Selective Activation of C‒H Bonds from Theoretical Perspective

• Thesis title in Czech: Teoretický přístup k selektivní aktivaci vazeb C‒H
• Thesis title in English: Selective Activation of C‒H Bonds from Theoretical Perspective
• Key words: teoretická bioanorganická chemie, reakční mechanismy, aktivace vazeb C-H, nehemové metaloproteiny s atomy železa, desaturace
• English key words: theoretical bioinorganic chemistry, reaction mechanisms, activation of C-H bonds, non-heme iron metalloproteins, desaturation
• Academic year of topic announcement: 2015/2016
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Physical and Macromolecular Chemistry (31-260)
• Supervisor: prof. Mgr. Lubomír Rulíšek, DSc.
• Author: hidden - assigned by the advisor
• Date of registration: 19.10.2015
• Date of assignment: 19.10.2015
• Date and time of defence: 17.05.2019 09:45
• Date of electronic submission: 11.03.2019
• Date of proceeded defence: 17.05.2019
• Opponents: prof. Jeremy Harvey
• Advisors: RNDr. Martin Srnec, Ph.D., DSc.

Preliminary scope of work

Reakční mechanismy mnohých nehemových metaloenzymů se dvěma ionty železa v aktivním místě (například Δ⁹ desaturáza, Δ⁹D) představují jeden z dosud nevyřešených problémů bioanorganické chemie s potenciálně velkým významem pro celou oblast aktivace molekuly O₂ pro štěpení C-H vazeb pomocí metaloproteinů či jim podobných menších katalytických systémů (obsahujících rovněž ionty železa). Klíčem k porozumění jejich katalytickým schopnostem je charakterizace tranzitních stavů odpovídajících krokům určujícím rychlost celé enzymatické reakce a rovněž charakterizace struktur všech reaktivních meziproduktů (intermediátů), jako jsou například Fe(IV)=O, Fe(III)-OOH jednotky (případně Fe(IV)-O-Fe(IV), Fe(III)-O-Fe(IV) jednotky s můstkovými atomy). Mechanistický obrázek dané reakční cesty pak například může ozřejmit rozmanitost reakcí katalyzovaných těmito enzymy (hydroxylace versus desaturace v případě Δ⁹D). Cílů projektu bude dosaženo pomocí použití nejmodernějších metod výpočetní chemie a spojením kvantově a molekulově mechanických metod (QM/MM). V neposlední řadě nám spojení moderních solvatačních metod (COSMO-RS) s termodynamickým cyklem umožní studovat elektrochemické vlastnosti jednotlivých intermediátů těchto proteinů, které rovněž představují klíčovou fyzikálně-chemickou vlastnost nutnou k pochopení jejich role v těchto enzymatických procesech.

Preliminary scope of work in English

Reaction mechanisms of many non-heme diiron enzymes (such as Δ⁹ desaturase, Δ⁹D) represent an unresolved problem with a potentially enormous impact in the whole field of O₂ activation for the cleavage of the C-H bonds by metalloenzymes and smaller mono- and diiron catalysts. The key issue in an elucidation of the particular reaction mechanism is characterization and understanding of the rate-determining step (RDS) as well as structures of reactive intermediates, such as Fe(IV)=O, Fe(III)-OOH (or bridged Fe(IV)-O-Fe(IV), Fe(III)-O-Fe(IV)) units. The mechanistic view of the particular reaction pathway may explain an observed variety in the reactions catalyzed by the non-heme diiron enzymes (such as desaturation vs. hydroxylation reaction channels in Δ⁹D). Cutting-edge computational methods and techniques in combination with the hybrid quantum mechanical and molecular mechanical (QM/MM) calculations will be used to achieve this goal. Last, but not least the combination of modern solvation methods (e.g. COSMO-RS) with the standard thermodynamic cycle will allow us to study electrochemical properties of these systems that represent one of the key properties in our understanding of their role in the enzymatic processes.