Investigación de síntese orgánica por computador
1989/06/01 Sarasola Ledesma, Joxemai Iturria: Elhuyar aldizkaria
A síntese química pódese definir como a obtención de certos produtos a partir doutros produtos como consecuencia dunha secuencia de reacción.
Paira conseguir esta secuencia de reaccións debemos ter en conta algunhas leis. Estas leis dinnos si una reacción é aplicable ou non nun momento ou situación concreta.
Pero tamén temos que coñecer outras cousas paira elixir a mellor síntese:
- Rendemento de cada paso da secuencia de reacción.
- Prezo dos reactivos a utilizar.
- Mínimo número de pasos da ruta de síntese para que o prezo do produto sexa mínimo.
- Análise de posibles reaccións competitivas no camiño. Estas reaccións afectarán tanto ao rendemento como ao prezo do produto. Ten en conta que son reaccións competitivas e que o produto non será moi limpo. Por tanto, haberá que limpalo e isto subirá o prezo.
Como temos moitas especies químicas e reaccións diferentes, teremos moitas posibilidades de obter un produto. Temos que elixir o camiño máis barato e fácil de levar a cabo na industria. Paira saber cal é esta vía temos que ter en conta os tipos de dispositivos que temos e os tipos de reactores que temos, si o seu uso é fácil ou difícil e a que prezo están os reactivos no mercado de produtos químicos.
Por tanto, á hora de realizar a síntese, debemos ter en conta por unha banda un gran número de datos e por outra, tomar a opción máis adecuada de todas as opcións. Isto expón dous problemas:
- Tempo: tardaremos moito tempo en elixir o mellor camiño.
- Erros: como o ser humano ten a posibilidade de erro propia, isto agrávase ao traballar con moitos datos.
Por iso, nos anos sesenta empezaron a utilizar os computadores. Ao principio xurdiu un debate entre os investigadores. Algúns aseguraban que a química era una ciencia de baixa dimensión de formalización e o realmente importante era a intuición do investigador. Pola contra, outros investigadores sinalaban que era capaz de axudar aos computadores no traballo intelectual dun químico e que debía axudar.
Un computador pode analizar mellor e máis rápido as diferentes opcións. O que ten que facer o investigador é expor un traballo ao computador. Paira iso deberá utilizar unha linguaxe apropiada, baseado en símbolos matemáticos. Neste último atópase a maior dificultade, traducindo todos os coñecementos da química á linguaxe matemática.
Un computador pode axudar ao químico de dúas maneiras:
- Como repositorio de datos. Recolle coñecementos de química e todas as experiencias anteriores que podemos ter dispoñibles en calquera momento. Estes non son capaces de inventar cousas novas.
- Analizando as diferentes variables lóxicas paira a síntese dun produto. Son capaces de atopar novas reaccións na química orgánica.
O primeiro sistema experto en química orgánica, é dicir, a primeira intelixencia artificial, foi o denominado DENDRAL. R. Feigtroncos e J. Foi realizada por Lederberg. DENDRAL, baseándose nos resultados das análises espectroscópicos, era capaz de obter una estrutura tridimensional de moléculas orgánicas.
Outros sistemas da década dos 70 son: LHASA, SECS, SYNCHEM e PASCOP por exemplo. Estes presentaban diferentes alternativas a partir de varios datos e o químico elixía por que camiño seguir.
Outra sesión de síntese orgánica asistida por computador era o programa FLAMINGO. Con leste programa “M. Lomonosov” incorporouse á Universidade de Moscova en 1972. Este programa traballa da seguinte maneira:
O computador baséase nunha estrutura que pertence á especie química inicial. As reaccións na química orgánica considéranse permutaciones dos distintos enlaces, é dicir, rompen nalgúns lugares e compleméntanse noutros. Como as posibles permutaciones son moitas, pónselle límites ou críticas. Grazas a eles, o computador realiza un estudo que evita estruturas irreais nin duplicacións, é dicir, especies iguais. Dito doutro xeito, aperta a banda de procura e non acepta resultados non químicamente relevantes, aínda que matematicamente sexan correctos.
Doutra banda, grazas aos seus coñecementos o investigador pode introducir algunhas limitacións especiais no programa. Por exemplo, elixir só algúns dos átomos que ten un composto. Deste xeito, só os enlaces destes átomos intervirán na permutación.
O computador represéntanos gráficamente a información que introducimos e os resultados.
O seu tempo de traballo oscila entre tres e cinco segundos.
O químico selecciona os resultados máis adecuados dos que se obteñen, que se almacenan na memoria do computador e que poden ser utilizados como especies primarias. Desta forma pódese realizar una síntese de diferentes etapas.
Outra destas experiencias foi o proxecto do instituto químico UAM-IBM e Sarria. Este proxecto comezou en 1986 e estaba dirixido a estudantes.
A principal característica deste proxecto era a sinxeleza da linguaxe informática. A pesar de non ter grandes coñecementos informáticos, era posible traballar con este sistema.
Nun principio albergaron un grupo de especies químicas de química orgánica. Este grupo estaba formado por especies derivadas do benceno e o benceno. O benceno ten una estrutura hexagonal cun átomo de carbono en cada un dos seus vértices. A este carbono queda un enlace solto e nesta sustancia está unida a un átomo de hidróxeno. As moléculas derivadas do benceno obtéñense substituíndo o átomo de hidróxeno por outro átomo, un radical ou un conxunto de átomos. Por exemplo, o ácido acetilsalicílico (aspirina) obtense substituíndo un hidróxeno por un radical COOH e outro por un Ou-CO-CH3.
Paira obter un produto deben proporcionar ao sistema a seguinte información:
- Listaxe de produtos básicos e os seus prezos.
- Lista de todos os tipos de reaccións. Aquí definiranse os radicais implicados, o rendemento da reacción e o custo por mol.
- Un conxunto de restricións e normas. Utilizarase paira decidir se una reacción pode aplicarse ou non en todo momento.
Una vez recibida esta información, este sistema indicaranos cal é a forma de síntese máis económica paira obter un produto.
O maior problema deste sistema é o enorme número de posibilidades e o tempo necesario paira tomar a decisión. Ao sistema de reducir algo este tempo púxoselle una memoria, é dicir, déuselle capacidade de lembrar. Almacena a información dos produtos intermedios e así, se una liña de síntese pasa por ese produto, o tempo que tarda en tomar a decisión será menor.
