Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Quantum chemistry
Panel
Chemistry 1
Department or equivalent
Institute of Organic Chemistry (Research Center of Natural Sciences)
Participants
Bihari, Tamás Fehér, Péter Pál
Starting date
2016-01-01
Closing date
2020-12-31
Funding (in million HUF)
35.314
FTE (full time equivalent)
6.84
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A pályázat legfontosabb célja, hogy magas szintű QMMM szimulációk segítségével mechanisztikus magyarázatokkal értelmezzünk kísérleti megfigyeléseket és eredményeket. A szintetikus szerves kémia három olyan, jelenleg rendkívül gyorsan fejlődő területről választottunk témákat, ahol még ennyire részletes reakciómechanizmus vizsgálatok nem folytak: ezüst-katalizált alkin átalakítások; hipervalent jodóniumsók reaktivitása; Pd-katalizátorok ligandum szférájának reaktivitása. Ezekben a rendszerekben a reagáló rendszerek mérete és az oldószer szerepének figyelembevétele miatt nagy szimulációs modelleket kell választanunk. Hogy ezekben a rendszerekben reaktivitási kérdéseket vizsgálhassunk, QMMM leírást fogunk alkalmazni, aminek az az egyik nagy előnye, hogy lehetőségünk van többféle QM-MM szétválasztásra, az adott kémiai problémára szabva. Mivel a reaktivitást a szabadenergia reakciókoordináták menti változása szabja meg, molekuladinamiai számításokat kell végeznünk és olyan szabadenergia mintázó módszereket kell alkalmaznunk, amelyek ésszerű időn belül megfelelően pontos leírást adnak az átmeneti állapotokról és egyéb kinetikai szempontból ritka eseményekről. A terveink szerint olyan részletes reakciómechanizmusokat származtatunk, amelyek segítségével a kísérletek pontosabban értelmezhetők és új kísérletek és szintetikus stratégiák alakíthatók ki.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. A projekt alapvető témái és területei a következők: Melyek az általános reakciómechanizmus-sajátosságai az ezüst-katalizált alkin átalakításoknak? Melyek a legalapvetőbb szerkezeti és elektronikus faktorok, amelyek hipervalens jodóniumsók csoport-transzfer reakciókban kifejtett szelektivitását szabályozzák? Hogyan értelmezhetjük Pd(II) katalizátorok reaktivitását és katalitikus aktivitását oldatfázisú reakcióiban mutatott dinamikai és egyensúlyi viselkedése alapján?
Ezeknek a kérdéseknek a tisztázásához QMMM szimulációkat tervezünk és ezeket hatékony szabadenergia mintázó módszerekkel csatolva olyan rendszereken hajtjuk végre, amelyek kísérleti szempontból értékesek. Terveink szerint az eredményeinket hatékonyan fel lehet majd használni további kísérleti munkákban.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! A pályázat jelentősége, hogy gyakorlati szempontból hasznosítható új információkat, elveket és reakciómechanizmusokat szolgáltat, amelyeket új, költséghatékonyabb és reményeink szerint még inkább környezetbarát eljárások kifejlesztésekor lehet hasznosítani. A szintetikus és katalitikus reaciók mechanizmusának feltérképezése azt a lehetőséget teremti meg, hogy ezek alapján még hatékonyabb reakcióutakat lehessen kifejleszteni pl. a gyógyszeriparban, a petrolkémiai iparban vagy a finomvegyszer-gyártáshoz. A megcélzott területek mind széles vegyipari jelentősséggel bírnak. A részletes, molekuláris szintű értelmezés segítségével új, még eredményesebb és szelektívebb szintetikus stratégiák dolgozhatók ki. Emellett nagyon fontosnak tartjuk, hogy a projekt egy újabb lehetőség arra, hogy szélesítsük és elmélyítsük azt a metodológiai és gyakorlati tudásbázist, amely felöleli a homogén katalitikus eljárások elméleti modellezésének lehetőségeit és kereteit.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A szintetikus és katalitikus kémia kulcsfontosságú az új, funkcionalizált anyagok fejlesztésében, hatékonyabb üzemanyagok fejlesztésében, a gyógyszeriparban, de akár a környezeti károk helyrehozatalát célzó erőfeszítésekben. A számítástechnika és a számítógépes kémiai programok szédületes fejlődése nyomán ma már abban a helyzetben vagyunk, hogy a számításos kémia hatékonyan hozzá tud járulni a gyakorlati kémiai problémák széleskörű értelmezéséhez. Ezek az elméleti kémiai módszerek képesek atomi szintű mozgások látványos megjelenítésére, egyébként nehezen, vagy csak közvetve érzékelhető részletek feltárására, vagyis úgy működnek, mint egy atomi felbontású mikroszkóp. A jelen pályázat keretében olyan folyamatokat kívánunk vizsgálni szimulációs módszerekkel, amelyek szintetikus és katalitikus kémiai jelentősége rendkívül széles. Terveink szerint az eredményeink fontos részletekkel fognak szolgálni a gyakorlat számára, amelyek segítségével új kísérleteket és szintetikus stratégiákat lehet majd tervezni és hasznosítani.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The main objective of the project is to complement experimental observations with microscopic mechanisms constructed from high quality QMMM simulations. We have selected three emerging fields from synthetic organic chemistry, where detailed mechanistic interpretation would be highly beneficial (Ag-catalyzed alkyne transformations, hypervalent iodonium reactivity, ligand-sphere reactivity of Pd-catalysts). In these systems the size of the reacting species and the presumed roles of the solvent environment necessitate large simulation models. To address reactivity issues we therefore employ a QMMM description of the systems which offers the possiblitiy to use very large simulation models with the convenient flexibility in dividing them into quantum and classical regions according to the nature of the chemical problem. As reactivity is governed by free energy variations along the reaction path we use molecular dynamics and enhanced sampling methods to adequately describe transition states and other types of kinetic bottlenecks. We expect that our results offer deep, atomistically detailed mechanistic insights that would not be accessible by simpler modelling and these results will be important feedbacks in designing and improving new experiments and reaction routes.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. The main themes and issues of the research project are the following: What are the general mechanistic aspects of silver-catalyzed alkyne-transformations? What are the main structural and electronic factors governing the selectivity of the group-transfer reactions of hypervalent iodines? How we can interpret the reactivity and catalytic activity of Pd(II) catalysts by the dynamical and equilibrium properties shown in reactions in solution?
To address these issues a large number of QMMM simulations coupled with free energy methods have to be conducted on reaction paths selected by following experimental guidance. The results are expected to provide feedback for further experimental work.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The significance of the proposal is that it aims at providing new insigths, principles and mechanistic feedbacks for the experimental design of new, cost-effective and expectedly environmentally more friendly reactions. General understanding of the mechanism of catalytic processes and synthetic routes paves the way for the development of more economical reaction routes in the petrochemical, pharmaceutical or fine chemical industry. The selected types of reactions all are of high industrial importance and detailed atomistic insights can lead to new, more efficient and selective synthetic strategies. In the same time our research efforts will contribute to widen and improve our methodological expertise in the applicability of QMMM/MD methods in modelling homogeneous catalytic processes.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Synthetic and catalytic chemistry are key techologies in developing new functionalized materials and assisting fuel production, pharmaceutical industry and environmental remediation. With the rapid progress of computer technology and computational methods, modeling and simulations can very efficiently contribute to the fundamental understanding of the mechanisms of key reactions and processes. These approaches can visualize atomic motions, provide otherwise often inaccessible details therefore they operate like a genuine atomic microscope. In the framework of the present project we plan to perform such simulations on reactions representing enormous significance in synthetic and catalytic chemistry. The results of our efforts will provide new insigths and adaptable feedbacks for designing and improving new experiments and synthetic strategies.
Final report
Results in Hungarian
A projekt során három területen végeztünk elméleti kutatásokat. A 11. csoport fémjeinek reaktivitásával kapcsolatos kutatásainkban ezüst-katalizált és ezzel analóg, rézkatalizált kapcsolási reakciókat vizsgálatunk. A rézkatalizált heterociklus-képződési reakcióban többek között értelmeztük a reakció feltűnő sztereoszelektivitását. Az ezüst-katalízis modellezése lehetővé tette, hogy alapvető kritériumokat találjunk arra, mikor használjunk egyszerűbb (implicit) és mikor igényesebb (explicit) oldószermodellt. A második, igen széles kutatási területünkön nagyon sok eredmény született az ún. hiperkoordinált jodánok reaktivitásával kapcsolatban. Egyik tanulmányunkban megmutattuk, hogy a hiperkoordináltság nem feltétlenül jelent hipervalens (a vártnál több vegyértékű) állapotot; sőt, néhány ilyen vegyület egyenesen hipovalensnek tekinthető. A hiperkoordinált jodánok sok érdekes reakciójának mechanizmusát tárták fel a számításaink, amiket aztán kísérletileg fel lehetett használni új szintézisekben. A harmadik kutatási irány során a 10. csoport fémjeinek (Ni és Pd) reaktivitását vizsgáltuk kapcsolási reakciókban. Például egy olyan reakció-kaszkádot vizsgáltunk, amelyben 4 új kondenzált gyűrű keletkezik 8 új kötés kialakulása miatt; itt reakció a mechanizmusát és szelektivitását is meg tudtuk magyarázni.
Results in English
Three main directions have been explored in the project. Studies of the reactivities of the metals (Cu, Ag) of group 11 focused on Ag- and Cu-catalyzed coupling reactions. One of the most interesting results was the interpretation of the very high stereoselectivity of a Cu-catalyzed oxazolin-ring formation reaction. Computations on a Ag-catalyzed heterocycle formation reaction helped to identify criteria necessary to decide the level of solvent inclusion (explicit or implicit). The second direction of the project addressed the reactivity of the so-called hypercoordinated iodanes. We have shown that hypercoordination does not necessarily imply hypervalency, in fact we have shown that some of these hypercoordinated compounds are even hypovalent (they feature lower valence state than the Lewis octet). In addition we have explored the mechanisms of a large number of important, new reactions which in turn could be used as feedback for further experimental explorations. The third direction of our project focused on the reactivities of the metals (Ni and Pd) of Group 10. I highlight here our study where we have explained the mechanism of a new family of cascade reactions leading to complex polyheterocyclic compounds in a highly selective fashion.
Francesco Pancrazzi, Nicolò Sarti, Paolo P. Mazzeo, Alessia Bacchi, Carla Carfagna, Raffaella Mancuso, Bartolo Gabriele, Mirco Costa, András Stirling,* and Nicola Della Ca*: Site-Selective Double and Tetra Cyclization Routes to Fused Polyheterocyclic Structures by Pd-Catalyzed Carbonylation Reactions, Organic Letters, 2020
Balázs L. Tóth, Anna Monory, Orsolya Egyed, Attila Domján, Attila Bényei, Bálint Szathury, Zoltán Novák, András Stirling: The Ortho Effect in Directed C-H activation, Chem. Sci. under revision, 2021
P. P. Fehér, A. Stirling: Assessment of reactivities with explicit and implicit solvent models: cluster and QMMM evaluation of Ag-catalyzed furan ring formation, PCCP, submitted, 2019
