TARTALOMJEGYZÉK KIVOAT .................................................................................................................................3 ABSTRACT ..............................................................................................................................4 AUSZUG....................................................................................................................................5 1
BEVEZETÉS ...................................................................................................................6
2
SZAKIRODALMI ÖSSZEFOGLALÓ .........................................................................9 2.1
ALKOXIKARBONIL-METIL-TRIKARBONIL-TRIFENILFOSZFÁN-KOBALT KOMPLEXEK
JELLEGZETESSÉGEI...................................................................................................................9
2.1.1
Királis információk.............................................................................................9
2.1.2
„Autoszolvatáció”, spektroszkópia ..................................................................13 NANOTECHNOLÓGIA ..................................................................................................16
2.2 2.2.1 2.3
Molekuláris propellerek, kúpfogaskerekek.......................................................16 MOLEKULAMECHANIKA ............................................................................................19
2.3.1
Kötő kölcsönhatások.........................................................................................20
2.3.2
'emkötő kölcsönhatások ..................................................................................23
2.3.3
Az MM2 erőtér..................................................................................................24
2.3.3.1
Az MM2 erőtérben használt vegyérték jellegű kölcsönhatások............................... 25
2.3.3.2
Az MM2 erőtérben használt nemkötő jellegű kölcsönhatások ................................ 25
2.3.4
3
Molekulamechanikai erőterek paraméterezése ................................................26
2.3.4.1
Kvantumkémiai alapokon történő erőtérfejlesztés .................................................. 26
2.3.4.2
Empirikus erőterek fejlesztése ................................................................................. 27
KÍSÉRLETI MÓDSZEREK ........................................................................................29 AZ MM2 ERŐTÉR BŐVÍTÉSE ÉS PARAMÉTEREZÉSE [KE45, KE46, KE47] .................29
3.1 3.1.1
Erőtér- és szoftverválasztás ..............................................................................29
3.1.2
Paraméterkészlet bővítés ..................................................................................30
3.1.2.1
Kísérleti szerkezeti információk gyűjtése ................................................................ 31
3.1.2.2
Referencia-adatbázis összeállítása.......................................................................... 32
3.1.2.3
A kezdeti paraméterkészlet meghatározása............................................................. 33
3.1.2.4
Kiindulási paraméterkészlet meghatározása........................................................... 36
3.2 3.2.1 3.3
PARAMÉTEROPTIMALIZÁCIÓ ......................................................................................38 Az erőtér tesztelése, ellenőrzése mért vs. számított hiba ..................................40 KONFORMÁCIÓANALÍZIS ...........................................................................................44
3.3.1
Egydimenziós/egyváltozós konformációanalízis...............................................46
3.3.2
Kétdimenziós konformációanalízisek ...............................................................49
1
3.3.2.1
Etilészter származék (EtOC(O)CH2Co(CO)3(PPh3)) kétdimenziós konformáció-
analízise [K60, K61]................................................................................................................. 50 3.3.2.2
A fenilgyűrűk inverziója .......................................................................................... 54
AZ [(ETILOXIKARBONIL)METIL]KOBALT TETRAKARBONIL KOMPLEX REAKCIÓJA
3.4
TRIFENILFOSZFÁNNAL [KE63]...............................................................................................56
3.4.1
A komplexek szintézise......................................................................................56
3.4.2
Reakcióút hipotézis ...........................................................................................57
3.4.3
A reakció számítása számításos kémiai módszerekkel .....................................58
3.4.3.1
A trifenilfoszfán ligandum támadása....................................................................... 59
3.4.3.2
C komplex → D komplex átalakulás ....................................................................... 64
3.4.3.3
Dekarbonileződés, D komplex → E komplex átalakulás......................................... 66
3.4.3.4
Cisz-alkil (F komplex) → transz-alkil (A’ komplex) átalakulás.............................. 68
3.4.4 3.5
A reakció lejátszódása ......................................................................................68 A BENZILÉSZTER SZÁRMAZÉK (PHOC(O)CH2CO(CO)3(PPH3), IX) KÉTDIMENZIÓS
KONFORMÁCIÓ ANALÍZISE [KE73, KE74] .............................................................................71
3.6
A FOGASKERÉK MODELL ............................................................................................74
4
KITEKITÉS ................................................................................................................76
5
ÖSSZEFOGLALÁS ......................................................................................................77
6
ÚJ TUDOMÁYOS EREDMÉYEK ÖSSZEFOGLALÁSA .................................79
7
MAJOR RESULTS .......................................................................................................82
8
KÖSZÖETYILVÁÍTÁS.......................................................................................84
9
HIVATKOZÁSOK........................................................................................................85
2
KIVOAT KIRÁLIS IFORMÁCIÓK TERJEDÉSI MECHAIZMUSA ALKIL-KOBALTTRIKARBOIL-FOSZFÁ KOMPLEXEKBE
KURDI RÓBERT
A dolgozat az alkoxikarbonil-metil-trikarbonil-kobalt-tercierfoszfán komplexek sajátos önszerveződése révén keletkező, trigonális-bipiramidális szerkezetű molekulák speciális
tulajdonságainak
vizsgálatával
foglalkozik.
A
vizsgált
komplexekben,
a
koordinációs kölcsönhatások révén, több sztereogén részegység található, amelyek gátolt rotációk révén atropizomerként, konformerként, konfigurációként viselkednek. Ennek következtében a szintézis során abszolút diasztereoszelektivitás, sőt enantioszelektivitás is érvényesül. A szerző a királis információk terjedését vizsgálja fenti komplexekben a számításos kémia eszközeivel. Egy szerkezeti adatbázis felhasználásával empirikus molekulamechanikai erőteret
készített,
amellyel
a
vizsgált
molekulaszerkezetek
nagy
pontossággal
reprodukálhatók. Adatokat gyűjtött az enantiomerek közti átalakulás során lejátszódó intermolekuláris mozgásokra, ezek csatolt jellegére, energetikai színezetére és az indukciós mechanizmusok működésére. Ezen eredmények felhasználásával modellezte és igazolta az enantiomerpárok egymásba történő átalakulása során lejátszódó „clockwork” mechanizmust és bővítette ezt a tercierfoszfán ligandum inverziójának 2:1 típusú mechanizmusával. Felismerte, hogy a vizsgált vegyületek egy jól elkülönített része a közönséges fogaskerék áttétel kapcsolt rotációjának mechanizmusát követve invertálódhat. A sztereoszelektivitás eredetét sikeresen bizonyította a komplexek kialakulásainak vizsgálatával. Ezáltal segítve a preparatív munkát végző kutatókat az eddig még nem izolált termékek geometriai és energiai adataival. A dolgozat eredményeinek hatására bővültek az interdiszciplináris kutatási kapcsolatok. Pozitív eredményeik közé tartozik még a szponzori támogatás megjelenése is.
3
ABSTRACT SPREAD MECHAISM OF CHIRAL IFORMATIOS I ALKYLCOBALT TRICARBOYL PHOSPHIE COMPLEXES
RÓBERT KURDI
This study focuses on the investigation of special properties of alkylcobalt tricarbonyl phosphine
molecules.
In
the
complexes
absolute
diastereoselectivity,
moreover
enantioselectivity was obtained during the synthesis. The author studies the spread of chiral informations in the complexes mentioned by means of calculating chemistry. Using a structural database, an empirical molecular mechanical force field was created by which the molecule structures examined can be reproduced precisely. Clockwork- and gear-transmission mechanisms, taken place during the transformation of enantiomers into each other, were modelled and confirmed. The origin of stereoselectivity was proved successfully by investigating the formation of complexes. This could contribute to the work of preparative researchers with geometric and energetic data of compounds not isolated so far.
4
AUSZUG AUSBREITMECHAISMUS DER KIRALE IFORMATIOE I DE ALKYLKOBALT-TRIKARBOYL-PHOSPHAE KOMPLEXE
RÓBERT KURDI
Die Dissertation beschäftigt sich mit dem Untersuchen der speziellen Eigenschaften der Alkyl-Kobalt-Phosphane Molekülen. Absolute Diastereoselektivität und sogar Enantioselektivität geht in den geprüften Komplexen während der Synthese durch. Der Autor prüft mit den Methoden der rechnerischen Chemie den Ausbreiten der kiralen Informationen in den oben genannten Komplexen. Er schaffte mit der Anwendung einer strukturellen Datenbank ein empirisches molekularmechanisches Feld, mit dem die geprüften Molekularstrukturen mit grossen Präzision reproduziert werden können. Er modellte und bestätigte den während der Ineinander-Konvertierung der Enantiomerpaaren abrollenden sogenannten Uhrwerk-Zahnrad Mechanismus. Er bewiese erfolgreich den Ursprung der Stereoselektivität mit dem Untersuchen der Herausbildung der Komplexen. Er hilft mit den geometrischen und energetischen Daten der bis jetzt noch nicht isolierten Produkten der präparativen Arbeit der Forscher.
5
1 Bevezetés A kobalt-karbonil vegyületeket gyakran használják homogén katalizátorként a fémorganikus kémiában. Tanulmányozásuk igen hasznos, mind gyakorlati, mind elméleti kémiai szempontból. 1964-től a nyolcvanas évekig zászlóshajója volt ez a Markó László nevével fémjelzett, a Pannon Egyetem (egykori Veszprémi Egyetem) Kémia Intézet, Szerves Kémia Intézeti Tanszék keretei között működő kémiai iskolának. Számos kiváló tudós szerzett nemzetközi elismerést az itt folyó kutatásokból (Markó L., Ungváry F., Heil B, Sisak A., Pályi Gy. Váradi Gy., Horváth I., Kovács I., Kollár L. stb.). Napjainkban már alig lehet összefüggést találni az említett tudósok mai kutatási tematikáival. Egy kivétel azért van; Professzor Pályi Gyula (University of Modena and Reggio Emilia, Olaszország) tanszékén még mindig, sőt, megint folyik az egykoron kobalt katalizált hidroformilezési mechanizmus intermedierének tekintett alkil- és acil-karbonilkomplexek újabb és újabb képviselőinek szintézise. Az eredeti cél már lassan elfelejtődik. A preparatív munka hajtóereje ma már e vegyültek tulajdonságaiból és azok interdiszciplináris aspektusaiból fakad. A szintetikus munka (Prof. C. Zucchi, University of Modena and Reggio Emilia, Olaszország) és a biológiai homokiralitás eredetével kapcsolatos elméleti kutatás (Prof. Pályi Gy.) a modenai csoportban, a röntgen szerkezetvizsgálat Essenben (Prof. R. Boese, University of Essen, Németország), a molekulák motorikus tulajdonságainak vizsgálata, pedig a Pannon Egyetem (Prof Bencze L, Kurdi R.) keretei között folyik. A kutatási vertikum középpontjában az alkoxikarbonil-metil-trikarbonil-kobalttercierfoszfán komplexek sajátos önszerveződése révén keletkező, trigonális-bipiramidális szerkezetek állnak. A koordinációs kölcsönhatások révén több sztereogén részegységet hoznak
létre,
konfigurációként
amelyek
gátolt
viselkednek.
diasztereoszelektivitás,
sőt
rotációk
Ennek
révén
atropizomerként,
következtében
enantioszelektívitás
is
a
szintézis
érvényesül.
Az
konformerként, során
abszolút
enantiomerek
interkonverziója is a szeteroszelektivitás megmaradásával jár, ami a folyamat során rendkívül effektív intramolekuláris információcserét feltételez. Kutatásaimat a Veszprémi Egyetem (ma Pannon Egyetem) Szerves Kémia Tanszékén, a Kémia Doktori Iskola Elméleti Kémia alprogram keretében, 1998 őszén kezdtem TDK hallgatóként. Akkor már készen állt, hazai és nemzetközi fórumokon is megmérettetett, a fent említett témakörökben összegyűlt kísérleti adatok és kémiai számítások szintézisét átfogó kompakt logikai rendszer, egy hipotézis, amelyet a helyi zsargonban „klokkvörk” (clockwork
6
- óramű) mechanizmusként emlegettek. Érdekes módon e hipotézis bírálata szinte kizárólag a csoporton belül született, miután a kémiai számításokkal nem lehetett értelmezni az intramolekuláris átalakulásokat, így szimulációjuk is sikertelen maradt. A vita „hatalmi szóval” végződött: a kísérleti tapasztalat az első, vissza az empíriához. Lévén a legkisebb, és még egyik fronton sem elkötelezett, ez a feladat természetesen nekem jutott. Szerencsémre. Dolgozatomban a királis információk molekulán belüli terjedésével foglalkozom. Az adatgyűjtés elsősorban a szerkezetekre vonatkozott, de sok más egyéb között többlet információforrássá vált egy- egy rendezettlen Röntgen-spektrum és a szintetikus receptúrák olyan fizikai paraméterei is, mint a reakcióidő vagy a reakcióhőmérséklet. Munkámat főként a számításos kémia eszközeivel végeztem. Az adatbázis felhasználásával elkészítettem egy, a molekulaszerkezetek
nagy
pontosságú
reprodukálását
szolgáló
empirikus
molekulamechanikai erőteret. A realitáshoz közeli energiaértékeket kvantumkémiai módszerekkel számítottam. Adatokat gyűjtöttem az enantiomerek közti átalakulás során lejátszódó intermolekuláris mozgásokra, ezek csatolt jellegére, energetikai színezetére, a szintézis során észlelt királis jelenségek eredetére, (tandem jellegű) indukciós mechanizmusok működésére. Kutatási eredményeim felhasználásával modelleztem és igazoltam az enantiomerpárok interkonverziójának óraműszerű mechanizmusát és bővítettem ezt a tercierfoszfán-ligandum inverziójának 2:1 típusú mechanizmusával. Felismertem, hogy az ismert vegyületek egy jól elhatárolható része a közönséges fogaskerék-áttétel (gear) kapcsolt rotációjának
mechanizmusát
követve
invertálódhat.
Osztályozásuk
a
kristályfázisú
konfigurációik révén „clockwork” (reP, siM) vagy „gear” (siP, reM) csoportba könnyen megoldható, de az alkoxilcsoport szerkezete alapján is jól megbecsülhető. A kétezredik év végén még bátortalanul, de egy konferencián már megjelent a kutatási eredményeink gyakorlati hasznosíthatóságának lehetősége. Az érdeklődés meglepően élénk volt, az eredmények is szaporák. Az örömkémia (belső és külső) kommunikációs kényszere ellentétébe fordult. Külföldi partnereinket is publikációs moratóriumra, de legalább is kontrollált kéziratok benyújtására kértük. Lassan meginduló publikációink java a fiókban várakozik, és csak e dolgozat révén juthat szűkrétű szakértői nyilvánossághoz. Pozitív eredmények közé tartozik a kutatás pragmatizmusa, a molekulatervezés és szelekció intenzitása, az interdiszciplináris kutatási kapcsolatok bővülése, és a szponzori támogatás megjelenése. A kutatási spektrum is bővült, elsősorban a molekulák kiroptikai tulajdonságainak számításával, tervezésével és vizsgálatával. A változások mértékét és minőségét jelképesen ez a kis példa is jelezheti: az etoxikarbonil-metil-trikarbonil-kobalttrifenilfoszin, (vizsgálataink kedvenc modellje) ez utóbbi témacsoportban a rotalicén-2E 7
nevet kapta. Munkámnak ezt a részét már nem tekintem a dolgozat részének, ezért erre csak egy rövid kitekintést nyújtok az olvasónak.
8
2 Szakirodalmi összefoglaló 2.1 Alkoxikarbonil-metil-trikarbonil-trifenilfoszfán-kobalt komplexek jellegzetességei A 80-as évek elejétől kezdve Pályi és munkatársai számos érdekes tulajdonságú komplexet állítottak elő (RO(O)CCH2Co(CO)3PR'3 R, R' = alkil-, arilcsoport) [1]. Ezek a vegyületek közti termékként fontos szerepet játszanak számos homogén-katalitikus szintézis (oxószintézis, hidroformilezés, hidrogénezés) katalitikus ciklusában.
2.1.1 Királis információk Nagyszámú ilyen komplexet állítottak elő akirális és királis R és R' ligandumokat használva, amelyek közül 14-nek a kristály és molekula szerkezetét is meghatározták [2]. Érdekes tulajdonságokra figyeltek fel a vegyületek analitikai elemzése (IR, CD, röntgen diffrakció) során [3]. Akirális komplexek reakcióiban királis szerkezetek, „konformációk” alakultak ki (1. táblázat), amelyek a következő tulajdonságokkal rendelkeznek (a-j): 1. táblázat: Alkoxi-karbonil-metil-trikarbonil-tercierfoszfán-kobalt komplexek (ROC(O)CH2Co(CO)3PR'3) kristályaikban kialakuló királis konformációk [4] R
R'
Tércsoport
I
Me
PPh3
P-1
II
Et
PPh3
P21/n
3
4
III
n-Pr
PPh3
P21/n
5
6
IV
i-Pr
PPh3
P-1
V
s-Bu
PPh3
P21/n
VI
t-Bu
PPh3
P21/c
VII
c-Hex
PPh3
P21/c
13
14
VIII
c-Hex
PPh3
P-1
15
16
g
P-1
17(?)
IX X XI
h
PPh3
CH2Ph
reP
2
8
9
10 11
18(?)
12
17(?)
18(?)
PPh3
P212121
b
PPh3
P21
20
21
c
23
D-Menth
19
L-Menth
PPh3
P21
22
XIII
i-Pr
PPh2(n-Menth)
P212121
24
XV
1
siM
a
(S)-Lact
Gluc
reM
7
XII
XIV
siP
e
(Bis-Me)
PPh3 f
g
PPh3
P212121
25(?)
P21/n
26
a
27
(S)-{α-[EtOC(O)]CH(CH3)}; b (1S,2R,5S)-mentil; c (1R,2S,5R)-mentil; d (1S,2S,5R)-mentil; e 1,2:5,6-di-O-izopropilidén-α-D-glükofuranóz; f 1,2-bis(metoxikarbonil)etil-kobalt (Ungváry féle komplex); g A foszfán kiralitása nem határozható meg egyértelműen a fenilgyűrűk rendezetlensége miatt
9
(a) A vizsgált komplexek jellegzetesen torzított trigonális bipirimidális szerkezetében az ekvatoriális síkban három CO ligandum, a két átellenes axiális pozícióban pedig egy trifenilfoszfán1 és egy alkoxi-karbonil-metilén ligandum helyezkedik el (1. ábra). triphenylphosphane ligandcarbonylcobalt fragment Észter rész
Trikarbonil rész
Trifenilfoszfin ligandum
1. ábra: A komplex szerkezeti egységei az R=Et példáján (II) keresztül (b) A kristályokban egymással fedésbe nem hozható, tükörképi viszonyban lévő molekulák vannak, melyek az axiális ligandumokon legalább egy-egy sztereogén egységgel rendelkeznek. (c) A kiralitás forrása az észtercsoportnak a kobalthoz viszonyított térállása (re vagy si) és a trifenilfoszfán csavarodottsága (P vagy M), helicitása (2. ábra). Az észtercsoport királis konformációinak meghatározásakor [4] használt elnevezések a CIP konvencióra épülnek. Ehhez azonban elengedhetetlenül szükség volt egy olyan kötés feltételezésére, mely a kobaltatom és az észtercsoport sp2-es szénatomja között alakul ki. Így az sp2-es szénatom királis atommá válik, ezáltal az egyes konfigurációk, (R)→re vagy (S)→si könnyen meghatározhatók.
1
A XIII komplex kivételével.
10
OR
O
O
RO
C CH 2 Co
re
H
H H
H H
H
P
H H
H
H H
H
P
H H
P H
H
H
H
H
H H
H
Co
si
H
H
H
C H 2C
H H
H
H
H
M
2. ábra: A királis konformációk jelölésrendszere az alkil és a foszfán ligandumon (d) Az észtercsoport síkja és a Co(CO)3 tárcsa síkja közel párhuzamos helyzetű. A Co-Csp2 kötés körüli elforgatással létrehozható egyéb orientációk nem kedvezményezettek. (e) Az észtercsoport Csp2 atomjának a kobalthoz viszonyított távolsága <3 Å, ami a van der Waals erőket meghaladó mértékű kölcsönhatást "autoszolvatációt" feltételez [5]. Ezáltal mind a kobalt atom, mind pedig a karboxilcsoport Csp2 atomja királissá válik.
(f) Minden komplex esetében hiányzik a statisztikusan lehetséges izomereknek legalább az 50% -a, de a si/re és a P/M konformációk kombinációja molekulánként változó lehet.
(g) Királis R esetén még nagyobb a szelektivitás mértéke, több a lehetséges izomer. Az sbutil-észter (V) származék esetében az alkilcsoporton egy további aszimmetriacentrum is található, amely centrális kiralitását tekintve R és S lehet. Statisztikailag 23, tehát 8 szerkezet lehetséges, ezzel szemben a kristályszerkezetben csak kettő található meg (rePS, siMR) [2, 6]. A tejsav (X) és glükofuranóz (XIV) származékok esetében még nagyobb a szelektivitás. A lehetséges 8 szerkezetből csupán egyetlen módosulat (siMS az X-es illetve siPD a XIV-es komplexnél) képződik.
11
(h) Királis R’ esetén (R=i-Pr és R’=PPh2(n-Menth), XIII) szintén csak egy királis konformáció alakul ki (3. ábra).
3. ábra: R=i-Pr, R’=PPh2(n-Menth) (XIII) származék szerkezete (i) A ciklohexil-észter (VII, VIII) származék esetében két különböző polimorf kristálymódosulat (P-1 és P21/c) alakul ki.
(j) A kristálycellák felépítése jelentős számú intra- és intermolekuláris hidrogénkötés kialakulására enged következtetni. A Pannon Egyetem Müller Laboratóriumában Tóth Gergely erre irányulóan előrehaladott munkákat végez [7].
A kobalt katalizált homogénkatalitikus reakciók az egyik legrégebben vizsgált reakciók közé tartoznak [8]. Számtalan új vegyületet szintetizáltak, azonban Pályi és munkatársai által előállítottakhoz hasonló, csak egyetlen egy található még az irodalomban. Kobalt-katalizált hidroformilezési reakciók mechanizmusának vizsgálata közben Ungváry Ferenc egy újabb alkoxi-karbonil-metil-tercierfoszfán-kobalt származék szerkezetét írta le (4. ábra) (R=(Bis-Met), XV) [9]. Ez a komplex is tökéletesen beleillik a vizsgált vegyületeink sorába, hiszen az összefoglalt (a)-(d) jellegzetességeknek megfelel.
12
4. ábra: Az R’=(Bis-Met) komplex (XV) szerkezete A vizsgált komplexek legmeglepőbb tulajdonsága az, hogy a trifenilfoszfán ligandum egy bizonyos konformációjához (P vagy M) az észter csoportnak mindig csak egy adott konformációja (re vagy si) tartozhat. Ez alól kivétel a benzil-észter származék (IX), amelyben a kristályszerkezet „rendezetlensége” kiterjed a benziloxikarbonil-csoportra, ezáltal lehetővé téve mind a 4 lehetséges szerkezet megjelenését.
2.1.2 „Autoszolvatáció”, spektroszkópia Kiroptikai vizsgálatok során felfigyeltek arra, hogy az RO(O)CCH2Co(CO)3PR'3 (R, R' = alkil, aril) vegyületek királis R és/vagy R' csoportokkal olyan cirkuláris dikroizmus (CD) színképeket adnak [10]; (a) amelyek gyökeresen különböznek a szabad ligandumok CD színképeitől; (b) amelyekben olyan CD-sávok jelentkeznek, melyek a komplexekben jelenlévő átmenetifém valamely átmenetének részvételével magyarázhatók. Ezek a megfigyelések azt jelentik, hogy a CD színképekben nem csak a klasszikus vegyérték kapcsolatok elektronátmeneteit találták, hanem egy ezeken túlmenő kölcsönhatást is, amely a fémet „királisan perturbálja”. Ekkor a vegyületcsoportból csak a PhCH2OC(O)CH2Co(CO)3PPh3 (benzil származék) molekulaszerkezete állt rendelkezésükre. A komplexben az észtercsoportban található C(sp2)
13
és a kobalt távolsága 292 pm, amely némileg alátámasztja a vegyérték kapcsolatokon túli kölcsönhatás, (Pályi professzor terminológiája szerint) az „autoszolvatáció” jelenlétét is. A feltételezett kötést a Müller Laboratórium munkatársainak sikerült kvantumkémiai vizsgálatokkal is bizonyítani [11]. A röntgenszerkezetek elemzése, spektroszkópiai eredmények, és a DFT számítások egybehangzóan azt bizonyítják, hogy az α-észter csoport és a kobalt atom között egy η3-típusú parciális koordinatív kötés alakul ki, mely felelős a vegyületekben
létrejövő
sztereoszelektív
önszerveződés
és
királis
konfigurációk
kialakulásáért.
Bencze és munkatársai már a 2000-ben leírták [12] a röntgen szerkezetekben talált enantiomerek egymás közötti átalakulásának, általuk lehetséges útját. Munkájukban tüzetesebben az etoxi származékot (II) vizsgálták. Meghatározták, hogy az észter csoport sp3as és az sp2-es szén körüli átfordulása energetikailag sokkal kedvezőbb akkor, ha az a karbonilos oxigén atomjával fordul a CO tárcsa felé. Az átfordulás további mozgásokat gerjeszthet a molekulában. Amikor az észtercsoport re állásból jobbra fordul, eltaszítja a Co(CO)3 fragmenst, ami ezáltal az óramutató járásával megegyező irányba fordul el. A CO tárcsa viszont olyan közel található a PPh3 ligandum orto hidrogénjeihez, hogy ezeket P állásból M állásba sodorja át (5. ábra). Tehát az eredeti reP szerkezetből kialakul enantiomerje, a siM szerkezet. A molekulán belüli mozgások összehangoltságából („koncertikus” jellegéből) következtettek arra, hogy miért hiányzik a másik két kombináció.
Felfigyeltek továbbá arra is, hogy ez a molekulán belüli összehangolt mozgás nagyon hasonlít a klasszikus óraszerkezetek működéséhez, sőt ezzel lényegében azonos [13]. Eszerint az óraszerkezet és a molekula, hasonló tulajdonságú részekkel rendelkezik. Az észtercsoport az anker+ankerkerék, a CO tárcsa a potenciális energia változó irányú továbbítására szolgáló anker, míg a trifenilfoszfán ligandum az ún. billegő kerékkel rokonítható (6. ábra).
Kvantumkémiai számolásokkal bizonyították, hogy az egyensúlyi szerkezeteknél mind a négy variáns (reP, siP, reM és siM) energiája a számítások hibahatárán belül azonosnak adódott [14]. Ezzel azt feltételezték, hogy a szelektivitás oka nem pusztán a termodinamikai.
Az irodalomban számos érdekes elképzelést találhatunk molekuláris óraműszerű vegyületek előállítására [15]. Azonban a fentiekben ismertetett óramű (clockwork) modell az eddigi „legteljesebb” szerkezet, melyben a klasszikus, mechanikus óraszerkezet valamennyi 14
lényeges alkatrésze megvan. A kutatás, a jelenség jellege folytán természetszerűen a hasonló molekuláris szerkezetek kutatására és fejlesztésére hivatott új tudományág, a nanotechnológia területére sodródott.
HH
HH H
H
H
H HO
O
H
O
O H
H
O
Co
H
H
H
H
O
O O
H
H
H
H H
H
H
H
P
H
H H
H
H
H
P
O
Co
O
H H
H
H
H
HH H
si,M
H
H H
H
H
H
re,P
5. ábra: Az EtOC(O)CH2Co(CO)3(PPh3) átalakulásának sémája
6. ábra: Az óraszerkezet és a „molekuláris óramodell” összehasonlítása
15
2.2 anotechnológia 1959-ben Richard P. Feynman azt mondta, hogy „egy napon a tudomány segítségével képesek leszünk egy enciklopédia tartalmát egyetlen tűhegyre felírni”. Ez a módszer a gyakorlatban már évmilliárdok óta jól működik. A természet már ennyi ideje használja a nanotechnológiát. Ha nem is atomokból, de néhány atomos molekulákból épülnek fel az élethez szükséges anyagok. Ezek a folyamatok már ismertek voltak, de csak elképzelni tudták őket. Ahhoz, hogy Feynman tervét megvalósítsák olyan eszközre volt szükség, amivel a molekulákat, atomokat láthatják. Gerd Karl Binnig az IBM gyárral közösen 1981-re elkészítette a pásztázó alagút(áram)mikroszkópot (Scanning Tunneling Microscope, STM). Ezért a felfedezésért 1985-ben megkapta a fizikai Nobel díjat. Kiderült, hogy nem csak az egyes atomokat, hanem a köztük lévő kötéseket is látják, sőt az atomokat is tudják vele mozgatni. Ekkor született meg a modernkori nanotechnológia. A nanotechnológia lehetőségei határtalanok. Alkalmazási területei lehetnek például az orvostudomány (mesterséges izmok), számítástechnika (memóriák), elektronika (chipek), űrtechnológia (könnyű és stabil anyagok), nanomotorok (molekulákból felépülő kerekek, fogaskerekek, pumpák, jeltároló, jelátalakító eszközök), stb. Nem célom a nanotechnológia összes ágának bemutatása, csak a dolgozatom témájához legközelebb álló ún. nanomotorokkal foglalkozom itt. A nanomotorok felhasználási köre sokrétű lehet az optikai kapcsolóktól egészen a mikrofolyadékokig.
2.2.1 Molekuláris propellerek, kúpfogaskerekek Mislow és Gust [16, 17] olyan molekuláris propellereket állítottak elő, amelyekben kettő vagy több aril csoport (Ar) kapcsolódik egy egyszerű centrumhoz (Z). Az egyik arilcsoport C-Z kötés menti forgatására a molekulában a többi csoport (ArnZ) is mozog (7. ábra).
16
z
z
7. ábra: Ar3Z típusú molekuláris propellerek Mislow [18] és Iwamura [19] érdekes tulajdonságokat figyeltek meg Tp2Z (8. ábra) rendszerekben, ahol a két tripticén (Tp) oxigén vagy metilén hídon keresztül kapcsolódik egymáshoz (Z=O, CH2). Meglepődve tapasztalták, hogy egy gyors belső forgás következtében a molekula úgy viselkedik, mint egy ideális kúpfogaskerék. 1H- és
13
C-NMR
vizsgálatokkal kimutatták, hogy a C-O kötés körüli forgás a bis(1-triptycycl) éterben -94 °Con is kimutatható, és a rotációs gát nagysága nem nagyobb, mint 8 kcal/mól. Oxigén híd esetében (Tp2O), ha a tripticén 4-es pozícióiba egy klór atomot, vagy a Tp2CH2-nél a 3-as és a 4-es pozíciókba egy-egy metil csoportot tettek, akkor megakadályozták a „fogaskerekek” elcsúszását egymáson, tehát egy igazi háromfogú fogaskerék-rendszert kaptak.
8. ábra: A molekuláris és a mechanikus kúpfogaskerék sémája Mislow és munkatársai későbbi kutatatásaikban [20] három tripticil csoportot kapcsoltak hozzá egy GeCl molekulához. Olyan három fogaskerékből álló rendszert kaptak, ahol két Tp csoport egyirányba a harmadik, pedig ellentétes irányba forog (9. ábra).
17
9. ábra: Három tripticénből álló fogaskerék rendszer Fuji [21] és munkatársai olyan kísérleteket hajtottak végre, amelyben a Tp helyett szubsztituált naftil csoportokat használtak. Ezáltal elsőként állítottak elő optikailag aktív kétfogú fogaskerekeket (10. ábra).
10. ábra: Kétfogú fogaskerék-rendszer Az analóg molekula rendszerekben, a nagy amplitúdójú mozgásokat külső stimulációval (fotokémiai, kémiai, elektrokémiai stb.) érik el. Ezáltal a csoportok egyes részei valóban átrendeződnek és ezt a reverzibilis átrendeződést számos módon tudják kimutatni (abszorpció, NMR, elektrokémiai potenciál stb.) [22]. Richards
és
munkatársai
[23]
[(9-tripticil-etinil)ciklopentadienil](tetrafenil-
ciklobutadién)-kobalt komplexet (11. ábra) állítottak elő. A molekulában a ciklobutadiénhez kapcsolódó fenilgyűrűk egy négyfogú, az etin csoporthoz kapcsolódó tripticén pedig egy háromfogú fogaskereket hozott létre. Azonban a két forgó csoport kapcsolt rotációját nem tudták megoldani.
18
11. ábra: Metallocén típusú molekuláris fogaskerék Az eddig ismertetett vegyületek sok tekintettben hasonlítanak az általunk vizsgált alkilkobalt-trikarbonil-foszfán komplexre.
2.3 Molekulamechanika Az informatika fejlődésével a számításos kémia lehetőségei kitárultak. Sokféle módszert
alkalmazhatunk
a
molekulaszintű
motorok,
masinák
tulajdonságainak
feltérképezéséhez. Az általunk vizsgált molekulacsalád legkisebb tagja is több mint 50 atomból áll. Ilyen nagy molekulákra, a konformációs viszonyok számolásához ezért célszerű volt a molekulamechanika eszközeit választani. A molekulamechanika témakörében számos érdekes és értékes könyv [24], valamint cikk jelent már meg. Nem célom ezen írások részletes összefoglalása - egy pontos, részletes munka meg is haladná a dolgozat kereteit –, inkább kiemelném a munkám számára fontos részeket, részleteket és lehetőségeket. A
molekulamechanika
nem
kvantumkémiai
szerkezetvizsgáló
módszer.
A
molekulamechanikai módszerek a magok helyzetét úgy vizsgálják, hogy az elektronokat csak az általuk létesített erőtér révén veszik figyelembe. Egy rendszer leírásának két fontos pillére van. Az egyik az erőteret leíró egyenletek matematikai alakja, a másik pedig az ezekben szereplő paraméterek megválasztása. Mindkét esetben a választás kritériuma az, hogy minél pontosabban tudjuk leírni a vizsgált modellek kísérletileg meghatározott jellemzőit. Az erőtér módszer alapötlete abból adódott, hogy a kísérleti módszerek fejlesztésével a kisméretű molekulákról egyre több adat állt rendelkezésre. Ismertek lettek az atomok közti kötéstávolságok, kötésszögek, valamint még számos molekulageometriai és energetikai
19
jellemző. A kérdés az volt, hogy leírható-e egy nagy molekula a kisebbekkel modellezett szerkezeti
egységek
kombinációjaként.
Erre
szolgál
az
erőtér
eljáráson
alapuló
molekulamechanikai számítási módszer. Az erőtér eljárás alapjait Andrews 1930-ban közölt mechanikai modellje [25] képezi, amely szerint a molekulák merev, gömbszerű atomokból állnak. Az atomok közti kötéseket úgy szemléltetik, mintha rúgókkal kapcsolnánk őket össze. A molekulát felépítő atomok állandóan mozognak. A fellépő szerkezeti változások pedig, a molekula teljes energiájának a megváltozását vonják maguk után. Ezek az egyszerű erőtörvények alapján számíthatóak. A molekulamechanikában használatos erőterekben alkalmazott energiatagok kötő és nemkötő kölcsönhatások leírására szolgálnak,
Eösszes = Evegyérték + Enem−kötő . Vegyérték jellegű- vagy kötőkölcsönhatások közé többek közt az egymással közvetlen kötésben lévő atomok között fellépő kötésnyújtási, a geminális (1-3 vagy kötéshajlítási) és a vicinális (1-4 vagy torziós) kölcsönhatások tartoznak,
Evegyérték = Enyújtási + Ehajlítási + Etorziós + ... . Az egymáshoz közel lévő atomok között tapasztalható taszítás, az egymástól távol lévő atomok között kialakuló diszperziós vonzás, valamit az elektrosztatikus effektusok a nemkötő kölcsönhatások közé tartoznak,
E nem− kötő = E vdW + ECoulomb + E H − kötés . 2.3.1 Kötő kölcsönhatások Andrews molekulamechanikai modellje alapján a kovalens kötés irányában és az arra merőlegesen ébredő erőket a Hooke-törvény segítségével számolhatjuk. Minden egyes kötéstávolságnak és kötésszögnek definiálhatunk egy egyensúlyi értéket (kötéstávolság: két egymással kötésben lévő atom távolságának leírására szolgál; kötésszög: a központi atomtól a szomszédos atomok felé húzott szakaszok (=kötések) által bezárt szög leírására szolgál). Ha
20
egy kötéstávolság vagy egy kötésszög eltér annak egyensúlyi értékétől, akkor ez energianövekedést eredményez. Ezt, a kötéstávolságnál az
Er =
1 2 k r (r − r0 ) , 2
Eθ =
1 2 kθ (θ − θ 0 ) 2
kötésszögeknél pedig az
egyenlettel írhatjuk le. Ahol r0 és θ 0 az egyensúlyi, r és θ a számított kötéstávolság, ill. kötésszög értékek. Nagy deformációk esetén alkalmazható lenne a Morse-függvény [26], de ezt a nagy időszükséglete miatt nem alkalmazzák. A számítás pontosítására mind a kötésnyújtási, mind a kötéshajlítási tagot kiegészíthetjük egy harmadrendű taggal. Ez azonban veszélyekkel járhat olyan molekulák esetében, ahol a geometriai jellemzők (kötéstávolság, kötésszög, stb.) jelentősen eltérnek az egyensúlyi értékektől. Ha egy molekula részei a kötések kölcsönös taszítása miatt egymáshoz képest nem fordulhatnak el szabadon, akkor torziós gátról beszélünk. Kezdetben ennek a leírására a van der Waals paramétereket használták, de ez megnehezítette a van der Waals kölcsönhatások leírását. Ezért vezették be a torziós gátra jellemző energiatagot, a torziós energiát [27]. Első lépésben definiálni kellett egy függő változót. Ez a torziós szög. Az A,B,C,D atomok által meghatározott torziós szög az AB és CD egyenesek által bezárt szög a BC tengelyen keresztül nézve (12. ábra) [28].
12. ábra: A torziós szög definíciója
21
Mivel a torziós energiagátat leíró görbe a torziós szög koszinuszával arányos, ezért a molekulamechanikában az
Eω = kω (1− 3 cos ω ) egyszerű képlettel írják le az energiát. Bonyolultabb rendszereknél, szerkezeteknél ez az egyenlet csak részben alkalmas. Részletesebben az alábbi Fourier-sorral felírva az
Eω = ∑
1 E j (1 − cos ( jω )) 2
első
tagra
j
egyenletet
kapjuk.
Ha
az
három
kifejtjük,
akkor
megkapjuk
a
molekulamechanikában használt egyenletet:
E E E Eω = ∑ 1 (1 + cos ω ) + 2 (1 − cos 2ω ) + 3 (1 + cos 3ω ) . 2 2 2 Az egyes tagoknak szemléletes fizikai értelmet is lehet adni. Az első tag a dipólus-dipólus kölcsönhatásból származik. A második tag telített kötés körüli gátolt rotáció esetén hiperkonjugációra, telítetlen kötés esetén, pedig konjugációra utal. A harmadik tag a térbeli hatásoknak tulajdonítható. A molekula egyes részei, amelyekben sp2-es hibridállapotú atomok találhatóak, planáris elrendeződést mutatnak. Ha a trigonális centrumban elhelyezkedő atom a sík alatt vagy felett helyezkedik el, akkor ez energianövekedést eredményez a síkbéli szerkezethez képest. Ez a kihajlás szögével (χ) arányos és a következő egyenlettel írható le [29]:
Eχ =
1 kχ χ 2 . 2
A χ koordináta definíciója az irodalomban nem egyértelmű, többféle leírás ismert. Egy gyakori definíció szerint, egy a centrumból kiinduló kötés körüli ún. hamis torzió segítségével írja le (13. ábra).
22
13. ábra: A síkból történő kihajlásra vonatkozó koordináták definíciója
2.3.2 emkötő kölcsönhatások Molekulamechanika a molekulaszerkezet pontosabb energetikai jellemzésére a nyújtási-hajlítási taggal közelített 1,3 nemkötő kölcsönhatás mellett egyéb intramolekuláris kölcsönhatásokat is figyelembe vesz. Ezek közül a van der Waals kölcsönhatás [30] a legfontosabb. A van der Waals kölcsönhatás három részből tevődik össze, melyek a következők. Az első a dipólusnyomatékkal és töltéssel nem rendelkező molekulákra jellemző diszperziós kölcsönhatás.
A
második
a
dipólusnyomatékkal
rendelkező
atomok
dipól-dipól
kölcsönhatásának energiája, és végül az effektív töltések között fellépő Coulomb-erők energiája. A van der Waals-jellegű másodlagos kölcsönhatások egyidejű számítására több összefüggés is alkalmas. Használják az ún. Hill-összefüggést [31], de a molekulamechanikai eljárásokban az általánosabb érvényű Lennard-Jones potenciált [32] alkalmazzák:
E vdW =
Aij Bij ∑ R12 − R 6 . ij ∋ vdW ij ij
Ennek oka az is, hogy a Hill-összefüggésben található exponenciális kifejezés számítása jóval időigényesebb. A töltések között kialakuló nemkötő kölcsönhatások számolására az erőterek többségében a Coulomb-potenciált használják:
ECoulomb =
qi q j ∑ DR , i , j ∋Coulomb ij
23
ahol qi és qj atomi töltések, Rij a köztük lévő távolság és D a dielektromos állandó. Az intra- vagy intermolekuláris H-kötés leírására a következő egyenletet használják [33]:
E H − kötés =
C ij Dij − ∑ R12 R10 . i , j ∋ H − kötés ij ij
Ezt a tagot nem minden molekulamechanikai erőtérbe építették be. Kvantumkémiai számításokkal bizonyították, hogy az ilyen másodlagos kötések leírhatóak egyszerű elektrosztatikus kölcsönhatásokkal is [34].
2.3.3 Az MM2 erőtér Az előzőekben leírtak alapján elmondható, hogy egyes kölcsönhatások kiszámítására több módszer ismeretes. Szinte minden erőtér más és más formában használja ezeket az egyenleteket. A szervetlen vegyületekre végzett molekulamechanikai számítások a szimulációs eszközök fejlődésével a 80-as évek közepétől kerültek be a kutatói gyakorlatba. Az átmenetifém atomokat tartalmazó vegyületek molekulamechanikai kezelése két jól definiált csoportra osztható, a koordinációs- és a (számunkra fontosabb) fémorganikus vegyületek szimulációjára. 1995-ben egy átfogó tanulmány [35] jelent meg fémorganikus komplexek molekulamechanikai kezeléséről. Több mint 250 hivatkozás segítségével tekintik át a 90-es évek elejétől megindult erőtérfejlesztéseket. Az első igazán jól alkalmazható módszer a PCMODEL [36] programkörnyezetében megvalósított MMX erőtér, amelyben az átmenetifém komplexek modellezése vegyérték jellegű kölcsönhatásokkal történik. A paraméterkészletet a vas atom különböző vegyületeire fejlesztették ki. Más fémek komplexeinek kezeléséhez szükséges paramétereket a fématomok van der Waals sugarainak különbsége alapján határozza meg. Nagy előnye, hogy a hiányzó paramétereket meg tudja becsülni. A becslés pontossága azonban kapcsolatban van a hiányzó paraméterek számával. Munkám során a Cerius2 program MM2 [37] erőterét alkalmaztam. (Döntésemet a kísérleti részben indokolom.) Az MM2 erőteret Allinger és munkatársai fejlesztették ki. Ez volt az első általánosan is alkalmazható erőtér. Dolgozatomban az egyes energiatagok számítási módszereit ismertettem röviden.
24
2.3.3.1 Az MM2 erőtérben használt vegyérték jellegű kölcsönhatások Kötésnyújtási kölcsönhatás Ez az energia csak a két atom távolságától függ. Ennek számolására a program a „köbös” potenciál függvényt használja,
Enyújtási = 1 / 2 K b ( R − R0 ) 2 [1 + d ( R − R0 )] ,
(E1)
ahol R0 a kötéstávolság (Å), Kb az erőállandó ((kcal/mól)/Å2) és a d pedig a „köbös” korrekciós tag (1/Å).
Szöghajlítási kölcsönhatás Az MM2 szög potenciált, vagy más néven Allinger potenciált használja a program ennek a kölcsönhatásnak a számítására.
Ehajlítási = 1 / 2 Kθ (θ − θ 0 ) 2 [1 + d (θ − θ 0 ) 4 ] ,
(E2)
ahol θ0 a bezárt szög (º), d „hatos” term (1/rad4) és Kθ az erőállandó.
Torziós kölcsönhatás A torziós energia számítása a következő egyenlettel történik,
p
Etorziós = ∑1 / 2 Kθ ,n [1 − d cos(nθ )] ,
(E3)
n =1
ahol Kθ,n a rotációs gát (kcal/mól), n a periodicitás (n=1,2,3,4,5,6) és d a fázis faktor (±1).
2.3.3.2 Az MM2 erőtérben használt nemkötő jellegű kölcsönhatások Van der Waals kölcsönhatás Az MM2 erőtérben a van der Waals kölcsönhatás számítására egy módosított Lennard-Jones potenciált használnak,
(
Evdw (R ) = Ae
−CR
− BR
−6
)
R γ 1− γ R0 6 6 R0 exp , (E4) = D0 − γ − 6 R γ − 6
25
ahol a γ rendszerint 12, hogy a Lennard-Jones 12-6 potenciál esetében a nagy atomtávolságoknál fellépő hibákat kiküszöböljék [38]. R0 a kötéserősség (kcal/mól), D0 pedig a kötéstávolság (Å).
Coulomb kölcsönhatás A teljes elektrosztatikus energiát a következő egyenlettel tudjuk leírni,
Ecoulomb = C0 ∑∑ i
j >i
QiQ j
εRij
,
(E5)
ahol Qi és Qj az atomok töltése, Rij az atomok közti távolság (Å), ε a dielektromos állandó és
C0 a konverziós faktor (C0=332,0637).
2.3.4 Molekulamechanikai erőterek paraméterezése Az erőterek paraméterezésén a bennük előforduló paraméterek beállítását értjük. Bár a molekulamechanikában használatos általános erőterekben a szerzők a lehető legszélesebb paraméterkészlet fejlesztésére törekednek, az alkalmazások sokszínűsége folytán egyes paraméterek hiányára hamar fény derül. Az ilyen esetekben gondoskodni kell a hiányzó paraméterek pótlásáról. A molekulamechanikai erőtér pontosságát, az erőteret alkotó potenciálegyenleteken túl, a kísérleti szerkezetek száma is biztosítja. A korábban végzett manuális elemzések alkalmazása már technikai problémákat vet fel, miszerint a sok paraméter és belső koordináta együttes kezelése már csak számítógépes célszoftverek segítségével oldható meg. A molekulamechanikai paraméterek fejlesztésére az irodalomban két fő irányt tartanak megfelelőnek. Az egyik módszer lényege az, hogy a paraméterezéshez csak kvantumkémiai számításokat használnak fel. A másik módszer, ezt használtuk mi is, csupán kísérleti eredményeket használ a fejlesztéshez.
2.3.4.1 Kvantumkémiai alapokon történő erőtérfejlesztés Ezen módszeren alapuló molekulamechanikai paraméterkészlet előállítására számos példa található az irodalomban [39]. A fejlesztések során volt, amikor még együtt alkalmazták a kísérleti és elméleti adatokat, de a sokak által ismert és használt Merk erőtér [40] már csak tisztán kvantumkémiai számításokon alapul. A szerzők a paraméteroptimalizációhoz közel 1500 HF és MP2/6-31G* szinten optimalizált molekulaszerkezetet használtak fel. A
26
kvantumkémiai számításokon alapuló erőtérfejlesztés előnye, hogy a számításokkal lényegében minden olyan adat előállítható, ami a paraméteroptimalizációhoz kell. Azonban ahhoz,
hogy
egy
pontos,
használható
paraméterkészletet
elkészítsünk,
rengeteg
kvantumkémiai számításra van szükség. Ez, a számítástechnika rendkívüli mértékű fejlődésével is, csak egyedi, kis molekulacsoportok részére kidolgozott erőterek esetében lehetséges.
2.3.4.2 Empirikus erőterek fejlesztése A molekulamechanika, eredeti definícióját is alapul véve, szinte kizárólag kísérleti adatokat használ a paraméterezéshez. Ennek a módszernek a legfontosabb és a legidőigényesebb része a kísérleti adatok összegyűjtése és azok elemzése. Két olyan nagy kutatócsoportot ismerünk, akik tisztán kísérleti alapokon keresztül készítik el a molekulamechanikai paraméterek optimalizációját. Allinger és munkatársai a 1991-ben megjelent munkáikban elsősorban az MM2 és MM3 erőterek eltéréseit mutatják be, viszont magáról a paraméterezésről kevés szót szólnak. Kidolgoztak viszont egy olyan becslési módszert, amellyel a hiányzó paramétereket kvantitatív úton tudják pótolni [41]. Rasmussen és munkatársai a molekulamechanikai paramétereket a legkisebb négyzetek módszerével optimalizálták a Lewenberg-Marquardt algoritmus alkalmazásával [42]. Ezzel a módszerrel egyszerre lehet optimalizálni a belső koordinátákat, kondenzált fázis cellaparamétereit és rácsenergiáját, valamint a dipólus momentumokat. Ezzel egyidőben az Allinger-csoport egy új kvalitatív becslési módszert dolgozott ki, amellyel az új paramétereket lehet kiválasztani [43]. A közlemény nagy értéke, hogy tartalmazza az MM2 és MM3 erőterekben alkalmazható van der Waals paramétereket az egész periódusos rendszerre nézve. Így ezeket a paramétereket nem kell feltétlenül optimalizálni a későbbi erőtérfejlesztésekben. A tanulmányban részletesen elemzik, hogy a vegyérték jellegű kölcsönhatások paramétereit milyen kísérleti geometriákból lehet pontosabban megbecsülni. A legalkalmasabb a jó minőségű elektrondiffrakciós szerkezet, amennyiben ez nem áll rendelkezésre akkor használhatók a mikrohullámú és a röntgendiffrakciós szerkezetek is. Fémorganikus komplexeknél általában csak az utóbbiak ismertek. Mivel mi elsősorban kísérleti szerkezeteken alapuló molekulamechanikai erőteret kívánunk létrehozni, a röntgendiffrakciós szerkezeteket részesítjük előnyben. A szakirodalmat átvizsgálva megállapíthatjuk, hogy a gyakorlatban is használható, jól reprodukálható optimalizálási módszer - egyet kivéve - nincs publikálva. A Veszprémi
27
Egyetem (Pannon Egyetem) Müller Laboratóriumában Szilágyi Róbert dolgozott ki [44] egy olyan paraméterezési eljárást, amelyet már sikerrel alkalmaztak más molekulacsoportok paramétereinek előállítására is. A paraméterezési algoritmus előnye az, hogy kémiai és számítógépes környezettől független és nem tartalmaz a felhasználótól függő algoritmusparamétereket. A módszert a dolgozat kísérleti részében mutatom be a vizsgált vegyületcsalád példáján keresztül.
28
3 Kísérleti módszerek A kutatások, a bevezetésben említettek szerint, egy nemzetközi konzorcium keretében folynak. Ezen belül, a munkánk célja és jellege, a számítási kémia eszközrendszerével végzett molekulaszerkezet-vizsgálat, a molekuláris tulajdonságok számítása, modellezése és a molekulatervezés.
Konkrétabban: a korábbi munkákban főleg DFT és PM3 számításokat végeztek el, Gaussian és Spartan programokkal. A kvantumkémiai számítások eszközrendszerét és alkalmazását változatlanuk megtartottuk. A molekulák mérete miatt azonban szükségünk volt egy gyorsabb számítási módszerre, amely eléri a műszeres vizsgálatok, pl. Röntgenspektroszkópia pontosságát. Ennek megfelelően egy „host” (gazda) szoftverből és egy új erőtérből felépített molekulamechanikai számítást vezettünk be, amelynek gyorsasága három nagyságrenddel haladja meg a korábban alkalmazott számítási módszerekét és geometriai pontossága is megfelel az eredményes munka követelményeinek. (A konformációanalízis alatt előállítottunk majdnem 15 ezer szerkezetet. Molekulamechanikai módszerrel 1 geometriai optimalizáció ~1 perc alatt lesz kész, kvantumkémiai módszerrel, a rendelkezésünkre álló „számítókapacitás” maximális kihasználásával is, ez az idő megközelítette az 1 napot.)
Munkánk során többféle szoftvert és számítógépet használtunk. A molekulamechanikai paraméterezést egy INDY R4000-es munkaállomáson, Cerius2 szoftverrel végeztük el. Az eredmények kiértékeléséhez Microsoft EXCEL makrót használtuk. A reakcióút számításához a Spartan ’02 program Windows-ós változatát használtuk.
3.1 Az MM2 erőtér bővítése és paraméterezése [KE45, KE46, KE47] 3.1.1 Erőtér- és szoftverválasztás Ahhoz, hogy molekulamechanikai módszerrel tudjuk vizsgálni az alkoxikarbonilmetil-trikarbonil-trifenilfoszfán-kobalt típusú komplexeket, olyan erőteret kellett választani, amelyik tartalmazza az összes szükséges paramétert. A rendelkezésünkre álló számítógépes modellező szoftverek közül (Spartan 5.0 [48], Cerius2 3.0 [49]) mindegyik tartalmaz MM erőtereket, de sajnos ezeknek az erőtereknek egyike sem tartalmazta az összes szükséges paramétert.
Döntenünk
kellett,
hogy
melyik
paraméterezzük.
29
szoftver,
melyik
erőterét
bővítjük,
A szoftver választásánál két okból döntöttünk a Cerius2 mellett. Az első ok az volt, hogy a Veszprémi Egyetemen Bencze és munkatársai már korábban végeztek ezzel a programmal paraméterezési munkákat. A második, hogy a programcsomagban az erőtér nyitott az energiafüggvények és paramétereik szabad változtatására, mint ezt már a neve is mutatja: Cerius2 Open Force Field (C2-OFF).
A
Cerius2
Anyagtudományi
Szakértői
rendszerben
jelentős
számú
molekulamechanikai erőtér található, többek közt a Dreiding I és II [50], az Universal FF
[51, 52], az AMBER [53] és az MM2, valamint számos kisebb paraméterkészlet a speciális munkákhoz ( például: bks [54] szilikát és alumino-foszfátok kvantumkémiai vizsgálata, msxx
[55] halogénezett polimerek). Programkörnyezetében csak egyetlen erőtér képes az átmenetifém komplexek szerkezetét modellezni. Ez az Universal FF, amely a teljes periódusos rendszerre alkalmazható atomi paramétereket tartalmaz. A lefedett tartomány növelésével növekszik a számolási hiba is. Ebből is következik, hogy ezzel az erőtérrel nem lehet olyan pontosságot elérni, amilyet a kutatások megkívánnak. A Pannon Egyetem Müller Laboratóriumában korábban már bebizonyították [56], hogy az MMX második generációs erőtér [57] alkalmas átmenetifém komplexek szerkezetének leírására. Mivel a Cerius2 programban megtalálható MM2 erőtér, ami az MMX erőtér alapja, ezért munkám során az MM2 erőteret használtam.
3.1.2 Paraméterkészlet bővítés A szakirodalom többféle paraméterezési eljárást említ. Az irodalmi összefoglalóban már többet bemutattam. Választásunk – a már említett okokból - a Szilágyi Róbert által kidolgozott eljárásra esett. Az eljárás algoritmusát az 1.sémán mutatom be, majd az egyes lépéseket fejtem ki részletesebben.
30
START Kiindulási szerkezetoptimalizáció Kísérleti szerkezeti információk gyûjtése Eltolási mûvelet Referencia-adatbázis összeállítása Szerkezetoptimalizáció Kezdeti paraméterkészlet meghatározása Erõállandókszerinti skálázás Kiindulási paraméterkészlet meghatározása Illesztési hibák elemzése
nem megfelelõ
Atomtípusok ellenörzése
megfelelõ
Konvergencia nem igen STOP
1. séma: Paraméteroptimalizálás algoritmusa
3.1.2.1 Kísérleti szerkezeti információk gyűjtése Molekulamechanikai számítások paramétereit szerkezeti adatokból származtatjuk. A megfelelő kísérleti adatbázis létrehozásához elegendő mennyiségű és minőségű szerkezeti információ kell. Összegyűjtésükhöz számos forrás és módszer áll rendelkezésünkre. Többek közt a rezgési-spektroszkópia
(IR),
mágneses
magrezonancia
(NMR),
elektron-
(ED)
és
röntgendiffrakciós (XD) eljárások. A munkánk során a kristályos, szerves és fémorganikus anyagok szerkezeti adatbázisát, a Cambridge Crystallographic Database-t (CSD) használtuk. A kristályos anyagok szerkezete – így a fémorganikus komplexeké is – röntgen diffrakciós technikával vizsgálható. A mérés a nem-hidrogén atomok pozícióját 0,1 Å pontossággal adja meg. Ez megegyezik a molekulamechanikai módszer általánosan elfogadott, maximálisan megengedett hibahatárával [58], ezért jól használható e molekulák paraméterezésekor.
31
3.1.2.2 Referencia-adatbázis összeállítása Mivel más szerkezeteket nem találtunk, azon komplexek szerkezeteit gyűjtöttük ki, amelyeket Pályi és munkatársai, valamint Ungváry és munkatársai állítottak elő (1. táblázat). Mivel a ciklohexil származék (VII, VIII) esetében megjelent a polimorfia, a kétféle tércsoport közül csak az egyiket (P21/c) használtuk fel a paraméterezés során. A teljes adatbázis
végül
25
alkoxi-karbonil-metil-kobalt-trikarbonil-tercier
foszfán
molekulaszerkezetre duzzadt (2. táblázat).
2. táblázat: A paraméterezéshez felhasznált röntgenszerkezetek (ROC(O)CH2Co(CO)3PR'3)
R
R'
°
Me
PPh3
1, 2
Et
PPh3
3, 4
n-Pr
PPh3
5, 6
i-Pr
PPh3
7, 8
s-Bu
PPh3
9, 10
t-Bu
PPh3
11, 12
c-Hex
PPh3
13, 14
CH2Ph
PPh3g
17, 18
(S)-Lact
PPh3
19
D-Menth
PPh3
20, 21
L-Menth
PPh3
22, 23
i-Pr
PPh2(n-Menth)
24
Gluc
PPh3
25
(Bis-Me)
PPh3
26, 27
32
3.1.2.3 A kezdeti paraméterkészlet meghatározása A gazdaerőtérnek választott C2-MM2 molekulamechanikai paraméterkészlet nagy pontossággal képes leírni a fémorganikus komplexeket. Tesztszámításokat végeztünk annak a kiderítésére, hogy melyek azok a belső koordináták, amelyeket a fejlesztendő MM2-es paraméterkészlet nem tud kezelni. Az adatok elemzését statisztikai módszerrel végeztem el. A hiányzó paraméterek 1 kivételével (C_1 – Okarbonil kötéstávolság) az átmenetifém környezetét leíró belső koordinátákhoz kapcsolódnak (3. táblázat).
3. táblázat: A C2-MM2 paraméterkészletből hiányzó belső koordináták
Kötéstávolságok
Kötésszögek
Torziósszögek
Co_5 – C_1
C_1 – Co_5 – C_1
C_2CO – C_3 – Co_5 – C_1
Co_5 – C_3
C_1 – Co_5 – C_3
H_C – C_3 – Co_5 – C_1
Co_5 – P_3
C_1 – Co_5 – P_3
C_1 – Co_5 – P_3 – C_ar
C_1 – Okarbonil
C_ar – P_3 – Co_5
O_3 – C_2CO – C_3 – Co_5
C_2CO – C_3 – Co_5
O_2 – C_2CO – C_3 – Co_5
C_3 – Co_5 – P_3
C_ar – C_ar – P_3 – Co_5
Co_5 – C_1 – Okarbonil Co_5 – C_3 – H_C C_3 – C_3 – Co_5 C_3 – P_3 – Co_5
Kötéstávolságok A kapott értékek statisztikai elemzéséből kiderül, hogy az egyes kötéstávolságokhoz tartozó értékek megközelítően azonosak, a szórás nagyon kicsi (4. táblázat).
33
4. táblázat: A paraméterkészletből hiányzó kötéstávolságok statisztikai elemzése
Kötéstávolságok (Å) C_1 - Co C_1 - Okarbonil C_3 - Co_5 Co_5 - P_3 Átlag
1,784
1,139
2,086
2,217
Eltérés
0,006
0,005
0,008
0,006
Szórás
0,008
0,007
0,011
0,009
Minimum
1,771
1,130
2,065
2,205
Maximum
1,803
1,156
2,116
2,239
Darabszám
25
25
25
25
Kötésszögek A molekulák szerkezeti tulajdonságaiból következik, hogy a C(sp3) - C(sp3) – Co és a C(sp3) – P – Co szög nem mindegyik molekulában szerepel (5. táblázat). Az előbbi a (XV, R=1,2-bis(metoxikarbonil)etil-kobalt; 4. ábra) komplexben, az utóbbi, pedig abban, amelyikben az egyik fenilgyűrű helyén mentil csoport található (XIII, R’=PPh2Menth; 3. ábra). 5. táblázat: A kobalt környezetében található kötésszögek statisztikai elemzése
Kötésszögek (º) C_1
C_1
C_1
Co_5 Co_5 Co_5 C_1 Átlag
C_3
P_3
C_ar C_2CO
C_3
Co_5
Co_5
C_3
C_3
P_3
C_3
Co_5
C_1
C_3
C_3
P_3
Co_5
Co_5
P_3
Okarb.
H_C
Co_5
Co_5
119,82 87,59 92,44 114,39 110,29 176,84 177,62 109,34 114,09 112,84
Eltérés
0,04
0,28
0,28
0,36
1,63
1,10
0,74
0,27
0,00
Szórás
0,05
0,36
0,36
0,46
2,02
1,32
0,98
0,39
0,00
Min.
119,69 86,83 91,75 112,95 106,04 174,82 175,15 108,58 114,09
Max.
119,91 88,27 93,20 114,99 113,46 179,16 178,59 110,10 114,09
Darab
25
25
25
25
25
34
25
25
25
2
1
Torziósszögek A torziós szögek a legkisebb energia-befektetéssel változtatható belső koordináták, amelyeknél a kísérleti és a számított értékek közötti tökéletes egyezést szinte lehetetlen elérni. A torziós kölcsönhatások lépésenkénti elemzése feleslegesen terheli az optimalizációt, ezért csak az illesztési hiba jelentős növekedésekor kell ezeket korrigálni. A torziós paraméterek megadásánál fontos szempont a periodicitás meghatározása. (Periodicitás: A 360°-os forgatás alatt felvett maximumok száma, ismétlődése) A röntgen szerkezeti adatokból kigyűjtöttük a számunkra fontos torziókra vonatkozó értékeket és a gyakoriságokból következtettünk a periodicitásra. Mivel az összes torzió részletes elemzésének bemutatása túlságosan megnövelné a dolgozat méreteit, ezért itt csak a Co-P-C(ar)-C(ar) torziós szögek elemzését mutatom be. A meghatározást úgy végeztük, hogy a röntgenszerkezetekben megmértük az összes említett torziós szöget. Mivel a fenilgyűrűk aromás szén atomjai nincsenek megkülönböztetve egymástól, ezért gyűrűnként kettő, molekulánként pedig hat torziósszög értéket kaptunk. Ezeket az értékeket ábrázoltuk gyakoriság szerint (1. diagram). A diagramon négy gyakoriság maximum látható, -130º, -40º, +50º és -140º környékén. Ez nem meglepő, hiszen ez a komplexek tulajdonságaiból egyértelműen következik. A négy maximum értékből tehát négyes periodicitásra következtettünk. Hisztogram 20 18 16
Gyakoriság
14 12 Gyakoriság
10 8 6 4 2 0
Rekesz
1. diagram: A Co–P-C(ar)-C(ar) torziósszög értékeinek gyakorisága
35
Ilyen módszerek és megfontolások alapján határoztuk meg a többi torziók periodicitását is (6. táblázat, ahol „i” a periodicitás)
6. táblázat: A torziósszögek periodicitása
Torziósszögek
i
C_2CO - C_3 - Co_5 – C_1
3
H_C - C_3 - Co_5 - C_1
3
C_1 - Co_5 - P_3 - C_ar
6
O_3 - C_2CO - C_3 - Co_5
2
O_2 - C_2CO - C_3 - Co_5
2
C_ar - C_ar - P_3 - Co_5
4
3.1.2.4 Kiindulási paraméterkészlet meghatározása Atomtípusok és van der Waals paraméterek A kísérleti szerkezeti adatok elemzése során megfigyelt jellegzetességeknek megfelelően 2 új atomtípust vezettem be:
•
Az ötszörösen koordinált kobaltatomot (Co_5)
•
és a karbonil csoport oxigénatomját (O_1)
Az újonnan bevezetett atomtípusok van der Waals paramétereit irodalmi értékekből vettük át és nem optimalizáltuk. A van der Waals sugarak és energiaparaméterek (7. táblázat) forrása a PCMODEL program MMX erőtere volt.
7. táblázat: Van der Waals paraméterek
Atomtípus
Potenciálfüggvény
D0, Å
R0, kcal mol-1
γ
Co_5
E4 (EXPO_6)
4,00
0,0234
12,5
O_1
E4 (EXPO_6)
3,48
0,0773
12,5
36
Kiindulási erőállandók A 8. táblázatban a kiindulási paraméterkészlet kötéshossz és kötésszög paramétereit sorolom fel.
8. táblázat: A kötéshosszok és kötésszögek kiindulási paraméterei
ka kcal mol-1 deg.-2
Átlag
kb kcal mol-1 Å-2
C_1 – Co_5 (Å)
1.784
2000
C_1 – O_1 (Å)
1.139
2000
C_3 – Co_5 (Å)
2.086
2000
Co_5 – P_3 (Å)
2.217
2000
C_1 – Co_5 – C_1 (deg.)
119.82
150
C_1 – Co_5 – C_3 (deg.)
87.59
150
C_1 – Co_5 – P_3 (deg.)
92.44
150
C_ar – P_3 – Co_5 (deg.)
114.39
150
C_2CO – C_3 – Co_5 (deg.)
110.29
150
C_3 – Co_5 – P_3 (deg.)
176.84
150
Co_5 – C_1 – O_1 (deg.)
177.62
150
Co_5 – C_3 – H_C (deg.)
109.34
150
C_3 – C_3 – Co_5 (deg.)
114.09
150
C_3 – P_3 – Co_5 (deg.)
112.84
150
Kölcsönhatás
37
3.2 Paraméteroptimalizáció Kiindulási értékeknek a belső koordináták számtani átlagát vettem. A hajlítási és nyújtási erőállandó meghatározására a paraméterkészlet ún. rugalmasságát használtam fel. Ha
nagy erőállandókat használunk, akkor az adott értéken nagy erővel rögzítjük az adott pozíciót, ha kicsit, akkor a szerkezet jóval flexibilisebb, „alkalmazkodóbb”. Az előbbinél minimális az utóbbinál maximális rugalmasságról, elasztikusságról beszélünk. Célunk a maximális rugalmasság elérése volt, mert ilyenkor a nem-vegyértékjellegű kölcsönhatások szerepe megnő, és ez által lehetőség van a molekularészek közti kapcsolatok jobb leírására; szabadabban hagyjuk érvényesülni az anyag önszerveződését. Ezért indultunk ki magas erőállandókból és ezeket a paraméterezés folyamán fokozatosan csökkentettük. Lemondtunk tehát az energiák és rezgési frekvenciák pontos értékeiről, hogy a legpontosabb szerkezetet kapjuk rövid időn belül. A paraméterek betöltésével a program működőképessé vált. A kezdeti lépésben kiindulási szerkezet optimalizációjánál nem végeztem erőállandó módosítást. Az első számítást követően a kötéshosszúságokat 0,02 Å és 0,39 Å közötti értékekkel számolta hosszabbnak a program. A kötésszögekben maximum 2 fokos eltérést kaptam. Az erőállandók változtatása után mindig geometria optimalizációt végeztünk, majd kiértékeltük az optimalizált és a kiindulási szerkezetek közötti hibákat. Ez úgy történt, hogy az
optimált értékekből
(kötéshosszak,
kötéstávolságok,
torziósszögek) kivontuk
a
röntgenszerkezetek megfelelő értékeit. Ezután egy négyzetes hibát számoltunk és ez alapján eldöntöttük hogyan változtassuk tovább az erőállandókat. A ciklust addig folytattuk, amíg a számított és röntgen szerkezetek közti átlagos hiba kötéstávolságoknál 0,01 Å, kötésszögeknél 1 fok alá nem csökkent. A 2. diagramon látható, hogy az illesztési hiba értéke a 18. lépésben jelentősen megnőtt. Ebben a lépésben számoltam először a molekulákra töltést a Cerius2 program Qeq-charged 1.0-s paraméterkészletével. Ezek után folytattam a töltéssel növelt paraméterkészlet optimalizálását, amelynél a következő lépésben az energia jelentősen lecsökkent és újra konvergálni kezdett.
38
3500
Illesztési hiba (kcal/mol)
3000
2500
2000
1500
1000
500
0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
32
Lépések
2. diagram: Az illesztési hiba a paraméteroptimalizálás lépéseinek függvényében
Az optimalizálás befejezése után a módosított MM2 erőtér 22 új paraméterrel - 2 új atomtípus, 4 új kötéshossz-, 10 új kötésszög- és 6 új torziós paraméterrel - bővült (9. táblázat).
9. táblázat: A paraméterkészlet bővítménye
Új atomtípusok Atomtípus
Potenciálfüggvény
D0, Å
R0, kcal mol-1
γ
Co_5
E4
4,00
0,0234
12,5
O_1
E4
3,48
0,0773
12,5
Kötéshossz paraméterek A
B
Potenciálfüggvény
Kb, kcal mol-1 Å-2
R0, Å
db
Co_5
C_1
E1
951,55
1,784
-2,0
Co_5
P_3
E1
961,80
2,213
-2,0
Co_5
C_3
E1
1178,842
2,078
-2,0
O_1
C_1
E1
1271,708
1,140
-2,0
39
9. táblázat: A paraméterkészlet bővítménye (folytatás)
Kötésszög paraméterek A
B
C
Potenciálfüggvény
Kθ, kcal mol-1 fok-2
θ0, fok
dθ
C_1
Co_5
C_1
E2
83,2
119,56
0,7544
C_1
Co_5
C_3
E2
96,0
86,89
0,7544
C_1
Co_5
P_3
E2
126,4
95,17
0,7544
C_ar
P_3
Co_5
E2
178,8
111,22
0,7544
C_2CO
C_3
Co_5
E2
134,9
108,74
0,7544
C_3
Co_5
P_3
E2
111,3
176,88
0,7544
Co_5
C_1
O_1
E2
52,8
179,68
0,7544
Co_5
C_3
H_C
E2
134,5
108,87
0,7544
C_3
C_3
Co_5
E2
110,8
113,32
0,7544
C_3
P_3
Co_5
E2
201,7
106,16
0,7544
Torziós paraméterek A
B
C
D
Potenciálfüggvény
i
Kθ,n, kcal mol-1
dt
C_2CO
C_3
Co_5
C_1
E3
3
0,100
-1
H_C
C_3
Co_5
C_1
E3
3
0,100
-1
C_1
Co_5
P_3
C_ar
E3
6
0,200
-1
O_3
C_2CO
C_3
Co_5
E3
2
1,020
-1
O_2
C_2CO
C_3
Co_5
E3
2
1,020
-1
C_ar
C_ar
P_3
Co_5
E3
4
0,150
-1
3.2.1 Az erőtér tesztelése, ellenőrzése mért vs. számított hiba A
kibővített
erőtérrel
elvégeztem
a
kiindulási
molekulakészlet
geometria
optimalizációját. Az így kapott szerkezetekben lemértem az előzőekben kiválasztott belső koordináták értékeit (kötéstávolság, kötésszög). A 25 molekula 14 belső koordinátájából kivontam a hozzájuk tartozó röntgenszerkezetek megfelelő értékeit. Az így kapott illesztési hibákra statisztikai elemzéseket végeztem. A kötéstávolságok (10. táblázat) illesztési hibája egyik esetben sem haladja meg a 0,03 Å-öt. A hibák átlagai, valamint a szórás értékei szinte elhanyagolható nagyságúak.
40
10. táblázat: A kötéstávolságok illesztési hibái (Å) és statisztikai elemzésük R
R'
C_1 - Co_5
C_1 - O_1
C_3 - Co_5
Co_5 - P_3
CH2Ph
PPh3
0,002
0,006
0,003
0,003
0,002
0,006
0,003
0,003
-0,007
-0,006
-0,004
-0,003
-0,007
-0,006
-0,004
-0,003
0,002
0,009
0,006
0,011
-0,002
0,006
0,005
0,000
-0,002
0,006
0,005
0,000
0,002
0,003
0,011
-0,015
-0,020
-0,016
-0,013
0,006
0,013
0,002
0,008
0,012
0,010
-0,004
-0,005
-0,010
0,010
-0,004
-0,005
-0,011
-0,012
0,005
0,005
0,008
-0,005
-0,002
0,008
0,001
-0,006
0,001
-0,002
0,002
-0,007
-0,003
0,020
0,007
0,003
0,005
-0,004
0,003
0,003
0,005
-0,004
0,003
0,003
0,004
0,003
0,001
0,003
0,004
0,003
0,001
0,000
0,001
0,012
0,003
0,000
0,001
0,012
0,003
0,010
-0,013
-0,028
-0,018
0,010
-0,013
-0,028
-0,018
-0,003
0,004
-0,005
0,010
Átlag
0,000
0,000
0,000
0,000
Átlagtól való eltérés
0,006
0,005
0,008
0,006
Szórás
0,008
0,007
0,011
0,008
Minimum
-0,020
-0,016
-0,028
-0,018
Maximum
0,013
0,009
0,020
0,012
c-Hex
PPh3
(S)-Lact
PPh3
Et
PPh3
i-Pr
PPh2(n-Menth)
i-Pr
PPh3
s-Bu
PPh3
D-Menth
PPh3
L-Menth
PPh3
Me
PPh3
n-Pr
PPh3
t-Bu
PPh3
(Bis-Me)
PPh3
Gluc
PPh3
Hasonlóan jártam el a kötésszögek (11. táblázat) és a torziósszögek (12. táblázat) számításának értékelésében is. A kötésszögek ill. a torziósszögek átlagos illesztési hibája nem haladja meg a 0,079 ill. a 4,5 fok értéket. Az illesztési hibákból megállapíthattuk, hogy a paraméterkészlet megfelel a korábbiakban kitűzött paraméterezési kritériumoknak.
41
11. táblázat: A kötésszögek illesztési hibái (º) és statisztikai elemzésük R
R'
CH2Ph
PPh3
c-Hex
PPh3
(S)-Lact
PPh3
Et
PPh3
i-Pr
PPh2 (n-Menth)
i-Pr
PPh3
s-Bu
PPh3
C_ar C_2CO C_3 C_3 Co_5 P_3 Co_5 Co_5 P_3
Co_5 C_3 C_3 C_3 C_3 P_3 H_C Co_5 Co_5
C_1 Co_5 C_1
C_1 Co_5 C_3
0,019
0,112 -0,134 0,283
3,529
-2,402 -0,501 0,191
0,019
0,114 -0,135 0,285
3,523
-2,405 -0,505 0,191
-0,049 -0,378 0,300 -0,400
0,120
0,795 -0,040 -0,568
-0,049 -0,380 0,302 -0,401
0,117
0,801 -0,040 -0,567
-0,015 -0,106 0,063 -0,486
-0,427
-1,871 -0,271 0,283
-0,003 -0,082 0,016 -0,034
-1,431
1,532 -0,608 0,255
0,001 -0,056 -0,013 -0,008
-1,460
1,685 -0,717 0,231
-0,027 -0,134 0,147
0,734
1,144
-0,946 -0,103 -0,119
0,856 -0,898 0,923
0,405
0,005
0,605
0,055
-0,072 -0,590 0,556 -0,425
-2,274
-1,776 2,309
0,529
0,066
0,412 -0,401 -0,681
-2,156
0,187 -1,148 0,259
0,067
0,417 -0,405 -0,684
-2,172
0,197 -1,157 0,260
0,150
C_1 Co_5 P_3
Co_5 C_1 O_1
0,002
-0,064 -0,469 0,444
0,356
-1,232
0,769 -0,151 0,186
-0,051 -0,375 0,316
0,041
0,396
0,441
-0,073 -0,551 0,482
0,221
0,063
0,561 -0,018 0,035
-0,047 -0,351 0,314
0,569
-2,012
0,868
0,025
0,105 -0,178 -0,105
0,104
1,214 -0,940 0,015
0,025
0,107 -0,180 -0,106
0,091
1,193 -0,941 0,017
0,050
0,310 -0,325 -0,505
-1,209
1,094 -0,864 0,123
0,049
0,298 -0,315 -0,503
-1,211
1,106 -0,856 0,123
-0,002 -0,007 -0,067 0,362
1,615
-1,481 0,161 -0,350
-0,002 -0,005 -0,069 0,364
1,592
-1,470 0,166 -0,348
-0,001 0,018
0,025
0,253
1,826
-0,999 2,088 -0,558 0,002
0,000
0,024
0,254
1,824
-0,993 2,089 -0,547 0,000
0,002 -0,021 -0,469 -0,456
-0,702
1,722
0,001 -0,030 -0,005 0,013
0,032
-0,079 -0,027 -0,009 0,001 0,002
Átlagtól való eltérés
0,037
0,252
0,263
0,377
1,305
1,142
0,742
0,275 0,001
Szórás
0,051
0,338
0,341
0,450
1,661
1,325
0,998
0,334 0,001
Minimum
-0,073 -0,590 -0,898 -0,684
-2,274
-2,405 -1,157 -0,568 0,000 0,002
Maximum
0,150
3,529
1,722
D-Menth
L-Menth
Me
PPh3
PPh3
PPh3
n-Pr
PPh3
t-Bu
PPh3
(Bis-Me) Gluc
PPh3 PPh3
Átlag
0,019
0,856
0,556
0,923
42
0,544 -0,362
0,247
1,291
2,309
0,450
0,264
0,529 0,002 0,002
12. táblázat: A torziósszögek illesztési hibái (º) és statisztikai elemzésük
R
R'
CH2Ph
PPh3
c-Hex
PPh3
Et
PPh3
i-Pr
PPh2(nMenth)
i-Pr
PPh3
PPh3
LMenthc
PPh3
Me
PPh3
n-Pr
t-Bu
1,51
-3,99
0,38
4,73
-1,60
1,49
1,83
-3,97
0,38
4,73
1,97
3,26
-0,58
-4,94
-0,61
3,35
1,98
3,25
-0,97
-4,92
-0,58
3,335
0,53
0,31
6,57
1,03
4,87
4,26
4,27
5,25
-1,57
3,16
4,66
-1,96
3,25
6,09
-1,86
4,29
4,45
-1,84
5,09
5,04
-1,24 -1,34
-2,67
-0,55
1,65
2,65
2,10
3,20
4,63
2,52
2,63
2,55
1,75
3,77
4,20
1,96
1,48
1,82
-0,63
-6,21
-4,30
3,44
1,51
1,87
-0,55
-6,17
-4,27
3,46
4,81
2,32
4,30
2,228
2,94
-1,58
4,79
2,33
4,79
-1,84
-2,49
1,55
5,81
5,39
3,03
-1,22
-1,03
1,13
5,78
5,30
3,45
1,94
1,84
-1,57
5,94
1,78
0,81
0,61
-0,12
-1,38
5,88
1,72
1,26
0,50
-0,20
-1,41
3,67
2,77
-0,02
6,71
4,20
-4,60
3,80
2,89
0,05
6,74
4,17
-4,61
-5,42
-4,50
2,17
-3,78
-5,32
4,11
-5,61
-4,67
3,83
-3,81
-5,31
4,22
-0,33
-3,35
0,45
-0,23
4,41
3,73
-1,97
1,28
1,28
-0,31
-3,30
0,48
0,77
4,43
2,84
-1,99
1,29
1,28
-1,68
0,68
3,68
PPh3
PPh3
(BisMe)
PPh3
Gluc
PPh3
Co_5 O_3 O_2 C_3 H_C C_ar C_3 C_2CO C_2CO C_3 C_3 C_ar C_3 C_3 C_3 P_3 P_3 P_3 H_C Co_5 Co_5 Co_5 Co_5 Co_5
1,44
PPh3
DMenth
C_1 C_1 C_1 Co_5 Co_5 Co_5 Co_5 C_3 C_3 C_3 P_3 P_3 H_C C_3 C_ar C_2CO
-1,65
PPh3
(S)Lact
s-Bu
C_1 C_1 Co_5 Co_5 C_3 C_3 C_3 C_2CO
Átlag
-0,32
1,83
2,14
Átlagtól való eltérés
0,01
2,84
Szórás
0,01
Minimum Maximum
-1,24
0,24
1,27
4,42
3,28
-0,60
0,61
1,78
1,78
0,01
0,45
3,26
2,55
2,58
3,59
2,63
2,21
0,02
0,63
3,84
3,21
3,03
-0,33
-5,61
-4,67 -1,24 -1,86
4,41
2,84
-6,21
-5,32
0,24
-3,81 -4,61
-0,31
5,94
6,09
4,43
3,73
6,74
4,87
0,24
-3,81
-1,24
6,57
43
0,24
-3,81 -3,80
-3,81
1,05
4,73
3.3 Konformációanalízis Alkoxikarbonil-trikarbonil-trifenilfoszfán-kobalt komplexek röntgenszerkezeteinek részletes vizsgálata során a korábbi munkákban kimutattak számos jól érzékelhető intramolekuláris kölcsönhatást. Önmagában
azonban a kísérleti
szerkezetek belső
koordinátáinak "statikus" vizsgálata nem nyújt elegendő információt az izomerek egymásba történő átalakulásáról. A potenciális energiafelület leírása céljából „merev” és relaxált egydimenziós konformációanalízist végeztek el félempirikus PM3 módszerrel. Számítási eredményeik viszont inkább az epimerizációt favorizálták, az inverzióval szemben [59], ami ellentétes a kísérleti adatokkal. A feladat tehát megoldatlan maradt. A molekula teljes inverzióját csak a két axiális pozícióban lévő csoport egyidejű, konformáció változásokkal lejátszódó inverziója eredményezheti. Ennek megfelelően egy feltételezett, teljes molekuláris inverzió leírásához viszonylag nagyszámú (legalább 7-8) szigma kötés parciális rotációja szükséges. Ennyi kötés, torzió egyidejű forgatása ma még technikailag megoldhatatlan feladat. A célunk az volt, hogy minél kevesebb rögzített belső koordináta használatával sikerüljön modellezni az inverzió tényét. A vizsgált Ph3P-Co(CO)3-CH2COOR molekulák lényegében három fő részre bonthatók: a trifenilfoszfánra, az észter- és a központi helyzetű Co(CO)3 csoportra. Ezek a részek a P-Co és a Co-Csp3 kötésekkel kapcsolódnak össze, amelyhez az észter oldaláról egyensúlyi helyzetben a η3 koordináció is hozzájárul. A röntgenszerkezetek korábbi statikus belső koordináta vizsgálatakor bebizonyították, hogy a sztereogén régiók közötti információáramlás (szinkron korrelált rotációval) ezen kötéseken, mint információs csatornákon keresztül valósul meg Ennek megfelelően először egy- majd kétdimenziós konformáció analízist végeztem. A konformációanalízishez minden esetben az általunk kidolgozott és továbbfejlesztett molekulamechanikai paraméterkészletet használtam, a már bemutatott Cerius2 program szoftveres környezetében. Minden esetben relaxált konformációanalízist végeztem, ahol rögzített belső koordináta csak a vezetett torziósszög volt. Mindig az ún. háló (grid) módszert alkalmaztuk. A rögzített belső koordináták lehetőleg legkisebb lépésközzel vett értékei mellett határozzuk meg a következményeként megjelenő, az egész molekulára kiható szerkezeti változatot és a hozzá tartozó potenciálisenergia értékét. A módszer előnye, hogy megfelelően finom lépésköz mellett a teljes potenciális energiafelületet megkapjuk és az összes kívánt kritikus pontot aránylag egyszerűen, és pontosan meghatározhatjuk.
44
A paraméterkészlet készítésekor egyenértékűnek tekintettük a három fenil- és a három CO-csoportot, viszont a konformációanalízis előtt mindenképpen meg kellett különböztetni őket, hogy sorsukat követni tudjuk. Az Csp3-Co-P tengely irányából nézve, a három Co–C-O „vonal” három térharmadra osztja a molekulákat. E térharmadokat, az észtercsoport vetületét magában foglaló részből kiindulva az óramutató járásával ellentétesen haladva, az α, β, γ jelekkel azonosítjuk. A trifenil-foszfán három fenilgyűrűjét az axiális vetületük alapján különböztetem meg. Az α térharmadban elhelyezkedő fenilgyűrű az 1-es, a β térharmadban lévő a 2-es és a γ térharmadban található, pedig a 3-as jelet kapja. Az 1-es fenilgyűrű vetületéhez közelebb álló CO ligandum az a, a 2-eshez közelebbi a b és a 3-ashoz közelebbi, pedig a c jelet kapja (14. ábra).
14. ábra: A fenilgyűrűk és a karbonilcsoportok elnevezése helyzetük alapján
45
3.3.1 Egydimenziós/egyváltozós konformációanalízis Az egydimenziós konformációanalízisnél az etilészter származékot vizsgáltuk és a vezetett torziósszög a Co-Csp3-Csp2-Osp2 volt. Ezt változtattam 0°-tól 360°-ig 5 fokonként. A konformációanalízis során kapott energiák relatív értékeit a 3. diagramon ábrázoltam. A si térállású észtercsoport invertálódásakor a szerves karbonil csoport oxigén atomja és a terminális karbonil ligandumok között fellépő taszítási energia maximális értéke 6 kcal/mól. A másik irányba történő elfordulással az etoxi csoport és a terminális karbonil csoportok között fellépő kölcsönhatás energiája 10 kcal/mól. A Co(CO)3 sík feletti elfordulás befejeztével az észter csoport két oxigénatomja gyakorlatilag helyet cserél egymással (re és si állapot). Az elemzésekből kiderült, hogy az észtercsoport a kiindulási, egyensúlyi helyzetéből kétféleképpen („kétirányban”) tud a Csp3-Csp2 kötés mentén elfordulni. A kapott eredmények összhangban állnak az irodalmi részben közöltekkel, tehát az észtercsoport átfordulása energetikailag akkor kedvezőbb, amikor az ekvatoriális síkban lévő szervetlen karbonilokkal az észtercsoport karbonilos része ütközik. (E megállapítás miatt, a továbbiakban a teljes 360°os konformációs elemzésektől elállok és a további konformációanalíziseknél csak az etoxi csoport ütközését vizsgálom az ekvatoriális karbonilokkal. Ez 180°-os elfordulásokat jelent a
re és si állapotok között.) 10
Relatív képződéshő (kcal/mol)
9 8
a szerves karbonil csoport ütközése az ekvatoriális karbonilokkal
7
a szerves karbonil csoport ütközése az ekvatoriális karbonilokkal
6 5 4 az etoxi csoport ütközése az ekvatoriális karbonilokkal
3 2
re izomer
si izomer
1 0 0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
Észtercsoport torziós szöge (fok)
3. diagram: Az észtercsoport átfordulásának energiadiagramja
46
330
360
Az egydimenziós konformációanalízis alatti fenilgyűrű mozgásokat a 4. diagramon ábrázoltam. A gyűrűk mozgása első ránézésre kissé kaotikusnak látszik, de a diagramon megfigyelhető, hogy a gyűrűk milyen irányba kezdenek el fordulni az észtercsoport forgatása következtében. A gyűrűk mozgása nem egyenletes, a 360°-os észtercsoport elfordulás alatt többször változtatják meg forgási irányukat. Az azért megfigyelhető, hogy az egyik fenilgyűrű (a 4. diagramon a zöld színnel jelzett) mindig ellentétes irányba mozog a másik kettő gyűrűvel.
60
Fenilgyűrűk torziós szöge (fok)
55
50
45
40
35
30 0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
Észtercsoport torziós szöge (fok)
4. diagram: A fenilgyűrűk mozgása az észtercsoport forgásának függvényében (1)
A jobb áttekinthetőség érdekében a dolgozat szempontjából érdekesebb részt (270°-tól 90°-ig terjedő tartományt, a si→re átalakulást) kiemeltem a diagramból és külön ábrázoltam (5. diagram). Az észtercsoport mozgása során látható, hogy az 1-es fenilgyűrű (kék) együtt mozog a 3-as gyűrűvel (piros), a harmadik gyűrű (2, zöld) pedig az ellentétes irányba fordul. A fenilgyűrűk teljes torzulása az inverz állásba nem történik meg, de a vizsgált szakaszon a tendenciák jól kivehetőek. (Az egyes fenilgyűrűk torziósszögei 35° és 55° között változnak) Ezek a mozgások felvetik annak a lehetőségét, hogy az irodalomban leírt szabad trifenilfoszfánhoz hasonlóan játszódhatnak le az általunk vizsgált komplexek esetén is a
47
fenilgyűrűk átfordulásai M állásból P állásba. Tehát a 3:0 arányú elfordulás helyett esetünkben is kedvezményezettebb lehet a 2:1 arányú elfordulás. Mivel
az
egydimenziós
konformációanalízissel
nem
tudtuk
bizonyítani
az
enantiomerek közti átalakulást, ezért áttértünk a kétdimenziós/kétváltozós konformációs vizsgálatokra.
Fenilgyűrűk torziós szöge (fok)
60
55
50
45
40 1-es fenilgyűrű 2-es fenilgyűrű 3-as fenilgyűrű 35
30 100
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
-100
Észtercsoport torziós szöge (fok)
5. diagram: A fenilgyűrűk mozgása az észtercsoport forgásának függvényében (2)
48
3.3.2 Kétdimenziós konformációanalízisek Az egydimenziós konformációanalízis után el kellett dönteni, hogy az észtercsoporton (Φ1) kívül melyik legyen a másik vezetett torziósszög. Mivel a molekula teljes inverzióját akartuk elérni, tehát azt, hogy az észtercsoporton kívül, a fenilgyűrűk is átforduljanak az egyik állásból (P) a másikba (M), az egyik fenilgyűrűt az észtercsoporttal egyidejűleg forgattam meg. Az egydimenziós analízis alatt megfigyeltekkel összhangban azt a fenilgyűrűt választottam a forgatáshoz, amelyiknek a szerepe - az észtercsoporthoz viszonyított térállása az enantiomerek oda-vissza átalakulása alatt nem változik (15. ábra). (Φ2, 1-es fenilgyűrű).
φ
O O
1 H2C
R
CO OC
Co CO φ P
2
15. ábra: A kétdimenziós konformáció analízisben változtatott torziós szögek A kétdimenziós konformációanalízisnél a konformációk megválasztásához a leghosszadalmasabb, de egyben a legpontosabb módszert, a hálómódszert alkalmaztam, vagyis az aktív koordináták adott lépésközzel vett lehetséges értékei mentén határozzuk meg a potenciális energia értékét. Egy számítás alatt csak a két kiválasztott torziósszöget (Φ1 és Φ2) tartottam állandó értéken, de szerkezetenként mindig csak egy torzióértéket változtattam. A geometriai optimalizációk közben a molekula többi része szabadon mozoghatott.
49
3.3.2.1 Etilészter származék (EtOC(O)CH2Co(CO)3(PPh3)) kétdimenziós konformációanalízise [K60, K61] A kiindulási állapot a röntgenszerkezetből vett reP szerkezet optimalizált formája volt. Kiinduláskor az észtercsoport torziója (Φ1) -88,7˚, a vezetett fenilgyűrűé (Φ2, 1-es fenilgyűrű) pedig -36,8˚ volt, első közelítésben 5˚-onként forgattam őket 180˚-, illetve 90˚-on keresztül pozitív irányban. (Φ1: -88,7˚-tól 91,3˚-ig; Φ2: -36,8˚-tól 53,2˚-ig.) Először mindig az észtercsoportot fordítottam be a kívánt állásba és erre az adott torzióra állítottam be 5°-onként a kijelölt fenilcsoport megfelelő torzióját, és mindegyik szerkezetre geometriai optimalizációt végeztem. A művelet elvégzése után a vizsgált szerkezetek molekulamechanikai energiáit ábrázoltam a fenil és az észter torzió függvényében. Ezáltal egy energiafelületi diagramot kaptam (6. diagram). A felület tartalmazza a két rögzített torzió valamennyi kombinációja által létrejött molekulák egyensúlyi szerkezetét és azok sztérikus (MM) energiáit kcal/mól egységben.
6. diagram: Az etilészter-komplex (II) energiafelülete
50
A mélykék színek alacsony, a barnába hajló színek magasabb sztérikus energiájú konformációkhoz rendelhetők. Az energiafelület alatt, annak kétdimenziós vetülete látható. A hosszabbik oldalon az észter, a rövidebbiken pedig az 1-es fenilgyűrű torzióját tüntettem fel. Az átalakulási és az egyéb szerkezetek pontosabb feltérképezéséhez tovább finomítottam a konformáció analízist. Mind az észter, mind a fenilcsoportot 1˚-onként forgattam a fentiekben leírt határok közt. A vizsgálatok során így 14414 szerkezetet kaptam. Az energia felületen a minimumok és maximumok helye számottevően nem változott. A reP és a vele szemközti sarokban elhelyezkedő siM szerkezetekhez energiaminimumok tartoznak. A diagram másik két sarkában energiamaximumok találhatóak. Az utóbbiakhoz tartozó szerkezeteket nem lehet egyértelműen beazonosítani a fenilgyűrűk rendezetlen állása miatt. A gyűrűk az átalakulás alatt „összeakadnak” és nem tudnak átfordulni egységesen P állásból M állásba (16. ábra).
16. ábra: Az energiafelület egyik maximumához tartozó szerkezet két különböző vetülete A 16. ábrán látható szerkezethez +90°-os észter- és -36°-os fenilgyűrű (1-es fenilgyűrű) torzió tartozik. A 2-es gyűrű torziója +22°, a 3-as gyűrűé pedig +93°-os. Megfigyelhető, hogy két fenilgyűrű egymásnak ellentétes konfigurációjú (1-es P, 2-es M) a harmadik, pedig közel „semleges” állású. Ebben az állásban a fenilgyűrűk ütközése miatt a diasztereomerek képződése erősen gátolt. A trajektóriát, az enantiomerek közti átalakulási utat, úgy határoztam meg, hogy minden egyes észtertorzióhoz a legalacsonyabb energiájú szerkezetet rendeltem. A reP→siM közti átalakulás legalacsonyabb energiájú útját egy fehér vonallal ábrázoltam a 7. diagramon. (A diagram jobb alsó sarkában a kiindulási reP, a bal felső sarokban pedig ennek az enantiomer párja, a siM szerkezet található.)
51
7. diagram: Az etilészter-komplex (II) trajektóriája (fehér vonal) A diagramról leolvasható, hogy az észtercsoport pozitív irányú elforgásának kezdeti szakaszában a vezetett fenilgyűrű torziósszöge alig változik. 79˚-os észtertorziónál még mindhárom fenilgyűrű P állásban van (17. ábra: A). Amikor az észtercsoport torziós szöge eléri a 80˚-ot (si állapot), a vezetett (1-es) fenilgyűrű kivételével a többi gyűrűk már átfordulnak M állásba (17. ábra: A’). Majd a következő 1o-os lépésközben már mindhárom gyűrű antipód állást vesz fel (17. ábra: B). A trajektóriában lévő szerkezetek sorozatát megvizsgálva megállapítottam, hogy a komplexben az észtercsoport és a fenilgyűrűk közti információ vezetése szinkron mozgások következményeként jön létre. Bizonyítottá vált, hogy az enantiomerek közti átalakulás a „clockwork” hipotézissel megegyező módon játszódik le, mégpedig a következőképpen: Az észtercsoport pozitív irányban történő elmozdulásával a karbonil oxigénje megközelíti az ekvatoriális síkban található CO_a oxigénatomját. A fellépő taszító kölcsönhatásra a CO tárcsa a P-Co-Csp3 tengely körüli forgással válaszol, miközben a karbonil ligandumok oxigénatomjai olyan közel kerülnek a fenilcsoportok orto-hidrogénjeihez, hogy azokat P állásból M állásba sodorják át. Az átalakulási út végén megkaptuk a kiindulási reP komplex enantiomer
párját
(siM),
a
várakozásnak
52
megfelelő
egyensúlyi
energiával.
A
A’
B
17. ábra: Az átalakulás kulcsfontosságú lépései
53
3.3.2.2 A fenilgyűrűk inverziója Az átalakulási úton található komplexek fenilgyűrűi által felvett torziós szögeket a 8. diagramon ábrázoltam. A kiindulási szerkezetben mindhárom fenilgyűrű P konfigurációval rendelkezett. Amikor az észtercsoport torziósszöge eléri a 81˚-ot (17. ábra B állapot) már mind a három fenilgyűrű M állásba került. A diagramon látható, hogy az 1-es és a 3-as gyűrű pozitív, míg a 2-es gyűrű negatív irányba fordul át. A fenilgyűrűk a szabad trifenilfoszfánhoz hasonlóan 2:1 arányban fordultak át P állásból M állásba. -90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 60 50
Fenilgyűrűk torziós szöge
40
1-es fenilgyűrű 2-es fenilgyűrű 3-as fenilgyűrű
30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 -70 -80 -90 -100 -110 -120 -130 -140
Észtercsoport torziós szöge
8. diagram: A fenilcsoportok mozgása az észter torzió függvényében A reP → siM átalakulás alatt a fenilgyűrűk a fentiekben leírt módon mozognak. A keletkezett
siM komplex a kiindulási reP komplex tükörképe. Ezért 2-es a 3-as fenilgyűrűk „tulajdonságai” is szerepet cserélnek. Az előzőekben bemutatott átalakulás alatt az 1-es és a
3-as gyűrű-, a visszaalakulás alatt (siM → reP) az 1-es és a 2-es gyűrű fog egyirányba fordulni, míg minkét esetben a harmadik gyűrű, a másik kettővel ellentétes irányba fordul át. Egy másik szemszögből megközelítve a fenilgyűrűk átalakulását, elmondhatjuk, hogy az odavissza átalakulások alatt az 1-es gyűrű mindig ide-oda billeg, -45° és +45° között. A másik két gyűrű, pedig állandóan egyirányba fordul, méghozzá a foszfor atom irányából tekintve egymással ellentétesen (18. ábra). (Az ábrán csak a trifenilfoszfánt jelöltem, a komplex többi részét letakartam a jobb áttekinthetőség végett.)
54
18. ábra: A fenilgyűrűk mozgása az átalakulások alatt Óraműszerű (clockwork) átalakulás nem csak az etilészter származéknál figyelhető meg. Megvizsgáltam még az ugyanebbe a típusba tartozó c-hexil- és n-propil származékot is. A kapott eredmények nagyon hasonlítanak egymásra. A diasztereomerek keletkezése a fenilgyűrűk összeakadása miatt ezekben az esetekben is gátolt. A potenciális energiafelületi diagramokon a minimumok és maximumok helye egyező, csak az értékükben van eltérés [K62].
Összefoglalva elmondható, hogy az általunk kifejlesztett, bővített MM2 paraméterkészletet használva kétdimenziós konformációanalízissel sikerült bizonyítanunk az enantiomerek közti átalakulást. Bizonyítottuk azt is, hogy a reP → siP és a reP → reM irányú epimerizációt a fenilgyűrűk összeakadásából kialakult jelentős energiagát hiusítja meg. Bemutattuk, hogy a komplexben található fenilgyűrűk, a szabad trifenilfoszfánhoz hasonlóan a 2:1 mechanizmus szerint invertálódnak P állásból M állásba.
55
3.4 Az
[(etiloxikarbonil)metil]kobalt
tetrakarbonil
komplex
reakciója
trifenilfoszfánnal [KE63] Az óraműmodellen keresztül bemutattuk, hogyan alakulnak át egymásba a vizsgált sztereoizomerek. Azonban nem tudunk semmit a sztereoszelektivitás, vagy a kiralitás eredetéről. Ennek vizsgálatára, az etoxikarbonil-metilkobalt-tetrakarbonil komplex előállítási technológiájának, valamint a kísérleti megfigyeléseknek az elemzésére és azok kémiai számításokkal való integrálására tettünk kísérletet.
3.4.1 A komplexek szintézise Az információ forrása a szintézis. Dolgozatomban az etilészter származékon keresztül mutatom be a komplexek előállítását. A reakció [64] kezdeti lépésében dikobalt-oktakarbonil komplexet redukálják dietil-éter jelenlétében (19. ábra, (1)). A keletkező Na[Co(CO)4] komplexet Ar atmoszférában lehűtik -20 °C-ra és keverés közben hozzáadják etil-bromoacetátot. A NaBr fehér csapadék formájában azonnal kiválik. 4 óra keverés után az oldat színe először sárgára, majd barnára változik és szobahőmérsékletűre melegszik fel. Ezen a hőmérsékleten is keverik az oldatot 1 órán keresztül. Az oldatból mintát véve és ezt IR spektroszkópiával megvizsgálva látható, hogy az erős [Co(CO)4]- sávok eltűntek és megjelennek helyette az RCo(CO)4 csoportra jellemző sávok (2). Az oldatot leszűrik, majd szobahőmérsékleten adják hozzá a trifenilfoszfánt és folytatják a keverést 3 órán át. A reakció lejátszódásakor megjelenik az acil komplex halvány sárga színe (3). Ezután a reakcióelegyet 32 °C-ra melegítik fel és 8 órán keresztül keverik. Az IR analízis eredménye megmutatja, hogy az acil-komplex átalakult alkil-komplexszé (4). A terméket szűrik, dietil-éter és n-hexán 5:1 arányú elegyében átkristályosítják. A termék sárga kristályos anyag. A keletkező vegyületet FT-IR, 1H és 13C-NMR, valamint röntgen szerkezet vizsgálat alapján azonosították.
56
19. ábra: Az [(etiloxikarbonil)metil]kobalt-tetrakarbonil komplex laboratóriumi előállításának lépései
3.4.2 Reakcióút hipotézis Pályi és munkatársai fizikai és kémiai információk összekapcsolásával alkották meg a reakcióútat. A hipotézis felépítése azon alapul, hogy az ismert termékeket rendszerbe foglalták. Keresték a hiányzó láncszemeket, amelyekkel az átmeneteket racionalizálni tudják. Ebből egy feltételezett reakcióútat építettek fel. A komplex előállításának utolsó lépése, a trifenilfoszfán kapcsolódása (20. ábra), jól dokumentált intermediereken (B, E) keresztül játszódik le [65, 66, 67].
57
A
B
C
D R
R
R CO
OC
R L CO
Co
OC
CO
OC CO
C O
C=O
+L
Co
C=O
Co
CO OC
Co
CO
-L
C O
C O
O C
O C
CO L
R C=O CO OC
- CO
Co CO + CO
R
R OC
R
Co
OC
Co
CO OC
Co CO
CO
CO
L
L
L
L
D
E
F
A'
20. ábra: A reakció utolsó lépéseinek sematikus ábrázolása
Mivel az ekvatoriális acil- és alkilkobalt izomert, C és F, még soha nem izolálták [68,69], ezért általánosan elfogadott, hogy a termodinamikailag stabil A’ és D axiális izomer gyorsan képződik C → D vagy F → A’ úton [70].
3.4.3 A reakció számítása számításos kémiai módszerekkel A számításokhoz a Spartan’02 program PC verzióját [71] használtuk. A geometriai optimalizációkat PM3 szemi-empirikus módszerrel végeztük el. A szerkezetekre egyszerű energiaszámításokat végeztünk sűrűség funkcionált szinten, B3LYP módszerrel, 6-31G(*) bázis függvényt használva. Az átmeneti állapotok kereséséhez a Spartan program beépített átmeneti állapot keresőjét használtuk.
A cél az volt, hogy a statisztikailag lehetséges összes komplexet állítsuk elő, ne csak a kristályrácsban található enantiomer párt. A számításokat a 19. ábrán bemutatott reakció utolsó lépéseire végeztük el (PPh3 koordináció, dekarbonilezés), mivel itt alakulhat ki valamiféle irányítottság, amely hatással lehet a reakcióban történő sztereoszelektivitás létrejöttére.
58
3.4.3.1 A trifenilfoszfán ligandum támadása Első lépésként a tetrakarbonil-komplexeket (20. ábra: A komplex) állítottuk elő a Spartan program segítségével (21. ábra) és re és si izomerjeire végeztük el a számításokat. A két szerkezet tükörképi viszonyban áll egymással. A komplexek számított (B3LYP/631G*//PM3) relatív energiája egyenlő.
C1
C2 Co C3
21. ábra: A reEtOC(O)CH2Co(CO)4 (reA) komplex szerkezete
A következő lépésben megkerestük az alkil- és acilszerkezetek közti átmeneti állapotokat. A két szerkezet szintén tükörképi viszonyban áll egymással, energiájuk azonos. Az átmeneti állapotok szerkezetét megvizsgálva megállapíthatjuk, hogy a Co-C1 távolság több mint 10 %-kal, a Co-C2 távolság pedig 6 %-kal megnőtt (13. táblázat). Megfigyelhető a
B komplex (22. ábra) szerkezetén, hogy a karbonilszén (C2) hibridállapota kezd átalakulni spről sp2-re.
59
C2 C1 Co
C3
22. ábra: A reB komplex, átmeneti állapot
Az átmeneti állapotok számítása után, a hipotézis alapján a trifenilfoszfán támadása következik. Mivel az eredeti célkitűzés az volt, hogy előállítsuk a statisztikailag lehetséges összes konformert, ezért mindkét átmeneti állapothoz „hozzáadtuk” a P és az M kiralitású foszfán származékot is. Először azt kellett eldönteni, hogy a B komplexet melyik „oldalán” támadja meg a foszfán ligandum. Ezért kiszámoltuk, hogy az elméletileg lehetséges támadási felületek közül melyik energetikailag a legkedvezőbb. Lehetséges támadási felületek lehetnek a C2 – Co kötés által jellemezhető tengely két iránya, valamint a karbonil villák közti, és az észter csoport felöli hely (23. ábra).
60
i1
C2 C1 Co
i3
i4 C3
i2 23. ábra: A trifenilfoszfán lehetséges támadási felületei A trifenilfoszfán ligandumot minden esetben 12 Å távolságra helyeztük el a Co atomtól. Ennél a távolságnál köztük semmilyen vonzó vagy taszító kölcsönhatás nem érzéklehető. Ezután a Co-P távolságot folyamatosan csökkentettük. Amikor a C2-Co-C3 tengely két irányából közelítettük a ligandumot (i1; i2), akkor azt figyeltük meg, hogy a foszfán mindkét esetben 7 Å körüli távolságnál beáll vagy az i3 vagy az i4 irányba. A másik két támadási irányt megvizsgálva megállapítottuk, hogy energetikailag az i3 a kedvezőbb (~10 kcal/mol-val). Így az előzőekben ismertetett okok miatt csak az i3 irányból támadó trifenilfoszfán esetét vizsgáltam meg részletesen. A számításokat 12 Å Co-P távolságból kezdtük 1 Å-önként 7 Å-ig, majd ezután tized Å-ként folytattuk a közelítést a 2,1 Å Co-P távolságig. A szerkezetekre geometriai optimalizációt végeztünk úgy, hogy a Co-P távolság rögzítve volt. A trifenilfoszfánok konfigurációját a számolás elején beállítottuk (P és M), majd a közelítés alatt ezt nem változtattuk, hagytuk, hogy felvegye a számára megfelelő állapotot. A kapott energiákat (PM3//PM3 valamint B3LYP/6-31G*//PM3) a Co-P távolság függvényében ábrázoltuk (9.diagram). Az energia értékekben 7 Å-nél látható először változás, ez az a távolság, amelynél a B komplex és a trifenilfoszfán ligandum „meglátja” egymást. 3 illetve 4 Å-nél átmeneti állapotot találunk, majd 2,28 Å Co-P távolságnál kialakul az új komplex.
61
9. diagram: A trifenilfoszfán támadásának energia felületei A Co-P távolság folyamatos csökkentésével 4 komplexet állítottunk elő (re(B)P,
re(B)M, si(B)P és si(B)M), szerkezeteiket megvizsgálva, érdekes megállapításokat tehetünk. A reakció lejátszódásakor minden esetben acilkomplexek keletkeztek. Az ekvatoriális síkban két karbonil csoport és a trifenilfoszfán, az axiális pozícióban pedig a EtOC(O)CH2C(O)csoport és egy karbonil ligandum található (24. ábra). A tetrakarbonil komplex átmeneti állapotánál is vizsgált geometriai adatokból megállapíthatjuk, hogy teljes mértékben lejátszódott az alkil – acil átalakulás és kialakultak a C2-es szénatomnál az sp2-es hibridállapotára jellemző geometriai paraméterek (13. táblázat).
13. táblázat: A komplexek jellemző geometriai adatai
reB komplex,
reA komplex
átmeneti állapot
reC komplex
Kötéstávolság (Å) Co – C1
2,001
2,255
(3,255)
Co – C2
1,816
1,927
1,976
C1 – C2
(2,585)
1,554
1,553
C1 – Co – C2
85,1
-
-
Co – C2 – C1
-
79,9
134,13
Kötésszög (°)
62
C1
C2
Co
C3
24. ábra: A cisz-acil komplex (C) re konfigurációjának a szerkezete A kiindulási négy szerkezetből kettő-kettő teljesen egyforma lett. Megvizsgálva a trifenilfoszfán konformációját elmondhatjuk, hogy a trifenilfoszfán helicitása a négyből két reakcióban is megváltozott a kiindulási szerkezetekhez viszonyítva. A re-B komplexhez kapcsolódó fenilgyűrűk minden esetben a P, a si-B-hez kapcsolódóak pedig az M konfigurációt vették fel.
A fenilgyűrűk konformációinak megváltozása Az energiadiagramon (9. diagram) megfigyelhető, hogy a szemiempirikus energia számítás intermedierek keletkezését valószínűsíti. Mind a négy kombinációnál hasonló módon keletkezett a köztitermék. Ezeket a szerkezeteket (25. ábra) megvizsgálva érdekes megállapításokat tehetünk. A trifenilfoszfán két fenilgyűrűjének lapjaival megközelíti a kobalt atomot, feltételezhetően egy kevésbé stabilis arén komplexet kialakítva. A harmadik fenilgyűrű pedig „ellaposodik”, torziós szöge megközelíti a nulla fokot. A kobaltot megközelítő gyűrűk egymással ellentétes (P és M), a harmadik gyűrű, pedig semleges állású lesz. A Co-P távolság további csökkentésével már nem férnek el a fenilgyűrűk a kobalt közelében, ezért az arén szerkezet megbomlik. A további közelítés hatására a trifenilfoszfán ligandum rendezetlensége megszűnik és kialakul a P vagy az M konfiguráció.
63
25. ábra: A reB komplex + M foszfán reakció feltételezett köztiterméke két különböző nézetben Mivel a komplexek (re és si származék) a trifenilfoszfán kapcsolódása után már egymásnak szinte teljesen tükörképei (ebből következik, hogy energiájuk is közel azonos), valamint a következő lépések és módszerek teljesen egyformák, ezért a reakció további lépéseit csak az egyik komplex példáján keresztül mutatom be.
3.4.3.2 C komplex → D komplex átalakulás A foszfor – kobalt – sp2-es szén (C2) atomok által bezárt szög a cisz komplex (C komplex) esetén ~90° (24. ábra). Az általunk előállítani kívánt transz változatnál (D komplex) pedig ~180°, ezért a kötésszöget tágítottuk 10 egyenlő lépésben addig, amíg a 180°-t el nem értük. A rögzített kötésszög minden egyes értékénél geometriai optimalizációt végeztünk el és a relatív energia értékeket diagramon ábrázoltuk (10. diagram). 180°-ot elérve megkaptuk a D komplexet. A reakció lejátszódásához ~5 kcal-as energiagátat kell legyőzni.
64
10. diagram: Az acil-komplex cisz-transz átalakulásának energia felülete Az átalakulás mindkét esetben négyzetes-piramisos [72] szerkezeten keresztül játszódik le. A piramis csúcsa a foszfor atom, a négyzet sarokpontjai pedig a három karbonilligandum oxigén atomja, valamint az acil-csoport C2-es atomja (26. ábra).
Torzió(1,2,3,4)=2,79°
26. ábra: A cisz – transz átalakulás közben képződött szerkezet
65
3.4.3.3 Dekarbonileződés, D komplex → E komplex átalakulás A reakció következő lépése a CO kihasítása a komplexből. Az első lépésben azt kellett eldönteni, hogy a karbonil-ligandumok közül az egyik vagy az acilcsoport távozik el a molekulából. Ezeket külön-külön megvizsgálva megállapítottuk, hogy a termodinamikailag a CO ligandum kiszakítása kedvezőbb. Számításokkal igazoltuk, hogy a három ligandum közül az a legkönnyebben leszakítható (a), amely az acil-csoporttal ellentétes irányba mutat (27. ábra). A leszakítást technikailag úgy végeztük el, hogy az a-karbonilcsoport és a kobalt távolságot fokozatosan növeltük és minden egyes szerkezetre kvantumkémiai számításokat végeztünk el. Az a-karbonilcsoport leszakadása után, a Spartan program segítségével kiszámítottuk az átmeneti állapot geometriáját (28. ábra) és energiáját.
27. ábra: A D komplex szerkezete a két különböző nézetben A CO ligandum leszakításához, valamint az átmeneti állapot (E komplex) kialakulásához 48.8 kcal/mól energia szükséges.
66
28. ábra: Az E komplex szerkezete + a leszakadó CO Az átmeneti állapot szerkezetén látható, hogy a C1 és a Co atom között egy új kötés kezd kialakulni. Megfigyelhető az is, hogy a C1-C2 kötéstávolság megnőtt és a kötés fel fog szakadni. Az egyik kötés kialakítása és a másik felszakítása után a szerkezetre geometriai optimalizációt végeztünk. A kapott szerkezet az F komplex lett, ahol az axiális pozícióban a trifenilfoszfán- és egy karbonil-ligandum, az ekvatoriális síkban pedig egy karbonil-ligandum és az észtercsoport található (29. ábra). A komplex kialakulása ~36 kcal/mól energia nyereséggel járt.
29. ábra: Az F komplex szerkezete + a távozó CO
67
A CO leszakítása után újra azonosítani tudtuk az észtercsoportok térállásait, amelyek a kiindulási szerkezetekhez képest megtartották eredeti konformációjukat. Az eltávozó szén-monoxidot a molekula mellett hagytuk a további számolások során, hogy a reakció egészét majd egy energiadiagramon tudjuk ábrázolni.
3.4.3.4 Cisz-alkil (F komplex) → transz-alkil (A’ komplex) átalakulás A cisz alkil komplexből már az előzőleg ismertetett módszer segítségével állítottuk elő az A’ komplexeket. A P-Co-C1 kötésszöget ~90°-tól 180°-ig változtattuk 10 egyenlő lépésben (11. diagram). Az átalakulás ebben az esetben is átmeneti állapoton keresztül játszódik le, amely szintén négyzetes piramisos geometriával rendelkezik.
11. diagram: Az alkil-komplex cisz-transz átalakulásának energia felülete
Ahhoz, hogy a lejátszódjon a cisz-transz átalakulás ~6 kcal/mól energia szükséges. A keletkezett A’ komplex szintén ~6 kcal/mol-al stabilisabb mint az F komplex.
3.4.4 A reakció lejátszódása A reakciókban szereplő molekulák relatív energiáit (B3LYP/6-31G(*)//PM3 és PM3//PM3) különböző színekkel a 12. diagramon ábrázoltam.
68
12. diagram: A reakció lejátszódásának energiadiagramja A vizsgált séma első lépéseként a tetrakarbonil komplex átmeneti állapota (B komplex) és a trifenilfoszfán ligandum kapcsolódik össze. A cisz acil (C komplex) és transz acil (D komplex) komplex közti átalakulás egy kis energiagáton keresztül történik meg. A laboratóriumi előállításnál a reakcióelegyet 3 órán keresztül keverik szobahőmérsékleten. Az oldatból mintát véve kimutatható a transz acil komplex. Azonban a cisz acil komplexet nem tudták eddig kimutatni, feltehetően a két komplex közti kis energiagát miatt. A dekarbonileződéshez a számítások szerint nagy energia szükséges, amelynek hatására kialakul a cisz alkil komplex (F komplex), majd egy kisebb energiagát legyőzésével az A’ komplex keletkezik. A preparatív előállításnál 32°C-ra melegítik az oldatot és 8 órán keresztül ezen a hőmérsékleten tartják. A nagy hőmérséklet, a hosszú keverési idő és a számított kis energiagát hatására a reakció nem áll meg a cisz alkil komplexnél, hanem egyből továbbalakul a végtermékké. A végeredményben kapott két komplex a reP és a siM. Ezek szerepelnek a laboratóriumban kapott röntgen szerkezetekben is. A statisztikailag lehetségesnek tűnő reM és siP komplexek nem alakulnak ki a reakciók folyamán. Ez szintén megfelel a kísérleti adatoknak.
69
Elmondható, hogy az észtercsoport konformációjának van irányító hatása a trifenilfoszfán konformációjára nézve, tehát az észtercsoport azt a trifenilfoszfánt választja magának, amelyik számára az energetikailag a legmegfelelőbb.
Összefoglalva elmondhatjuk, hogy sikerült a számításos kémia segítségével megmagyarázni az etilészter származék példáján keresztül, a [(alkoxi-karbonil)metil]kobalt-trikarboniltrifenilfoszfán típusú komplexek szelektív kialakulásának lehetőségét. Geometriai és energia adatokat kaptunk a laboratóriumban eddig még nem izolált közti termékekről is (cisz-acil és cisz-alkil komplex, C és F komplex), mely adatok megkönnyíthetik a kutatók preparatív munkáit is.
70
3.5 A benzilészter származék (PhOC(O)CH2Co(CO)3(PPh3), IX) kétdimenziós konformáció analízise [KE73, KE74] A rendelkezésre álló röntgenszerkezetek közül ez az egyetlen olyan vegyület, amelyben mind a négy lehetséges királis konformer (reP, reM, siP, siM) egyaránt előfordul, igaz meglehetősen torzult formában (30. ábra). A fenilgyűrűk helyzetét leíró Co-P-Car-Car szög értékei ±7º, ±79º és ±28º is nagymértékben eltérnek az ideális ±45º körüli értéktől.
1-es fenilgyűrű
30. ábra: A benzilészter származék (IX) röntgenszerkezete A kétdimenziós konformáció analízis alatt a két vezetett torziósszög az észter (CoCsp3-Csp2-Osp2) és az észter alatti térharmadban elhelyezkedő 1-es fenilgyűrű (Co-P-CarCar) volt. A vizsgálatoknál a röntgenszerkezetben található reP konformerből indultam ki, amelyben az észtercsoport torziósszöge -90º az 1-es fenilgyűrűjé pedig -79º volt. A csoportokat a kiindulási szerkezetekben található torziósszög értékek -1-szereséig forgattam. A kapott molekulamechanikai energiaértékeket egy energiafelületi diagramon ábrázoltam (13. diagram). A kékes színek az alacsony, a barnásak pedig a magasabb sztérikus energiájú szerkezetekhez rendelhetők. A felület alatt, annak kétdimenziós vetülete látható. A hosszabbik oldalon az észter, a rövidebbiken pedig az 1-es fenilgyűrű torzióját tüntettem fel.
71
13. diagram: A benzilészteres komplex konformáció analízise A diagramon megfigyelhető, hogy -90°-os észter torziónál két lokális minimum található. Az ezekhez tartozó szerkezetek megfelelnek az egyensúlyi reP és reM konformereknek. Az 1-es fenilgyűrű torziója az első esetben -45° a másodikban pedig +45°. A reP és a reM szerkezetek sztérikus energiája egyenlő. A +90°-os észter torzióhoz is tartozik két lokális minimum, amelyek a siP és a siM konformereknek felelnek meg. A két szerkezet sztérikus energiája egyenlő, de 3 kcal-val magasabb érték, mint a re konfigurációkhoz tartozó energiák. A szerkezeteket megvizsgálva megállapíthatjuk, hogy ezek nem állnak tükörképi viszonyban a -90°-nál észlelt megfelelő konformerekkel. Az észtercsoport forgatása következtében a benzilcsoport kimozdult a CO tárcsák közül és a forgatás végeztével a kiindulási helyzetével ellentétes irányba mutat (31. ábra).
72
31. ábra: A benzilészter származék számított siM konformerjének a szerkezete Ahhoz, hogy a reP vagy a reM tükörképi párjait megkapjuk a benzilcsoportot visszafordítottam (31. ábra) a CO tárcsák közé és így is elvégeztem a geometriai optimalizációt. Az így kapott energia megegyezett a megfelelő enantiomer szerkezetek energiáival. Megfigyelhető a diagramon, hogy mind re, mind si állapotban a trifenilfoszfán inverziója, tehát a diasztereomer képződés, kis energiagát legyőzésével megoldható. Feltehetően ez az átalakulás már szobahőmérsékleten lejátszódik és azért jelenik meg a kristályban mind a négy lehetséges konformer szerkezete. A fenilgyűrűk mozgását a diasztomerek egymásba történő átalakulása alatt megvizsgálva elmondható, hogy itt is 2:1 arányban fordulnak át a gyűrűk, az 1-es és a 3-as pozitív (-45°→0°→+45°), míg a 2-es negatív (-45°→-90°→-135°) irányba
Elmondható tehát, hogy a benzilészter származék esetén nem mutatható ki a sztereoszelektivitás jelensége. A komplex képződésekor feltehetően csak az egyik enantiomerpár keletkezik (reP és siM vagy reM és siP), de a „fenil inverzió” alacsony energiagátja miatt könnyen átalakul egymásba a két-két (reP↔reM és siM↔siP) konformer. Érvényesül a termodinamikai kontrol, így megtalálható a komplex röntgenszerkezetében mind a 4 lehetséges szerkezet.
73
3.6 A fogaskerék modell Munkám előző fejezeteiben bemutattam az enantiomerek között fellépő óraműszerű átalakulást. A röntgenszerkezeteket megvizsgálva azonban elmondható, hogy egyes esetekben ezek a szinkron mozgások nem képesek leírni az enantiomerek közti átalakulásokat. Ahhoz, hogy tisztább képet kapjunk az átalakulások lehetséges módjairól az alkoxikarbonil-metiléntrikarbonil-trifenilfoszfán-kobalt komplexek röntgen szerkezeteit a si/re és a P/M konformációk kombinációja alapján csoportosítottam. Ezek alapján 4 különböző csoportba sorolhatjuk a szerkezeteket: 1, A cellában két konformer - reP és siM - található és ezek egymással tükörképi viszonyban állnak (II; III; VII; VIII), 2, A komplex kristályában az összes lehetséges (reP, reM, siP, siM) konformer megtalálható (IX). 3, A cellában két konformer - reM és siP - található és ezek egymással tükörképi viszonyban állnak (I; IV; VI; XV), 4, A kristálycellában két konformer található (reP és siM), de ezek egymásnak nem tükörképei, mivel egy centrálisan királis csoportot is tartalmaznak (V, XI; XII), (ROC(O)CH2Co(CO)3(PPh3), ahol R centrálisan királis csoport). 5, A kristálycellában csak 1 szerkezet található, (XIII; XIV)
Az első csoportba tartozó molekuláknál az óraműszerkezet (clockwork) mechanizmus szerint játszódik le, az enantiomerek közti átalakulás (3.3 fejezet). A benzilészter származék esetében (2. csoport, 3.5 fejezet) mind a négy lehetséges konformer megtalálható a kristályban a diasztereomerek közti alacsony energiagát miatt. Az alkoxilcsoporton centrálisan királis vegyületeknél (4. csoport) a teljes molekula inverziója az alkilcsoport királis centrumának inverzióját is szükségessé tenné. Ez csak szigma kötések felszakadásával képzelhető el, így ezek konformációs elemzésével a dolgozatban nem foglalkoztam. Az 5. csoportba tartozóknál a kristályrácsában csak 1 szerkezet található, tehát átalakulás nem is történik. A 3. csoportba tartozó komplexeknél két egymásnak tükörképi viszonyban lévő szerkezet található meg a kristályban. Ezek a reM és siP szerkezet. Itt azonban nem az óraműszerű mechanizmus szerint játszódik le az átalakulás. Ezt a mechanizmust követő komplexek csoportjai mindig ellentétes irányban fordulnak el.
74
A következőképpen: az észtercsoport pozitív irányba történő elmozdulásával ellöki a CO tárcsát. Ezáltal a karbonil ligandumok olyan közel kerülnek a fenilcsoportok ortohidrogénjeihez, hogy a fenilgyűrűket az egyik állásból a másikba forgatják át. Az ebbe a csoportba tartozó komplexek esetében tehát csupán disszrotációk játszódnak le. Ezek a mozgások találhatóak meg az egyszerű fogaskerekek kapcsolódásakor is (32.ábra), ezért ezt a modellt fogaskerék (gear) modellnek neveztük el. A fogaskerék modell szerint egymásba átalakuló komplexek esetében is alkalmaztam az
általam
kibővített
molekulamechanikai
paraméterkészletet.
Az
átalakulások
jellegzetességei, az energia felületi diagramokon a maximumok és minimumok helyei szinte teljesen azonosak. Azonban a kutatás más irányú elmozdulása miatt (4. fejezet) ezen modell külön vizsgálatával a dolgozat keretein belül részletesen nem foglalkozom.
32. ábra: Fogaskerék modell sematikus ábrája
75
4 Kitekintés A kétezredik év vége felé megjelentünk a nyilvánosság előtt kutatási eredményeink gyakorlati hasznosításának lehetőségeivel. Nagyon nagy érdeklődés mutatkozott a téma iránt. Ennek egyik pozitív eredménye a szponzori támogatás megjelenése, amely egyben magában hordozta a publikálások leállítását is, e témákban. A nanotudományok megjelenésével hatalmas lendületet vett a molekuláris eszközök makromechanikai analógjainak, különösen a molekuláris kapcsolók számítástechnikai alkalmazási lehetőségének vizsgálata. Gombamód szaporodtak a kutató egységek, olyan szerves, szervetlen, és biomolekulák, szupramolekuláris anyagok és polimerek előállítására vagy kísérleti hasznosítására, amelyek valamilyen módon megfelelőnek látszottak bizonyos mikro- vagy nanotechnológiai berendezések funkcionális feladatainak ellátására. Ezek közül változatlanul a számítástechnikai alkalmazási terület a legaktívabb, ezen belül is a molekuláris memoriák fejlesztése. Az általunk vizsgált molekulák egyik legfőbb jellemzője, hogy kristályrácsukban többnyire két, egymással tükörképi viszonyban álló molekula található. Ezek a komplexek egymásba viszonylag könnyen átalakíthatóak. A két állapotot (pl. reP, siM) tekinthetjük a számítástechnikában is használatos „0” és „1” jeleknek. A detektálás is könnyen megvalósíthatóvá válik, ha megvizsgáljuk a molekulák kiroptikai tulajdonságait. Természetesen, az általunk elkészített molekulamechanikai erőtér használatával, a vizsgáltakhoz hasonló, de más tulajdonságú (energetikai, kiroptikai) molekulákat is tudunk tervezni. Kutatásainkat már többnyire a fenti gondolatok vezérlik, ezt támasztja alá a következő példa is: az etoxikarbonil-metil-trikarbonil-kobalt-trifenilfoszin, (vizsgálataink kedvenc modellje) ez utóbbi témacsoportban a rotalicén2-2E nevet kapta.
2
A kötésrotációk révén lejátszódó centrális és helikális - mértékében és eredetében a helicénekre emlékeztető kiralitás szinkron inverziójára kívánunk utalni a vegyületcsoport „rotalicén” elnevezésével.
76
5 Összefoglalás Doktori munkám során, királis információk terjedési mechanizmusával foglalkoztam egymagvú
alkoxikarbonil-metilén-trikarbonil-trifenilfoszfán-kobalt
komplexekben.
Bizonyítékot kerestem Bencze és munkatársai által megjósolt óraműszerű átalakulásra, valamint a komplexek kristályrácsában felfedezhető sztereoszelektivitás okaira. A
konformációs
viszonyok
vizsgálatához
a
molekulamechanika
eszközeit
választottam. A szakirodalomban nem található olyan molekulamechanikai erőtérrel, mellyel az alkoxikarbonil komplexek vizsgálhatóak. Ezért első feladatom egy új, kibővített és nagyszámú szerkezeti adatból (25 szerkezet) származtatott erőtér elkészítése volt. A paraméteroptimalizáció befejeztével a módosított MM2 erőteret 22 új paraméterrel (2 új atomtípussal, 4 új kötéshosszal, 10 új kötésszöggel és 6 új torziósszöggel) bővítettem. Az elkészült paraméterkészletet teszteltem és az illesztési hibák értékei nem érték el az előzetesen kitűzött paraméterezési kritériumokat. Az erőtér elkészítése után egy- majd kétdimenziós konformációanalízist végeztem el a tesztmolekulának kiválasztott etilészter származékon. A kétváltozós analízis alatt több mint 14 ezer szerkezetet állítottam elő, mindegyiknek kiszámoltam a sztérikus energiáját és ezeket egy energiafelületi diagramon ábrázoltam. Bizonyítottam, hogy az enantiomer közti átalakulás viszonylag kis energiagáton keresztül játszódhat le. A diasztereomerek keletkezése azonban a fenilgyűrűk gátolt rotációja miatt nem következhet be. Az átalakulás során az információ áramlása az irodalomban megjósolt, de eddig még nem bizonyított hipotézis szerint játszódik le, méghozzá a következőképpen: A reP szerkezetből kiindulva az észtercsoport a karbonilos oxigénjével közelíti meg a CO tárcsát és a fellépő taszító kölcsönhatás következtében ezt maga előtt ellöki. A CO tárcsa elmozdulásával a karbonil ligandumok olyan közel kerülnek a fenilgyűrűk orto hidrogénjéhez, hogy azokat P állásból M állásba sodorják át. A fenilgyűrűk teljes inverziója akkor következik be, amikor az észtercsoport torziósszöge eléri a +80°-t. Igazoltam, hogy az enantiomerek egymásba történő átalakulása során a fenilgyűrűk a szabad trifenilfoszfán gyűrűihez hasonlóan 2:1 arányban fordulnak át egyik konformerből a másikba. A
sztereoszelektivitás
okainak
kiderítésére
számításos
kémia
segítségével
megvizsgáltam a komplexek keletkezésének folyamatát. A célom az volt, hogy az összes lehetséges konformert előállítsam. A trifenilfoszfán ligandum kapcsolódásakor két esetben azonban megváltozott a fenilgyűrűk konfigurációja és így a reakcióút végén a négy lehetséges
77
kombináció közül csak két konformer keletkezett, azok, amelyek a komplex kristályrácsában is szerepelnek. Ez megfelel a kísérleti adatoknak. A számítás segítségével geometriai és energia adatokat kaptam a laboratóriumi előállítás alatt még nem izolált közti termékről és bebizonyítottam a sztereoszelektivitás kialakulásának lehetséges okait. A királis információk összes lehetséges kombinációját tartalmazó benzilészter származék konformáció analízisét is elvégeztem. Feltételezésem szerint a komplexek kialakulása során egy enatiomerpár keletkezik, de a diasztereomerek közti kis energiagát miatt már szobahőmérsékleten megtörténik azok egymásba átalakulása, ezáltal az összes konformer megjelenik a kristályban. Felismertem, hogy az ismert vegyületek egy jól elhatárolható része nem az óramű modell szerint, hanem a közönséges fogaskerék-áttétel (gear) kapcsolt rotációjának mechanizmusát követve invertálódhat. Osztályozásuk a kristályfázisú konfigurációik révén
clockwork (reP, siM) vagy gear (siP, reM) csoportba könnyen megoldható, de az alkoxilcsoport szerkezete alapján is jól megbecsülhető. Kutatásaink pozitív eredménye a szponzori támogatás megjelenése. Az alapkutatás így az alkalmazott kutatás irányába terelődött. Kidolgozott kutatási tervekkel rendelkezünk a dolgozatban bemutatott molekulacsalád molekuláris memóriaként történő felhasználására. Az új, kibővített paraméterkészlet segítségével új, eltérő tulajdonsággal (kiroptikai, energetikai) rendelkező komplexeket is elő tudunk állítani. A témát több pályázaton is megmérettük és olyan pozitív bírálatokat kaptunk rá, amelyek a kutatások további folytatására sarkalnak minket.
78
6 Új tudományos eredmények összefoglalása 1. Egy nagy pontosságú reprodukáló képességekkel rendelkező molekulamechanikai erőteret állítottam
elő,
a
szakirodalomban
fellelhető
alkoxikarbonil-metil-trikarbonil-
tercierfoszfán-kobalt vegyületek kristályszerkezeti adatbázisára alapozva. 1.1. Nagyszámú, 25 molekulaszerkezet belső koordinátáinak statisztikai elemzéséből előállítottam a molekulamechanikai erőtér kiindulási paraméterkészletét. Kezdeti erőállandóknak magas értékeket választottam, majd ezeket folyamatosan csökkentve törekedtem a paraméterkészlet maximális elasztikusságának elérésére. 1.2. A paraméteroptimalizálást 31 lépésen keresztül folytattam, eddigre a számított és röntgen szerkezetek közti átlagos hiba kötéstávolságoknál 0,01 Å, kötésszögeknél 1 fok alá csökkent. 1.3. Az optimalizálás befejezése után a módosított MM2 erőtéret 22 új paraméterrel – 2 új atomtípus, 4 új kötéshossz-, 10 új kötésszög- és 6 új torziós paraméterrel – bővítettem. 1.4. A
kibővített,
új
erőtérrel
elvégeztem
a
kiindulási
molekulák
geometriai
optimalizációját. Megállapítottam, hogy a számítási hibák átlagai, valamint a szórás értékei elhanyagolható nagyságúak. Az erőtér nagy pontossággal reprodukálja a vizsgálandó komplexeket.
2. Az általam kifejlesztett, bővített MM2 paraméterkészletet használva modelleztem és igazoltam az enantiomerpárok egymásba történő átalakulása során lejátszódó óramű (clockwork) mechanizmust és bővítettem ezt a tercierfoszfán ligandum inverziójának 2:1 típusú mechanizmusával. 2.1. Kétdimenziós, háló módszerű konformációanalízist végeztem el az etilészter származék példáján keresztül. A vezetett torziós szögeket 1˚-onként forgattam az enantiomerek egyensúlyi geometriáiban található értékek közt. A vizsgálatok során így 14414 szerkezetet kaptam és ezek energiáit egy energiafelületi diagramon ábrázoltam. 2.2. Meghatároztam
az
enantiomerek
közti
átalakulási
utat.
Megvizsgáltam
a
trajektóriában szereplő szerkezeteket és igazoltam az enantiomerpárok egymásba történő átalakulása során lejátszódó óramű mechanizmust.
79
2.3. Bizonyítottam, hogy a reP → siP és a reP → reM irányú epimerizációt a fenilgyűrűk összeakadásából kialakult jelentős energiagát hiusítja meg. 2.4. Meghatároztam, hogy a komplexek átalakulása alatt a trifenilfoszfán fenilgyűrűinek inverziója 2:1 arányban történik meg, a szabad trifenilfoszfánhoz hasonlóan.
3. Felismertem, hogy az ismert vegyületek egy jól elhatárolható része, nem a megjósolt óramű mechanizmust követi, hanem a közönséges fogaskerék-áttétel (gear) kapcsolt rotációjának mechanizmusa szerint invertálódhat. 3.1. Megállapítottam, hogy a vizsgált komplexek osztályozása a kristályfázisú konfigurációjuk révén két fő csoportba [(reP, siM) vagy (siP, reM)] könnyen megoldható. 3.2. Megfigyeltem, hogy a kristálycellában siP és reM konfigurációkkal rendelkező komplexeket felépítő nevezetes csoportok (észtercsoport, CO tárcsa és trifenilfoszfán ligandum) mindig ellentétes irányba forognak, hasonlóan a közönséges fogaskerékáttételhez.
4. Megvizsgáltam a rendelkezésre álló röntgenszerkezetek közül az egyetlen olyan vegyületet, amelyben mind a négy lehetséges királis konformer (reP, reM, siP, siM) egyaránt előfordulhat és molekulamechanikai számításokkal igazoltam a szerkezetek létezésének lehetséges okát. 4.1. Kétdimenziós konformációanalízis segítségével megállapítottam, hogy a benzilészter származék esetén nem mutatható ki a sztereoszelektivitás jelensége. 4.2. Megállapítottam, hogy a komplex képződésekor feltehetően csak az egyik enantiomerpár keletkezik (reP és siM vagy reM és siP), de a „fenil inverzió” alacsony energiagátja miatt könnyen átalakul egymásba a két-két (reP↔reM és
siM↔siP) konformer. Érvényesül a termodinamikai kontrol.
5. A számításos kémia segítségével sikerült megmagyarázni az etilészter származék példáján keresztül, a [(alkoxi-karbonil)metil]kobalt-trikarbonil-trifenilfoszfán típusú komplexek szelektív kialakulásának lehetőségét. 5.1. A reakcióút számolása alatt geometriai és energia adatokat kaptam a laboratóriumban eddig még nem izolált közti termékekről is (cisz-acil és cisz-alkil komplex, C és F komplex), mely adatok megkönnyíthetik a kutatók preparatív munkáit is.
80
5.2. Megállapítottam, hogy a reakcióút végén két komplex keletkezett a statisztikailag lehetséges négy helyett. Ezen komplexek egymásnak tükörképei. A keletkezett két komplex a reP és a siM, ezek azok a konfigurációk, amelyek a vizsgált komplex kristálycellájában megtalálhatók.
81
7 Major results 1. A molecule mechanical force field with precise reproducing capability was created based on the crystal structure database of [(alkoxycarbonyl)methyl]cobalt tricarbonyl tertphosphine compounds. 1.1. By statistically analyzing inner coordinates of numerous, 25 molecule structures, the initial parameter set of molecule mechanic force field was produced. High values were chosen for initial force constants, which were decreased to achieve the maximal elasticity of the parameter set. 1.2. Optimizing parameters was carried out in 31 steps, in the end the average error between calculated and X-ray structures were below 0.01 Å and below 1º for bind distance and angle, respectively. 1.3. After optimizing the modified MM2, force field was improved by 22 new parameters: 2 atom type, 4 bind distance-, 10 bind angle- and 6 torsion parameters. 1.4. The initial molecules were optimized geometrically with the improved force field. It was stated the average errors of calculations and the values of standard deviations were negligible. The force field reproduces precisely the complexes that have to be studied.
2. The clockwork mechanism taking place during the transformation of enantiomer pairs into each other, developed by myself, was modelled using improved MM2 parameter set and was confirmed, and it was improved by the 2:1 type mechanism of tertphosphane ligand inversion. 2.1. Two-dimensional, net method conformation analysis was made through the example of ethylester derivative. The controlled torsion angles were rotated by each 1 º among the values found in the equilibrium geometry of enantiomers. Thus, in the investigation 14414 structures were obtained, and their energies were represented in an energy surface diagram. 2.2. The route of transformation between enantiomers was determined. Structures in the trajectory were analyzed, and the clockwork mechanism taking place during the transformation of enantiomer pairs into each other was confirmed. 2.3. It was certified that reP → siP és a reP → reM epimerization was impeded by the substantial energy barrier originated from the encounter of phenyl rings.
82
2.4. It was determined during the transformation of complexes, inversion of triphenylphosphane occurred in a ratio of 2:1 similar to the free triphenylphosphane.
3. It was identified a well determined part of known compounds did not follow the clockwork mechanism, but they inverted according to the ordinary gear attached rotation mechanism. 3.1. It was established that the studied complexes can be easily divided into two main groups [(reP, siM) or (siP, reM)] due to their crystal-phase configuration. 3.2. It was observed groups (ester group, CO and triphenylphosphane ligand), building complexes with siP és reM configurations in the crystal cell, always rotate in opposite direction similar to the ordinary gear.
4. The only compound of the existing X-ray structures was investigated in which all of the four possible chiral conformers (reP, reM, siP, siM) can be equally found, and the potential reason for the existence of structures was verified by molecule mechanic calculations 4.1. Two-dimensional conformation analysis was used to establish stereoselectivity could not be shown in benzylester derivative. 4.2. It was stated that at complex formation only one of the enantiomer pairs (reP és siM vagy reM és siP) forms, but the conformers transform easily into each other
(reP↔reM és siM↔siP) because of the low energy barrier of ‘phenyl inversion’. Thermodynamical control prevails.
5. The possibility of selective formation of [(alkoxycarbonyl)methyl]cobalt tricarbonyl triphenylphosphane type complexes was explained through the example of ethylester by calculating chemistry. 5.1. Calculating the reaction route geometrical and energy data were received about intermediers not isolated so far in laboratory (cis-acyl and cis-alkyl complexes, C and F complex), which data could make the preparative work of researchers easier. 5.2. It was also established that two complexes formed at the end of the reaction instead of statistically possible four ones. These complexes are images of each other. The two complexes formed are reP és a siM, these configurations can be found in the crystal cell of investigated complex.
83
8 Köszönetnyilvánítás Mindenekelőtt hálás köszönettel tartozom témavezetőmnek Dr. Bencze Lajosnak, aki az elmúlt évek alatt mindvégig támogatott, segített és értékes szakmai tanácsokkal látott el. Örülök, hogy megismerhettem feleségét Judith nénit, akinek itt is köszönöm azt a rengeteg gyümölcsöt, süteményt, amiket nagy örömmel fogyasztottunk el férjével együtt az estébe nyúló szakmai és baráti beszélgetések alkalmával.
Köszönettel tartozom a Pannon Egyetem Szerves Kémia Intézeti Tanszéken dolgozó összes kollégának, hogy minden segítséget megadtak a dolgozatom elkészítéséhez. A teljesség igénye nélkül köszönöm tehát: Dr. Bakos József, Dr. Tőrös Szilárd, Dr. Ungváry Ferenc, Dr. Kégl Tamás, Tóth Gergely, Horváth Anita, Kuik Árpád és Balogh János szakmai és emberi segítségét.
Természetesen hálás köszönettel tartozom szüleimnek, akikre mindenben számíthattam. Köszönöm, hogy ragaszkodtattok ahhoz, hogy mindig felszálljak a buszra …
Utoljára, de nem utolsó sorban feleségemnek, Nórának és kislányomnak, Pannának adnék hálát, hogy a megerőltető munka után, otthon mindig szeretet, türelem és béke várt.
84
9 Hivatkozások [1]
(a) V. Galamb, G. Pályi, F.Cser, .G. Furmanova, Yu.T. Struchkov, J. Organomet.
Chem., 209 183-195 (1981); (b) D. Turrini Dr.-Chem. értekezés, Modenai Egyetem, 1996. (c) S. Tiddia Dr.-Chem. értekezés, Modenai Egyetem, 1997. (d) A. Baldo, Dr.-Chem. értekezés, Modenai Egyetem, 1997. (e) C. Zucchi, A. Conia, R. Boese, E. Kleinpeter, H. Alper, Gy. Pályi, J. Organomet.
Chem., 586 61-69 (1999) [2]
G. Pályi, K. Alberts, T. Bartik, R. Boese, G. Fráter, T. Herbrich, A. Herfurth, C. Kriebel, A. Sorkau, C.M. Tschoerner, C. Zucchi, Organometallics, 15 3253-3255 (1996)
[3]
(a) G. Pályi, C. Zucchi, T. Bartik, R. Boese, 1st J. Organomet. Chem. Conf. 4-5
'ovember 1993, München (Ger.), Abstr. p. 183. (b) G. Pályi, C. Zucchi, T. Bartik, T. Herbrich, C. Kriebel, R. Boese, A. Sorkau, G. Fráter, Atti Accad. Sci. Bologna, Rend. Cl. Sci. Fis., 281 [14/10] 159-167 (1992/93) [4]
H. Dodziuk, Tetrahedron Asymmetry, 3 43-50 (1992)
[5]
(a) G. Pályi, Transition Met. Chem., 2 273-275 (1977); (b) G. Pályi, M. Kovács - Toplak, G. Váradi, Atti Accad. Sci. Bologna, Rend. Cl. Sci.
Fis., 266 [13/5] 139-146 (1978). [6]
M. J. Szabó, R.K. Szilágyi, L. Bencze, R. Boese, C. Zucchi, Luciano Caglotti and Gy.Pályi Enantiomer, 5 549 (2000)
[7]
Tóth Gergely még nem publikált eredményei
[8]
(a) O. Roelen (Ruhrchemie AG) D.B.P. 849 458, (1938) , Chem Zentr., 927 (1953); (b) Orchin M. Acc. Chem. Res. 14 259 (1981) (c) Orchin M., W. Rupilius, Catal. Rev., 6 85 (1972) (d) W. Hermann, B. Cornils Angew. Chem., 109 1074 (1997)
[9]
F. Ungváry, I. Kovács, B. Hammerschmidt and G. Cordier, Organometallics, 12, 2849-2852 (1993)
[10]
V. Galamb, G. Pályi, M. Kajtár, Inorg. Chim. Acta, 53 113-114 (1981)
[11]
M. J. Szabo, R. K. Szilagyi, L. Bencze, Inor. Chim. Acta, 344 158-168 (2003)
[12]
L. Bencze, R.K. Szilágyi, M.J. Szabó, R. Boese, C. Zucchi, Gy. Palyi, A molecular Clockwork:
intramolecular
transfer
85
of
chiral
information
in
[(alkoxy-
carbonyl)methyl]cobalt tricarbonyl triphenilphosphine complexes Chapter III.9 Fundamentals of Life – Editions Scientifiques et médicales ELSEVIER SAS (2001) [13]
(a) F. J. Britten, The Watch and Clock Marker’s Handbook, Dictionary and Guide, 11th Ed., Antique Collector’s Club Ltd., Woodbridge, Suftolk, UK (1976) (b) F. W. Britten, Horological Hints and Helps, 4th Ed., Antique Collector’s Club Ltd., Woodbridge, Suftolk, UK (1996)
[14]
Bencze L., Boese R., Pályi Gy., Szabó M.J., Szilágyi R.K. Zucchi C., Magyar
Kémikusok Lapja, 6 215-219 (2001) [15]
(a) T.R. Kelly, M.C. Bowyer, K:V: Bhaskar, D. Bebbington, A. Garcia, F. Lang, M.H.Kim,
M.P.
Jette,
J.
Am.
Chem.
Soc.,
116
3657-3658
(1994)
(b) T.R. Kelly, I. Tellitu, J.P. Sestelo, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 36 1866-1868 (1997) [16]
K. Mislow, Acc. Chem. Res., 9 26 (1976).
[17]
D. Gust, K. Mislow, J. Am. Chem. Soc. 95 1535 (1973)
[18]
(a) W. D. Hounshell, C. A. Johnson, A. Guenzi, F. Cozzi, K. Mislow, Proc. 'atl.
Acad. USA 77 6961-6964 (1980) (b) F. Cozzi, A. Guenzi, A. Johnson, K. Mislow, J. Am. Chem. Soc. 103 957-958 (1981) [19]
(a) Y. Kawada, H. Iwamura, J. Org. Chem, 45 2547-2548 (1980) (b) Y. Kawada, H. Iwamura, J. Am. Chem. Soc. 103 958-960 (1981)
[20]
J.M. Chance, J.H. Geiger, K. Mislow, J. Am. Chem. Soc. 111 2326 (1989)
[21]
K. Fuji, T. Oka, T. Kawabata, T. Kinoshita, Tetrahedron Lett. 39 1373-1376 (1998)
[22]
R. Ballardini, V. Balzani, A. Credi, M. T. Gandollini, M. Venturi, Acc. Chem. Res.
34 445 (2001) [23]
(a) A. M. Stevens, C. J. Richards, Tetrahedron Lett. 38 7805-7808 (1997) (b) C. J. Richards, D. C. D. Butler, Abstr. Pap.-Am. Chem. Soc. 221st, 2001, ORGN-367
[24]
(a) Keserű Gy. M., Náray-Szabó G., Molekulamechanika, A kémia újabb eredményei
80, Akadémiai Kiadó, Budapest, 1995 (b) U. Burkert, N.L. Allinger, Molecular Mechanics, ACS Monograph 177, American Chemical Society, Washington DC. 1982 (c) A. K. Rappe, C. J. Casewit, Molecular Mechanics Across Chemistry, University Science Books, 1997
86
(d) K. Machida, Principles of Molecular Mechanics, John Willey & Sons Inc., 1999 [25]
D. H. Andrews, Phys. Rev. 36 544 (1930)
[26]
P. M. Morse, Phys. Rev. 38 1969 (1929)
[27]
(a) L.S. Bartell, J. Am. Chem. Soc. 99 3279 (1977) (b) N. L. Allinger, D. Hindman, H.J. Hönig, J. Am. Chem. Soc. 99 3282 (1977)
[28]
R.S. Chahn, C.K. Ingold, V. Prelog, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 5 385 (1966)
[29]
O. Emer, S. Lifson, J. Am. Chem. Soc. 95 4121 (1973)
[30]
(a) D.D. Fitts, Ann. Rev. Phys. Chem. 17 59 (1966) (b) H. Margenau, N.R. Kestner, Theory of Intermolecular Forces, Pergamon, Oxford 1969
[31]
T.L. Hill, J. Chem. Phys. 16 399 (1948)
[32]
J.E. Lennard-Jones, Proc. R. Soc. London Ser. A 106 463 (1924)
[33]
R.F. McGuire, F.A. Momany, H.A. Scheraga, J. Phys. Chem. 76 375 (1972)
[34]
S. Lifson, A.T. Hagler, P. Dauber, J. Am. Chem. Soc. 101 5111 (1979)
[35]
C.R. Landis, D.M. Root, T. Cleveland, Rav. Comput. Chem. 6 73 (1995)
[36]
Serena Software, P. O. Boksz 3076, Bloomington, 47402-3076, IN, USA
[37]
(a) N. L. Allinger, Adv. Phys. Org. Chem. 13 1 (1976) (b) N. L. Allinger, j. Am. Chem. Soc. 99 8127 (1977) (c) T. Liljefor, J. C. Tai, S. Li, N. L. Allinger, J. Comp. Chem. 8 581-603 (1987)
[38]
(a) S. L. Mayo, B. D. Olafson, W. A. Goddard, J. Phys. Chem. 94 8897-8909 (1990) (b) N. Karasawa, S. Dasgupta, W. A. Goddard, J. Phys. Chem. 95 2260-2272 (1991)
[39]
(a) U. Dinur, A.T. Hagler, Rev. Comput. Chem. 2 99 (1991) (b) K. Palmö, L. O. Pietilä, S. Krimm, J. Comput. Chem. 12 385 (1991) (c) C. Alemán, E. I. Canela, R. Franco, M. Oroczko, J. Comput. Chem 12 664 (1991)
[40]
T. A. Halgren, J. Comput. Chem. 17 490 (1996)
[41]
(a) J. P. Bowen, N. L. Allinger, Rev. Comput. Chem. 2 81(1991) (b) D. M. Schnur, M. V. Grieshaber, J.P. Bowen, J. Comput. Chem. 12 844 (1991)
[42]
D. W. Marquardt , J. Soc. Indust. Appl. Math. 11 431 (1963)
[43]
N. L. Allinger, X. Zhou, J. Bergsma, J. Mol. Struct. (Theochem) 312 69 (1994)
[44]
Szilágyi Róbert Károly Doktori PhD értekezés, Wolfrám-karbén komplexek szerkezetének molekulamechanikai szimulációja, Veszprémi Egyetem, 1998
87
[KE45] Kurdi R., Bencze L., Metil-kobalt-trikarbonil-foszfán-komplexek molekulamecha-
nikai paraméterezése, Fémorganikus Kémia Munkabizottság Munkaülése, 2002 május 26, Keszthely [KE46] Kurdi R., Bencze L., Egy nanomotor modellezése, XXIV. Kémiai Előadói Napok, 2001 október 29-31, Szeged [KE47] Bencze L., Kurdi R., A királis információ intramolekuláris vezetésének
mechanizmusa; az óramodell, XXXVII. Komplexkémiai Kollokvium, 2002 május 29-31, Mátraháza [48]
SPARTAN Version 5.0, Wavefunction Inc., 18401 Von Karman Avenue, Suite 370, Irvine, CA 92612, U.S.A.
[49]
Cerius2 3.0, San Diego, Molecular Simulations Inc., 1997
[50]
S. L. Mayo, B. D. Olafson, W. A. Goddard III, J. Phys. Chem. 94 8897 (1990)
[51]
A. K. Rappé, C. J. Casewitt, K. S. Colwell, W. A. Goddard III, W. M. Skiff, J. Am.
Chem Soc. 114 10024 (1992) [52]
(a) L. A. Casonguay, A. K. Rappe, J. Am. Chem. Soc. 114 5832 (1992) (b) A. K. Rappe, K. S. Colwell, Inorg. Chem. 32 3438 (1993) (c) A. K. Rappe, W. A. Goddard III, J. Phys. Chem. 95 3358 (1991)
[53]
(a) S. J. Weiner, P. A. Kollman, D. A. Case, U. C. Singh, C. Ghio, G. Alagona, S. Profeta Jr., P. Weiner, J. Am. Chem. Soc. 106765 (1984) (b) S. J. Weiner, P. A. Kollman, D. T. Nguyen, D. A. Case, J. Comp. Chem. 7 230 (1986)
[54]
B. W. H. van Beest, G. J. Kramer, R. A. Santen, Phys. Rev. Letters 64 1955 (1990)
[55]
N. Karasawa, W. A. Goddard III, Macromolecules 25 7268 (1992)
[56]
(a) L. Bencze, R. K. Szilágyi, J. Organomet. Chem. 465 211 (1994) (b) L. Bencze, R. K. Szilágyi, J. Organomet. Chem. 475 183 (1994)
[57]
J. J. Gajewski, K. E. Gilbert, J. McKelvey in Advances in Molecular Modelling (Ed. D. Liotta), JAI Press: London, Vol.2, Chapter 2 (1990)
[58]
K. A. Durkin, J. Sherrod, D. Liotta, Advances in Molecular Modelling (Ed. D. Liotta) JAI Press: London, Vol.2, p 93 (1990)
[59]
Szabó
Miklós
József
Doktori
trikarboniltrifenilfoszfán-kobalt
PhD
komplexek
vizsgálata, Veszprémi Egyetem, 2002
88
értekezés,
Alkoxikarbonil-metilén-
szerkezeti
jellegzetességeinek
[K60]
L. Bencze, R. Kurdi, Nanomachines: Concerted Development of Chiral Conformations ina n Oxo-Catalyst Intermediate, 'anoComputing – Technology
Trends, Allied Publishers Ltd., 27-34 (2001) [K61]
L. Bencze, Gy. Pályi, R. Kurdi, Molecular-Level Machines; The Clockwork Model,
Metal-Ligand Interactions in Molecular-, 'ano-, Micro-, and Macro-Systems in Complex Environments (Ed. '. Russo), Kluver Acad. Publ. Dordrecht, London, 343354 (2003) [62]
Kurdi Róbert előkészítés alatt lévő publikációi.
[KE63] L. Bencze, R. Kurdi, G. Tóth, Evolution of Chirality and Fundamental Molecular
Motions: Structures and Simulations, 3rd Interdisciplinary Symposium on Biological Chirality, 2003 július 10-15, Modena, Olaszország [64]
(a) V. Galamb, Gy. Pályi, F. Cser, M.G. Furmanova, Y.T. Struchkov, J Organomet.
Chem., 209 183-195 (1981) (b) V. Galamb, Gy. Pályi, R. Boese, G. Schmid, Organometallics. 6 861-867 (1987) (c) J. Solmlyai-Haász, F. Haász, V. Galamb, A. Benedetti, C. Zucchi, Gy. Pályi, J.
Organomet. Chem. 419 205-217 (1991) [65]
(a) V. Galamb, G. Pályi, Coord. Chem. Rev., 59 203-238 (1984) (b) I. Kovács, F. Ungváry, Coord. Chem. Rev., 161 1-32 (1997)
[66]
(a) F. Calderazzo, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 16 299-311 (1977) (b) J.C. Flood, Top. Inorg. Organomet. Stereochem, 12 37-117 (1981) (c) L.J. Kulhman, J.J. Alexander, Coord. Chem. Rev., 33, 195-225 (1980)
[67]
(a) F. Calderazzo, F.A. Cotton, Inorg. Chem., 1 30-36 (1962) (b) K. Noack, F. Calderazzo, J. Organomet. Chem., 10 101-104 (1964) (c) K. Noack, M. Ruch, F. Calderazzo, Inorg. Chem., 7 345-349 (1968) (d) M.E. Ruiz, A. Flores-Riveros, O. Navarro, J. Catal., 64 1-12 (1980)
[68]
C. Zucchi, A. Cornia, R. Boese, E. Kleinpeter, H. Alper, G. Palyi, J. Organomet.
Chem., 586 61-69 (1999) [69]
(a) K. Stanley, D.W. McBride, Can. J. Chem., 53 2537-2541 (1975) (b) I. Kovacs, G. Szalontai, F. Ungvary, J. Organomet. Chem., 524 115-123 (1996)
[70]
(a) J.A. Altman, K. Yates, I.G. Csizmadia, J. Am. Chem. Soc., 98 1450-1454 (1976) (b) J. Demuynk, A. Strich, A. Viellard, 'ouv. J. Chim., 1 217-228 (1977)
[71]
Spartan ’02 Windows, Wavefunction Inc., 18401 Von Karman Avenue, Suite 370, Irvine, CA 92612, U.S.A.
89
[72]
M. Lei, W. Feng, Z. Xu, Chinese Science Bulletin, 13 1176-1178 (2000)
[KE73] L. Bencze, R. Kurdi, 'anoscale molecular analogues of macromechanical devices;
simulations, XXth International Conference on Organomettallic Chemistry, 2002 július 7-12, Korfu, Görögország [KE74] L. Bencze, R. Kurdi, Molecular 'anomachines: Simulation and Design, NATO ASI on Metal-Ligand interactions in Molecular-, Nano-, Micro-, and Macro-Systems in Complex Environments, 2002 szeptember 1-12, Cetraro, Olaszország
90
