Группа теоретической химии (№24)

• Моделирование химических процессов: моделирование химических реакций (TetrahedChem2024, JOC2024, JOC2023, OPRD2023, EJOC2022, JACS2022, JACS2021, JACS2020, ANIE2017), биологических процессов (JCIM2023, JACS2017), фотохимических процессов (ChemEur2023, D&P2022, D&P2019), электрохимических процессов (OrgChemFront2024), а также процессов в твердом теле (JPCLett2021).
• Развитие методов теоретической химии. К данному направлению относится как тестирование существующих методов (JPCLett2024, Science2022, ChemSocRev2021_1, Science2017), так и создание новых (JCIM2024, JCIM2023, MendComm2017), а также разработка общих подходов для дизайна новых методов (JPCA2024, WCMS2023) и доработка программных комплексов под наши задачи (MendComm2021). Под методами теоретической химии мы понимаем любые инструменты, используемые в направлении 1: методы DFT, силовые поля, базисные наборы, методы конформационного поиска, методы автоматизации молекулярного моделирования и т.д.
• Приложение методов искусственного интеллекта к химическим задачам: как к ускорению/уточнению молекулярного моделирования (Science2022), так и к другим задачам, возникающим в ходе химических исследований, как например ретросинтез (наша разработка в рамках мегагранта ИХР РАН) или корректировка показаний детектора (ACSApplPolyMat2024).
• Моделирование процессов взаимодействия между нейронами; этот класс проектов не имеет прямого отношения к химии и появился из нашего интереса к пониманию процессов мышления и нейроморфным процессорам. Здесь есть два поднаправления: создание нейроморфных сетей для проектов направлений 2 и 3, и углубление нашего понимания того, как работает человеческий мозг. В рамках этого направления мы строим модели спайковых нейронных сетей (таких как в мозге) и смотрим на общие закономерности в их работе и обучении.

✓  В 2023-2024 годах разработан и имплементирован (https://github.com/TheorChemGroup/Ringo) алгоритм конформационного поиска на основе метода обратной кинематики Ringo. Он позволяет анализировать конформационную подвижность любой полициклической молекулы методом обратной кинематики и выделять степени свободы молекулы — то есть набор ее двугранных углов, способных к независимому вращению при фиксированных длинах связей и валентных углах. Разработанный алгоритм превосходит все альтернативные методы конформационного поиска циклических молекул (метадинамика, дистанционная геометрия и LowModeMD) по скорости и эффективности сэмплирования конфигурационного пространства полициклических систем. JCIM2024,  WCMS2023.

✓  В 2024 году разработан подход для оценки неопределенности в соотношении продуктов химической реакций при ее моделировании методом молекулярной динамики. Данный подход позволил выявить ошибки в предшествующих исследованиях, и в будущем позволит повысить надежность как качественных, так и количественных выводов в подобном моделировании. JPCLett2024

✓  В 2023 году совместно с группой Федора Новикова в ИОХ РАН разработан алгоритм расчета относительных биологических активностей биоизостерных молекул, имеющий точность сравнимую с экспериментом. Биоизостеры — это молекулы, которые отличаются друг от друга заместителями, но имеют близкие конформационные профили, поэтому одинаковым образом связываются с белком. Биоизостерные замены проводят с целью улучшения метаболической стабильности и увеличения активности соединений. Разработанный метод позволяет быстро и точно определить, замена каких атомов водорода в молекуле на атомы фтора повышает её биологическую активность. JCIM2023

✓  В 2023 году совместно с коллегами из лаборатории № 110 ИНЭОС РАН проведено экспериментальное и теоретическое исследование фотоизомеризации соединений на основе цимантрена и хинозалинона. Впервые показано, что клеточный эффект растворителя может контролировать исход фотохимической реакции с участием цимантренового производного. Квантовохимические расчеты позволили установить механизм реакции, включающий фотоиндуцированное отщепление CO c последующим быстрым обратным присоединением за счет клеточного эффекта. Данный механизм был впоследствии подтвержден в эксперименте при облучении ультразвуком, который разрушает клетки растворителя и таким образом препятствует обратному присоединению CO, направляя реакцию к одному из продуктов. ChemEur2023

✓  В 2020-2023 годах сотрудниками Группы был смоделирован ряд разработанных в Лаборатории №13 ИОХ РАН реакций синтеза нового класса соединений — каркасных органических пероксидов, перспективных соединений для фармацевтики и агрохимии. С помощью квантовохимического моделирования установлены механизмы этих реакций и найден ответ на главную загадку этого класса процессов — их высокую селективность — оказалось, что за нее отвечает обратный альфа-эффект. Полученный результат делает сборку органических пероксидов предсказуемой и позволит в будущем более быстро и эффективно создавать новые каркасные молекулы. JOC2023, JACS2022, JACS2021, JACS2020

✓  В сотрудничестве с коллегами из Лаборатории №13 ИОХ РАН, Университета Штата Флорида (США) и Университета Бу-Али Сина (Иран) было произведено сопоставление основных моделей стереоэлектронных эффектов: орбитальной, электростатической и стерической. Было показано, что, хоть энергия молекулы и складывается из многих составляющих (энергии химических связей и орбитальных взаимодействий, электростатических и стерических взаимодействий), именно закономерности изменений в орбитальных взаимодействиях обладают наибольшей предсказательной силой в задачах описания химических реакций. Также были определены ключевые стереоэлектронные взаимодействия наиболее распространенных классов органических соединений и найдены закономерности их влияния на химические и физические свойства. Такие стереоэлектронные эффекты с участием атома кислорода могут быть использованы химиками для создания новых реакций и контроля пути их протекания. ChemSocRev2021_1, ChemSocRev2021_2

✓  В 2022 году опубликован комментарий в Science, в котором показано, что в статье 2021 года британская компания DeepMind, занимающаяся искусственным интеллектом, привела недостаточно надежные доказательства корректности работы своего функционала DM21 с системами, содержащими нецелое количество электронов. Надежные квантовохимические предсказания позволяют заменить часть экспериментов с дорогостоящими реактивами на работу с цифровыми аналогами реальных химических систем, однако, для получения достоверных предсказаний квантовохимическими методами функционалы должны уметь работать с дробным количеством электронов. Science2022

✓  В 2017 году руководителем Группы и соавторами была разработана методология оценки качества электронных плотностей атомных систем, получаемых из методов теории функционала плотности (DFT). С ее помощью было показано, что наиболее популярные на тот момент методы DFT были переобучены и могут быть ненадежны при моделировании систем/свойств, далеких от тех, на которых они были обучены. Также, были выявлены надежные функционалы DFT, которые не являются переобученными; к ним относятся функционалы PBE0, B3PW91, B98, TPSS, SCAN, OLYP и другие. Science2017