«Сами по себе вибрации недостаточно, но в сочетании с другими классическими методами физической органической химии мы можем предсказать, как могут происходить реакции», — говорит профессор химии Мэтт Сигман, старший автор исследования в номере журнала за четверг, 13 марта. журнал Nature.«Это должно быть применимо к широкому кругу реакций. Это упрощает процесс конструирования молекул для использования в новых лекарствах, промышленных химикатах и новых материалах».Катализаторы — это химические вещества, которые ускоряют реакции между другими химическими веществами без изменения самого катализатора.
Постдокторант Анат Мило, первый автор исследования, говорит, что использование нового метода «может помочь в разработке реакций с меньшим количеством побочных продуктов и гораздо меньшими отходами, и реакции будут более эффективными. Мы можем напрямую формировать продукт, который хотим. "Она и Сигман провели исследование с Элизабет Бесс, доктором философии Университета Юты. студент химии. Исследование финансировалось Национальным научным фондом.
Сияющий инфракрасный свет на вибрации связиХимические связи связывают атомы вместе внутри молекул. Но узы не статичны.
Они вибрируют. Эти колебания отражают изменения расстояния между атомами в молекуле. Например, в воде (H2O) единственный атом кислорода связан с двумя атомами водорода, и длина этих двух связей постоянно меняется.«Вы можете думать об этом как о пружине», — говорит Сигман. «Вы кладете два разных груза на конец пружины, и пружина вибрирует, когда вы вкладываете в нее энергию», толкая или тянущая.
В химических реакциях энергия добавляется с помощью тепла, света или электричества.Мы не можем видеть эти колебания глазами, но это изгибание и растяжение химических связей можно увидеть, если инфракрасный свет отражается от молекул — метод, называемый инфракрасной спектроскопией.
«Этот метод является продолжением наших глаз: длины волн, которые наши глаза не могут обнаружить, мы используем инструмент для обнаружения», — говорит Майло.Инфракрасный лазер направлен на образец химического вещества — газа, жидкости или твердого вещества — и поглощает волны определенной длины.
Длины волн поглощенного света показывают, как колеблются химические связи целевой молекулы, что, в свою очередь, говорит о типах и положении атомов в молекуле, типах и силе связей между атомами и симметрии молекулы, говорит Майло.«Это важный метод идентификации структуры для определения типов связей в молекуле», — говорит Сигман.
Инфракрасная спектроскопия — это хорошо зарекомендовавший себя метод, результаты которого можно прогнозировать десятилетиями. Так что теперь его можно смоделировать на компьютерах и получить результаты, отражающие реальные эксперименты. Сигман, Майло и Бесс провели такое моделирование в своем исследовании, используя университетский Центр высокопроизводительных вычислений.
«Мы взяли несколько молекул с известными колебаниями связей и использовали взаимосвязь этих молекул друг с другом, чтобы математически построить модель относительной взаимосвязи между колебаниями связей в разных молекулах», — говорит Сигман. «Затем мы построили математическое соотношение между этими молекулами, которое дает нам возможность предсказать, как другие молекулы будут реагировать на основе их конкретных колебаний».Чтобы показать, что метод работает, исследователи провели три тематических исследования, каждое из которых представляло собой сценарий с различным классом химических веществ, вступающих в реакцию друг с другом. Они использовали компьютерное моделирование, чтобы предсказать исход реакций, а затем экспериментально подтвердили их с реальными химическими реакциями в лаборатории.
Одно тематическое исследование касалось того, как химические вещества, известные как бисфенолы, реагируют с уксусным ангидридом. Небольшой белок, известный как пептид, служил катализатором для ускорения реакции.Химики смоделировали колебания связей на различных бисфенолах, чтобы предсказать, будет ли полученная молекула при реакции с уксусным ангидридом и катализатором «левосторонней» или «правосторонней» — химическое свойство, называемое хиральностью.Хиральность важна, потому что, когда мы потребляем еду или лекарство, она должна обладать правильной «хиральностью» или хиральностью, чтобы «по существу рукопожатие с молекулами в вашем теле» и делать то, что они должны делать, говорит Майло.
Например, правая молекула лекарства может работать, а левая версия того же лекарства — нет.«Нам удавалось точно предсказать вращение молекул» в 95% случаев, анализируя колебания связей, — добавляет Майло.Второе тематическое исследование было похоже на первое, но включало предсказание «направленности» химикатов, полученных при использовании катализатора для преобразования двойной углерод-углеродной связи в одинарную углерод-углеродную связь в химическом веществе под названием диарилалкен.В третьем тематическом исследовании химики использовали этот метод, чтобы предсказать, реагирует ли катализатор с одной или другой стороной двойной углерод-углеродной связи — двумя атомами углерода, соединенными двумя связями вместо одной — в так называемом Реакция Хека, которая обычно используется для изготовления фармацевтических препаратов.
«Это работает как чемпион», — говорит Сигман.Реальные реакцииКак использовать новый метод в практических целях?
«Вы должны вычислить инфракрасные колебания для определенного класса молекул, на которые вы заинтересованы, — говорит Сигман. «Затем вы берете несколько таких молекул, запускаете реакцию и получаете результаты».«Затем вы берете инфракрасные колебания, которые считаете важными, и определяете взаимосвязь между этими колебаниями и результатами реакции», — добавляет он. «Полученное математическое уравнение позволяет вам делать новые прогнозы о том, как будут реагировать другие химические вещества в этом классе».Sigman сотрудничает с крупной фармацевтической компанией, чтобы использовать новую технику для улучшения химических реакций при производстве лекарств.«Допустим, вы хотите синтезировать молекулу», — говорит он. «У вас есть различные методы, которые можно попробовать, но вы не знаете, какой из них будет работать.
Наш подход позволяет вам предсказать, даст ли конкретный набор реагентов — реагирующие друг с другом химические вещества — желаемые результаты».Майло добавил, что новый метод «может давать прогнозы, которые невозможны с помощью методов классической химии».Например, это позволяет химикам одновременно исследовать «стерические» и электронные эффекты в реакциях — что, по словам Сигмана, теперь нужно делать отдельно. Стерические эффекты — это то, как размер и форма атомов в молекуле влияют на протекание химической реакции.
Электронные эффекты связаны с тем, как электроны в атомах распределяются внутри молекулы.Сигман говорит, что важно, чтобы новый метод мог рассматривать оба типа эффектов одновременно, «потому что большинство современных реакций включают оба свойства».
