Los investigadores tienen como objetivo optimizar el proceso intensivo de tiempo y recursos de selección de ligandos durante el diseño del catalizador mediante el uso de ligandos virtuales.

Créditos: Wataru Matsuoka, Yu Harabuchi, Satoshi Maeda. Catálisis ACS. 13 de marzo de 2022

Los investigadores tienen como objetivo optimizar el proceso intensivo de tiempo y recursos de selección de ligandos durante el diseño del catalizador mediante el uso de ligandos virtuales.

Investigadores del Instituto para el Diseño y Descubrimiento de Reacciones Químicas y la Universidad de Hokkaido han desarrollado un método de detección virtual asistido por ligandos (VLA) que podría reducir drásticamente la cantidad de prueba y error requerida en el laboratorio durante el desarrollo de catalizadores de metales de transición. El método publicado en la revista. Catálisis ACStambién puede conducir al descubrimiento de diseños de catalizadores no convencionales que están más allá de la intuición de los químicos.

Los ligandos son moléculas unidas al átomo metálico central de un catalizador que afectan la actividad y selectividad de un catalizador. Encontrar el ligando óptimo para catalizar una reacción diana específica puede ser como buscar una aguja en un pajar. El método de detección de VLA ofrece una manera de clasificar de manera eficiente este pajar al examinar una amplia gama de valores para diferentes propiedades para identificar las características de los ligandos que deberían ser los más prometedores. Esto reduce el alcance de la búsqueda de químicos en el laboratorio y tiene el potencial de acelerar significativamente el proceso de diseño de reacciones.

Este nuevo trabajo utiliza ligandos virtuales que imitan la presencia de ligandos reales; Sin embargo, en lugar de describirse en términos de muchos átomos constituyentes individuales, como el carbono o el nitrógeno, los ligandos virtuales se describen en términos de solo dos métricas: sus propiedades estéricas o voluminosas y sus propiedades electrónicas. Los investigadores desarrollaron aproximaciones que describen cada uno de estos efectos con un solo parámetro. El uso de esta descripción simplificada de un ligando permitió a los investigadores evaluar los ligandos de una manera computacionalmente eficiente en una amplia gama de valores para estos dos efectos. El resultado es un «mapa de contorno» que muestra qué combinación de potencia estérica y electrónica debe tener un ligando para catalizar mejor una reacción determinada. Luego, los químicos pueden concentrarse en probar solo ligandos genuinos que cumplan con estos criterios.

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

A continuación, se utilizó el procedimiento de selección de VLA para diseñar ligandos para una reacción de prueba en la que se pueden añadir un grupo CHO y un átomo de hidrógeno a través de un doble enlace en dos posibles configuraciones diferentes. La ruta de reacción se evaluó para 20 casos de ligando virtual (que consta de varios valores asignados para los parámetros electrónicos y estéricos) para crear un mapa de contorno que muestra una tendencia visual para qué tipos de ligandos se espera que den como resultado una reacción altamente selectiva.

Se diseñaron modelos computacionales de ligandos del mundo real basados ​​en parámetros extraídos del mapa de contorno y luego evaluados computacionalmente. Los valores de selectividad predichos a través del método de detección de VLA coincidieron bien con los valores calculados para los modelos de ligandos reales, lo que demuestra la viabilidad del método de detección de VLA para brindar orientación para ayudar en el diseño racional de ligandos.

Además de ahorrar tiempo y recursos valiosos, el autor correspondiente Satoshi Maeda espera crear potentes sistemas de predicción de reacciones al combinar el método de detección VLA con otras técnicas computacionales.

“La selección de ligandos es un proceso central en el desarrollo de la catálisis de metales de transición. B. se puede realizar el cribado VLA en silico, ahorraría mucho tiempo y recursos en el laboratorio. Creemos que este método no solo agiliza la búsqueda de un ligando óptimo de una biblioteca dada 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 utilizando el método de reacción inducida por fuerza artificial, se pueda realizar un nuevo esquema de descubrimiento controlado por computadora de catálisis de metales de transición».


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