Recerca de síntesi orgànica per ordinador
1989/06/01 Sarasola Ledesma, Joxemai Iturria: Elhuyar aldizkaria
La síntesi química es pot definir com l'obtenció de certs productes a partir d'altres productes com a conseqüència d'una seqüència de reacció.
Per a aconseguir aquesta seqüència de reaccions hem de tenir en compte algunes lleis. Aquestes lleis ens diuen si una reacció és aplicable o no en un moment o situació concreta.
Però també hem de conèixer altres coses per a triar la millor síntesi:
- Rendiment de cada pas de la seqüència de reacció.
- Preu dels reactius a utilitzar.
- Mínim nombre de passos de la ruta de síntesi perquè el preu del producte sigui mínim.
- Anàlisi de possibles reaccions competitives en el camí. Aquestes reaccions afectaran tant el rendiment com al preu del producte. Tingues en compte que són reaccions competitives i que el producte no serà molt net. Per tant, caldrà netejar-ho i això pujarà el preu.
Com tenim moltes espècies químiques i reaccions diferents, tindrem moltes possibilitats d'obtenir un producte. Hem de triar el camí més barat i fàcil de dur a terme en la indústria. Per a saber quina és aquesta via hem de tenir en compte els tipus de dispositius que tenim i els tipus de reactors que tenim, si el seu ús és fàcil o difícil i a quin preu estan els reactius en el mercat de productes químics.
Per tant, a l'hora de realitzar la síntesi, hem de tenir en compte d'una banda un gran nombre de dades i per una altra, prendre l'opció més adequada de totes les opcions. Això planteja dos problemes:
- Temps: trigarem molt temps a triar el millor camí.
- Errors: com l'ésser humà té la possibilitat d'error pròpia, això s'agreuja en treballar amb moltes dades.
Per això, en els anys seixanta van començar a utilitzar els ordinadors. Al principi va sorgir un debat entre els investigadors. Alguns asseguraven que la química era una ciència de baixa dimensió de formalització i el realment important era la intuïció de l'investigador. Per contra, altres investigadors assenyalaven que era capaç d'ajudar als ordinadors en el treball intel·lectual d'un químic i que havia d'ajudar.
Un ordinador pot analitzar millor i més ràpid les diferents opcions. El que ha de fer l'investigador és plantejar un treball a l'ordinador. Per a això haurà d'utilitzar un llenguatge apropiat, basat en símbols matemàtics. En aquest últim es troba la major dificultat, traduint tots els coneixements de la química al llenguatge matemàtic.
Un ordinador pot ajudar al químic de dues maneres:
- Com a repositori de dades. Recull coneixements de química i totes les experiències anteriors que podem tenir disponibles en qualsevol moment. Aquests no són capaços d'inventar coses noves.
- Analitzant les diferents variables lògiques per a la síntesi d'un producte. Són capaços de trobar noves reaccions en la química orgànica.
El primer sistema expert en química orgànica, és a dir, la primera intel·ligència artificial, va ser el denominat DENDRAL. R. Feigtroncos i J. Va ser realitzada per Lederberg. DENDRAL, basant-se en els resultats de les anàlisis espectroscòpiques, era capaç d'obtenir una estructura tridimensional de molècules orgàniques.
Altres sistemes de la dècada dels 70 són: LHASA, SECS, SYNCHEM i PASCOP per exemple. Aquests presentaven diferents alternatives a partir de diverses dades i el químic triava per què camino seguir.
Una altra sessió de síntesi orgànica assistida per ordinador era el programa FLAMINGO. Amb aquest programa “M. Lomonosov” es va incorporar a la Universitat de Moscou en 1972. Aquest programa treballa de la següent manera:
L'ordinador es basa en una estructura que pertany a l'espècie química inicial. Les reaccions en la química orgànica es consideren permutacions dels diferents enllaços, és a dir, es trenquen en alguns llocs i es complementen en uns altres. Com les possibles permutacions són moltes, se li posen límits o crítiques. Gràcies a ells, l'ordinador realitza un estudi que evita estructures irreals ni duplicacions, és a dir, espècies iguals. Dit d'una altra manera, estreny la banda de cerca i no accepta resultats no químicament rellevants, encara que matemàticament siguin correctes.
D'altra banda, gràcies als seus coneixements l'investigador pot introduir algunes limitacions especials en el programa. Per exemple, triar només alguns dels àtoms que té un compost. D'aquesta manera, només els enllaços d'aquests àtoms intervindran en la permutació.
L'ordinador ens representa gràficament la informació que introduïm i els resultats.
El seu temps de treball oscil·la entre tres i cinc segons.
El químic selecciona els resultats més adequats dels que s'obtenen, que s'emmagatzemen en la memòria de l'ordinador i que poden ser utilitzats com a espècies primàries. D'aquesta forma es pot realitzar una síntesi de diferents etapes.
Una altra d'aquestes experiències ha estat el projecte de l'institut químic UAM-IBM i Sarria. Aquest projecte va començar en 1986 i estava dirigit a estudiants.
La principal característica d'aquest projecte era la senzillesa del llenguatge informàtic. Malgrat no tenir grans coneixements informàtics, era possible treballar amb aquest sistema.
Al principi van albergar un grup d'espècies químiques de química orgànica. Aquest grup estava format per espècies derivades del benzè i el benzè. El benzè té una estructura hexagonal amb un àtom de carboni en cadascun dels seus vèrtexs. A aquest carboni li queda un enllaç solt i en aquesta substància està unida a un àtom d'hidrogen. Les molècules derivades del benzè s'obtenen substituint l'àtom d'hidrogen per un altre àtom, un radical o un conjunt d'àtoms. Per exemple, l'àcid acetilsalicílic (aspirina) s'obté substituint un hidrogen per un radical COOH i un altre per un O-CO-CH3.
Per a obtenir un producte han de proporcionar al sistema la següent informació:
- Llistat de productes bàsics i els seus preus.
- Llista de tots els tipus de reaccions. Aquí es definiran els radicals implicats, el rendiment de la reacció i el cost per mol.
- Un conjunt de restriccions i normes. S'utilitzarà per a decidir si una reacció pot aplicar-se o no en tot moment.
Una vegada rebuda aquesta informació, aquest sistema ens indicarà quina és la forma de síntesi més econòmica per a obtenir un producte.
El major problema d'aquest sistema és l'enorme nombre de possibilitats i el temps necessari per a prendre la decisió. Al sistema de reduir alguna cosa aquest temps se li ha posat una memòria, és a dir, se li ha donat capacitat de recordar. Emmagatzema la informació dels productes intermedis i així, si una línia de síntesi passa per aquest producte, el temps que triga a prendre la decisió serà menor.
