Исследователи преодолевают вычислительные ограничения, чтобы предсказать исходные материалы многостадийных реакций, используя только информацию о молекуле целевого продукта.
Вы когда-нибудь видели только конец телешоу и задавались вопросом, как история развивалась до этого финала? Точно так же химики часто имеют в виду желаемую молекулу и задаются вопросом, какая реакция может ее произвести. Исследователи из группы Маэда из Института дизайна и исследований химических реакций (ICReDD) и Университета Хоккайдо разработали метод, который может предсказать «историю» (т.т. е. исходные материалы и пути реакции) многостадийных химических реакций с использованием только информации об «конце» (т. е. о молекулах продукта).
Предсказание рецепта молекулы целевого продукта, не зная ничего, кроме самой молекулы, было бы мощным инструментом для ускорения открытия новых реакций. Группа Маэда ранее разработала вычислительный метод, с помощью которого таким образом удалось предсказать одностадийные реакции. Однако расширение до многоступенчатых реакций приводит к резкому увеличению числа возможных путей реакции - так называемому комбинаторному взрыву. Это резкое увеличение сложности приводит к непомерно высоким затратам на вычисления.
Чтобы преодолеть это ограничение, исследователи разработали алгоритм, который сокращает количество путей, которые необходимо исследовать, отбрасывая менее жизнеспособные пути на каждом этапе реакции. После расчета всех возможных путей на один шаг назад в реакции метод кинетического анализа оценивает, насколько хорошо каждый путь производит молекулу-мишень. Пути реакции, которые не дают целевой молекулы выше заранее установленного порогового процента, считаются недостаточно значимыми и больше не исследуются.
Этот цикл изучения, оценки и отбрасывания путей реакции повторяется для каждого шага назад в многоступенчатой реакции и смягчает комбинаторный взрыв, который обычно происходит, делая многоступенчатые реакции более подходящим для расчета. Предыдущие методы ограничивались одностадийными реакциями, тогда как этот новый метод позволял прогнозировать реакции, включающие более 6 стадий, что означало значительный скачок в возможностях.
В качестве проверки концепции исследователи протестировали метод на двух хорошо известных многоступенчатых реакциях, реакциях Стрекера и Пассерини. Для каждой реакции были предложены тысячи исходных материалов-кандидатов, которые были отфильтрованы до наиболее многообещающих кандидатов на основе стабильности и выхода продукта. Важно отметить, что среди предложенных кандидатов были хорошо известные исходные материалы для каждой реакции, что подтверждает способность метода идентифицировать экспериментально жизнеспособные исходные материалы только из молекулы целевого продукта.
Несмотря на то, что для прогнозирования еще более крупных и сложных систем требуется дальнейшая работа, исследователи ожидают, что этот прорыв в управлении многоступенчатыми процессами ускорит открытие новых химических реакций.
«Эта работа представляет собой уникальный подход, поскольку впервые можно выполнить обратное предсказание многоступенчатых реакций с использованием квантово-химических вычислений без использования каких-либо знаний или данных о реакции», - сказал профессор Сатоши Маэда. «Мы ожидаем, что этот метод позволит открыть совершенно невообразимые химические превращения, и в этом случае у нас будет мало знаний или экспериментальных данных для использования».