Screening Diels-Alder reaction space to identify candidate reactions for self-healing polymer applications

桤木 Diels-Alder反应 自愈 空格(标点符号) 聚合物 计算机科学 化学 生物 医学 有机化学 植物 病理 催化作用 操作系统 替代医学
作者
Maxime Ferrer,Bowen Deng,Javier Emilio Alfonso Ramos,Thijs Stuyver
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2025-kv6n0
摘要

Plastics are essential in modern society, but their susceptibility to damage limits their lifespan and performance, and results in unsustainable waste production. Self-healing polymers based on thermally reversible Diels-Alder (DA) reactions offer a potential solution by enabling heating controlled repair through bond-breaking and reformation. However, discovering new suitable DA monomer combinations has largely relied on intuition and trial-and-error so far. Here, we present a hierarchical workflow that integrates machine learning (ML) with automated reaction profile calculations to efficiently screen DA reactions for self-healing polymer applications. Using our in-house TS-tools software, we generate high-throughput profiles at the semi-empirical xTB level. Refining only a small fraction with DFT, we are able to train a robust ML model that predicts reaction characteristics with excellent accuracy. Adding a graph-based ML model to the workflow for pre-screening enables expansion to reaction spaces of hundreds of thousands of reactions, at a marginal cost. We first leverage our models to screen a comprehensive reaction space of synthetic diene-dienophile pairs, and subsequently use them to mine a database of commercially available natural products. Overall, this hybrid ML–computational chemistry approach enables data-efficient discovery of thermally responsive DA reactions, advancing the rational design of self-healing polymers with tunable properties.

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