Fosfiner är bland de viktigaste liganderna för övergångsmetallkatalys. Fosfiner binder till en metall och modifierar dess struktur, reaktivitet, och selektivitet. Många av de mest utövade katalytiska reaktionerna inom den farmaceutiska/varukemiska industrin använder fosfiner som ligander, såsom korskoppling. I dessa och många andra fall, små förändringar av fosfinstrukturen har ofta betydande inverkan på katalysatorstrukturen och reaktiviteten.

Genom att använda en inventering av fosfiner i det nyligen släppta "Kraken" virtuella kemiska biblioteket, Matt Sigman från University of Utah, Abigail Doyle från UCLA och deras kollegor undersökte flera möjliga funktioner som beskriver fosfinstrukturen för att förutsäga deras reaktivitet. Många av de tidigare rapporterade funktionerna har visat sig vara inkonsekventa, antyder möjligheten av en annan okänd process som styr reaktiviteten.

En funktion dök upp som den bästa prediktorn: %V _bur (min) eller den minsta procentuella begravda volymen; detta särdrag beskriver den minsta formen av en ligand som är energetiskt tillgänglig mätt av hur mycket av den liganden som tränger in i en sfär på 3,5 Ångström centrerad vid en metallatom. Det är icke-intuitivt. Men det fungerar, kategorisera fosfinstrukturer som aktiva eller inaktiva i många experimentella datamängder.

Kombinationen av mekanisminsikt och prediktiv kraft kommer att främja organometallisk kemi och katalys, säger forskarna. Detta underlättas av den enkla beräkningen %V _bur (min) och förutsäga om förlossningen, resurs- och tidskrävande process för att förbereda ett nytt fosfin är värt att göra.

Några av fosfinerna i studien är, ja, uppkallad efter dinosaurier. När Kevin Wu, sedan en kemistudent vid Princeton University i Abigail Doyles labb, utvecklat en serie fosfiner, han var inte bekväm med att döpa dem efter sig själv. Istället, på en annan elevs förslag, Doyle-labbet började döpa dem efter dinosaurier. Med hjälp av Doyles sexårige son, teamet märkte den nya "DinoPhos"-familjen med namn som "TyrannoPhos" och "TriceraPhos."

Teamet använder %V _bur (min) mått för att designa en ny fosfin. Dens namn? PteroPhos, självklart.

"Den stora upptäckten är att denna diskontinuitet, denna reaktivitetsklippa, är på basis av den lägsta procentuella nedgrävda volymen, %Vbur(min), av liganderna, " sa Doyle Labs doktorand Julia Borowski. "Detta är en beräkningsmässigt härledd egenskap hos en fosfinligand som säger dig något om hur mycket sterisk bulk liganden har nära metallen som den binder till. Så, en ligand som har en hög %Vbur(min) kommer att ha mycket sterisk bulk runt metallen och det kommer att göra det svårare att fästa två av dem.

"Och vad vi finner är att det finns en strikt cutoff där endast ligander under ett givet värde av denna parameter kan binda två ligander. Fosfiner som har värden på denna parameter över det värdet kan bara binda en. Det var väldigt slående för oss när vi hittade att det inte var en linjär trend."

Newman-Stonebraker, en femteårs doktorand vid Doyle Lab, sa att det sannolikt finns två sätt som kemister kommer att vilja använda sig av det nya arbetsflödet på.

"För kemister som använder datadriven modellering för att underlätta reaktionsutveckling och optimering, förmågan att organisera stora mängder data i "behållare" baserat på distinkta mekanistiska resultat kan göra det möjligt för de efterföljande modellerna att bli enklare och mer informativa, " sa han. "Och för kemister som är intresserade av mekanistisk organometallisk kemi, arbetsflödet kan hjälpa till att avslöja reaktivitetsmönster dolda i data, tillhandahålla en färdplan för riktade studier av ligandstruktur-reaktivitetsförhållanden."