Molecular Modeling of Encapsulation and Catalysis in Supramolecular Metallocages

Abstract

En aquesta tesi, s'utilitzen simulacions de dinàmica molecular i càlculs de mecànica quàntica per investigar encapsulacions de molècules host (hostes) i augments molt significatius de la velocitat de reacció per a processos encapsulats en metalocaixes supramoleculars K12[Ga4L6], desenvolupades pel grup de Raymond. L'encapsulació de molècules host catiòniques s'ha investigat per establir un protocol per obtenir paràmetres del camp de forces validat respecte de dades experimentals. Les energies de Gibbs per al procés d'encapsulació es van calcular mitjançant simulacions MD utilitzant el mètode attach-pull-release (APR). En base a una bona concordança entre els càlculs i els experiments (amb una desviació absoluta d'aproximadament 2.0 kcal/mol), es proposa un procediment de parametrització per determinar els paràmetres no estàndard del sistema. La barrera d'energia de Gibbs per a l'encapsulació es va analitzar mitjançant l'anàlisi del potencial de força mitjana; aquest es construeix a partir de les simulacions umbrella sampling (US) amb el mètode d’anàlisi d’histograma ponderat (weighted histogram analysis method, WHAM). L'origen de les enormes acceleracions de la velocitat de reacció, comparables a les enzimàtiques, a les formacions d'enllaços C-C dels complexos d'AuIII i PtIV, i a la reacció de Nazarov, s'ha investigat mitjançant càlculs de QM guiats per simulacions de MD. Per als primers, l'anàlisi de l'acceleració de la velocitat es va fer en termes de microsolvatació i encapsulació. Els resultats mostren que el terme de microsolvatació és diferent per a aquests dos complexos metàl·lics (molt més gran per al complex AuIII que per al complex PtIV) i la interacció entre el complex metàl·lic i la metalocaixa és la principal contribució a la catàlisi a l'encapsulació. Per a la reacció de Nazarov, l'organització prèvia del substrat i l'estabilització del substrat protonat són fonamentals per a l’acceleració del procés. L'encapsulació del substrat per la metalocaixa indueix la preorganització. La protonació del substrat s'estabilitza substancialment dins de la metalocaixa, cosa que indica un canvi significatiu de la basicitat del substrat encapsulat, que és el factor principal en la catàlisi d’ aquest procés. En general, els resultats presentats en aquesta tesi mostren la utilitat dels mètodes computacionals per aprofundir la comprensió dels processos d'encapsulació i catàlisi mitjançant metalocaixes supramoleculars.

En esta tesis se emplean simulaciones de dinámica molecular y cálculos de mecánica cuántica para investigar tanto encapsulaciones de moléculas host (huéspedes), como aumentos muy significativos de la velocidad de reacción para procesos encapsulados en metalocajas supramoleculares K12[Ga4L6]. Esta metalocajas han sido desarrolladas por el grupo de Raymond. La encapsulación de moléculas host catiónicas se ha investigado para establecer un protocolo para obtener parámetros del campo de fuerzas validado respecto a datos experimentales. Las energías de Gibbs para el proceso de encapsulación se calcularon mediante simulaciones MD utilizando el método attach-pull-release (APR). Sobre la base de una buena concordancia entre los cálculos y los experimentos (con una desviación absoluta de aproximadamente 2.0 kcal/mol), se propone un procedimiento de parametrización para determinar los parámetros no estándar del sistema. La barrera de energía de Gibbs para la encapsulación se analizó mediante el análisis del potencial de la fuerza media; este se construye a partir de las simulaciones umbrella sampling (US) con el método de análisis de histograma ponderado (weighted histogram analysis method, WHAM). El origen de las enormes aceleraciones de la velocidad de reacción, comparables a las enzimáticas, en las formaciones de enlaces C-C de los complejos de AuIII y PtIV, y en la reacción de Nazarov se ha investigado mediante cálculos de QM guiados por simulaciones de MD. Para el primero, el análisis de la aceleración de la velocidad se realizó en términos de microsolvatación y encapsulación. Los resultados muestran que el término de microsolvatación es diferente para estos dos complejos metálicos (mucho mayor para el complejo AuIII que para el complejo PtIV) y la interacción entre el complejo metálico y la metalocaja es la principal contribución a la catálisis en la encapsulación. Para la reacción de Nazarov, la organización previa del sustrato y la estabilización del sustrato protonado son fundamentales para esta aceleracion del proceso. La encapsulación del sustrato por el metalocaja induce a su preorganización. La protonación del sustrato se estabiliza sustancialmente dentro de la metalocaja, lo que indica un cambio significativo de la basicidad del sustrato encapsulado, que es el factor principal en esta catálisis en este proceso. En general, los resultados presentados en esta tesis muestran la utilidad de los métodos computacionales para profundizar la comprensión de los procesos de encapsulación y catálisis mediante metalocajas supramoleculares.

In this thesis, molecular dynamics simulations and quantum chemical calculations are employed to investigate guest-encapsulations and rate-enhancements in a K12[Ga4L6] supramolecular metallocage developed by the Raymond group. Encapsulation of cationic guest molecules has been investigated to establish a protocol validated against numerical experimental data. Their binding Gibbs energies were computed with MD simulations using the attach-pull-release (APR) approach. Based on the excellent agreement between calculations and experiments (the absolute deviation of up to ca. 2.0 kcal/mol), a parametrization procedure is proposed to better quantify the non-standard parameters of the system. The Gibbs energy barrier for encapsulation is also determined by the potential of mean force constructed from the umbrella sampling (US) simulations with the weighted histogram analysis method (WHAM). A description at a molecular level of the encapsulation is obtained. The origin of enzymelike rate enhancements in C-C bond formations from Au(III) and Pt(IV) complexes and in the Nazarov reaction have been investigated by QM calculations guided by MD simulations. For the former, the analysis of the rate acceleration performed in terms of microsolvation and encapsulation shows that microsolvation term is different for these two metal complexes (much larger for Au(III) complex than for Pt(IV) complex) and the interaction between the metal complex and metallocage is the main contribution to the catalysis upon the encapsulation. For the Nazarov reaction, the pre-organization of the substrate and the stabilization of the protonated substrate are fundamental to this rate enhancement. The encapsulation of the substrate by the metallocage induces the substrate pre-organization. The protonation of the substrate is substantially stabilized by the metallocage, indicating a shift of the basicity of the alcohol substrate in the metallocage which is the main factor in this catalysis. Overall, the results presented in this thesis show the usefulness of computational methods to deepen understanding encapsulation and catalytic processes in supramolecular metallocages