In recent years, several reaction templates-based and template-free approaches have been reported for single-step retrosynthesis prediction. Even though many of these approaches perform well from traditional data-driven metrics standpoint, there is a disconnect between model architectures used and underlying chemistry principles governing retrosynthesis. Here, we propose a novel chemistry-aware retrosynthesis prediction framework that combines powerful data-driven models with chemistry knowledge. We report a tree-to-sequence transformer architecture based on hierarchical SMILES grammar trees as input containing underlying chemistry information that is otherwise ignored by models based on purely SMILES-based representations. The proposed framework, grammar-based molecular attention tree transformer (G-MATT), achieves significant performance improvements compared to baseline retrosynthesis models. G-MATT achieves a top-1 accuracy of 51% (top-10 accuracy of 79.1%), invalid rate of 1.5%, and bioactive similarity rate of 74.8%. Further analyses based on attention maps demonstrate G-MATT's ability to preserve chemistry knowledge without having to use extremely complex model architectures.


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