text size

Selective Activation of C‒H Bonds from Theoretical Perspective

Notice: I hereby declare that I am aware that the information acquired from theses published by Charles University may not be used for commercial purposes or may not be published for educational, scientific or other creative activities as activities of person other than the author.
Title:
Selective Activation of C‒H Bonds from Theoretical Perspective
Title (in czech):
Teoretický přístup k selektivní aktivaci vazeb C‒H
Type:
Dissertation
Author:
Ing. Daniel Bím, Ph.D.
Supervisor:
RNDr. Lubomír Rulíšek, Ph.D.
Opponents:
prof. Jeremy Harvey
Dr. Dimitrios A. Pantazis
Consultant:
Mgr. Martin Srnec
Thesis Id:
171386
Faculty:
Faculty of Science (PřF)
Department:
Department of Physical and Macromolecular Chemistry (31-260)
Study programm:
Modeling of Chemical Properties of Nano- and Biostructures (P1415)
Study branch:
-
Degree granted:
Ph.D.
Defence date:
17/05/2019
Defence result:
Pass
Language:
English
Keywords (in czech):
teoretická bioanorganická chemie, reakční mechanismy, aktivace vazeb C-H, nehemové metaloproteiny s atomy železa, desaturace
Keywords:
theoretical bioinorganic chemistry, reaction mechanisms, activation of C-H bonds, non-heme iron metalloproteins, desaturation
Abstract (in czech):
Přenos atomu vodíku je klíčovým krokem v celé řadě chemických a biologických procesů a modus operandi mnoha metaloenzymů. Přestože celá řada faktorů řídících reaktivitu a selektivitu těchto reakcí již byla objasněna v minulém století, nové experimentální a teoretické poznatky dokazují, že naše porozumění není úplné. V důsledku toho jsou stále omezené také metody pro přímou funkcionalizaci neaktivovaných vazeb C‒H syntetickými katalyzátory. V disertaci je reakce přenosu atomu vodíku analyzována a detailně studována ve spojitosti s fyzikálně-chemickými vlastnostmi (konstantami kyselosti a redukčními potenciály) příslušných reagentů. Nejprve je představena metodologie pro kvantově chemické výpočty redukčních potenciálů komplexů železa, jejíž platnost je úspěšně ověřena na velké sérii experimentálních dat, včetně biomimetických komplexů obsahujících reaktivní ferrylovou skupinu (FeIVO). Popis redukčních potenciálů vysoce nabitých systémů (kategorie, do které komplexy přechodných kovů mnohdy spadají) je často ztížen přesným popisem solvatační energie, a to především, jsou-li cílové experimentální redukční potenciály měřeny v polárních protických rozpouštědlech. Proto byla výše uvedená metodologie dále rozšířena o robustní teoretický protokol, který pro výpočet redukčního potenciálu nabitého systému využívá redukční potenciál artificiální neutralizované (protonované/deprotonované) formy a termodynamický cyklus obsahující několik následných adicí/abstrakcí atomu vodíku. To nám umožnilo dosáhnout vynikající shody s experimentálními daty i pro tyto, výpočetně náročné, systémy. V další části práce jsou metody pro teoretické výpočty redukčních potenciálů využity pro studium vlivu redoxních vlastností vybraných nehemových komplexů železa na reaktivitu při katalyzovaném homolytickém štěpení vazeb C–H. Tato strategie nám umožnila definovat důležitý, ale dosud přehlížený, termodynamický deskriptor η (tzv. faktor asynchronicity), který přímo vyplývá z rozdílných redoxních a acidobazických příspěvků akceptoru a donoru atomu vodíku. Mimo jiné jsme ukázali, že faktor asynchronicity kvantitativně koreluje s reorganizační energií λ z Marcusovy teorie přenosu elektronu. To představuje zcela nový a obecný koncept, nabízející přímé využití při návrhu na míru šitých selektivních katalyzátorů reakcí s přenosem atomu vodíku. Tuto možnost jsme demonstrovali na změně efektivních redoxních a acidobazických příspěvků ve velké sérii nehemových FeIVO komplexů, modifikací axiálního ligandu v koordinační sféře jejich katalytického místa. V neposlední řadě jsou na úrovni hybridního kvantově-mechanického/ molekulově-mechanického (QM/MM) modelu studovány klíčové faktory, které regulují reakční mechanismus redoxně aktivního dinukleárního enzymu, Δ9-desaturasy (Δ9D). V disertaci byly formulovány a podrobně zkoumány možné reakční cesty pro dosažení přeměny kyseliny stearové na kyselinu oleovou, spolu s posouzením energetiky klíčových intermediátů na úrovni pokročilých multikonfiguračních metod. Díky tomu jsme byli schopni vysvětlit, jakým způsobem enzym dosahuje vysoké selektivity směrem k desaturaci substrátu (oproti termodynamicky výhodnější hydroxylaci), a to i při využití velmi reaktivních intermediátů.
Abstract:
The transfer of a hydrogen atom is a crucial step in a wide variety of chemical and biological processes and modus operandi of many metalloenzymes. While several factors that govern the reactivity and selectivity were already clarified in the past century, a growing body of experimental and theoretical studies also revealed numerous gaps in our unified understanding. As a consequence, the direct functionalization of non-activated C‒H bonds by synthetic catalysts is still very limited. In the thesis, the hydrogen-atom-abstraction (HAA) reactions are broken down into the elementary proton- and electron-transfer steps and the reactivity/selectivity of oxidants is analyzed with respect to their physico-chemical properties, acidity constants and reduction potentials. First, a quantum chemical (QM)-based computational protocol for calculation of reduction potentials of iron complexes is introduced and validated over a large series of experimental data, including a set of challenging mononuclear FeIVO species that provide direct connection to biomimetic non-heme iron catalysis. Next, the methodology is extended to deal with reduction potentials of transition-metal complexes possessing higher total molecular charges, experimentally measured in polar solvents. In such cases, the accurate description of solvation effects often limits calculations. To overcome this, a conceptually simple approach is derived, which relies on the application of multiple thermodynamic cycles, allowing for the calculation of the target reduction potential on the basis of the auxiliary reduction potential of a protonated/deprotonated species, possessing a lower total charge. The variable-temperature hydrogen-atom addition/abstraction (VT-HAA) methodology shows an excellent agreement with the experimental data and provides results that are superior to the ‘standard’ protocol at a reasonable cost/efficiency ratio. Further exploiting the reliable methodology for theoretical calculations of reduction potentials, the reactivity of reagents toward HAA is correlated with their electrophilicity and basicity properties. An important, yet conceptually simple, thermodynamic descriptor is introduced, representing a measure of propensity for asynchronicity in the concerted proton and electron transfers. The so-called ‘asynchronicity factor’ shows, somewhat surprisingly, a way how to modulate characteristics of transition states and corresponding barrier heights. Owing to its correlation with reorganization energy from Marcus theory, the asynchronicity factor offers an original and general concept for reactions involving the hydrogen-atom transfers. As such, it gives a straightforward and chemically intuitive guideline for a tailored design of efficient and selective hydrogen-atom-transfer catalysts, as we demonstrated for the set of nineteen non- heme FeIVO complexes in the original study, and that is further exemplified in the thesis on recent applications of the concept by the author and others. Last but not least, hybrid quantum and molecular mechanics (QM/MM) approach is used to describe key factors controlling the reaction mechanism of the redox-active binuclear non-heme iron enzyme, Δ9-desaturase (Δ9D). Based on a detailed investigation of the initial stages of O2 activation in the Δ9D active site reported earlier by our group, a more detailed reaction pathways were formulated and examined, along with the careful evaluation of the energetics at the level of advanced multi-configurational methods. Altogether, this allowed us to extend our knowledge on how the enzyme achieves high selectivity toward desaturation (at the expense of more thermodynamically favored hydroxylation), while using very reactive intermediates.
Documents
Download Document Author Type File size
Download Text of the thesis Ing. Daniel Bím, Ph.D. 7.78 MB
Download Attachment to the thesis Ing. Daniel Bím, Ph.D. 22.95 MB
Download Abstract in czech Ing. Daniel Bím, Ph.D. 183 kB
Download Abstract in english Ing. Daniel Bím, Ph.D. 181 kB
Download Autoreferat / doctoral thesis summary Ing. Daniel Bím, Ph.D. 354 kB
Download Opponent's review prof. Jeremy Harvey 92 kB
Download Opponent's review Dr. Dimitrios A. Pantazis 251 kB
Download Defence's report 1021 kB