Метод AFIR прослеживает реакцию метилового эфира эндиандровой кислоты C, природного продукта с 52 атомами, на его исходные материалы, используя только квантово-химические расчеты. Авторы и права: Цуёси Мита и др. Журнал Американского химического общества. 30 ноября 2022 г.
Метод автоматизированного поиска пути реакции может предсказать точную стереохимию перициклических реакций, используя только структуру молекулы целевого продукта.
Институт проектирования и обнаружения химических реакций (WPI-ICReDD) успешно продемонстрировал более широкое применение вычислительного метода, известного как метод искусственно вызванной силы (AFIR), для прогнозирования перициклических реакций с высокой стереоселективностью с использованием только структуры молекулы целевого продукта. .
Точное предсказание стереохимии молекулы, то есть трехмерного расположения составляющих ее атомов, беспрецедентно для такого автоматизированного метода поиска пути реакции. Это исследование служит доказательством того, что метод AFIR может открывать новые реакции с определенной стереохимией.
В этом исследовании AFIR используется для расчета ретросинтетических или обратных реакций, идущих от молекул продукта к исходным материалам. Ранее AFIR использовался для предсказания небольших простых реакций, но точные предсказания стереохимии 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.
Члены исследовательской группы WPI-ICReDD Университета Хоккайдо. Верхний ряд слева направо: Ю Харабучи, Ватару Канна, Хидэаки Такано, Хироки Хаяси. Нижний ряд слева направо: Сатоши Маэда, Цуёси Мита. Фото: ICReDD.
Ключевым свойством перициклических реакций является то, что они имеют одинаковые стереохимические отношения независимо от того, идет ли реакция в прямом или обратном направлении. Это позволило команде использовать стереохимию, рассчитанную для обратной реакции, чтобы точно предсказать стереохимию для прямой реакции. Примечательно, что AFIR также смог правильно предсказать стереохимию для реакции, которая нарушает правила Вудворда-Хоффмана, которые обычно определяют поведение перициклических реакций.
Способность этого метода прогнозировать исключения из этих стандартных правил демонстрирует возможность использования этого автоматизированного метода для обнаружения неинтуитивных реакций, которые в противном случае можно было бы не заметить.
Общая схема создания ретросинтетических сетей путей реакции с использованием метода AFIR. Авторы и права: Цуёси Мита и др. Журнал Американского химического общества. 30 ноября 2022 г.
Перициклические реакции также полезны для вычислительной работы, потому что они согласованны, что означает, что все разрывы и образования связей происходят за одну стадию. Поскольку такие реакции не проходят через ионные промежуточные соединения, молекулам растворителя сложно изменить реакцию, что позволяет исследователям игнорировать влияние растворителя в своих расчетах. Такие вычисления проще выполнять и, таким образом, они позволяют обрабатывать более сложные молекулы. В этом исследовании AFIR успешно работал с молекулами 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 создать, и эффективно нажать кнопку перемотки назад, чтобы найти многообещающие исходные материалы. Расширение использования AFIR для охвата более крупных молекул и стереоспецифических процессов открывает новые возможности для автоматического обнаружения реакций.
Ведущий автор Цуёси 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 очень важно, что 60 лет спустя мы можем использовать методы автоматизированного поиска пути реакции для прогнозирования исходных материалов реакции со стереохимией, которая следует этим правилам», — сказал ведущий автор Цуёси. Мита. «Эндиандровая кислота С была синтезирована Николау в 1982 году на основе биосинтетической гипотезы Блэка, и я очень рад, что в этой работе нам удалось воссоздать то, что было у них в головах, с помощью квантово-химических вычислений. Я и химик-органик, и пользователь метода AFIR, и в этом проекте мне еще раз напомнили о силе метода AFIR».
Ссылка: «Прогнозирование высокопродуктивных одностадийных или каскадных перициклических реакций для синтеза сложных синтетических мишеней», авторы Цуёси Мита, Хидэаки Такано, Хироки Хаяши, Ватару Канна, Ю Харабучи, К. Н. Хоук и Сатоши Маэда, 30 ноября 2022 г., Журнал Американского химического общества.
DOI: 10.1021/jacs.2c09830
Исследование финансировалось Японским агентством по науке и технологиям, Японским обществом содействия развитию науки, Фондом медицинских исследований Фугаку, Мемориальным фондом Уэхара, Фондом Найто и Национальным научным фондом.
