Inteligența artificială dezvăluie viteza reacțiilor chimice
Cercetătorii de la Universitatea din Tokyo au dezvoltat o metodă care extrage informații ascunse despre viteza reacțiilor chimice din datele de randament obținute în timpul optimizării reacțiilor. Metoda combină învățarea automată cu ecuațiile de viteză folosite de chimiști și a fost publicată în revista Advanced Science.
Analiza randamentului dependent de concentrație (CYAN) folosește învățarea automată pentru a extinde datele de randament din experimentele de optimizare, apoi calculează cât de repede au loc diferitele etape ale unei reacții. Astfel, chimiștii pot înțelege, îmbunătăți și proiecta reacții chimice complexe cu randament ridicat.
Optimizare și cinetică într-un singur set de experimente
Pentru a obține o moleculă dorită, chimiștii modifică variabile precum concentrația, temperatura sau momentul adăugării ingredientelor. Aceste experimente arată ce condiții dau randamentul cel mai mare, dar înțelegerea detaliată a mecanismului unei reacții a necesitat tradițional experimente cinetice separate, care urmăresc reacția în timp.
CYAN conectează cele două abordări extrăgând informații cinetice din datele de randament generate în timpul optimizării. „Timp de ani, chimiștii au tratat acestea ca două obiective diferite. Optimizăm reacții pentru randament maxim, iar dacă vrem să înțelegem mecanismul, facem o altă serie de experimente care urmărește reacția în timp. Scopul nostru cu CYAN a fost să unim aceste două activități”, a declarat Hiroyuki Isobe, profesor în Departamentul de Chimie.
Învățarea automată completează datele experimentale
Metoda combină învățarea automată cu descrieri matematice ale modului în care cercetătorii cred că funcționează o reacție. Învățarea automată umple golurile dintre rezultatele experimentale și creează o imagine mai completă a modului în care se modifică cantitatea de produs în diferite condiții. Pe baza acestor informații, cercetătorii estimează viteza diferitelor etape ale reacției, fără experimente separate care să măsoare reacția în mod repetat.
„Interesul nostru pentru acest proiect a început de fapt din frustrare. Dezvoltaserăm anterior un instrument de învățare automată foarte bun la găsirea unor condiții de reacție mai bune, dar se comporta ca o cutie neagră, spunându-ne ce funcționează fără să spună de ce”, a explicat Isobe. „Ca chimiști organici, înțelegerea chimiei este la fel de importantă ca îmbunătățirea eficienței.”
Nichelul încetinește o cale concurentă
Pentru a testa metoda, echipa a studiat o reacție mediată de nichel, folosită pentru construirea unor molecule carbonice mari, inelare. CYAN a extras cu succes informații cinetice din datele de optimizare și a scos la iveală o caracteristică neașteptată a procesului: nichelul a accelerat formarea inelului molecular dorit, dar a și încetinit o reacție secundară care altfel ar produce produse nedorite. Combinația a îndreptat reacția spre o singură moleculă țintă, în locul unui amestec de molecule diferite.
„Rezultatul cu nichel ne-a surprins pentru că încetinea o parte a reacției, iar asta sună ca și cum ar trebui să înrăutățească sinteza, nu să o îmbunătățească. O modalitate utilă de a imagina este apa care curge printr-un râu ce se împarte în două canale. Dacă un canal se îngustează, mai multă apă urmează firesc cealaltă rută”, a spus Isobe. „Credem că nichelul creează un efect similar restricționând o cale concurentă, permițând reacției să se concentreze pe producerea moleculei inelare dorite.”
Informații extrase din date de randament existente
Cercetătorii subliniază că CYAN este menit să completeze, nu să înlocuiască experimentele cinetice tradiționale. Când sunt necesare măsurători foarte precise, analiza pe durată rămâne esențială. Totuși, CYAN oferă o modalitate practică de a extrage informații cinetice și mecanistice din datele de randament obținute la optimizarea reacțiilor, ajutând cercetătorii să proiecteze noi metode sintetice și să folosească mai bine seturile de date experimentale noi și publicate anterior.
Echipa a descoperit că CYAN poate fi aplicat și datelor experimentale istorice, ceea ce sugerează că numeroase seturi de date publicate ar putea fi reexaminate pentru a releva cinetica chimică subiacentă. Într-un caz, cercetătorii au folosit date din experimente de chimie raportate acum 176 de ani și au obținut o constantă de viteză consistentă cu o valoare modernă.
