Quantum chemical modeling of homogeneous and enzymatic catalysis


Project leader


Funding source

Swedish Research Council - Vetenskapsrådet (VR)


Project Details

Start date: 01/01/2010
End date: 31/12/2013
Funding: 3153000 SEK


Description

Teoretiska beräkningar har under senare år börjat få stor betydelse för förståelsen av katalytiska processer inom både kemi och biologi. De viktigaste anledningarna till detta är, dels den enorma utveckling på datorsidan, men framförallt framtagandet av så-kallade täthetsfunktionalmetoder (Density Functional Theory, DFT). Dessa metoder gör det möjligt att med hög noggrannhet behandla mycket större system jämfört med traditionella kvankemiska metoder. Med dagens datorer kan man rutinmässigt klara av mer än 100 atomer med DFT metoder, vilket har gjort det möjligt att modellera katalytiska reaktioner på ett mycket realistiskt sätt. I de fall där större system behövs för att modellera reaktionen, t.ex. stora enzymatiska aktiva säten, eller organometalliska komplex med stora ligander, så kan man använda QM/MM (Quantum Mechanics/Molecular Mechanics) hybrid metoder. I dessa behandlas en mindre del av systemet, där den intressanta kemin sker, med nogranna kvantmekaniska metoder, medan resten behandlas med klassisk molekylmekanik. QM/MM metoder är idag tillgängliga i standard kvantkemiprogram, såsom t.ex. Gaussian. Forskningen inom detta projekt är centrerad kring två huvudteman, nämligen den teoretiska modelleringen av enzymatisk och organisk/organometallisk katalys. Teoretiska studier kompletterar experiment inom dessa områden i det att flera olika reaktionsmekanismer kan beräknas och jämföras, och att övergångstillstånd (transition states) och kortlivade intermediärer kan identifieras och karaktäriseras. Detta multidisciplinära forskningsfält kräver djup kunskap inom flera ämnen. För att förstå hur ett enzym katalyserar sin reaktion behövs detaljerad kunskap om flera aspekter. Bland de viktigaste är den geometriska och elektroniska strukturen av det aktiva sätet av enzymet. Detta är särskilt viktigt för metalloenzymer, där reaktionerna generellt styrs av den lokala miljön av det aktiva sätet. Modeller av aktiva säten i enzymer och katalytiska metallokomplex kommer att tas fram och karaktäriseras med avseende på geometrier, spinn-, oxidations- och protoneringstillstånd. Fulla energiytor, inklusive intermediärer och övergångstillstånd, kommer att beräknas för olika föreslagna mekanismer. Omgivningens påverkan på reaktionen kommer också att studeras. Det kan t.ex. vara enzymomgivningen runt aktiva sätet, eller lösningen där reaktionen sker. Exempel på enzymer som kommer att studeras är multinukleära zinkenzymer samt enzymer som tillhör tautomerassuperfamiljen. Inom organisk katalys kommer vi t.ex. att studera hur korta peptider kan användas som katalysatorer för enantioselektiva reaktioner, samt hur koppar kan katalysera syntes av beta-lactam. Detaljerad förståelse av enzymers reaktionsmekanismer kan i förlängningen leda till bättre inhibitorer och därmed nya förbättrade läkemedel. Det kan också leda till nya syntetiska biomimetiska komplex som "härmar" enzymreaktionerna. På motsvarande sätt, exakt kunskap om mekanismer för organiska reaktioner kan leda till optimering av dessa reaktioner samt att hitta nya tillämpningar för existerande katalysatorer.

Last updated on 2017-31-03 at 12:57