Molecular Modeling of Encapsulation and Catalysis in Supramolecular Metallocages

Tesis doctoral

Resumen

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.
Fecha de lectura1 dic 2021
Idioma originalInglés
SupervisorJeandi Marechal (Director/a) & Gregori Ujaque Perez (Director/a)

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