Since the inception of this volume, the world s nancial climate has
radically changed.
Theemphasishasshiftedfromboomingeconomiesandeconomicgrowth
totherealityofrecessionanddiminishingoutlook. Witheconomicdownturncomes
opportunity, inallareasofchemistryfromresearchanddevelopmentthroughto
productregistrationandriskassessment,
replacementsarebeingsoughtforcostly time-consumingprocesses.
Leadingamongstthereplacementsaremodelswithtrue predictivecapability.
Ofthesecomputationalmodelsarepreferred. This volume addresses a broad
need within various areas of the chemical industries, from
pharmaceuticals and pesticides to personal products to provide
computationalmethodstopredicttheeffects,
activitiesandpropertiesofmolecules.
Itaddressestheuseofmodelstodesignnewmoleculesandassesstheirfateand
effectsbothtotheenvironmentandtohumanhealth. Thereisanemphasisrunning
throughoutthisvolumetoproducerobustmodelssuitableforpurpose. Thevolume
aimstoallowthereaderto nddataanddescriptorsanddevelop,
discoverandutilise validmodels. Gdansk, Poland TomaszPuzyn Jackson, MS,
USA JerzyLeszczynski Liverpool, UK MarkT. D. Cronin May2009 CONTENTS
Part I Theory of QSAR 1 QuantitativeStructure
ActivityRelationships(QSARs) ApplicationsandMethodology. . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Mark T. D. Cronin 1. 1.
Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 3 1. 2. PurposeofQSAR. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1. 3.
ApplicationsofQSAR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . 4 1. 4. Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1. 5.
TheCornerstonesofSuccessfulPredictiveModels . . . . . . . . . . . . 7 1.
6. AValidated(Q)SARoraValidPrediction? . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 9 1. 7. UsinginSilicoTechniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 9 1. 8. NewAreasforinSilicoModels. . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1. 9. Conclusions. . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 11 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2
TheUseofQuantumMechanicsDerivedDescriptorsin ComputationalToxicology. .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Steven J. Enoch 2. 1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2. 2.
TheSchrodingerEquation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 15 2. 3. Hartree FockTheory. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2. 4.
Semi-EmpiricalMethods: AM1andRM1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18 2. 5. ABInitio: DensityFunctionalTheory. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 19 2. 6. QSARforNon-ReactiveMechanismsofAcute(Aquatic)
Toxicity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . 19 2. 7.
QSARsforReactiveToxicityMechanisms. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21 2. 7. 1. AquaticToxicityandSkinSensitisation. . . . . . . . . . . . .
21 2. 7. 2. QSARsforMutagenicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 24 2. 8. FutureDirectionsandOutlook. . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 25 2. 9. Conclusions. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 vii viii Contents 3
MolecularDescriptors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . 29 Viviana Consonni and Roberto Todeschini
3. 1. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3. 1. 1. De nitions. . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3. 1. 2.
History. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 31 3. 1. 3. Theoreticalvs. ExperimentalDescriptors. . . .
. . . . . . . . 33 3. 2. MolecularRepresentation . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3. 3. TopologicalIndexes. .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
38 3. 3. 1. MolecularGraphs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 38 3. 3. 2. De
nitionandCalculationofTopologicalIndexes(TIs) 39 3. 3. 3.
Graph-TheoreticalMatrixes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42 3. 3. 4. ConnectivityIndexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 48 3. 3. 5. CharacteristicPolynomial . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . 50 3. 3. 6. SpectralIndexes . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3. 4.
AutocorrelationDescriptors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . ."
