Roboții și inteligența artificială dezvăluie o cale neașteptată într-o reacție chimică clasică veche de 135 de ani
O echipă de cercetători a folosit o platformă robotică automatizată pentru a explora 960 de seturi diferite de condiții pentru reacția Biginelli, o reacție multicomponentă clasică raportată pentru prima dată în 1891. În loc să caute cele mai bune condiții pentru a produce o moleculă cunoscută, cercetătorii au urmărit să identifice diferiții produși și căile de reacție care pot apărea în întregul spațiu de reacție.
Cercetarea, condusă de Bartosz A. Grzybowski, director al Centrului pentru Sinteză Algoritmică și Robotizată din cadrul Institutului pentru Științe de Bază, a fost publicată în revista Nature Synthesis. Investigarea a scos la iveală o ramificație necunoscută anterior a reacției Biginelli, care produce structuri biciclice complexe, diferite de produșii convenționali.
Molecule complexe cu sortare programabilă
Analiza mecanismului, susținută de inteligența artificială chimică, a arătat că această cale neașteptată corespunde unei transformări pseudo-șapte-componente, în care șapte molecule ale componentelor de start contribuie în final la formarea unui singur produs complex. Ghidați de această rețea de reacție reconstruită, cercetătorii au reproiectat sinteza și au obținut o familie de molecule înrudite, inclusiv structuri care se apropie de complexitatea arhitecturală a unor produși naturali.
Moleculele nou descoperite s-au remarcat nu doar prin complexitatea lor structurală, ci și prin comportamentul supramolecular neobișnuit. Unele dintre compuși s-au autoasamblat spontan în structuri mai mari, într-un mod care depinde de concentrație și temperatură. Alții au legat selectiv ioni metalici, în special bariu și zinc, ceea ce sugerează aplicații potențiale în detectarea selectivă a metalelor.
Un compus a prezentat o formă deosebit de neobișnuită de auto-sortare chirală. Moleculele pot exista sub formă de imagini în oglindă, cunoscute sub numele de enantiomeri, iar aceste forme nu interacționează întotdeauna în același mod. În absența ionilor metalici, compusul a arătat preferințe diferite de asociere cu molecule de aceeași chiralitate sau de chiralitate opusă, în funcție de faptul că a fost examinat în stare solidă sau în soluție. Comportamentul a putut fi controlat și de identitatea ionului metalic. În prezența ionilor de zinc, moleculele cu aceeași chiralitate s-au asociat preferențial între ele, în timp ce ionii de bariu au favorizat asocierea între enantiomeri opuși.
O astfel de sortare chirală programabilă prin metale este extrem de rară și ar putea fi utilă în domenii precum detectarea enantioselectivă, materialele receptibile și recunoașterea moleculară.
Căi ascunse care apar din „hiperspațiu”
Semnificația mai largă a lucrării constă în modul în care a fost descoperită reacția. Chimia automatizată convențională este adesea folosită pentru a optimiza randamentul unui produs prestabilit. Aici, platforma robotică a fost folosită în schimb pentru a cartografia însăși rețeaua de reacție, permițând apariția unor produși și căi neașteptate din regiuni ale spațiului chimic care în mod normal ar rămâne neexplorate.
Cercetătorii susțin că această abordare a „hiperspațiului” ar putea transforma automatizarea chimică dintr-un instrument de accelerare a experimentelor într-o platformă pentru descoperirea unei chimii complet noi. Chiar și reacțiile studiate de mai bine de un secol pot conține încă căi ascunse care devin vizibile doar atunci când condițiile lor sunt explorate sistematic.
Studiul demonstrează că combinarea experimentării robotice, cartografierii reacțiilor la scară largă și inteligenței artificiale chimice poate dezvălui nu doar noi mecanisme de reacție, ci și molecule complexe structural, cu proprietăți funcționale neașteptate.
