Исследователи из Института проектирования и открытия химических реакций (WPI-ICReDD) продемонстрировали расширенное использование вычислительного метода, называемого методом искусственной силовой индуцированной реакции (AFIR), для прогнозирования перициклических реакций с точной стереоселективностью, основанной только на информации о молекуле целевого продукта. Точное предсказание стереохимии молекулы -- т.е., трехмерное расположение составляющих его атомов - беспрецедентно для такого автоматизированного метода поиска путей реакции. Это исследование служит доказательством концепции о том, что метод AFIR обладает потенциалом для обнаружения новых реакций со специфической стереохимией.

В этом исследовании AFIR используется для расчета ретросинтетических, или обратных, реакций, идущих от молекул продукта к исходным материалам. Ранее AFIR использовался для прогнозирования небольших, простых реакций, но точные стереохимические прогнозы были недоступны, что ограничивало применимость метода. В этом исследовании исследователи преодолевают это препятствие, используя метод AFIR для основного класса химических реакций, называемых перициклическими реакциями, которые обычно встречаются в биологических процессах, включая синтез витамина D.

Ключевым свойством перициклических реакций является то, что они имеют одинаковую стереохимическую взаимосвязь независимо от того, происходит ли реакция в прямом или обратном направлении. Это позволило команде использовать стереохимию, вычисленную для обратной реакции, чтобы точно предсказать стереохимию для прямой реакции. Примечательно, что AFIR также смог правильно предсказать стереохимию реакции, которая нарушает правила Вудворда-Хоффмана, которые обычно управляют поведением перициклических реакций. Способность этого метода предсказывать исключения из этих стандартных правил демонстрирует потенциал использования этого автоматизированного метода для обнаружения неинтуитивных реакций, которые в противном случае могут быть пропущены.

Перициклические реакции также выгодны для вычислительной работы, поскольку они согласованы, что означает, что все процессы разрушения и образования связей происходят за один этап. Поскольку такие реакции не протекают через ионные промежуточные соединения, молекулам растворителя трудно изменить реакцию и это позволяет исследователям игнорировать эффекты растворителя в своих расчетах. Такие вычисления проще выполнять и, таким образом, позволяют обрабатывать более сложные молекулы. В этом исследовании AFIR успешно обрабатывал молекулы размером до 52 атомов, что более чем в 2,5 раза превышает размер молекул в предыдущих исследованиях.

Важно отметить, что единственная информация, необходимая для использования AFIR, - это структура молекулы желаемого продукта, поэтому исследователи могут ввести молекулу, которую они хотят получить, и эффективно нажать кнопку перемотки, чтобы найти перспективные исходные материалы. Расширение использования AFIR для охвата более крупных молекул и стереоспецифичных процессов открывает новые возможности для автоматического обнаружения реакций.

Ведущий автор Цуоши Мита также был поражен важностью использования автоматизированного подхода для воссоздания исторически значимых реакций.

"Правила Вудворда-Хоффмана были установлены в 1960-х годах, и я думаю, что это очень важно, что 60 лет спустя мы можем использовать автоматизированные методы поиска путей реакции для прогнозирования исходных материалов реакции с помощью стереохимии, которая следует этим правилам", - сказал ведущий автор Цуоши Мита. "Эндиандриновая кислота С была синтезирована Николау в 1982 году на основе биосинтетической гипотезы Блэка, и я очень рад, что в этой работе мы смогли воссоздать то, что было в их головах, используя квантово-химические вычисления. Я одновременно химик-органик-синтетик и пользователь метода AFIR, и в этом проекте мне еще раз напомнили о силе метода AFIR".