DFT calculations towards predictive organo/organometallic chemistry

Abstract

ENG- In the early 20th century, the development of quantum mechanics laid the groundwork for analysing the mechanisms underlying chemical processes. Today, studying the mechanism of a reaction allows for intervention in the chemical process to accelerate the reaction or improve its selectivity. Density Functional Theory (DFT) provides an efficient theoretical framework with low computational complexity for simulating various chemical processes. First, the enzymatic-like behaviour of iridium catalysts developed by Gramage-Doria et al. was studied by examining the distortions produced on the reagent and identifying which steric and electronic factors affect the reactivity of this system. Later modifications on first coordination sphere leads to a very fast reaction and DFT explains those experimental findings by means of non-covalent interactions. Similar analysis was then applied to the case of benzamides borylation. In this latter reaction, DFT and kinetic studies indicate the C – B bond formation as the TON – determining state. Then, the focus shifted to a computational analysis of a series of reactions catalysed by potassium tert-butoxide (KOtBu). The use of this potassium salt obviates the need for transition metals, and studying its reactivity led to the development of more eco friendly reactions. At the beginning, the research focuses on the reaction of 2-amino benzyl alcohols with aryl amides. Once unveiled the effect of potassium on this reaction, modifications on reactants were proposed. Consequently, new reactions were developed, tested and analysed. Moreover, DFT calculations could play a role in understanding wine chemistry, and it was helpful to unravel the complex scenario in wine solutions leading to the catechin oligomerization catalysed by acetaldehyde. On the other hand, the field of cross-metathesis was also investigated. DFT calculations predicted and analysed the greater reactivity of germasilsesquioxanes in alkene metathesis reactions with styrene catalysed by first-generation Grubbs catalysts. The reaction was explained in terms of strain and non-covalent interactions. Still in the realm of metathesis reactions, only by means of DFT it was possible to determine the role played by isomerization processes in alkyne metathesis catalysed by Jia’s new catalysts. Finally, DFT calculations and LFERs were used to determine which factors influence the cis trans equilibrium of benzanilides or the various properties of sterically hindered amines. In the first case, additionally predictive models were generated by using LOOCV and the prediction was verified experimentally. In the second case, trends and correlations were analysed by means of LFERs with the aim of maintaining a clear chemical results interpretation

CAT- . A principis del segle XX, el desenvolupament de la mecànica quàntica va establir les bases per analitzar els mecanismes subjacents dels processos químics. Avui dia, l'estudi del mecanisme d'una reacció permet intervenir en el procés químic per accelerar la reacció o millorar-ne la selectivitat. La Teoria del Funcional de la Densitat (Density Functional Theory, DFT) proporciona un marc teòric eficient amb baixa complexitat computacional per a la simulació de diversos processos químics. En primer lloc, es va estudiar el comportament enzimàtic dels catalitzadors d’iridi desenvolupats per Gramage-Doria et al., examinant les distorsions produïdes en el reactiu i identificant quins factors estèrics i electrònics afecten la reactivitat d'aquest sistema. Posteriorment, modificacions a la primera esfera de coordinació van conduir a una reacció molt ràpida, i la DFT va explicar aquests resultats experimentals mitjançant interaccions no covalents. Una anàlisi similar es va aplicar després al cas de la borilació de benzamides. En aquesta última reacció, els estudis de DFT i cinètica indiquen que la formació de l’enllaç C–B és l’estat determinant del número de recanvi catalític (TON). A continuació, l’enfocament es va traslladar a una anàlisi computacional d’una sèrie de reaccions catalitzades per tert-butòxid de potassi (KOtBu). L'ús d'aquesta sal de potassi elimina la necessitat de metalls de transició, i l'estudi de la seva reactivitat va permetre el desenvolupament de reaccions més ecològiques. Inicialment, la recerca es va centrar en la reacció d’alcohols 2-amino benzílics amb aril amides. Un cop desvelat l'efecte del potassi en aquesta reacció, es van proposar modificacions en els reactius. Com a resultat, es van desenvolupar, provar i analitzar noves reaccions. A més, els càlculs de DFT podrien tenir un paper en la comprensió de la química del vi i van ser útils per desxifrar l’escenari complex de les solucions vínques que condueixen a l’oligomerització de catequina catalitzada per acetaldehid. D'altra banda, també es va investigar el camp de la cross-metathesis. Els càlculs de DFT van predir i analitzar la major reactivitat dels germasilsesquioxans en reaccions de metàtesi d'alquens amb estirè catalitzades pels catalitzadors de Grubbs de primera generació. La reacció es va explicar en termes de tensió i interaccions no covalents. Seguint amb les reaccions de metàtesi, només mitjançant la DFT va ser possible determinar el paper que juguen els processos d’isomerització en la metàtesi d’alquins catalitzada pels nous catalitzadors de Jia. Finalment, els càlculs de DFT i les relacions lineals d’energia lliure (Linear Free Energy Relationships, LFERs) es van utilitzar per determinar quins factors influeixen en l’equilibri cis trans de les benzilanilides o en les diverses propietats de les amines estèricament impedides. En 11 el primer cas, a més, es van generar models predictius utilitzant validació creuada leave-one out (LOOCV) i la predicció es va verificar experimentalment. En el segon cas, es van analitzar tendències i correlacions mitjançant LFERs amb l'objectiu de mantenir una interpretació química clara dels resultats