27.04.2022 - Hokkaido University

Dar un golpe de timón para predecir reacciones químicas de varios pasos

Los investigadores superan las limitaciones computacionales para predecir los materiales de partida de las reacciones de varios pasos utilizando sólo información sobre la molécula del producto objetivo

¿Alguna vez ha visto sólo el final de un programa de televisión y se ha preguntado cómo avanzaba la historia hasta ese final? De forma similar, los químicos suelen tener en mente una molécula deseada y se preguntan qué tipo de reacción podría producirla. Los investigadores del Grupo Maeda del Instituto de Diseño y Descubrimiento de Reacciones Químicas (ICReDD) y la Universidad de Hokkaido han desarrollado un método que permite predecir la "historia" (es decir, los materiales de partida y las vías de reacción) de las reacciones químicas de varios pasos utilizando únicamente información sobre el "final" (es decir, las moléculas del producto).

Predecir la receta de una molécula de producto objetivo, sin más conocimientos que la propia molécula, sería una poderosa herramienta para acelerar el descubrimiento de nuevas reacciones. El grupo de Maeda desarrolló previamente un método computacional que logró predecir reacciones de un solo paso de esta manera. Sin embargo, la ampliación a reacciones de varios pasos conduce a un aumento espectacular del número de posibles vías de reacción, lo que se conoce como explosión combinatoria. Este fuerte aumento de la complejidad da lugar a unos costes de cálculo prohibitivos.

Para superar esta limitación, los investigadores desarrollaron un algoritmo que reduce el número de caminos que hay que explorar descartando los caminos menos viables en cada paso de la reacción. Después de calcular todos los caminos posibles para un paso hacia atrás en la reacción, un método de análisis cinético evalúa en qué medida cada camino produce la molécula objetivo. Los caminos de reacción que no producen la molécula objetivo por encima de un porcentaje de umbral preestablecido se consideran poco significativos y no se siguen explorando.

Este ciclo de exploración, evaluación y descarte de rutas de reacción se repite para cada paso hacia atrás en una reacción de varios pasos y mitiga la explosión combinatoria que normalmente se produciría, haciendo que las reacciones de varios pasos sean más factibles de calcular. Los métodos anteriores se limitaban a reacciones de un solo paso, mientras que este nuevo método es capaz de predecir reacciones de más de 6 pasos, lo que supone un gran salto en su capacidad.

Como prueba de concepto, los investigadores probaron el método en dos conocidas reacciones de varios pasos, la de Strecker y la de Passerini. Se propusieron miles de materiales de partida para cada reacción, que se filtraron hasta llegar a los candidatos más prometedores en función de la estabilidad y el rendimiento del producto. Entre los candidatos propuestos se encontraban los materiales de partida conocidos para cada reacción, lo que confirma la capacidad de la técnica para identificar materiales de partida experimentalmente viables a partir de la molécula del producto objetivo.

Aunque hay que seguir trabajando para poder predecir sistemas aún más grandes y complejos, los investigadores prevén que este avance en el manejo de procesos de varios pasos acelerará el descubrimiento de nuevas reacciones químicas.

"Este trabajo proporciona un enfoque único, ya que es la primera vez que se pueden realizar predicciones inversas de reacciones de varios pasos utilizando cálculos químicos cuánticos sin utilizar ningún conocimiento o dato sobre la reacción", dijo el profesor Satoshi Maeda. "Esperamos que esta técnica permita descubrir transformaciones químicas totalmente inimaginables, en cuyo caso hay pocos conocimientos o datos experimentales que utilizar".

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