Yeni hesaplamalar, kimyasal reaksiyonların farklı ürünler üretmesine olanak tanıyan gizli yolları ortaya çıkarıyor

Kimyasal reaksiyonlar genellikle moleküllerin bir ürüne doğru yokuş aşağı bir yolu izlemeden önce geçiş durumu olarak bilinen yüksek enerjili bir eyer noktasından geçmesi olarak anlaşılır. Geleneksel kuantum kimyasal hesaplamaları, bir reaksiyonun nasıl ilerleyeceğini belirlemek için tipik olarak bu tek yolu izler.

Ancak son yıllarda bazı kimyasal reaksiyonların aynı geçiş aşamasından geçtikten sonra birden fazla yol izleyerek iki hatta üç farklı ürün üretebildiği giderek daha belirgin hale geldi. Geçiş sonrası durum çatallanması (PTSB) olarak bilinen bu olgu, bir geçiş durumunun tek bir ürüne yol açtığı şeklindeki geleneksel anlayışa meydan okuyor.

Moleküler dinamik simülasyonları bu tür dallanma davranışını ortaya çıkarabilse de, genellikle yüzlerce veya binlerce moleküler yörüngeyi içeren kapsamlı hesaplamalar gerektirir. Üstelik geleneksel reaksiyon yolu hesaplamaları alternatif yolları tamamen gözden kaçırabilir. Bu nedenle, bu gizli bağlantıları tanımlamak için güvenilir ve pratik bir yöntem geliştirmek, karmaşık kimyasal reaksiyonları anlamak açısından önemlidir.

33 reaksiyon sisteminde alternatif yolların test edilmesi

Saitama Üniversitesi Bilim ve Mühendislik Enstitüsü’nden Profesör Toshiyuki Takayanagi liderliğindeki bir araştırma ekibi, geleneksel hesaplamaların tespit edemediği alternatif reaksiyon yollarını belirlemeyi amaçladı.

Araştırmacılar, iki moleküler yapıyı birbirine bağlayan yolları optimize eden hesaplamalı bir teknik olan çift uçlu sicim yöntemini, iki veya üç farklı ürün üreten reaksiyonlar da dahil olmak üzere 33 reaksiyon sistemine uyguladılar.

Makine öğrenimine dayalı enerji hesaplamaları ve kuantum kimyasal yöntemleri kullanarak, aynı geçiş durumundan, bu geçiş durumundan daha yüksek ek bir enerji bariyerini geçmeden alternatif ürünlere ulaşılıp ulaşılamayacağını incelediler.

Çalışma dergide yayınlandı Hesaplamalı Kimya Dergisi. Bu yaklaşımla ekip, daha önce gözden kaçan reaksiyon yollarını belirledi ve yokuş aşağı bağlantıları küçük ek enerji bariyerleri içeren bağlantılardan ayırdı.

Araştırmanın temel bulguları şunları içeriyor:

• İncelenen 27 molekül içi siklokatılma sisteminin tümünde, yöntem, bir geçiş durumu ile geleneksel reaksiyon yolu hesaplamalarının gözden kaçırdığı alternatif ürünler arasındaki yokuş aşağı bağlantıları belirledi.
• Başka bir siklokatılma reaksiyonunda araştırmacılar, orijinal geçiş durumunun yalnızca 0,27 kcal/mol üzerinde küçük bir enerji bariyeri tanımladılar ve bu da yöntemin farklı tipteki reaksiyon yollarını ayırt etme yeteneğini ortaya koydu.
• Üç farklı ürün üretebilen iki reaksiyonda yöntem, hangi alternatif yolların yokuş aşağı olduğunu ve hangilerinin ek bir enerji bariyeri içerdiğini açıkladı.
• Yaklaşım ayrıca radikal ekleme ve nitren ekleme dahil olmak üzere perisiklik olmayan üç reaksiyona uygulanabilir olduğunu kanıtladı ve siklokatılma reaksiyonlarının ötesinde kullanışlılığını gösterdi.

Tek bir yolun ötesindeki gizli bağlantılar

Çalışma, hesaplamalı kimyanın karmaşık reaksiyon mekanizmalarını nasıl araştırabileceğine dair yeni bir bakış açısı sağlıyor. Saitama Üniversitesi Bilim ve Mühendislik Yüksek Lisans Okulu’nda doktora öğrencisi ve makalenin ilk yazarı Keita Yamaki, “Geleneksel hesaplamalar genellikle bir geçiş durumundan itibaren yalnızca bir yolu takip eder, ancak sonuçlarımız önemli alternatif bağlantıların gizli kalabileceğini gösteriyor” diye açıklıyor.

“Bu alternatif yolları doğrudan inceleyerek, kimyasal reaksiyonların nasıl ilerlediğine dair daha eksiksiz bir resim oluşturabilir ve tek bir geçiş durumunun neden farklı moleküler ürünlere yol açabileceğini daha iyi anlayabiliriz.”

Ürün verimini tahmin etmek yerine yolları haritalamak

Yöntem, her bir ürünün ne sıklıkta oluşacağını tahmin etmek yerine, hesaplanmış bir enerji ortamındaki yolları tanımlar. Bu nedenle moleküler dinamik simülasyonlarının yerine geçmek yerine onları tamamlar.

İleriye bakıldığında, rakip reaksiyon yollarının daha eksiksiz anlaşılması, daha seçici ve etkili kimyasal sentezin geliştirilmesine katkıda bulunabilir. Bu tür ilerlemeler sonuçta, reaksiyon sonuçlarının kontrol edilmesinin özellikle önemli olduğu farmasötik üretime, ince kimyasallara ve gelişmiş malzemelere fayda sağlayabilir.

Takayanagi, “Bu yaklaşımı otomatik reaksiyon yolu aramaları ve moleküler dinamik simülasyonlarla entegre etmenin, karmaşık kimyasal dönüşümleri anlamayı ve tahmin etmeyi kolaylaştıracağını umuyoruz” diyor.

“Aksi halde gözden kaçabilecek alternatif reaksiyon yollarını belirleyerek, bu metodoloji sonuçta daha seçici kimyasal süreçlerin tasarımını destekleyebilir ve yeni ilaçların ve fonksiyonel malzemelerin geliştirilmesine katkıda bulunabilir. Bu hesaplamalı içgörüleri pratik uygulamalara dönüştürmek için daha fazla araştırmaya ihtiyaç duyulacaktır.”