The determination of descriptors for catalytic systems in machine learning models using kinetic experimental data

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The problem of selection and determining the values of descriptors for the properties of chemical reactions components in mathematical models for chemical processes is one of the essential ones when creating machine learning (ML) models used to describe and predict the functioning patterns of chemical systems. Current practice in the field mainly involves the use as the descriptors physical and chemical characteristics of the components of reaction systems (ionic radii, bond lengths, energies, and other parameters related to the structure and properties of specific molecules or particles) determined experimentally or by calculation. This work presents the results of the predicting of the integral kinetic dependences, as well as approaches to determine the values of descriptors for characterizing the properties of a set of simple palladium catalyst precursors when used in the Suzuki–Miyaura reaction. The problem stated has been solved by creating the ML models that take into account experimental kinetic data. The descriptors obtained as a result of training the models make it possible to satisfactorily describe the kinetic patterns of the Suzuki–Miyaura reaction with aryl chlorides under the so-called “ligand-free” catalytic conditions possessing higher sensitivity of the reaction to small changes in the conditions.

About the authors

A. F. Schmidt

Irkutsk State University

Author for correspondence.
Email: aschmidt@chem.isu.ru

Chemical Department

Russian Federation, K. Marx str., 1, Irkutsk, 664003

N. A. Sidorov

Irkutsk State University

Email: aschmidt@chem.isu.ru

Chemical Department

Russian Federation, K. Marx str., 1, Irkutsk, 664003

A. A. Kurokhtina

Irkutsk State University

Email: aschmidt@chem.isu.ru

Chemical Department

Russian Federation, K. Marx str., 1, Irkutsk, 664003

E. V. Larina

Irkutsk State University

Email: aschmidt@chem.isu.ru

Chemical Department

Russian Federation, K. Marx str., 1, Irkutsk, 664003

N. A. Lagoda

Irkutsk State University

Email: aschmidt@chem.isu.ru

Chemical Department

Russian Federation, K. Marx str., 1, Irkutsk, 664003

References

  1. Fitzner M., Wuitschik G., Koller R., Adam J.-M., Schindler T. // ACS Omega. 2023. V. 8 № 3. P. 3017.
  2. Davies J.C., Pattison D., Hirst J.D. // J. Mol. Graph. Model. 2023. V. 118. P. 108356.
  3. Zahrt A.F., Henle J.J., Denmark S.E. // ACS Comb. Sci. 2020. V. 22. № 11. P. 586.
  4. Burés J., Larrosa I. // Nature. 2023. V. 613. № 7945. P. 689.
  5. Freeze J.G., Kelly H.R., Batista V.S. // Chem. Rev. 2019. V. 119. № 11. P. 6595.
  6. Orlandi M., Escudero-Casao M., Licini G. // J. Org. Chem. 2021. V. 86. № 4. P. 3555.
  7. Adebar N., Keupp J., Emenike V. N., Kühlborn J., Vom Dahl L., Möckel R., Smiatek J. // J. Phys. Chem. A. 2024. V. 128. № 5. P. 929.
  8. Clarke G.E., Firth J.D., Ledingham L.A., Horbaczewskyj C.S., Bourne R.A., Bray J.T.W., Martin P.L., Eastwood J.B., Campbell R., Pagett A., MacQuarrie D.J., Slattery J.M., Lynam J.M., Whitwood A.C., Milani J., Hart S., Wilson J., Fairlamb I.J.S. // Nat. Commun. 2024. V. 15. № 1. Art. 3968.
  9. Yada A., Matsumura T., Ando Y., Nagata K., Ichinoseki S., Sato K. // Synlett. 2021. V. 32. № 18. P. 1843.
  10. Gensch T., Dos Passos Gomes G., Friederich P., Peters E., Gaudin T., Pollice R., Jorner K., Nigam A., Lindner-D’Addario M., Sigman M. S., Aspuru-Guzik A. // J. Am. Chem. Soc. 2022. V. 144. № 3. P. 1205
  11. Mou L.-H., Han T., Smith P.E.S., Sharman E., Jiang J. // Adv. Sci. 2023. V. 10. № 22. Art. 2301020.
  12. Skoraczyński G., Dittwald P., Miasojedow B., Szymkuć S., Gajewska E.P., Grzybowski, B.A., Gambin A. // Sci. Rep. 2017. V. 7. № 1. P. 3582.
  13. Raghavan P., Haas B.C., Ruos M.E., Schleinitz J., Doyle A.G., Reisman S.E., Sigman M.S., Coley C.W. // ACS Cent. Sci. 2023. V. 9. № 12. P. 2196.
  14. Kalikadien A.V., Mirza A., Hossaini A.N., Sreenithya A., Pidko E.A. // ChemPlusChem. 2024. V. 89. № 7. Art. e202300702.
  15. Chan K., Ta L.T., Huang Y., Su H., Lin Z. // Molecules. 2023. V. 28. № 12. Art. 4730.
  16. Jorner K., Brinck T., Norrby P.-O., Buttar D. // Chem. Sci. 2021. V. 12. № 3. P. 1163.
  17. Gladstone J.H. // Sci. Am. 2023. V. 16. № 408 supp. P. 6511.
  18. Cammarota R.C., Liu W., Bacsa J., Davies H.M.L., Sigman M.S. // J. Am. Chem. Soc. 2022. V. 144. № 4. P. 1881.
  19. Lustosa D.M., Milo A. // ACS Catal. 2022. V. 12. № 13. P. 7886.
  20. Durand D.J., Fe N. // Chem. Rev. 2019. V. 119. № 11. P. 6561.
  21. Caldeweyher E., Elkin M., Gheibi G., Johansson M., Sköld C., Norrby P.-O., Hartwig J.F. // J. Am. Chem. Soc. 2023. V. 145. № 31. P. 17367.
  22. Taniike T., Fujiwara A., Nakanowatari S., García-Escobar F., Takahashi K. // Commun. Chem. 2024. V. 7. № 1. P. 11.
  23. Ebi T., Sen A., Dhital R.N., Yamada Y.M.A., Kaneko H. // ACS Omega. 2021. V. 6. № 41. P. 27578.
  24. Suzuki A. // Angew. Chem. Int. Ed. 2011. V. 50. P. 6722.
  25. Новаковский А.Б. // Вестник ИБ Коми НЦ УрО РАН. 2018. С. 26. (Novakovskiy A.B. // Vestnik of Institute of Biology Komi Scientific Centre of the Ural Branch of RAS. 2018. P. 26.)
  26. Pedregosa F., Varoquaux G., Gramfort A., Michel V., Thirion B., Grisel O., Blondel M., Prettenhofer P., Weiss R., Dubourg V., Vanderplas J., Passos A., Cournapeau D., Brucher M., Perrot M., Duchesnay É. // J. Mach. Learn. Res. 2011. V. 12. № 85. P. 2825.
  27. Grebennikov N.O., Boiko D.A., Prima D.O., Madiyeva M., Minyaev M.E., Ananikov V.P. // J. Catal. 2024. V. 429. Art. 115240.
  28. Biffis A., Centomo P., Del Zotto A., Zecca M. // Chem. Rev. 2018. V. 118. № 4. P. 2249.
  29. Widegren J.A., Finke R.G. // J. Mol. Catal. A: Chem. 2003. V. 198. № 1–2. P. 317.
  30. Schmidt A.F., Al Halaiqa A., Smirnov V.V. // Synlett. 2006. № 18. P. 2861.
  31. Shim E., Tewari A., Cernak T., Zimmerman P.M. // J. Chem. Inf. Model. 2023. V. 63. № 12. P. 3659.
  32. Schmidt A.F., Al-Halaiqa A., Smirnov V.V. // J. Mol. Catal. A: Chem. 2006. V. 250. № 1–2. P. 131.
  33. Schmidt A.F., Kurokhtina A.A., Larina E.V., Vidyaeva E.V., Lagoda N.A. // Mol. Catal. 2021. V. 499. Art. 111321.
  34. Курохтина А.А., Ларина Е.В., Лагода Н.А., Шмидт А.Ф. // Кинетика и катализ. 2022. Т. 63. № 5. С. 614. (Kurokhtina A.A., Larina E.V., Lagoda N.A., Schmidt A.F. // Kinet. Catal. 2022. V. 63. № 5. P. 543.)
  35. Galushko A.S., Prima D.O., Burykina J.V., Ananikov V.P. // Inorg. Chem. Front. 2021. V. 8. № 3. P. 620.
  36. Schmidt A.F., Kurokhtina A.A., Larina E.V., Lagoda N.A. // Organometallics. 2023. V. 42. № 24. P. 3442.
  37. Sheldon R.A. // ACS Sustain. Chem. Eng. 2018. V. 6. № 1. P. 32.
  38. Mercer S.M., Andraos J., Jessop P.G. // J. Chem. Educ. 2012. V. 89. № 2. P. 215.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».