Chemisches Reaktionsdesign wird virtuell
Den zeit- und ressourcenintensiven Prozess des Ligandenscreenings beim Katalysatordesign durch den Einsatz virtueller Liganden vereinfachen
Forscher des Institute for Chemical Reaction Design and Discovery und der Hokkaido University haben eine virtuelle ligandengestützte (VLA) Screening-Methode entwickelt, die den Aufwand für Versuch und Irrtum bei der Entwicklung von Übergangsmetallkatalysatoren im Labor drastisch reduzieren könnte. Die in der Fachzeitschrift ACS Catalysis veröffentlichte Methode könnte auch zur Entdeckung unkonventioneller Katalysatordesigns führen, die nicht der Intuition der Chemiker entsprechen.
VLA-Screening-Arbeitsablauf. Eine Ligandenklasse (links) wird zu einem virtuellen Liganden parametrisiert (Mitte links). Die Parameter werden gescreent, um eine Konturenkarte zu erstellen (Mitte rechts), die zum rationalen Entwurf eines optimalen Liganden verwendet wird (rechts).
Wataru Matsuoka, Yu Harabuchi, Satoshi Maeda. ACS Catalysis. March 13, 2022
Liganden sind Moleküle, die an das zentrale Metallatom eines Katalysators gebunden sind und die Aktivität und Selektivität eines Katalysators beeinflussen. Den optimalen Liganden für die Katalyse einer bestimmten Zielreaktion zu finden, kann wie die Suche nach der Nadel im Heuhaufen sein. Die VLA-Screening-Methode bietet eine Möglichkeit, diesen Heuhaufen effizient zu durchsuchen, indem ein breites Spektrum von Werten für verschiedene Eigenschaften untersucht wird, um die vielversprechendsten Ligandenmerkmale zu ermitteln. Dies engt den Suchbereich für Chemiker im Labor ein und hat das Potenzial, den Prozess der Reaktionsentwicklung erheblich zu beschleunigen.
In dieser neuen Arbeit werden virtuelle Liganden verwendet, die das Vorhandensein realer Liganden imitieren. Anstatt jedoch durch viele einzelne konstituierende Atome - wie Kohlenstoff oder Stickstoff - beschrieben zu werden, werden virtuelle Liganden durch nur zwei Metriken beschrieben: ihre sterischen oder raumfüllenden Eigenschaften und ihre elektronischen Eigenschaften. Die Forscher entwickelten Näherungswerte, die jeden dieser Effekte mit einem einzigen Parameter beschreiben. Die Verwendung dieser vereinfachten Beschreibung eines Liganden ermöglichte es den Forschern, Liganden auf rechnerisch effiziente Weise über einen großen Bereich von Werten für diese beiden Effekte zu bewerten. Das Ergebnis ist eine "Konturenkarte", die zeigt, welche Kombination von sterischen und elektronischen Effekten ein Ligand haben sollte, um eine bestimmte Reaktion am besten zu katalysieren. Chemiker können sich dann darauf konzentrieren, nur echte Liganden zu testen, die diese Kriterien erfüllen.
Die Forscher verwendeten einzähnige virtuelle Phosphor(III)-Liganden als Testgruppe und überprüften ihre Modelle für die elektronischen und sterischen Eigenschaften der virtuellen Liganden anhand von Werten, die für entsprechende reale Liganden berechnet wurden.
Die VLA-Screening-Methode wurde dann eingesetzt, um Liganden für eine Testreaktion zu entwerfen, bei der eine CHO-Gruppe und ein Wasserstoffatom an eine Doppelbindung in zwei verschiedenen möglichen Konfigurationen addiert werden können. Der Reaktionsweg wurde für 20 virtuelle Ligandenfälle (bestehend aus verschiedenen zugewiesenen Werten für die elektronischen und sterischen Parameter) ausgewertet, um eine Konturenkarte zu erstellen, die einen visuellen Trend dafür zeigt, welche Arten von Liganden voraussichtlich zu einer hochselektiven Reaktion führen werden.
Computermodelle realer Liganden wurden auf der Grundlage der aus der Konturenkarte extrahierten Parameter entworfen und anschließend rechnerisch ausgewertet. Die mit Hilfe der VLA-Screening-Methode vorhergesagten Selektivitätswerte stimmten gut mit den für die Modelle realer Liganden berechneten Werten überein, was zeigt, dass die VLA-Screening-Methode als Orientierungshilfe für ein rationales Ligandendesign brauchbar ist.
Der korrespondierende Autor Satoshi Maeda geht davon aus, dass durch die Kombination der VLA-Screening-Methode mit anderen Computertechniken nicht nur wertvolle Zeit und Ressourcen gespart werden können, sondern auch leistungsfähige Systeme zur Reaktionsvorhersage geschaffen werden können.
"Das Ligandenscreening ist ein zentraler Prozess bei der Entwicklung der Übergangsmetallkatalyse. Da das VLA-Screening in silico durchgeführt werden kann, würde es viel Zeit und Ressourcen im Labor sparen. Wir glauben, dass diese Methode nicht nur die Suche nach einem optimalen Liganden aus einer gegebenen Ligandenbibliothek vereinfacht, sondern die Forscher auch dazu anregt, den ungenutzten chemischen Raum der Liganden zu erforschen", kommentierte der korrespondierende Autor Satoshi Maeda. "Darüber hinaus erwarten wir, dass durch die Kombination dieser Methode mit unserer Technologie zur Reaktionsvorhersage unter Verwendung der Artificial Force Induced Reaction-Methode ein neues computergesteuertes Entdeckungsschema für die Katalyse von Übergangsmetallen realisiert werden kann."
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