محاسبات جدید مسیرهای پنهانی را نشان می دهد که به واکنش های شیمیایی اجازه می دهد محصولات مختلفی تولید کنند

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

واکنش‌های شیمیایی اغلب به‌عنوان مولکول‌هایی شناخته می‌شوند که از یک نقطه زینی پرانرژی، که به عنوان حالت گذار شناخته می‌شود، قبل از طی کردن یک مسیر سراشیبی به سمت یک محصول، عبور می‌کنند. محاسبات شیمیایی کوانتومی مرسوم معمولا این مسیر واحد را ردیابی می‌کنند تا چگونگی انجام واکنش را مشخص کنند.

با این حال، در سال‌های اخیر، به طور فزاینده‌ای آشکار شده است که برخی از واکنش‌های شیمیایی می‌توانند مسیرهای متعددی را پس از عبور از یک حالت گذار دنبال کنند و دو یا حتی سه محصول مختلف تولید کنند. این پدیده که به عنوان انشعاب حالت پس از گذار (PTSB) شناخته می شود، درک سنتی را که یک حالت گذار منجر به یک محصول می شود، به چالش می کشد.

اگرچه شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی می‌توانند چنین رفتار انشعابی را آشکار کنند، اما اغلب نیازمند محاسبات گسترده‌ای هستند که صدها یا هزاران مسیر مولکولی را شامل می‌شود. علاوه بر این، محاسبات مرسوم مسیر واکنش ممکن است مسیرهای جایگزین را به طور کامل نادیده بگیرند. بنابراین توسعه یک روش قابل اعتماد و عملی برای شناسایی این اتصالات پنهان برای درک واکنش های شیمیایی پیچیده مهم است.

یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی پروفسور توشیوکی تاکایاناگی از دانشکده تحصیلات تکمیلی علوم و مهندسی در دانشگاه سایتاما با هدف شناسایی مسیرهای واکنش جایگزینی که محاسبات مرسوم قادر به شناسایی آنها نیستند، انجام شد.

محققان روش رشته دو سر را به کار بردند، یک تکنیک محاسباتی که مسیرهای اتصال دو ساختار مولکولی را بهینه می‌کند، به 33 سیستم واکنش، از جمله واکنش‌هایی که دو یا سه محصول مختلف تولید می‌کنند.

آنها با استفاده از محاسبات انرژی مبتنی بر یادگیری ماشینی و روش‌های شیمیایی کوانتومی، بررسی کردند که آیا می‌توان محصولات جایگزین را از همان حالت گذار بدون عبور از یک مانع انرژی اضافی بالاتر از آن حالت گذار، به دست آورد.

این مطالعه در مجله Computational Chemistry منتشر شد. از طریق این رویکرد، تیم مسیرهای واکنشی را که قبلا نادیده گرفته شده بودند شناسایی کردند و اتصالات سراشیبی را از آنهایی که شامل موانع کوچک انرژی اضافی بودند متمایز کردند.

این مطالعه دیدگاه جدیدی در مورد اینکه چگونه شیمی محاسباتی می تواند مکانیسم های واکنش پیچیده را بررسی کند، ارائه می دهد. کیتا یاماکی، دانشجوی دکترا در دانشکده علوم و مهندسی دانشگاه سایتاما و اولین نویسنده مقاله توضیح می‌دهد: «محاسبات مرسوم عموما تنها یک مسیر را از یک وضعیت گذار دنبال می‌کنند، اما نتایج ما نشان می‌دهد که اتصالات جایگزین مهم می‌توانند پنهان بمانند.

با بررسی مستقیم این مسیرهای جایگزین، می‌توانیم تصویر کامل‌تری از چگونگی انجام واکنش‌های شیمیایی بسازیم و بهتر درک کنیم که چرا یک حالت گذار منفرد ممکن است به محصولات مولکولی متفاوت منجر شود.

این روش مسیرها را در یک چشم انداز انرژی محاسبه شده به جای پیش بینی تعداد دفعات تشکیل هر محصول شناسایی می کند. بنابراین، به جای جایگزینی، شبیه سازی دینامیک مولکولی را تکمیل می کند.

با نگاهی به آینده، درک کامل تر از مسیرهای واکنش رقابتی می تواند به توسعه سنتز شیمیایی انتخابی تر و کارآمدتر کمک کند. چنین پیشرفت‌هایی در نهایت ممکن است به نفع تولید دارو، مواد شیمیایی خوب و مواد پیشرفته باشد، جایی که کنترل نتایج واکنش از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

تاکایاناگی می‌گوید: «ما امیدواریم که ادغام این رویکرد با جستجوهای خودکار مسیر واکنش و شبیه‌سازی دینامیک مولکولی، درک و پیش‌بینی تحولات شیمیایی پیچیده را آسان‌تر کند.

"با شناسایی مسیرهای واکنش جایگزین که ممکن است در غیر این صورت نادیده گرفته شوند، این روش در نهایت می تواند از طراحی فرآیندهای شیمیایی انتخابی تر حمایت کند و به توسعه داروهای جدید و مواد کاربردی کمک کند. تحقیقات بیشتری برای ترجمه این بینش های محاسباتی به کاربردهای عملی مورد نیاز خواهد بود."

کیتا یاماکی و همکاران، کاربرد روش رشته برای تعیین ماهیت دو وجهی حالات گذار در واکنش‌های انشعاب، مجله شیمی محاسباتی (2026). DOI: 10.1002/jcc.70517

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →