Химические реакции обычно записываются в виде простых уравнений: исходные вещества вводятся, а продукт выходит. В действительности же одни и те же субстраты могут следовать по множеству различных путей в зависимости от их концентрации, температуры, катализаторов и других условий. Изучить все эти варианты вручную почти нереально, и теперь на помощь пришли роботизированные лаборатории и химический искусственный интеллект.
Ученые из Института фундаментальных наук с помощью автоматизированной роботизированной платформы проверили 960 разных наборов условий для реакции Биджинелли — классической химической реакции, описанной еще в 1891 году. Результаты их работы опубликованы в журнале Nature Synthesis. Ученые искали не лучший способ получить известную молекулу, а все возможные продукты и пути, которые могут возникать при разных условиях. В итоге они обнаружили неизвестную ранее ветвь этой реакции, которая приводит к сложным двухкольцевым структурам вместо привычных продуктов.
Анализ с помощью искусственного интеллекта показал, что в этом неожиданном пути семь исходных молекул соединяются в один сложный продукт. Опираясь на эту схему реакций, исследователи создали целое семейство родственных молекул, по сложности приближающихся к природным соединениям.
Новые молекулы оказались интересны не только структурой, но и поведением: часть из них сама собирается в более крупные структуры в зависимости от температуры и концентрации, другие избирательно связывают ионы металлов — бария и цинка, что может пригодиться для точного обнаружения металлов. Особенно необычно вела себя молекула, зеркально-симметричные формы которой по-разному объединялись друг с другом в зависимости от среды и присутствия металлов. С цинком молекулы одной симметрии объединялись с такими же, а с барием — с противоположными. Такое управляемое разделение встречается крайне редко.
Главное значение работы оказалось в самом подходе, потому что роботы использовались не для оптимизации известного результата, а для построения карты всех возможных путей реакции, что позволило найти неожиданные продукты там, где их никто не искал. Ученые уверены, что даже хорошо изученные за более чем сто лет реакции могут скрывать неизвестные пути, которые становятся видимыми лишь при систематическом исследовании условий, а сочетание роботов, масштабного картирования и искусственного интеллекта открывает совершенно новые химические явления и молекулы с неожиданными свойствами.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, как юрист-самоучка пересобрал всю химию.