Modelització molecular de complexos dels metalls de transició amb el mètode híbrid imomm. de l'organometàl·lica a la bioinorgànica

Abstract

Els mètodes híbrids MQ/MM poden ser de gran utilitat en l'estudi de complexos de metalls de transició d'elevada grandària. Tanmateix, la seva aplicació és encara recent i requereix una avaluació inicial de les seves limitacions.<br/>L'objectiu fonamental d'aquesta tesi és explorar la validesa del mètode híbrid IMOMM en la correcta representació química dels sistemes dels metalls de transició i aplicar-ho a problemes químics d'interès. <br/>En primer lloc s'ha dut a terme l'estudi d'una sèrie de compostos organometàl·lics. Una de les característiques computacionalment més costoses de representar correctament en complexos dels metalls de transicó de certa grandària la constitueixen els efectes estèrics, a causa que per tal de reproduir-los adequadament és necessari incloure al complex model tots els àtoms que el constitueixen, cosa que, sovint, fa impracticable el seu estudi amb mètodes ab initio purs. En aquest sentit, els mètodes híbrids i, en concret, el mètode IMOMM, poden ser de gran utilitat. Cal demostrar, però, la seva validesa en la representació de la geometria i energia dels sistemes estudiats de manera que la preferència conformacional d'un complex pugui ser expressada en termes de repulsions estèriques i energies relatives. És aquest un primer punt important que resoldrem en base a contrastacions amb dades experimentals i que ens permetrà l'extrapol·lació metodològica a complexos en què aquestes dades manquin. Es poden trobar compostos organometàl·lics en què l'efecte dels substituents en els lligands és d'una naturalesa clarament estèrica. Aquest tipus de compostos són ideals per a l'avaluació de les prestacions del mètode IMOMM i per aquest motiu se n'han estudiat dos en detall.<br/>Per tal que l'atribució a una determinada preferència conformacional sigui útil en el disseny de nous compostos amb les propietats desitjades és útil, també, una localització i quantificació dels efectes electrònics i estèrics que la determinen. Amb aquesta finalitat, definim i explorem una metodologia de treball aplicable a qualsevol tipus de compost.<br/>L'impressionant interès que ha despertat la biomimètica com a modelització in vitro de sistemes biològics que contenen metalls de transició ha fet que nombrosos grups de químics teòrics s'embranquessin en el seu estudi. Però malgrat la simplificació que sovint comporta la biomimètica, la complexa naturalesa dels sistemes biològics fa que els models biomimètics conituïn essent exemples de complexos computacionalemnt massa costosos per als seu estudi amb mètodes ab initio purs.<br/>La seva complexitat electrònica fa necessària una descriptció quàntica, però l'elevat nombre d'àtoms que són determinants en l'estructura els fa computacionalment molt costosos. Així doncs, ens trobem de nou davant d'un problema idoni per ser abordat amb la metodologia IMOMM. També en aquest cas serà necessari un test que permeti contrastar els resultats obtinguts amb dades experimentals.<br/>En resum, aquesta tesi presenta un seguit d'aplicacions del mètode IMOMM a sistemes de metalls de transició que van des de les aplicacions inicials del mètode a problemes simples de química organometàl·lica fins a aplicacions novedoses en el camp de la biomimètica. Les primeres aplicacions a l'organometàl·lica tracten problemes relativament simples, i n'obtenim resultats concloents. En contrast, el treball presentat en biomimètica deixa encara moltes preguntes obertes. Es tracta, però, de temes més ambiciosos i d'interès més general, raó per la qual el treball presentat representa una aportació útil que facilitarà el camí a recerques posteriors.

Hybrid QM/MM mèthods can be very useful on the study of relatively big transition metal complexes. Otherwise, its application is still recent and requires an initial evaluation of its limitations.<br/>The main goal of this thesis is to explore the ability of the IMOMM method on the correct chemical representation of transition metal systems and its application to chemical problems of interest. <br/>First, an study has been carried out on a series of organometallic compounds. One of the more computationally demanding characteristics to be reproduced in transition metal complexes of certain size is steric effects because in order to reproduce them correctly, it is necessary to include in the model complex all constituting atoms. This fact usually makes them unaffordable by pure ab initio methods. Thus, hybrid methods, and especifically the IMOMM method, can be very useful. But its validity on the geometry representation and energy of the studied systems has to be proved and the conformational preference expressed in esteric repulsions and relative energies terms. This is a first important point that we plan to resolve by comparisons with experimental data and that will provide us a methodological extrapolation to complexes with no experimetal data. Organometallic compounds can be found in which the effect on ligand substitution is of a clearly steric nature. This kind of compounds are suitable for the evaluation of the abilities of the IMOMM method and because of that, two of them have been studied in detail.<br/>In order to perform associations with a concrete conformational preference to be used in new compounds desing with desired properties, it can be useful too the location and quantification of electronic and steric effects that determine it. With this idea in mind, we define and explore a new methodology that can be applied to any compound.<br/>Biomimetics has raised an impressionant interest as in vitro modelization of biological systems containing transition metals and because of that, an increasing number of theoretical chemists has started on their study. But even with the simplification that biomimetics usually represents, the complexity on the nature of biological systems makes biomimethic complexes still too computationally demanding for its theoretical study by pure ab initio methods. Their electronic complexity forces a quantic description, but the elevate number of atoms which are determining on the structure makes them computationally expensive. Thus, we face again an ideal problem to be computed by IMOMM methodology. Also in this case, a test has to be performed in onder to compare obtained results with experimental data.<br/>This thesis presents a number of applications of the IMOMM method to transition metal systems which range from initial applications to simple problems on organometallic chemistry to novel applications on bioimimethic field. First applications on organometallics approach relatively simple problems and the results we obtain are concluent. On contrast, work presented on biomimetics leaves many questions opened. These themes are more ambitious and because of this, presented work represents a useful contribution which will facilitate the work on future research.