Mittlerweile gibt es nur noch wenige Probleme, bei deren Bewältigung KI und maschinelles Lernen nicht helfen können. Forscher der Yokohama National University nutzen diesen modernen Vorteil, um Probleme zu lösen, die herkömmliche Methoden nicht lösen können.
Bei der Wechselwirkung kohlenstoffhaltiger (oder organischer) Moleküle sind viele Regeln zu beachten: die Positionierung von Gruppen auf dem Molekül, die mit seiner Umgebung interagieren, die Größe, Form und Position des Moleküls sowie das Molekül, mit dem es interagiert. Das Ergebnis einer bestimmten Reaktion kann abhängig von diesen und vielen weiteren Faktoren sehr unterschiedlich ausfallen, und die Vorhersage dieser Ergebnisse hat sich im chemischen Bereich als ziemliche Herausforderung erwiesen. Die Kontrolle des Ergebnisses ist ein sehr notwendiger Bestandteil der chemischen Synthese, aber Vorhersagen reichen nicht immer aus.
Glücklicherweise können maschinelles Lernen und künstliche Intelligenz (KI) erneut dazu beitragen, den Fortschritt voranzutreiben, indem sie die Geschwindigkeit oder Selektivität einer bestimmten Reaktion vorhersagen. Daher kann diese Technologie hilfreich sein, um vorherzusagen, welches Produkt zu erwarten ist.
Die Forscher haben veröffentlicht ihre Erkenntnisse in der Zeitschrift für chemische Information und Modellierung.
In der organischen Chemie kommt es auf jedes Detail an. Zwei gemeinsame Bereiche, die die Art und Weise beeinflussen können, wie ein Molekül mit anderen Molekülen interagiert, sind Sterik und Orbitale. Sterik bezieht sich auf die Anordnung von Molekülen und sterische Effekte können die Form und Reaktivität des Moleküls bestimmen. Dies kann an der Größe oder Ladung des Moleküls oder einzelnen Atoms liegen. Orbitale sind eine Möglichkeit, die wahrscheinlichste Platzierung der Elektronen zu erklären, die wiederum mit anderen Molekülen oder Atomen interagieren und Reaktionen auslösen können.
Diese Faktoren können die Stelle, an der ein Nukleophil oder ein elektronenspendender Reaktant an das Empfängermolekül binden kann, drastisch verändern. Dies wird als „Selektivität“ bezeichnet und je nachdem, wo sich das Molekül anlagert, können unterschiedliche Produkte oder Ausbeuten des gewünschten Produkts entstehen. Forscher nutzen KI und maschinelles Lernen sowie das aktuelle Wissen über chemische Reaktionen, um diese Aspekte der molekularen Selektivität besser zu erklären.
„Um zu bestimmen, welche Informationen als wesentliche chemische Informationen für die Weitergabe an die KI verwendet werden können, ist es notwendig, chemisches Wissen mit Kenntnissen über KI und maschinelles Lernen zu kombinieren“, sagte der korrespondierende Autor Hiroaki Gotoh, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Ingenieurwissenschaften in Yokohama Nationaluniversität.
Zunächst mussten dem Computer einige Informationen zugeführt werden, aus denen er lernen konnte. Informationen aus der Literatur zur Computerchemie und Informationen aus früheren Studien wurden verwendet, um den Lehrprozess der KI zu beginnen. Nach einer manuellen Dateneingabe für die spezifischen verwendeten Moleküle und der Einstellung optimaler Parameter wurden Datenanalysen basierend auf den vorhergesagten Ergebnissen des Testdatensatzes durchgeführt. Diese Analysen ermöglichen es der KI, zukünftige Selektivitäten auf der Grundlage bereits bekannter Informationen zu lernen und vorherzusagen.
„Diese Methode ermöglicht eine umfassendere Analyse und Interpretation von Reaktionsmechanismen durch Berechnung der Parameter der sphärischen Räume, die sich nähernde Nukleophile imitieren“, sagte Daimon Sakaguchi, Erstautor der Studie am Fachbereich Chemie und Biowissenschaften der Yokohama National University.
Die Studie erklärte erfolgreich die 323-Reaktionsselektivität von acht Nukleophilen, basierend darauf, welche „Seite“ des Moleküls die wünschenswerteste Produktmenge liefern würde. Die Selektivität ändert sich aufgrund der Sterik des Moleküls zusätzlich zu seinen Orbitalfaktoren. Forscher fanden heraus, dass bei einigen Molekülen der Orbitalfaktor für die Bestimmung der Gesichtsselektivität wichtiger ist, während andere stärker von der Sterik des Moleküls abhängen, wenn es mit seinem Nukleophil interagiert.
Die Kombination von prädiktiver Technologie und maschinellem Lernen mit etablierten Kenntnissen der Chemie kann zu besseren Ergebnissen bei der chemischen Reaktion führen und Chemikern dabei helfen, Naturstoffe und pharmazeutische Chemikalien effizienter zu synthetisieren.
Durch die Optimierung dieses Prozesses durch den Einsatz von maschinellem Lernen und künstlicher Intelligenz können mehr Experimente durchgeführt werden. Im Idealfall hoffen die Forscher, mit experimentellen Chemikern zusammenzuarbeiten, um Reaktionen zu entwerfen, die mit der Entwicklung besser vorhersagender Technologien für chemische Reaktionen fortfahren.
Mehr Informationen:
Daimon Sakaguchi et al., Verwendung dreidimensionaler Informationen zur Vorhersage und Interpretation der Gesichtsselektivitäten nukleophiler Additionen an zyklische Ketone, Zeitschrift für chemische Information und Modellierung (2024). DOI: 10.1021/acs.jcim.4c00101