你有沒有只看到一個電視節(jié)目的結(jié)尾，想知道故事是如何發(fā)展到那個結(jié)局的?以類似的方式，化學(xué)家通常會想到一個想要的分子，并想知道什么樣的反應(yīng)可以產(chǎn)生它?；瘜W(xué)反應(yīng)設(shè)計與發(fā)現(xiàn)研究所 (ICReDD) 和北海道大學(xué)的前田小組的研究人員開發(fā)了一種方法，該方法可以僅使用以下信息預(yù)測多步化學(xué)反應(yīng)的“故事”(即起始材料和反應(yīng)路徑) “結(jié)束”(即產(chǎn)品分子)。

預(yù)測目標(biāo)產(chǎn)物分子的配方，除了分子本身之外沒有其他知識，將是加速發(fā)現(xiàn)新反應(yīng)的有力工具。Maeda 小組之前開發(fā)了一種計算方法，成功地以這種方式預(yù)測單步反應(yīng)。然而，擴(kuò)展到多步反應(yīng)會導(dǎo)致可能的反應(yīng)途徑數(shù)量急劇增加——這就是所謂的組合爆炸。這種復(fù)雜性的急劇增加導(dǎo)致了高得令人望而卻步的計算成本。

為了克服這一限制，研究人員開發(fā)了一種算法，通過在反應(yīng)的每個步驟中丟棄不太可行的路徑來減少需要探索的路徑數(shù)量。在計算反應(yīng)中后退一步的所有可能路徑后，動力學(xué)分析方法評估每條路徑產(chǎn)生目標(biāo)分子的程度。不產(chǎn)生高于預(yù)設(shè)閾值百分比的目標(biāo)分子的反應(yīng)路徑被認(rèn)為不夠重要，因此不會進(jìn)一步探索。

這種探索、評估和丟棄反應(yīng)路徑的循環(huán)在多步反應(yīng)中的每一步都重復(fù)進(jìn)行，并減輕通常會發(fā)生的組合爆炸，使多步反應(yīng)更易于計算。以前的方法僅限于單步反應(yīng)，而這種新方法能夠預(yù)測涉及超過 6 個步驟的反應(yīng)，標(biāo)志著能力的重大飛躍。

作為概念驗證測試，研究人員在兩個眾所周知的多步反應(yīng)上測試了該方法，即 Strecker 和 Passerini 反應(yīng)。為每個反應(yīng)提出了數(shù)千種起始材料候選者，根據(jù)穩(wěn)定性和產(chǎn)物收率將其過濾為最有希望的候選者。至關(guān)重要的是，在所提議的候選材料中，每個反應(yīng)都使用了眾所周知的起始材料，這證實(shí)了該技術(shù)能夠僅從目標(biāo)產(chǎn)物分子中識別出實(shí)驗上可行的起始材料。

盡管需要進(jìn)一步的工作來預(yù)測更大和更復(fù)雜的系統(tǒng)，但研究人員預(yù)計，處理多步驟過程的這一突破將加速新化學(xué)反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。

“這項工作提供了一種獨(dú)特的方法，因為這是第一次使用量子化學(xué)計算對多步反應(yīng)進(jìn)行反向預(yù)測，而無需使用任何有關(guān)反應(yīng)的知識或數(shù)據(jù)，”前田聰教授說。“我們希望這項技術(shù)能夠發(fā)現(xiàn)完全無法想象的化學(xué)轉(zhuǎn)化，在這種情況下，幾乎沒有知識或?qū)嶒灁?shù)據(jù)可供使用。”

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