La conception de la réaction chimique devient virtuelle

Les chercheurs visent à rationaliser le processus de sélection des ligands, qui nécessite beaucoup de temps et de ressources, lors de la conception du catalyseur, en utilisant des ligands virtuels.

Des chercheurs de l’Institute for Chemical Reaction Design and Discovery et de l’Université d’Hokkaido ont mis au point une méthode de criblage virtuelle assistée par ligand (VLA), qui pourrait réduire considérablement le nombre d’essais et d’erreurs nécessaires en laboratoire lors du développement de catalyseurs de métaux de transition. La méthode, publiée dans la revue Catalyse ACSpeut également conduire à la découverte de conceptions de catalyseurs non conventionnelles en dehors de la portée de l’intuition des chimistes.

Les ligands sont des molécules qui sont liées à l’atome de métal central d’un catalyseur et qui affectent l’activité et la sélectivité d’un catalyseur. Trouver le ligand optimal pour catalyser une réaction cible spécifique peut être comme trouver une aiguille dans une botte de foin.

La méthode de criblage VLA fournit un moyen de rechercher efficacement cette botte de foin, en examinant une large gamme de valeurs pour différentes propriétés afin d’identifier les caractéristiques des ligands qui devraient être les plus prometteuses. Cela réduit la zone de recherche des chimistes en laboratoire et a le potentiel d’accélérer considérablement le processus de conception de la réaction.

Ce nouveau travail utilise des ligands virtuels, qui imitent la présence de vrais ligands ; cependant, au lieu d’être décrits par de nombreux atomes constitutifs individuels – tels que le carbone ou l’azote – les ligands virtuels sont décrits à l’aide de seulement deux métriques : leurs propriétés stériques ou de remplissage d’espace et leurs propriétés électroniques.

Les chercheurs ont développé des approximations qui décrivent chacun de ces effets avec un seul paramètre. L’utilisation de cette description simplifiée d’un ligand a permis aux chercheurs d’évaluer les ligands de manière efficace sur le plan informatique sur une large gamme de valeurs pour ces deux effets. Le résultat est une « carte de contour » qui montre quelle combinaison d’effets stériques et électroniques un ligand devrait avoir afin de catalyser au mieux une réaction spécifique. Les chimistes peuvent alors se concentrer uniquement sur les tests de vrais ligands qui répondent à ces critères.

Les chercheurs ont utilisé des ligands virtuels de phosphore monodenté (III) comme groupe test et ont vérifié leurs modèles pour les propriétés électroniques et stériques des ligands virtuels par rapport aux valeurs calculées pour les ligands réels correspondants.

La méthode de criblage VLA a ensuite été utilisée pour concevoir des ligands pour une réaction test dans laquelle un groupe CHO et un atome d’hydrogène peuvent être ajoutés à une double liaison dans deux configurations possibles différentes. La voie de réaction a été évaluée pour 20 cas de ligands virtuels (composés de différentes valeurs attribuées pour les paramètres électroniques et stériques) pour créer une carte de contour qui montre une tendance visuelle pour quels types de ligands peuvent entraîner une réaction hautement sélective.

Des modèles informatiques de ligands réels ont été conçus sur la base de paramètres extraits de la carte de contour, puis évalués par ordinateur. Les valeurs de sélectivité prédites via la méthode de criblage VLA correspondaient bien aux valeurs calculées pour les modèles de ligands réels, montrant la viabilité de la méthode de criblage VLA pour fournir des conseils qui aident à la conception rationnelle des ligands.

Au-delà d’un gain de temps et de ressources précieux, l’auteur correspondant Satoshi Maeda prévoit la création de puissants systèmes de prédiction de réaction en combinant la méthode de dépistage VLA avec d’autres techniques de calcul.

« Le criblage de ligands est un processus essentiel dans le développement de la catalyse des métaux de transition. Comme le dépistage VLA peut être effectué in silico, cela permettrait d’économiser beaucoup de temps et de ressources dans le laboratoire. Nous pensons que cette méthode non seulement rationalise la recherche d’un ligand optimal à partir d’une bibliothèque de ligands donnée, mais stimule également les chercheurs à explorer l’espace chimique inexploité des ligands », a commenté l’auteur correspondant Satoshi Maeda. « En outre, nous espérons également qu’en combinant cette méthode avec notre technologie de prédiction de réaction à l’aide de la méthode de réaction induite par la force artificielle, un nouveau schéma de découverte informatisé de la catalyse des métaux de transition pourra être réalisé. »

Article original:

Wataru Matsuoka, Yu Harabuchi, Satoshi Maeda. Stratégie de criblage virtuel assisté par ligand pour découvrir des ligands habilitants pour la catalyse des métaux de transition. Catalyse ACS. 13 mars 2022.

DOI : 10.1021/acscatal.2c00267

La source: Université d’Hokkaidō

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