Investigación de síntesis orgánica por ordenador
La síntesis química se puede definir como la obtención de ciertos productos a partir de otros productos como consecuencia de una secuencia de reacción.
Para conseguir esta secuencia de reacciones debemos tener en cuenta algunas leyes. Estas leyes nos dicen si una reacción es aplicable o no en un momento o situación concreta.
Pero también tenemos que conocer otras cosas para elegir la mejor síntesis:
- Rendimiento de cada paso de la secuencia de reacción.
- Precio de los reactivos a utilizar.
- Mínimo número de pasos de la ruta de síntesis para que el precio del producto sea mínimo.
- Análisis de posibles reacciones competitivas en el camino. Estas reacciones afectarán tanto al rendimiento como al precio del producto. Ten en cuenta que son reacciones competitivas y que el producto no será muy limpio. Por lo tanto, habrá que limpiarlo y esto subirá el precio.
Como tenemos muchas especies químicas y reacciones diferentes, tendremos muchas posibilidades de obtener un producto. Tenemos que elegir el camino más barato y fácil de llevar a cabo en la industria. Para saber cuál es esta vía tenemos que tener en cuenta los tipos de dispositivos que tenemos y los tipos de reactores que tenemos, si su uso es fácil o difícil y a qué precio están los reactivos en el mercado de productos químicos.
Por lo tanto, a la hora de realizar la síntesis, debemos tener en cuenta por una parte un gran número de datos y por otra, tomar la opción más adecuada de todas las opciones. Esto plantea dos problemas:
- Tiempo: tardaremos mucho tiempo en elegir el mejor camino.
- Errores: como el ser humano tiene la posibilidad de error propia, esto se agrava al trabajar con muchos datos.
Por ello, en los años sesenta empezaron a utilizar los ordenadores. Al principio surgió un debate entre los investigadores. Algunos aseguraban que la química era una ciencia de baja dimensión de formalización y lo realmente importante era la intuición del investigador. Por el contrario, otros investigadores señalaban que era capaz de ayudar a los ordenadores en el trabajo intelectual de un químico y que debía ayudar.
Un ordenador puede analizar mejor y más rápido las diferentes opciones. Lo que tiene que hacer el investigador es plantear un trabajo al ordenador. Para ello deberá utilizar un lenguaje apropiado, basado en símbolos matemáticos. En este último se encuentra la mayor dificultad, traduciendo todos los conocimientos de la química al lenguaje matemático.
Un ordenador puede ayudar al químico de dos maneras:
- Como repositorio de datos. Recoge conocimientos de química y todas las experiencias anteriores que podemos tener disponibles en cualquier momento. Estos no son capaces de inventar cosas nuevas.
- Analizando las diferentes variables lógicas para la síntesis de un producto. Son capaces de encontrar nuevas reacciones en la química orgánica.
El primer sistema experto en química orgánica, es decir, la primera inteligencia artificial, fue el denominado DENDRAL. R. Feigtroncos y J. Fue realizada por Lederberg. DENDRAL, basándose en los resultados de los análisis espectroscópicos, era capaz de obtener una estructura tridimensional de moléculas orgánicas.
Otros sistemas de la década de los 70 son: LHASA, SECS, SYNCHEM y PASCOP por ejemplo. Estos presentaban diferentes alternativas a partir de varios datos y el químico elegía por qué camino seguir.
Otra sesión de síntesis orgánica asistida por ordenador era el programa FLAMINGO. Con este programa “M. Lomonosov” se incorporó a la Universidad de Moscú en 1972. Este programa trabaja de la siguiente manera:
El ordenador se basa en una estructura que pertenece a la especie química inicial. Las reacciones en la química orgánica se consideran permutaciones de los distintos enlaces, es decir, se rompen en algunos lugares y se complementan en otros. Como las posibles permutaciones son muchas, se le ponen límites o críticas. Gracias a ellos, el ordenador realiza un estudio que evita estructuras irreales ni duplicaciones, es decir, especies iguales. Dicho de otro modo, aprieta la banda de búsqueda y no acepta resultados no químicamente relevantes, aunque matemáticamente sean correctos.
Por otro lado, gracias a sus conocimientos el investigador puede introducir algunas limitaciones especiales en el programa. Por ejemplo, elegir sólo algunos de los átomos que tiene un compuesto. De este modo, sólo los enlaces de estos átomos intervendrán en la permutación.
El ordenador nos representa gráficamente la información que introducimos y los resultados.
Su tiempo de trabajo oscila entre tres y cinco segundos.
El químico selecciona los resultados más adecuados de los que se obtienen, que se almacenan en la memoria del ordenador y que pueden ser utilizados como especies primarias. De esta forma se puede realizar una síntesis de diferentes etapas.
Otra de estas experiencias ha sido el proyecto del instituto químico UAM-IBM y Sarria. Este proyecto comenzó en 1986 y estaba dirigido a estudiantes.
La principal característica de este proyecto era la sencillez del lenguaje informático. A pesar de no tener grandes conocimientos informáticos, era posible trabajar con este sistema.
En un principio albergaron un grupo de especies químicas de química orgánica. Este grupo estaba formado por especies derivadas del benceno y el benceno. El benceno tiene una estructura hexagonal con un átomo de carbono en cada uno de sus vértices. A este carbono le queda un enlace suelto y en esta sustancia está unida a un átomo de hidrógeno. Las moléculas derivadas del benceno se obtienen sustituyendo el átomo de hidrógeno por otro átomo, un radical o un conjunto de átomos. Por ejemplo, el ácido acetilsalicílico (aspirina) se obtiene sustituyendo un hidrógeno por un radical COOH y otro por un O-CO-CH3.
Para obtener un producto deben proporcionar al sistema la siguiente información:
- Listado de productos básicos y sus precios.
- Lista de todos los tipos de reacciones. Aquí se definirán los radicales implicados, el rendimiento de la reacción y el coste por mol.
- Un conjunto de restricciones y normas. Se utilizará para decidir si una reacción puede aplicarse o no en todo momento.
Una vez recibida esta información, este sistema nos indicará cuál es la forma de síntesis más económica para obtener un producto.
El mayor problema de este sistema es el enorme número de posibilidades y el tiempo necesario para tomar la decisión. Al sistema de reducir algo este tiempo se le ha puesto una memoria, es decir, se le ha dado capacidad de recordar. Almacena la información de los productos intermedios y así, si una línea de síntesis pasa por ese producto, el tiempo que tarda en tomar la decisión será menor.
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