Slå tilbage for at forudsige kemiske reaktioner i flere trin

Forskere har overvundet beregningsmæssige begrænsninger for at forudsige udgangsmaterialerne for flertrinsreaktioner ved kun at bruge information om målproduktmolekylet. Deres undersøgelse er offentliggjort i JACS Au .

Har du nogensinde kun fanget slutningen af ​​et tv-program og spekuleret på, hvordan historien udviklede sig til den slutning? På lignende måde har kemikere ofte et ønsket molekyle i tankerne og spekulerer på, hvilken slags reaktion der kunne frembringe det. Forskere i Maeda-gruppen ved Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (ICReDD) og Hokkaido University udviklede en metode, der kan forudsige "historien" (dvs. udgangsmaterialerne og reaktionsvejene) om kemiske reaktioner i flere trin ved kun at bruge information om "slutningen" (dvs. produktmolekylerne).

At forudsige opskriften på et målproduktmolekyle uden anden viden end selve molekylet ville være et stærkt værktøj til at fremskynde opdagelsen af ​​nye reaktioner. Maeda-gruppen udviklede tidligere en beregningsmetode, der på denne måde lykkedes med at forudsige enkelttrinsreaktioner. Udvidelse til flertrinsreaktioner fører imidlertid til en dramatisk stigning i antallet af mulige reaktionsveje - det, der er kendt som kombinatorisk eksplosion. Denne kraftige stigning i kompleksitet resulterer i uoverkommeligt høje beregningsomkostninger.

For at overvinde denne begrænsning udviklede forskere en algoritme, der reducerer antallet af stier, der skal udforskes, ved at kassere mindre levedygtige stier ved hvert trin i reaktionen. Efter at have beregnet alle mulige veje for et skridt tilbage i reaktionen, evaluerer en kinetisk analysemetode, hvor godt hver vej producerer målmolekylet. Reaktionsveje, der ikke giver målmolekylet over en forudbestemt tærskelprocent, anses for ikke at være signifikante nok og undersøges ikke yderligere.

Denne cyklus med at udforske, evaluere og kassere reaktionsveje gentages for hvert skridt tilbage i en flertrinsreaktion og afbøder den kombinatoriske eksplosion, der normalt ville forekomme, hvilket gør flertrinsreaktioner mere gennemførlige at beregne. Tidligere metoder var begrænset til enkelttrinsreaktioner, hvorimod denne nye metode var i stand til at forudsige reaktioner, der involverede mere end seks trin, hvilket markerede et stort spring i kapacitet.

Som en proof-of-concept-test testede forskere metoden på to velkendte flertrinsreaktioner, Strecker- og Passerini-reaktionerne. Tusindvis af udgangsmaterialekandidater blev foreslået for hver reaktion, som blev filtreret til de mest lovende kandidater baseret på stabilitet og produktudbytte. Kritisk var blandt de foreslåede kandidater de velkendte udgangsmaterialer for hver reaktion, hvilket bekræfter teknikkens evne til at identificere eksperimentelt levedygtige udgangsmaterialer fra kun målproduktmolekylet.

Selvom der kræves yderligere arbejde for at muliggøre forudsigelse af endnu større og mere komplekse systemer, forventer forskere, at dette gennembrud i håndtering af flertrinsprocesser vil fremskynde opdagelsen af ​​nye kemiske reaktioner.

"Dette arbejde giver en unik tilgang, da det er første gang at udføre omvendte forudsigelser af flertrinsreaktioner ved hjælp af kvantekemiske beregninger er muligt uden at bruge nogen viden eller data om reaktionen," sagde professor Satoshi Maeda. "Vi forventer, at denne teknik vil muliggøre opdagelsen af ​​helt uanede kemiske transformationer, i hvilket tilfælde der er lidt viden eller eksperimentelle data at bruge." + Udforsk yderligere

Ny computerstøttet kemisk syntesemetode reducerer forskningstid og -omkostninger