源代码公然Nat Chem教咱们何如行使估量机正在线计

  -酶来生产加工食品和饮料。到了今天,现代化学合成催化剂在能源领域有大量应用。然而,经过一个世纪的发展,研究人员需要能够在更短的时间内开发出更有效的催化剂,要用最短的时间,开发出性能优异的分子催化剂。比如设计一个功能齐全的催化剂数据库“口袋”(catalytic pocket)用于合成催化剂,使底物在三维原子空间内适当排列结合并发生反应(图1)。

  近日,沙特阿卜杜拉国王科技大学物理科学与工程部催化研究中心的Luigi Cavallo教授在国际顶级期刊《Nature Chemistry》上登文。他认为,在化学合成中,有两种常见方法用于开发新的催化剂:一是利用催化剂大型数据库的高通量筛选尽可能的探索候选种类;另一方面是开发具有预定性质的催化剂,通过几次迭代,将催化剂的性能提高到令人满意的水平。因此,催化剂设计的主要挑战之一,是将效率低下的催化剂原型调整到符合工业应用严格标准的系统。

源代码公然Nat Chem教咱们何如行使估量机正在线计

  分子描述符是预测催化剂设计的支柱之一,它们量化了催化剂的性质,从而使实验性能与结构表现出相关性。Hammett教授提出了分子描述符这一概念,通过基于两个参数的经验方程,可以关联涉及芳香族化合物反应的速率和平衡常数。自从这项工作以来,已有其它描述符被提出用来建立给定的有机金属催化剂中的定量结构-活性关系。Tolman针对膦将催化剂的实验性能与表征配体的两种不同描述符联系起来:一个电子描述符捕获由化学键传输引起的电子效应,一个空间描述符表现来自分子各部分之间的力(通常是非键合)(图2a)。

源代码公然Nat Chem教咱们何如行使估量机正在线计

  Tolman引入的立体描述符,锥角θ(图2b),是最流行的立体描述符之一,它甚至被收录在有机金属化学教科书。然而,它仅适用于膦。更普适的空间描述符包括Taft, Charton和Verloop,以及%VBur,量化含氮杂环卡宾N-heterocyclic carbenes (NHCs)的空间位阻。如图2b,%V Bur量化了由有机配体占据的金属中心周围的第一配位分数,由于其专注于金属周围的空间占据,而不是特定配体的特征,因此可用于构建任何类别的催化剂和配体的性质-结构关系。然而,大多数的描述符受限于将给定催化剂的特征固定为单个数字,而实际化学行为通常更复杂,因为它与催化剂的三维(3D)结构有关。这一点在不对称合成的情况下变得最为关键,其催化剂的选择性与催化剂的去对称化有关,而单值描述符无法捕获这些特征。这种限制促使了对能够捕获催化剂3D形状的描述符研究。目前提出的一些解决方案有三种:(1)立体图,一种用于定位最大不对称区域的映射技术 ; (2)可接近分子表面,基于金属中心的溶剂及表面积来量化螯合配体的固有空间性质; (3)空间位阻Sterimol参数,通过测量沿着特定方向上取代基的尺寸,捕获配体的大小和形状上的金属参数(图 2b)。这些方法是量化催化剂差异的有力工具,定量地将催化剂的实验性能与其结构关联。然而,它们不能提供催化剂的可视化3D结构。

  催化剂的概念源自于酶催化领域,Fischer首次引入锁钥模型,建立了适当形状的催化剂。这些概念可以扩展到分子过渡金属催化剂,因为高选择性的催化活性要求在酶簇和合成催化剂之间具有形状互补性。然而,能够使过渡金属配合物催化剂形状可视化的工具却十分稀少。

  作者在本文中介绍了空间位阻映射概念(图2c中),类似于地形等高图,地形立体图可以提供催化剂与配体基质之间相互作用的表面图像,而限定表面的数值点阵列可用于定量分析。金属中心相当于海平面,复合体被定向为最大化暴露金属中心的顶视图,利用等高线提供催化剂的定量描述。

  除了提供催化剂的图像外,地形立体图也可以被认为是过渡金属络合物的指纹。如图3所示为三个相关的特殊手性配体:C2-对称配合物1和2中的双恶唑啉和联萘配体以及C1-配位络合物3中的膦基恶唑啉配体。各种教科书记录了这些配合物反应的诱导选择性,包​​括Diels-Alder环加成反应,Michael和Mukaiyama-Michael加成反应,Heck反应和不对称氢化反应。

  图3为为不同配体催化剂的立体图。在第一个图中,双唑啉配体占据催化剂的赤道空间,叔丁基对应着图上西南和东北象限的凸起。第二个图中的联萘配体类似图1中西北至东南凹槽,而在西南和东北象限中的苯基团空间位阻更强。图3的催化剂可以被认为是1和2合并的催化剂,西半球类似于1,东半球类似于2。

源代码公然Nat Chem教咱们何如行使估量机正在线计

  地形立体图可以作为新催化剂的设计指南,因为它们可以确定结构变化的影响。例如:Bertrand课题组使用地形立体图来设计与五元环状CAAC-5,六元卡宾CAAC-6配体(图4a)。关于CAAC-5 Pd-配合物的研究表明,图4中的催化剂4中,乙基取代基不能促进α-芳基化反应,而催化剂5中庞大的取代乙基,与低空间的芳基氯化物(即氯苯)显示出高反应活性。然而,催化剂5显示出低反应性芳基氯化物,例如o型氯甲苯(o-chlorotoluene)或2-氯m型二甲苯(2-chloro-m-xylene)。这说明了CAAC配体具有较大的空间位阻,但比催化剂5更灵活,可提供更好的催化效率,并且底物范围可以扩大到各种芳基氯化物。因此,CAAC-6配体的催化剂6,也具有提供电子的优点。基于配合物中催化剂的比较分析,来进行催化剂设计的另一个实例,是用于Pd催化乙烯与具有极性官能团的烯烃共催化形成螯合配体(图4b),在Drent型催化剂(10)中增加膦-磺酸基Pd-配体,可以使乙烯与更高(和更大)的烯烃共聚,大大减少了共聚单体的掺入量(图4b)。Carrow等通过设计具有基于膦酸二酰胺-膦(PDAP)基序的螯合P(V)-P(III)配体Pd催化剂解决了这个问题,如催化剂9(图4b)所示。对带有一系列不同取代PDAP配体的Pd配合物催化共聚行为进行比较,可以鉴定出络合物,如催化剂11,是乙烯与极性乙烯基单体插入共聚的有效催化剂。

源代码公然Nat Chem教咱们何如行使估量机正在线计

  由于立体图可以识别暴露的催化剂表面,因此它可以在其物理化学性质方面进一步表征分析催化剂。例如,仅基于其空间性质分析催化剂不足以解释苯基硼酸不对称1,4-加成2-环己烯酮的选择性(图5a)。Rh-催化剂12和13促进了手性3-苯基环己酮的形成(图5b),但向上取向的S = O部分控制催化剂13应该具有较低的选择性(图5c),而12催化剂是高度不对称的,具有向上取向的对甲苯基形成的西北至东南取向的沟槽(图5d)。DFT计算表明,在有利的过渡态中,反应基团被容纳在该凹槽中(图5c),相比之下,13的立体图显示了更平坦的催化剂(图5d)。DFT计算静电势表征立体图定义的催化剂表面提供了两种催化剂的不同视角(图5e)。13的催化剂静电势图是不对称的,位于S=O部分区域具有负的静电势。相反,12的静电电位图更加平坦。简而言之,使用空间图对催化剂进行成像,并使用一般性质(如静电势)表征其表面,使我们能够解释12和13的立体选择性高低的原因。

源代码公然Nat Chem教咱们何如行使估量机正在线计

  地形立体图的应用不限于合成分子催化剂,还可用于表征天然或人工金属酶催化剂。在此,本文对野生单核催化剂和计算机模拟羟基扁桃酸合成酶进行比较讨论。野生型酶促进苯基-丙烯酸转化为(S)-扁桃酸,而突变体被设计成诱导相反的对映选择性,并有利于(R) -扁桃酸的形成(图6a)。这些蛋白质的活性位点(图6b)呈现三角双锥体Fe中心,在赤道平面上具有His181和His261的配位N-ε原子,并且沿主轴有Glu340的羧酸根的氧。在野生型酶(PDB ID:2R5V)和突变体(PDB ID:3ZGJ)的X射线结构中,这些位置被(S)-扁桃酸盐和(R)-扁桃酸盐产物占据。如图6c中的立体图所示,在野生型酶催化剂中,金属上方的空间受到若干残基(位置223,234,261,340,350和359中的那些)约束。因此,(S)-扁桃酸盐的芳环被置于金属和残基Thr234和Val223之间子催化剂的西南象限中。相反,在突变体中,(R)-扁桃酸的芳环位于催化剂的西北象限。(R)-扁桃酸不能容纳在野生型酶催化剂中,因为它的芳环会与大的Tyr359残基发生碰撞。通过比较催化剂的空间表现,V223F和Y359A突变的影响被证实:V1223F突变阻断了西南象限的开放空间,其中将放置(S)-扁桃酸的芳环,而Y259A突变在西北象限打开空间,以容纳(R)-扁桃酸的芳香环。

源代码公然Nat Chem教咱们何如行使估量机正在线计

  在本文中,作者表示使用催化剂分子描述符(例如Sterimol空间参数,地形立体图或最近提出的平均空间占有描述符)对催化剂分类,可以促进设计更优异的催化剂。催化剂形状的描述符,地形立体图可以被视为表征过渡金属催化剂的指纹。基于初步结果,可以使金属蛋白应用于生物催化中。本文描述的演变过程可以从SambVca Web服务器下载,使用和修改源代码来实现。该服务器可以计算埋藏量和立体图。融合立体地图的源代码,开发能够实时优化分子结构的计算方法有助于实现网络计算机3D辅助设计系统,可以对初始催化剂骨架进行交互式修改。空间位图可以被用作多线性回归分析内的数字空间描述符,或者被嵌入在机器学习中对新催化剂进行高通量筛选。

源代码公然Nat Chem教咱们何如行使估量机正在线计

  本文由能源学人编辑Lyncccom发布整理,非特别说明为独家版权,转请注明出处: