16.03.2022 - Hokkaido University

El diseño de reacciones químicas se vuelve virtual

Los investigadores pretenden agilizar el proceso de selección de ligandos durante el diseño de catalizadores, que requiere mucho tiempo y recursos, utilizando ligandos virtuales

Investigadores del Instituto de Diseño y Descubrimiento de Reacciones Químicas y de la Universidad de Hokkaido han desarrollado un método de cribado virtual asistido por ligandos (VLA), que podría reducir drásticamente la cantidad de ensayos y errores necesarios en el laboratorio durante el desarrollo de catalizadores de metales de transición. El método, publicado en la revista ACS Catalysis, también podría conducir al descubrimiento de diseños de catalizadores no convencionales fuera del alcance de la intuición de los químicos.

Los ligandos son moléculas que se unen al átomo de metal central de un catalizador y afectan a la actividad y la selectividad de éste. Encontrar el ligando óptimo para catalizar una reacción específica puede ser como encontrar una aguja en un pajar. El método de cribado VLA permite buscar eficazmente en ese pajar, examinando una amplia gama de valores de diferentes propiedades para identificar las características de los ligandos más prometedoras. Esto reduce el área de búsqueda de los químicos en el laboratorio y tiene el potencial de acelerar enormemente el proceso de diseño de reacciones.

Este nuevo trabajo utiliza ligandos virtuales, que imitan la presencia de ligandos reales; sin embargo, en lugar de ser descritos por muchos átomos constituyentes individuales -como el carbono o el nitrógeno- los ligandos virtuales se describen utilizando sólo dos métricas: sus propiedades estéricas, o de llenado de espacio, y sus propiedades electrónicas. Los investigadores desarrollaron aproximaciones que describen cada uno de estos efectos con un único parámetro. El uso de esta descripción simplificada de un ligando permitió a los investigadores evaluar los ligandos de una manera computacionalmente eficiente en un amplio rango de valores para estos dos efectos. El resultado es un "mapa de contorno" que muestra qué combinación de efectos estéricos y electrónicos debe tener un ligando para catalizar mejor una reacción específica. Así, los químicos pueden centrarse en probar únicamente ligandos reales que se ajusten a estos criterios.

Los investigadores utilizaron ligandos virtuales de fósforo (III) monodentados como grupo de prueba y verificaron sus modelos para las propiedades electrónicas y estéricas de los ligandos virtuales frente a los valores calculados para los correspondientes ligandos reales.

A continuación, se empleó el método de cribado VLA para diseñar ligandos para una reacción de prueba en la que un grupo CHO y un átomo de hidrógeno pueden añadirse a un doble enlace en dos configuraciones posibles diferentes. La vía de reacción se evaluó para 20 casos de ligandos virtuales (consistentes en diferentes valores asignados para los parámetros electrónicos y estéricos) para crear un mapa de contorno que muestra una tendencia visual de qué tipos de ligandos se puede esperar que den lugar a una reacción altamente selectiva.

Se diseñaron modelos informáticos de ligandos reales basados en los parámetros extraídos del mapa de contorno y luego se evaluaron computacionalmente. Los valores de selectividad predichos mediante el método de cribado VLA coincidieron con los valores calculados para los modelos de ligandos reales, lo que demuestra la viabilidad del método de cribado VLA para proporcionar una guía que ayude al diseño racional de ligandos.

Además de ahorrar tiempo y recursos valiosos, el autor correspondiente, Satoshi Maeda, prevé la creación de potentes sistemas de predicción de reacciones mediante la combinación del método de cribado VLA con otras técnicas computacionales.

"El cribado de ligandos es un proceso fundamental en el desarrollo de la catálisis de metales de transición. Como el cribado VLA puede realizarse in silico, ahorraría mucho tiempo y recursos en el laboratorio. Creemos que este método no sólo agiliza la búsqueda de un ligando óptimo a partir de una determinada biblioteca de ligandos, sino que también estimula a los investigadores a explorar el espacio químico sin explotar de los ligandos", comentó el autor correspondiente, Satoshi Maeda. "Además, también esperamos que al combinar este método con nuestra tecnología de predicción de reacciones mediante el método de Reacción Inducida por Fuerza Artificial, se pueda realizar un nuevo esquema de descubrimiento de la catálisis de metales de transición impulsado por ordenador".

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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