多面体形式体系给化学空间探索提供了一条新路

多面体形式体系给化学空间探索提供了一条新路。悉尼大学的Peter Canfield和Maxwell Crossley扩大了这个原本用于描述立体异构现象的体系,把它用到了分子内部原子排列和连接的研究上,也就是分子结构。这个体系不设太多限制,让研究人员能发现其他方法很难触及的地方。异构和立体异构是很多化学、生物过程的基础,弄懂分子怎么变成不同的异构体,能帮化学家更好地掌控反应和产物。不过,可能的分子结构空间太大了,要把它完全弄清楚挺难。 传统上,人们用规范的方式表示分子结构,画出原子和键。这种方法虽然有用,但抓不住反应过程中键形成的中间态。相对来说,只要知道原子是怎么连在一起的表示法就好办了,它能捕捉到所有可能的构型,包括中间体和结合分解的过程。每个构型对应一个连接矩阵,矩阵的秩就是原子数,元素只有0或1,1代表原子之间有连接。把这些矩阵列出来就能得到一个严格的数学描述。 多面体形式体系把这个巨大的空间组织了起来,它最初是用来系统地展示立体异构体之间的关系和转换方式的。现在悉尼大学的Peter Canfield和Maxwell Crossley把这个原则用到了更大的问题上,就是画出原子之间所有可能的连接模式。他们用这个框架把分子结构、反应性和反应机理联系了起来。 这个体系只看原子的连接关系,能描述传统的异构体还有代表反应中间态的亚价、超价物种。它把图论和计算结合起来了。Crossley说:“这个体系处理的是化学空间的拓扑结构,计算则加上了地形信息。” 为了降低计算难度,Canfield和Crossley用模块化结构定理来约束转换规则,生成能用能量计算彻底分析的反应图。他们还引入了类、科、属、种这样的分类层级来组织结果。最后形成了一个全面的工具,能用来探索从整体结构到细节机理的化学空间。 这项工作能帮科学家把理论、实验和合成连起来。“它不仅严谨全面地定义了精细程度的化学空间,还提供了用模拟方法探索它的有效方式。”Canfield说:“设计新分子可能要花好几年时间,而且还不一定管用。同时用模拟来预测目标性质指导合成化学家选择目标更快更划算。” 瑞典皇家理工学院(KTH)的有机化学家Christina Moberg觉得把多面体形式体系扩展到分子结构是重要的一步。“这肯定也有潜力应用到更广泛的化学过程中去。”她说这个方法不设限能探索更多地方是优点之一。不过开放性带来的复杂性也是个挑战:“它的优势在于不局限于先验的合理解决方案。” Moberg觉得这一方法最重要的贡献是它吸引了很多人:“它背后的原则(不用复杂数学也能懂)会改变很多科学家的思维方式。”