Prédiction automatisée de réactions chimiques : Maintenant en stéréo
Une méthode de recherche automatisée du chemin de réaction prédit la stéréochimie exacte des réactions péricycliques en utilisant uniquement la structure de la molécule cible.
Des chercheurs de l'Institute for Chemical Reaction Design and Discovery (WPI-ICReDD) ont démontré l'utilisation élargie d'une méthode de calcul appelée méthode AFIR (Artificial Force Induced Reaction), prédisant des réactions péricycliques avec une stéréosélectivité précise sur la seule base d'informations sur la molécule de produit cible. La prédiction précise de la stéréochimie d'une molécule -c'est-à-dire l'arrangement 3D des atomes qui la composent - est sans précédent pour une telle méthode de recherche automatisée du chemin réactionnel. Cette étude sert de preuve de concept que la méthode AFIR a le potentiel de découvrir de nouvelles réactions avec une stéréochimie spécifique.
La méthode AFIR permet de remonter la réaction de l'ester méthylique de l'acide endiandrique C, un produit naturel de 52 atomes, jusqu'à ses matériaux de départ en utilisant uniquement des calculs de chimie quantique.
Tsuyoshi Mita et al. Journal of the American Chemical Society. November 30, 2022
Dans cette étude, AFIR est utilisé pour calculer les réactions rétrosynthétiques, ou inverses, allant des molécules de produit aux matières premières. Auparavant, l'AFIR a été utilisé pour prédire des réactions simples et de petite taille, mais les prédictions précises de stéréochimie étaient hors de portée, ce qui limitait l'applicabilité de la technique. Dans cette étude, les chercheurs ont surmonté cet obstacle en utilisant la méthode AFIR sur une classe majeure de réactions chimiques appelées réactions péricycliques, que l'on retrouve couramment dans les processus biologiques, notamment la synthèse de la vitamine D.
L'une des principales propriétés des réactions péricycliques est qu'elles présentent la même relation stéréochimique, que la réaction ait lieu dans le sens direct ou dans le sens inverse. L'équipe a ainsi pu utiliser la stéréochimie calculée pour la réaction en sens inverse afin de prédire avec précision la stéréochimie de la réaction en sens direct. En particulier, AFIR a également été capable de prédire correctement la stéréochimie d'une réaction qui enfreint les règles de Woodward-Hoffman, qui régissent généralement le comportement des réactions péricycliques. La capacité de cette technique à prédire les exceptions à ces règles standard démontre le potentiel de cette méthode automatisée pour découvrir des réactions non intuitives qui pourraient autrement être négligées.
Les réactions péricycliques sont également avantageuses pour le travail de calcul, car elles sont concertées, ce qui signifie que la rupture et la création de liens se font en une seule étape. Comme ces réactions ne passent pas par des intermédiaires ioniques, il est difficile pour les molécules de solvant d'altérer la réaction, ce qui permet aux chercheurs d'ignorer les effets du solvant dans leurs calculs. De tels calculs sont plus simples à réaliser et permettent donc de traiter des molécules plus complexes. Dans cette étude, AFIR a réussi à traiter des molécules comportant jusqu'à 52 atomes, soit plus de 2,5 fois la taille des molécules étudiées précédemment.
Il est important de noter que la seule information nécessaire à l'utilisation de l'AFIR est la structure de la molécule de produit souhaitée, de sorte que les chercheurs peuvent entrer une molécule qu'ils veulent fabriquer et appuyer sur le bouton de rembobinage pour trouver des matériaux de départ prometteurs. L'extension de l'utilisation d'AFIR à des molécules plus grandes et à des processus stéréospécifiques ouvre de nouvelles voies pour la découverte automatisée de réactions.
L'auteur principal, Tsuyoshi Mita, a également été frappé par l'importance de l'utilisation d'une approche automatisée pour recréer des réactions d'importance historique.
"Les règles de Woodward-Hoffmann ont été établies dans les années 1960 et je pense qu'il est très important que 60 ans plus tard, nous soyons capables d'utiliser des méthodes de recherche automatisée du chemin réactionnel pour prédire les produits de départ d'une réaction dont la stéréochimie respecte ces règles", a déclaré l'auteur principal Tsuyoshi Mita. "L'acide endiandrique C a été synthétisé par Nicolau en 1982 sur la base de l'hypothèse biosynthétique de Black, et je suis très heureux que dans ce travail, nous ayons pu recréer ce qui était dans leur tête en utilisant des calculs de chimie quantique. Je suis à la fois un chimiste organique de synthèse et un utilisateur de la méthode AFIR et ce projet m'a rappelé une fois de plus la puissance de la méthode AFIR."
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