A veces, cuando los científicos experimentales tienen en sus manos una supercomputadora, puede cambiar el curso de sus carreras y abrir nuevas preguntas para la exploración.
Este fue el caso de Abdurrahman y Tülay Atesin, marido y mujer químicos, colaboradores y profesores de la Universidad de Texas Rio Grande Valley. Experimentales de formación, cuando se mudaron a Texas en 2013, un colega les dijo que a través de la Universidad deIniciativa de Texas Research Cyberinfrastructure, tenían acceso gratuito a algunos de los sistemas informáticos avanzados del mundo en el Texas Advanced Computing Center TACC.
"No estábamos planeando hacer estudios computacionales intensivos, pero una vez que conocimos los recursos en TACC, abrió nuestros horizontes de investigación para colaborar con otros grupos dentro del sistema UT y otras partes del país", dijo Tülay.ha sido de gran ayuda tanto para nuestros grupos de investigación como para la productividad de nuestra investigación. Tener los recursos de TACC nos ayudó mucho a continuar nuestra investigación ".
Durante los últimos cinco años, los Atesins han utilizado supercomputadoras TACC - inicialmente Longhorn, Lonestar y Stampede, luego Lonestar5 y ahora Stampede2 - para estudiar compuestos organometálicos: compuestos químicos que contienen enlaces entre un átomo de carbono de una molécula orgánica y unmetal.
Los compuestos organometálicos se utilizan ampliamente en aplicaciones industriales y sirven como catalizadores para la producción de polímeros, productos farmacéuticos y muchos otros tipos de productos prácticos. Sin embargo, no son los productos finales los que interesan tanto a las Atesinas como a las moléculas de proceso.para llegar allí.
Su investigación más reciente trata sobre el elemento paladio y su papel en la síntesis de ciclopentenonas: anillos de cinco miembros que juegan un papel en diversos compuestos como el aroma del jazmín y las prostaglandinas, un lípido que tiene efectos similares a las hormonas en los animales..
En julio de 2018, los Atesin, en colaboración con los colaboradores de UTRGV Oscar Rodríguez, Diego Rivera y Lohany García, publicaron los resultados de un estudio en Química Computacional y Teórica explorando la estructura de un catalizador de paladio para comprender la selectividad excepcional observada en reacciones catalizadas por paladio.
Los resultados apoyaron su hipótesis de que la forma más estable de la molécula tiene forma de silla y que la repulsión entre esta conformación y el sustrato la sustancia sobre la que actúa la molécula dicta qué producto final final se forma.
Para llegar a esta conclusión, los investigadores realizaron cálculos mecánicos moleculares para generar 53 estructuras únicas que podrían representar fosforamiditas, una clase de moléculas versátiles con una variedad de aplicaciones para la catálisis. Luego utilizaron cálculos mecánicos cuánticos en la supercomputadora Stampede enTACC para analizar más a fondo estas estructuras y determinar cuál tenía la energía más baja y por lo tanto era más probable que ocurriera en la naturaleza y evaluar las fuerzas en el trabajo cuando reaccionaron
Los hallazgos de la investigación se pueden utilizar para comprender la selectividad observada en muchas reacciones catalizadas por paladio impactantes y para guiar la síntesis de variantes nuevas y mejoradas de esta importante familia de catalizadores.
en una investigación separada informada en organometálicos en septiembre de 2017, explicaron el mecanismo de una reacción que muchos pensaron que era una reacción de "Nazarov", ya que los reactivos y los productos de la reacción son los mismos que los de una reacción de "Nazarov" clásica.
"Todos en el campo pensaron que el paladio 0 no funciona como un ácido de Lewis, pero su función no estaba clara", dijo Tülay Atesin. En 2012, cuando se informó por primera vez de la reacción, "se desconocía el mecanismo. Así que, estudiamos cuál podría ser el mecanismo ".
Lo que descubrieron fue el primer ejemplo conocido del uso de una "reacción de alquilación alílica asimétrica" para la síntesis de una ciclopentenona quiral. La quiralidad es una característica de una molécula que significa que no se puede superponer a su imagen especular.
Para descubrir el mecanismo, utilizaron un método computacional conocido como teoría funcional de densidad, o DFT, según Abdurrahman.
"Con DFT, ingresamos una estructura inicial y una estructura final que hemos determinado experimentalmente, y probamos diferentes rutas y enfoques para ver cómo se pueden conectar", dijo. "Esto requiere cierta intuición química sobre lo queel metal puede hacer y algo de suerte también. "
Las simulaciones DFT en Stampede revelaron los procesos de transferencia de protones y formación de anillos, así como los niveles de energía y cambios de geometría de las moléculas constituyentes. También realizaron simulaciones con y sin paladio, esencialmente ejecutando experimentos en blanco que son imposibles de realizar en ellaboratorio. Luego, los investigadores visualizaron estas simulaciones para comprender qué estaba sucediendo con las moléculas en todas las etapas intermedias.
"Es difícil aislar los intermedios de reacción y los estados de transición en el laboratorio, porque son de muy corta duración", dijo Tülay. Sin embargo, las simulaciones por computadora pueden mostrar cada paso potencial del proceso, incluidos los intermedios, lo que ayuda a los científicos a generar nuevoshipótesis y teorías sobre cómo se produce la reacción.
"Nunca pensamos que hubiéramos descubierto estos intermediarios", dijo Tülay. "No estábamos buscando una reacción de alquilación alílica. Nos preguntábamos: '¿Qué pasa si el metal está aquí? ¿Y si está allí?' Y esonos llevó a ver qué otras posibilidades había en términos de los mecanismos ".
La ventaja más importante del proceso que descubrieron es que es 100 por ciento eficiente y forma un complejo sin la adición de otras sustancias. La investigación en esta línea puede algún día permitir a los químicos sintetizar materiales, en particular compuestos naturales y otros componentes bioactivos.moléculas con centros de átomos de carbono, que actualmente son difíciles de crear. Incluso pueden conducir a tipos completamente nuevos de reacciones químicas que actualmente no se conocen ni se usan.
Los estudios mecanicistas que utilizan recursos TACC dan a los Atesin una ventaja competitiva en su trabajo, dijo Tülay. "Lleva nuestra investigación a un nivel más alto que solo trabajar en investigación experimental. También afecta la forma en que diseñamos nuestro próximo conjunto de experimentos".
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Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Austin, Texas Advanced Computing Center . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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