La tabla periódica clasifica los elementos por número atómico creciente en periodos que corresponden al número cuántico principal; esta ordenación permite racionalizar las propiedades fisicoquímicas de los elementos. Pues bien, de forma análoga se ha propuesto un “sistema periódico” relacionado para moléculas orgánicas basado en 42 “números cuánticos moleculares” (NCM) definidos a partir de características estructurales simples como tipos de átomos, enlaces y anillos, lo que permite crear una tabla multidimensional llamada espacio NCM. Se trata de un sistema de clasificación que se puede aplicar fácilmente a moléculas orgánicas. El método define un espacio químico universal en el que se pueden colocar las moléculas orgánicas de cualquier base de datos.
Si bien se conocen muchos descriptores de estructuras y propiedades moleculares de complejidad variable que se pueden usar para definir este espacio químico, es posible construirlo a partir de pocas variables sencillas, como por ejemplo el número de átomos de cada tipo de las moléculas (categoría 1), sus enlaces (categoría 2), la polaridad (categoría 3) y la topología (categoría 4). Así, Kong T. Nguyen et al. establecieron en 2009 la siguiente lista de 42 números cuánticos moleculares:
Categoría 1: átomos
1. c (carbono)
2. f (flúor)
3. cl (cloro)
4. br (bromo)
5. i (yodo)
6. s (azufre)
7. p (fósforo)
8. an (nitrógeno acíclico)
9. cn (nitrógeno cíclico)
10. ao (oxígeno acíclico)
11. co (oxígeno cíclico)
12. hac (átomos pesados; todos los que no son H)
Categoría 2: enlaces
13. asb (enlaces simples acíclicos)
14. adb (dobles enlaces acíclicos)
15. atb (enlaces triples acíclicos)
16. csb (enlaces simples cíclicos)
17. cdb (dobles enlaces cíclicos)
18. ctb (enlaces triples cíclicos)
19. rbc (enlaces con giro permitido)
Categoría 3: polaridad
20. hbam (sitios aceptores de enlaces H)
21. hba (átomos aceptores de enlaces H)
22. hbdm (sitios donantes de enlaces H)
23. hbd (átomos donantes de enlace H)
24. negc (cargas negativas a pH 7)
25. posc (cargas positivas)[b]
Categoría 4: topología
26. asv (nodos monovalentes acíclicos)
27. adv (nodos divalentes acíclicos)
28. atv (nodos trivalentes acíclicos)
29. aqv (nodos tetravalentes acíclicos)
30. cdv (nodos bivalentes cíclicos)
31. ctv (nodos trivalentes cíclicos)
32. cqv (nodos tetravalentes cíclicos)
33. r3 (anillos de 3 miembros)
34. r4 (anillos de 4 miembros)
35. r5 (anillos de 5 miembros)
36. r6 (anillos de 6 miembros)
37. r7 (anillos de 7 miembros)
38. r8 (anillos de 8 miembros)
39. r9 (anillos de 9 miembros)
40. rg10 (anillos de 10 miembros o más)
41. afrc (nodos compartidos por 2 anillos o más)
42. bfrc (bordes compartidos por 2 anillos o más)
Con estos criterios se determinaron los NCM para la base de datos ZINC, que contenía 8,4 millones de moléculas orgánicas, y la base de datos GDB 11, que contenía 26,4 millones de moléculas posibles con hasta 11 átomos de C, N, O, F, dando un total de 6 501 005 combinaciones NCM.
Un análisis de componentes principales demostró que el espacio NCM organiza las moléculas por tipos estructurales. Así, las moléculas aparecen en grupos alargados a lo largo de una diagonal ascendente con un número creciente de anillos, como se ve en la imagen.
Por ejemplo, el número de enlaces con giro permitido (rbc), que representan la flexibilidad molecular; el número de sitios aceptores de enlaces H (hbam, contando pares de electrones no enlazantes en átomos N y O); y el área superficial topológica indicativa de polaridad aumentan a lo largo de una diagonal descendente. El coeficiente de partición agua-octanol calculado sigue el tamaño molecular y, parcialmente, los anillos y el hbam. Curiosamente, los compuestos con bioactividades similares forman grupos en el espacio NCM. Es decir, a pesar de su simplicidad los NCM captan características estructurales relevantes para la bioactividad y podrían ser útiles en la detección virtual de compuestos farmacéuticamente de interés.
Referencia
Kong T. Nguyen et al. Classification of Organic Molecules by Molecular Quantum Numbers. ChemMedChem 4 (11) 2009, 1803-1805. doi.org/10.1002/cmdc.200900317.
