KIRÁLIS IFORMÁCIÓK TERJEDÉSI MECHAIZMUSA ALKIL-KOBALT-TRIKARBOILFOSZFÁ KOMPLEXEKBE
Doktori (PhD) értekezés tézisei
Kurdi Róbert
Pannon Egyetem 2008
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, Szerves Kémia Intézeti Tanszék keretei között működő kémiai iskolának. A kutatási területem középpontjában az alkoxikarbonil-metiltrikarbonil-kobalt-tercierfoszfán komplexek sajátos önszerveződése révén keletkező, trigonális-bipiramidális szerkezetek állnak. A koordinációs kölcsönhatások révén több sztereogén részegységet hoznak létre, amelyek gátolt rotációk révén atropizomerként, konformerként, konfigurációként viselkednek.
Ennek
diasztereoszelektivitás,
következtében sőt
a
szintézis
enantioszelektívitás
is
során
abszolút
érvényesül.
Az
enantiomerek interkonverziója is a szeteroszelektivitás megmaradásával jár, ami a folyamat során rendkívül effektív intramolekuláris információcserét feltételez. 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
felhasználásával
működésére.
modelleztem
és
Kutatási
igazoltam
az
eredményeim 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. 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-metiltrikarbonil-kobalt-trifenilfoszin, (vizsgálataink kedvenc modellje) ez utóbbi témacsoportban a rotalicén-2E nevet kapta.
2. 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 kötésszögés 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
Megvizsgáltam a
enantiomerek
közti
átalakulási
utat.
trajektóriában szereplő szerkezeteket és
igazoltam az enantiomerpárok egymásba történő átalakulása során lejátszódó óramű mechanizmust. 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 fogaskerék-áttételhez.
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. 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.
3. Az értekezés tárgykörében megjelent tudományos közlemények 1.
L. Bencze, R. Kurdi: Nanomachines: Concerted Development of Chiral Conformations in an Oxo-Catalyst Intermediate, anoComputing Technology Trends, Allied Publishers Ltd., 27-34 (2001)
2.
L. Bencze, R. Kurdi: Molecular-Level Machines The Clockwork Model, Metal-Ligand Interactions in Molecular-,Nano-, Micro-, and Macro-Systems in Complex Environments ( Ed. N. Russo), Kluver Acad. Publ. Dordrecht, London. (2003)
3.
H Alper, L Bencze, R Boese, L Caglioti, R Kurdi, G Pályi, S Tiddia, D Turrini, C Zucchi: Intermediates of cobalt-catalysed PTC carbonylation of benzyl halides, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, Vol. 204–205 (2003) 227–233
4.
Zucchi C, Turrini D, Boese R, Bencze L, Kurdi R, Caglioti L, Palyi G: Alkylcobalt carbonyls. Part XIV. Generation of chiral conformations by centers of chirality in organocobalt complexes, Can. J. Chem., Vol. 83 (2005) 882-893
5.
Zucchi C, Turrini D, Boese R, Bencze L, Kurdi R, Frater G, Caglioti L, Palyi G: Two-way intramolecular transfer of chirality in organocobalt complexes, Metathesis Chemistry: From Nanostructure Design to Synthesis of Advanced Materials, Springer 421-439 (2007)
6.
L. Bencze, R. Kurdi: Nanomolecular switches operated by clockwork mechanism, Metathesis Chemistry: From Nanostructure Design to Synthesis of Advanced Materials, Springer 441-452 (2007)
Az értekezéshez közvetlenül nem kapcsolódó tudományos közlemények 7.
L. Bencze, G. Tóth and R. Kurdi: Predicting the environmental hazards of xenobiotics by QSPR methods I., Hungarian Journal of Industrial Chemistry, Vol. 28. pp. 187-193 (2000)
8.
Gelencser, A. Hoffer, G. Kiss, E. Tombacz, R. Kurdi and L. Bencze, In-situ Formation of Light-Absorbing Organic Matter in Cloud Water, Journal of Atmospheric Chemistry 45, 25-33, 2003
9.
Bikádi Zs.; Kurdi R.; Balogh S.; Szemán J.; Hazai E., Aggregation of Cyclodextrin as an Important Factor to Determine their Complexation Behavior, Chemsitry & Biodiversity Vol 3, 1266-1278 (2006)
4. Az értekezés tárgykörében megtartott tudományos előadások 1.
Kurdi Róbert, Bencze Lajos: “Egy nanomotor modellezése” XXIV. Kémiai Előadói Napok, 2001 október 29-31, Szeged
2.
L. Bencze, R. Kurdi: “Nanomachines: Concerted Development of Chiral Conformations in an Oxo-Catalyst Intermediate” International Conference on NanoComputing, ICNC 2001, 2001 december 16-18, Thanjavur, INDIA
3.
Kurdi R., Bencze L.: „Metil-kobalt-trikarbonil-foszfin-komplexek molekulamechanikai paraméterezése”, Fémorganikus Kémia Munkabizottság Munkaülése, 2002 május, Keszthely
4.
Bencze L., Kurdi R.: „A királis információ intramolekuláris vezetésének mechanizmusa; az óramodell”, XXXVII. Komplexkémiai Kollokvium, 2002 május 29-31, Mátraháza
5.
L. Bencze, R. Kurdi: „Nanoscale molecular analogues of macromechanical devices; simulations”, XXth International Conference on Organometallic Chemistry, 2002 július 7-12, Korfu, Görögország
6.
L. Bencze, R. Kurdi: „Molecular Nanomachines: 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
7.
L. Bencze, R. Kurdi, G. Tóth: „Evolution of Chirality and Fundamental Molecular Motions: Structures and Simulations” 3rd interdisciplinary symposium on biological chirality, 2003 július, Modena, Olaszország
Az értekezéshez közvetlenül nem kapcsolódó tudományos előadások 8.
Kurdi Róbert: “QSAR jellegű számítógépes programok alkalmazása kemikáliák fizikai hatásainak becslésére”, Intézményi Tudományos Diákköri Konferencia, 1999 november 26, Veszprém, (3.helyezés)
9.
Kurdi Róbert: “QSAR jellegű számítógépes programok alkalmazása kemikáliák fizikai hatásainak becslésére”, VII. Országos Felsőoktatási Környezettudományi Diákkonferencia, 2000 április 17-21, Debrecen (A Környezetvédelmi Minisztérium különdíja)
