分别利用了三个主要的分子表示，扩展连接的指纹，微笑的字符串和分子图。值得注意的是，莫尔伯特（Molbert）和格罗弗（Grover）以自我监督的方式在大规模的无标记分子库中进行了预定。除了常用的分子基准数据集外，我们还组装了一套与阿片类药物相关的数据集进行下游预测评估。我们首先对标签分布和结构分析进行了数据集分析；我们还检查了阿片类药物相关数据集中的活动悬崖问题。然后，我们培训了4,320个预测模型，并评估了学习表示的有用性。此外，我们通过研究统计测试，评估指标和任务设置的效果来探索模型评估。最后，我们将化学空间的概括分解为施加间和支柱内的概括，并测量了预测性能，以评估两种设置下模型的普遍性。通过采取这种喘息，我们反映了分子财产预测的基本关键方面，希望在该领域带来更好的AI技术的意识。

蛋白质 - 配体相互作用（PLIS）是生化研究的基础，其鉴定对于估计合理治疗设计的生物物理和生化特性至关重要。目前，这些特性的实验表征是最准确的方法，然而，这是非常耗时和劳动密集型的。在这种情况下已经开发了许多计算方法，但大多数现有PLI预测大量取决于2D蛋白质序列数据。在这里，我们提出了一种新颖的并行图形神经网络（GNN），以集成PLI预测的知识表示和推理，以便通过专家知识引导的深度学习，并通过3D结构数据通知。我们开发了两个不同的GNN架构，GNNF是采用不同特种的基础实现，以增强域名认识，而GNNP是一种新颖的实现，可以预测未经分子间相互作用的先验知识。综合评价证明，GNN可以成功地捕获配体和蛋白质3D结构之间的二元相互作用，对于GNNF的测试精度和0.958，用于预测蛋白质 - 配体络合物的活性。这些模型进一步适用于回归任务以预测实验结合亲和力，PIC50对于药物效力和功效至关重要。我们在实验亲和力上达到0.66和0.65的Pearson相关系数，分别在PIC50和GNNP上进行0.50和0.51，优于基于2D序列的模型。我们的方法可以作为可解释和解释的人工智能（AI）工具，用于预测活动，效力和铅候选的生物物理性质。为此，我们通过筛选大型复合库并将我们的预测与实验测量数据进行比较来展示GNNP对SARS-COV-2蛋白靶标的实用性。

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

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。