Gotowa bibliografia na temat „Reaction Mechanism - Theoretical Study”

Abstract A theoretical study of the Kolbe-Schmitt reaction mechanism, performed using a DFT method, reveals that the reaction between sodium phenoxide and carbon dioxide proceedswith the formation of three transition states and three intermediates. In the first step of the reaction, a polarized ONa bond of sodium phenoxide is attacked by the carbon dioxide molecule, and the intermediate NaPh-CO2 complex is formed. In the next step of the reaction the electrophilic carbon atom attacks the ring primarily at the ortho position, thus forming two new intermediates. The final product, sodium salicylate, is formed by a 1,3-proton shift from C to O atom. The mechanism agrees with the experimental data related to the Kolbe-Schmitt reaction.

Malgrat el gran nombre d’estudis experimentals i computacionals sobre l’estructura i funció de les proteïnes quinases, els detalls exactes dels canvis estructurals i mecanístics dels passos individuals de la reacció catalítica de transferència del grup fosforil romanen incerts. En principi, els estudis computacionals poden subministrar informació minuciosa i una coneixença complementària al treball experimental, però aquest objectiu només es pot assolir si es fan servir els mètodes computacionals adequats i si el model teòric que s’utilitza representa correctament el sistema biològic. En aquesta Tesi, el mètode QM/MM a nivell DFT/MM s’ha utilitzat per a descriure els diferents mecanismes de reacció sobre la hipersuperfície d’energia potencial de la reacció global de transferència del grup fosforil catalitzada per la Proteïna Quinasa A (PKA). Cal destacar, que a més d’utilitzar models complets i solvatats del sistema biomolecular i nivells de teoria més alts que en treballs anteriors, s’han fet servir també diferents tècniques i algoritmes inclosos en el codi ChemShell, a fi de millorar els càlculs dels camins de reacció i les optimitzacions d’estats estacionaris. En particular, coordenades de reacció més flexibles i el mètode microiteratiu per a localitzar estructures d’estats de transició ens han permès aplicar una metodologia multiescala consistent i fiable per a analitzar minuciosament tant el mecanisme associatiu (que implica la transferència de fosforil simultàniament amb la protonació del grup fosfat transferit) com el dissociatiu (que implica dues etapes: la transferència de fosforil i la protonació del substrat fosforilat) de la reacció de transferència de fosforil catalitzada per la PKA. S’ha prestat especial atenció a les funcions específiques dels residus Asp166, Lys168 i Thr201, al Gly-rich loop, als ions metàl·lics, i a la conformació i l’estat de protonació al llarg de la reacció química de la cadena lateral del substrat i del fosfat que es transfereix. Els resultats d’aquesta Tesi han demostrat que la reacció catalitzada per la PKA no depèn del substrat i que el mecanisme dissociatiu és clarament favorable respecte el mecanisme associatiu. No obstant, els càlculs presentats també mostren que el mecanisme associatiu seria viable quan el dissociatiu està impedit, com amb el mutant D166A. Aquest punt reobre un debat sobre la viabilitat del mecanisme associatiu que semblava superat donat els darrers estudis teòrics. A més a més, els camins de reacció per a la retro-protonació del substrat fosforilat per part del residu Asp166 s’han localitzat, demostrant que Asp166 es comporta com un catalitzador àcid/base general al llarg del mecanisme dissociatiu. Per altra banda, els perfils d’energia potencial QM/MM calculats també demostren, per primera vegada, que la reacció catalítica de transferència de fosforil és viable amb ions metàl·lics alcalinoterris diferents del Mg2+, confirmant resultats experimentals recents que proposen el paper fisiològic del Ca2+ a l’activitat de les quinases. Tant pel mecanisme associatiu com pel dissociatiu, la localització precisa i l’orientació de la triada Asp166-Lys168-Thr201 i de la xarxa de ponts d’hidrogen que aquests residus estableixen al centre actiu, s’ha vist que són essencials per a la catàlisi i especialment per a l’estabilització de les estructures dels estats de transició involucrats. Finalment, els resultats d’aquesta Tesi han proveït amb una seqüència completa de l’evolució geomètrica de l’estructura del complex ternari al llarg de la reacció catalítica. Això permet una comparació acurada amb les estructures de raigs-X cristal·logràfiques que han estat proposades experimentalment com a imatges moleculars del procés catalític de fosforilació. En particular, el bon acord entre les estructures teòriques i els estudis experimentals validen la visió atòmica de la reacció presentada en aquesta Tesi, revelant canvis conformacionals, de coordinació i dels ponts d’hidrogen que tenen lloc durant la recció química i la seva relació amb la dinàmica de l’enzim.<br>Despite extensive experimental and computational studies about the structure and function of kinases, exact details regarding the complex structural changes and the mechanistic details of individual stages involved in the catalyzed phosphoryl-transfer reaction remain uncertain. In principle, computational studies can provide detailed information and insights to complement experimental studies, but this goal can only be attained when the appropriate computational approaches are employed and the theoretical model used is a good mimic of the biological system. In this Thesis, the QM/MM approach at the DFT/MM level of theory was used to describe the different reaction mechanisms on the potential energy hypersurface of the global phosphoryl-transfer reaction catalyzed by the Protein Kinase A (PKA). Remarkably, besides making use of more complete solvated models of the biomolecular system and higher levels of theory than the ones employed in previous works, several techniques and algorithms within the computational chemistry suite ChemShell were used to improve the accuracy of the reaction path calculations and stationary points optimizations. In particular, more flexible reaction coordinates, the location of the stationary points with the hybrid delocalized internal coordinates, and the microiterative method to locate transition structures allowed us to apply a consistent and reliable multiscale methodology to examine minutely both the associative (involving a concomitant phosphoryl-transfer and protonation of transferred phosphate) and dissociative (involving two steps: phosphoryl-transfer and back protonation of the phosphorylated substrate) mechanisms of the phosphoryl-transfer reaction catalyzed by PKA. Special attention was paid in the specific roles of the invariant residues Asp166, Lys168, and Thr201, the conserved Gly-rich loop, the metal ions, and the conformation and protonation state of the substrate residue side chain and transferred phosphate along the chemical reaction. The results in this Thesis demonstrate that the catalytic reaction catalyzed by PKA is not substrate-dependent and that the dissociative mechanism is clearly more favorable than the associative one. Nevertheless, the presented calculations also show the plausibility of the associative reaction pathway when the dissociative counterpart is impeded as it is in the D166A mutant. This reopens the debate about the plausibility of the associative reaction pathway that in view of the last theoretical works in the field seemed to be overcame. Moreover, the reaction paths for the back protonation of the phosphorylated substrate by Asp166 have been located, so demonstrating that Asp166 behaves as a general acid/base catalyst along the dissociative mechanism. In addition, QM/MM potential energy profiles determined in this Thesis also demonstrate, for the first time, that the catalyzed phosphoryl-transfer is plausible with alkali earth metal ions other than Mg2+ ions, what confirms recent experimental results where the physiological role of Ca2+ in kinase activity has been proposed. For both the associative and the dissociative mechanisms, the precise location and orientation of the triad Asp166-Lys168-Thr201 and the hydrogen bond network these residues establish within the active site are shown to be essential for catalysis, particularly in the stabilization of the transition state structures involved. Lastly, the results in this Thesis provide a complete sequence of the geometrical evolution of the structure of the ternary complex along the catalytic reaction. This permits an accurate comparison with new X-ray crystallographic structures that have been suggested as experimental snapshots of the catalyzed-phosphorylation process In particular, the good agreement between the theoretically determined structures and the crystallographic studies validate the atomic view of the reaction presented in this Thesis, thus revealing conformational, coordination, and hydrogen bond changes that occur during the chemical step and its relation with the enzyme dynamics.

This dissertation describes the density functional theory (DFT) computational modelling of reactions between organolithium nucleophiles and various substituted quinoxalines. These reactions result in the functionalisation of the C (sp2)–H bond, thus substituting the sigma-hydrogen. The reactions are known as nucleophilic substitution of hydrogen (SNH) and are used by experimental chemists to form new C–C bonds. The SNH reactions are very important in various industries, e.g. in designing and manufacturing of pharmaceuticals. Quinoxaline is widely used in medicinal chemistry due to its various biological activities; these reactions play a crucial role in the synthesis of new classes of compounds. The reactions of 2-phenyl- (A), 2-butyl- (B), and 6-nitro-2-phenyl- (C) quinoxaline with lithiofuran (a) and lithiothiophene (b) involves a direct (1) nucleophilic attack on an activated electron-deficient system, leading to the intermediate sigma^H-complex. This is followed by hydrolysis (2), where an sp2-type nitrogen is changed to an sp3 while forming Li---OH as a by-product. The presence of Li---OH then allows the departure of an sigma-proton via oxidation reaction, concomitantly forming H2O2 as the second by-product. All approaches to functionalise the C(sp2)–H bond involve elimination of a proton, and an oxidant is needed for the departure of the sigma-hydrogen. Although the sequence of steps and mechanisms of these C–H transformations are the same, various factors have shown to affect the reactions differently. The theoretical study of this catalytic-free transformation, shows that the formation of sigma^H-adducts is not easily reversible, and that their formation is spontaneous. The reaction does not just require an oxidant to eliminate the sigma-hydrogen with the pair of electrons, but rather requires the presence of water for hydrolysis prior to oxidation. We must stress the crucial role of the oxidant since the key problem of the SNH reactions is associated with the elimination of sigma-hydrogen. However, the main objective of this study is to present a correct and complete mechanistic picture of oxidative nucleophilic substitution of hydrogen (ONSH). Previous reports indicated that the presence of an electron donating/withdrawing group on the quinoxaline ring had a significant influence on the yield and selectivity. This is between reactions A+a, A+b, and B+a. These experimental observations correlated well with the modelling results when the potential energy surfaces (PES) of the reactions were compared.<br>Dissertation (MSc)--University of Pretoria, 2020.<br>National Research Foundation (NRF)<br>Chemistry<br>MSc<br>Unrestricted

En aquesta tesi s'han estudiat mecanismes de reaccions de cicloanulació en carbens de Fischer a través de mètodes teòrics, concretament fent servir el nivell de teoria B3LYP/(Wachters' basis / 6-31G**). Els alcoxi- i amino carbens de pentacarbonil crom, ja siguin vinílics o aromàtics, reaccionen amb acetilè per produir fenols, naftols o derivats ciclopentadiè o indè substituïts amb el Cr(CO)3 coordinat, d'una manera regioselectiva. L'objectiu d'aquest treball és discutir ambudes reaccions competitives particularment a la reacció de Dötz, la qual durant els darrers anys ha estat explorada experimentalment per W.D. Wulff, C.P. Casey, R. Aumann i J. Barluenga entre altres diferents propostes mecanístiques. A més K.H. Dötz va demostrar que la coordinació del Cr(CO)3, un cop l'anell ja està format, pot patir canvis haptotròpics, és a dir, la caminada del complex metàl·lic d'un anell a un altre -generalment almenys substituït- canviant la seva hapticitat (coordinació pi amb els membres de l'anell). Llavors, s'han estudiat les migracions haptotròpiques intramoleculars en petits hidrocarbons aromàtics policíclics amb l'objectiu d'analitzar les rutes de reacció per les quals aquestes reaccions es porten a terme

Esta tesis presenta un estudio computacional de los sistemas con hidruros puente. En la primera parte se estudia la química de complejos de dirutenio con cuatro hidruros puente. Esto incluye las siguientes reacciones: el intercambio del hidruro con hidrógeno molecular; la activación del enlace C-H del etileno para formar el complejo de bis(vinilo)-etileno; el acoplamiento C-C entre el etileno coordinado y dos ligandos vinilo para producir el complejo rutenaciclopentadieno. Al final de esta parte, se discuten a detalle los mecanismos de estas reacciones. Además, se demostró la importancia de la flexibilidad de los ligandos hidruro y la cooperación entre los dos centros metálicos. <br/>En la segunda parte, se estudió el comportamiento fluxional de dos complejos &#956;-silileno y de un catión sililio. Con esto, se estableció la ruta más favorable en donde se realiza el intercambio de los ligandos hidruro y de los grupos metilo en los complejos &#956;-silileno. Finalmente, se encontró que hay dos posibles rutas relativas al cambio en la posición del puente Si-H-Si en el cation sililio poliagóstico, asociadas con la rotación interna de los grupos sililo.<br>The thesis presents a computational study of hydride bridged systems. The chemistry of diruthenium tetrahydride-bridged complex was studied in the first part. It includes the next reactions: the hydride exchange with dihydrogen; the C-H bond activation in ethylene to yield bis(vinyl) ethylene complex; the C-C coupling between coordinated ethy¬lene and two vinyl ligands to yield ruthenacyclopentadiene complex. The detailed mechanism of these reactions has been determined. The importance of flexibility of hydride ligands and cooperation between two metal centers has been demonstrated. <br/>The fluxional behavior of two &#956;-silylene complexes and a silylium cation was studied in the second part. The pathway responsible for the site-exchange of hydride ligands and methyl groups in the &#956;-silylene complexes has been established. Two possible mecha¬nisms of the shift of Si-H-Si bridge position in the polyagostic silylium cation, associated with internal rota¬tion of si¬lyl groups have been found.

[ES] Dado su tamaño subnanométrico, los clusters metálicos están regidos por el confinamiento cuántico, lo que les hace más "moleculares" y menos "metálicos". En consecuencia, manifiestan propiedades que difieren con respecto a las de partículas más grandes del mismo elemento, y que a menudo son ventajosas para la catálisis de reacciones específicas. Además, su menor tamaño los hace más económicos, con una mayor superficie expuesta. Todo ello hace que los clusters sean opciones muy interesantes en catálisis, y su estudio, síntesis y aplicación ha crecido continuamente desde su descubrimiento en los años 90. Esta tesis se ha centrado principalmente en el cobre, del que se presenta, en primer lugar, un estudio fundamental sobre la disociación de oxígeno por clusters de diferentes tamaños. Después, se explora computacionalmente la catálisis de las oxidaciones de CO y propeno, confirmando que los clusters de Cu5 (o inferior) son prometedores para reacciones de oxidación. Las dos reacciones utilizadas son buenos ejemplos de la aplicación potencial en industria, sea para reducir emisiones de CO o para producir epóxido de propeno, que es un intermedio importante en la producción de plásticos y adhesivos, entre otros. Además, también se estudió la influencia de dos soportes en los clusters de cobre y su capacidad de oxidación: N-grafeno como un sistema más inerte y ceria como uno que puede participar activamente en reacciones de oxidación. Finalmente, se incluyen otros dos estudios más específicos, sobre la capacidad de los clusters de Pt3 y Pd3 para catalizar reaciones de acoplamiento C-C como la reacción de Heck, importante para la síntesis de productos de la química fina, y sobre la reacción CO + NO en clusters de Pt, motivado por su uso potencial como catalizadores para la conversión de esas especies en los menos perjudiciales CO2 y N2 en motores de combustión interna.<br>[CAT] Atès que són de grandària subnanomètrica, els clusters metàl·lics estan regits pel confinament quàntic, el qual els fa més "moleculars" i menys "metàl·lics". En conseqüència, manifesten propietats que són diferents a les de partícules més grans del mateix element, i que sovint són avantatjoses per a la catàlisi de reaccions específiques. A més a més, la seua menor grandària fa que siguen més econòmics, amb una major superfície exposada. Així, els clusters són una opció molt interesant en catàlisi, i el seu estudi, síntesi i aplicació ha cres-cut contínuament des del seu descobriment als anys 90. Aquesta tesi s'ha centrat principalment en el coure, del qual es presenta, en primer lloc, un estudi fonamental sobre la dissociació de l'oxígen per clusters de diferents grandàries. Després, s'explora computacionalment la catàlisi de les oxidacions de CO i de propè, confirmant que els clusters de Cu5 (o inferior) són prometedors per a reaccions d'oxidació. Les dues reaccions utilitzades són bons exemples de l'aplicació potencial en indústria, siga per reduir emissions de CO o per produir epòxid de propè, que és un intermedi important en la producció de plàstics i adhesius, entre altres. A més, també es va estudiar la influència de dos suports en els clusters de coure i la seua capacitat d'oxidació: N-grafè com a un sistema més inert i cèria com a un que pot participar activament en reaccions d'oxidació. Finalment, s'inclouen altres dos estudis més específics, sobre la capacitat dels clusters de Pt3 y Pd3 per catalitzar reaccions d'acoblament C-C com la reacció de Heck, important per a la síntesi de productes de la química fina, i sobre la reacció CO + NO als clusters de Pt, motivat pel seu ús potencial com a catalitzadors per a la conversió d'eixes espècies en els menys perjudicials CO2 i N2 als motors de combustió interna.<br>[EN] Due to their subnanometric size, metal clusters belong to the regime affected by quantum confinement, which makes them more "molecular" and less "metallic". As a result, they exhibit properties that differ with respect to those of larger particles of the same element, and which are often advantageous in the catalysis of specific reactions. Besides, their smaller size makes them more economic and with a higher surface exposed. All of this renders metal clusters very interesting options for catalysis, and their study, synthesis and application has steadily increased since their discovery in the 90s. In this work we have largely focused on copper, of which a fundamental study on the oxygen dissociation by clusters of different sizes is first presented. Then, the catalysis of the CO and propene oxidation reactions is theoretically explored, confirming that Cu5 (or smaller) clusters are promising systems for oxidation reactions. The two reactions used are good examples of the potential application in industry, either to reduce CO emissions or to produce propene epoxide, an important intermediate in the production of plastics and adhesives, among others. In addition, the influence of two supports in the copper clusters and their oxidation capability is explored: on N-graphene as a more inert system and on ceria as one that can actively participate in oxidation reactions. Finally, two other more specific studies are included, regarding the capability of Pt3 and Pd3 clusters to undergo C-C coupling reactions such as the Heck reaction, important for the synthesis of many products of fine chemistry, and regarding the CO + NO reaction on Pt clusters, motivated by their potential use as catalysts for the conversion of those species in less harmful CO2 and N2 in internal combustion engines.<br>En primer lugar me gustaría agradecer al Ministerio de Economía y Competitividad de España (MINECO) por la financiación de esta tesis mediante el programa Severo Ochoa (SVP-2013-068146), incluyendo los costes adicionales de mi estancia de investigación (EEBB-I-17-12057).<br>Fernández Villanueva, E. (2019). Theoretical Study of the Geometrical, Electronic and Catalytic properties of Metal Clusters and Nanoparticles [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/135277<br>TESIS

One of the major current scientific goals is the development of renewable energy sources. An effective alternative to fossil fuels consists in the conversion of the sunlight energy into chemical fuels. The molecular hydrogen from water is considered the most promising energy carrier. In the natural photosynthesis the solar energy is stored into the carbohydrate chemical bonds derived from water and CO2. The key step of this process is the photo-oxidation of H2O molecules into O2, which provides the protons and electrons needed to produce H2. A detailed knowledge of the reaction mechanisms results essential to enhance the catalytic performance and to ensure the compatibility of the water oxidation and proton reduction catalysts. In this thesis, the key steps of the water oxidation and proton reduction reactions catalyzed by a group of metal complexes and the catalysts structural features that benefit both processes are studied using computational tools<br>Un dels grans reptes actuals consisteix en el desenvolupament de fonts d'energia renovables. Una alternativa eficaç als combustibles fòssils consisteix en la conversió de l'energia solar en combustibles químics. L’hidrogen molecular provinent de l’aigua és considerat el portador d’energia més prometador. En la fotosíntesi natural l’energia solar és emmagatzemada en els enllaços químics dels carbohidrats obtinguts a partir d’aigua i CO2. L’etapa clau del procés és la foto-oxidació de l'aigua en O2, que aporta els protons i electrons necessaris per produir H2. El coneixement detallat del mecanisme de reacció resulta essencial per millorar el rendiment catalític i assegurar la compatibilitat dels catalitzadors d’oxidació de l’aigua i reducció de protons. En aquesta tesi, les etapes fonamentals del mecanisme de les reaccions d’oxidació de l’aigua o la reducció de protons catalitzades per un grup de complexos metàl·lics i les característiques estructurals dels catalitzadors que beneficien ambdues reaccions són estudiades utilitzant eines computacionals