http://hdl.handle.net/10256/4386 Fri, 18 Apr 2025 07:49:20 GMT 2025-04-18T07:49:20Z http://hdl.handle.net/10256/26466 Exploring the use of Rh-catalyzed cyclization reactions for the functionalization of fullerenes Castanyer Caballé, Cristina ENG- Fullerenes are spherical carbon allotropes formed by an even number of carbon atoms organized in twelve pentagons and a variable number of hexagons, being C60 and C70 the two most widely known fullerenes of this family of compounds. Since their discovery, they have aroused great interest due to their characteristics and properties, which make them attractive compounds for various applications in the fields of biomedicine and photovoltaic energy. However, one of the main disadvantages of their use is that they must be previously functionalized to make them more manipulable. Although significant progress has been achieved in the field of fullerene functionalization, there is still much to be discovered. Currently, the emphasis is on improving the selectivity of processes and efficiently synthesizing new derivatives using innovative methods, compounds which may be potentially interesting for applications. The use of cyclizations catalyzed or promoted by transition metals has become one of the efficient alternatives to synthesize fullerene derivatives fused with carbo- and heterocyclic rings of different sizes and varied functionality. Our research group has considerable experience in the development of transition metal-catalyzed cyclizations, specifically, rhodium-catalyzed [2+2+2] cycloadditions involving various unsaturations. Recently, this reaction has been applied to the functionalization of fullerenes, where a rhodium-catalyzed [2+2+2] cycloaddition reaction between 1,6-diynes and C60 has allowed the synthesis of new open-cage derivatives of C60. Some of the derivatives prepared have proven to be good electron transport materials in perovskite solar cells. The main objective of this doctoral thesis is to focus on the development of new methodologies for the functionalization of fullerenes through cyclization processes catalyzed by rhodium involving different unsaturated substrates. The work begins by undertaking a revision of the cyclization processes catalyzed or promoted by transition metals used for the functionalization of fullerenes that have been reported in the literature, offering an overview of the main topic of the doctoral thesis. We then go on to describe the synthesis of open-cage derivatives of C70 from the use of 1,6-diynes, applying the methodology previously reported by our group, with special emphasis on the regioselectivity of the process. This is followed by an extensive study of cyclization reactions of C60 and/or C70 catalyzed by different rhodium-based catalytic systems involving unsaturated substrates such as 1,5-bisallenes, 1,6-enynes and 1,6-allenynes. In these studies, the catalytic process is optimized, the scope of the reaction is carried out by varying the unsaturated substrates and the mechanism of the new process is investigated through experiments and computational studies based on DFT calculations. The final result is to allow the efficient preparation of a wide range of new fullerene derivatives with 6,5-, 6,6- and 6,7-membered ring fusions; CAT- Els ful·lerens són al·lòtrops esfèrics del carboni formats per un nombre parell d’àtoms de carboni organitzats en dotze pentàgons i un nombre variable d’hexàgons, sent el C60 i el C70 els dos ful·lerens més representatius d’aquesta família de compostos. Des del seu descobriment, han despertat un gran interès degut a les seves característiques i propietats, convertint-los en compostos atractius per diverses aplicacions, com ara en l’àmbit de la biomedicina o de l’energia fotovoltaica. No obstant això, un dels principals desavantatges pel seu ús és el fet que han d’estar prèviament funcionalitzats per tal de que siguin més manipulables. Tot i que s’han realitzat progressos en el camp de la funcionalització de ful·lerens, encara queda molt per descobrir. Actualment, les investigacions es centren en millorar la selectivitat dels processos i sintetitzar de manera eficient nous derivats a través de mètodes innovadors, compostos que poden ser potencialment interessants per a certes aplicacions. L’ús de les ciclacions catalitzades o promogudes per metalls de transició han esdevingut una de les alternatives eficients per sintetitzar derivats de ful·lerè fusionats amb anells carbo- i heterocíclics de diferents mides i variada funcionalitat. El nostre grup de recerca presenta una sòlida experiència en el desenvolupament de ciclacions catalitzades per metalls de transició, concretament, en les cicloaddicions [2+2+2] catalitzades per rodi involucrant diverses insaturacions. Recentment, s’ha aplicat aquesta reacció a la funcionalització de ful·lerens, on mitjançant una reacció de cicloaddició [2+2+2] catalitzada per rodi entre 1,6-diïns i C60 ha permès la síntesi de nous derivats open-cage de C60. Alguns dels derivats preparats han demostrat ser bons materials transportadors d’electrons en cel·les solars de perovskita. L’objectiu principal d’aquesta tesi doctoral es centra en el desenvolupament de noves metodologies per a la funcionalització de ful·lerens mitjançant processos de ciclació catalitzats per rodi involucrant diferents substrats insaturats. S’inicia el treball amb un recull dels processos de ciclació catalitzats o promoguts per metalls de transició emprats per a la funcionalització de ful·lerens reportats a la bibliografia, oferint una visió del tema principal de la tesi doctoral. Seguidament, es descriu la síntesi de derivats open-cage de C70 a partir de l’ús de 1,6-diïns aplicant la metodologia reportada prèviament pel nostre grup, fent especial èmfasi a la regioselectivitat del procés. Tot seguit, es duu a terme un ampli estudi de reaccions de ciclació catalitzades per diferents sistemes catalítics basats en rodi involucrant C60 i/o C70 i substrats insaturats tals com 1,5-bisal.lens, 1,6-enins i 1,6-allenins. En aquests estudis s’optimitzen el procés catalític, es dur a terme l’abast de la reacció variant els substrats insaturats i s’investiga el mecanisme del nou procés mitjançant experiments i estudis computacionals basats en càlculs DFT. Aquests estudis permeten la preparació eficient d’un variat ventall de nous derivats de ful·lerè amb fusions d’anells de 6,5-, 6,6- i 6,7-membres Tue, 14 Jan 2025 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10256/26466 2025-01-14T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10256/25901 Decomposition of (non)linear optical properties Montilla Busquets, Marc ENG- In the field of the decomposition of optical properties, there is a very clear issue that has to be solved: whenever one of these molecular properties is decomposed into atomic contributions or fragment contributions, the obtained values are origin-dependent. That is, if one were to move the arbitrary center of coordinates, the values given by the decomposition would change. Of course, one might simply suggest just not moving the origin, or perhaps sticking to a reasonable choice such as the center of mass, or the center of charge, so that results would at least be consistent. While these suggestions are very reasonable, there is a very clear issue. Even if consistency can be ensured in this way, in a scenario where the decomposed values depend on such an unrelated choice as the origin of coordinates, then are any of the values being obtained any good at all...? In this Thesis, we study this issue in depth, quantifying just how problematic this issue is, and developing two new methodologies that solve this issue by avoiding the terms in the expressions of the properties which generate the origin dependence (both in the context of energy decomposition, and also for dipole decomposition). These methodologies are applied to several molecular sets, and we explore their advantages, limitations, applicability, as well as analyzing the effect that several necessary arbitrary choices have on the results obtained; CAT- En el camp de la descomposició de les propietats òptiques, hi ha un problema molt clar que cal resoldre: quan una d’aquestes propietats moleculars és descomposada en les contribucions d’àtoms o fragments, els valors obtinguts són dependents de l’origen. És a dir, si un decidís moure la posició arbitrària de l’origen de coordenades, els valors obtinguts de la descomposició canviarien. És clar, un podria simplement suggerir no moure aquest origen, o potser limitar-se a una tria raonable, com el centre de masses, o el centre de càrregues, per tal que els resultats fossin, com a mínim, consistents. Aquestes suggerències són molt raonables, però no solucionen el problema evident. Encara que la consistència pugui ser garantida d’aquesta manera, en una situació on els valors descomposats depenen d’un factor tan irrellevant com l’origen de coordenades, podem realment considerar que aquests valors obtinguts siguin bons...? En aquesta Tesi, estudiem aquest problema a fons, quantificant com de problemàtic és aquest problema, i desenvolupant dues noves metodologies que solucionen aquest problema evitant els termes, en les expressions d’aquestes propietats, que generen la dependència de l’origen (en el context de la descomposició de l’energia, i també per la descomposició del moment dipolar). Aquestes metodologies són aplicades a diversos sets de molècules, i explorem els seus avantatges, limitacions, aplicacions, i també analitzem l’efecte que algunes tries arbitràries necessàries ténen en els resultats obtinguts Tue, 22 Oct 2024 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10256/25901 2024-10-22T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10256/25789 Development of novel computational protocols for the design of efficient enzymes Casadevall Franco, Guillem ENG- Enzymes are natural catalysts that speed up biochemical reactions efficiently, but their use in industry is often limited because they are usually specific to certain substances and reactions. Changing enzymes to work in new ways under certain conditions is difficult. One experimental method, Directed Evolution (DE), has shown remarkable results. However, it is expensive, time-consuming, and does not always explain why certain changes work better. Computational techniques present new possibilities for enzyme design. These methods help scientists understand how enzymes work and how they change their shape during reactions. For example, Molecular Dynamics (MD) simulations and methods of fast discovery of new shapes like accelerated MD or metadynamics allow researchers to explore a broader range of enzyme conformations and behaviors. However, these methods tend to start with a fixed enzyme structure, which can limit their ability to find new shapes. Statistical techniques like Principal Component Analysis (PCA) and Time-lagged Independent Component Analysis (TICA) help simplify complex data about enzyme movements but do not always show which parts of the enzyme are important for these changes. This thesis presents new computational strategies to better explore the range of enzyme structures and identify key sites for modification to create enzymes with new properties. Tools like the Shortest Path Map (SPM) web server, improvements in Deep Learning (DL) methods, and a new approach using Alphafold2 (AF2) for predicting enzyme shapes are herein discussed. It also showcases practical applications, such as modifying an enzyme called hydroxynitrile lyase (HNL) to become an efficient esterase (EST) through targeted mutations. These findings highlight the potential of computational methods to advance the design of new and improved enzymes; CAT- Els enzims són catalitzadors naturals que acceleren les reaccions bioquímiques de manera eficient, però el seu ús a la indústria sovint està limitat perquè solen ser específics per a certes substàncies i reaccions. Modificar els enzims perquè funcionin de maneres noves en determinades condicions és difícil. Un mètode experimental, l’Evolució Dirigida (DE), ha mostrat resultats excepcionals. Tot i això, és car, requereix molt de temps i no sempre explica per què certs canvis funcionen millor. Les tècniques computacionals presenten noves possibilitats per al disseny d’enzims. Aquests mètodes ajuden els científics a entendre com funcionen els enzims i com canvien la seva forma durant les reaccions. Per exemple, les simulacions de Dinàmica Molecular (MD) i mètodes de descobriment ràpid de noves formes com la MD accelerada o metadynamics permeten als investigadors explorar una gamma més àmplia de conformacions i comportaments dels enzims. No obstant això, aquests mètodes tendeixen a començar amb una estructura fixa de l’enzim, cosa que pot limitar la seva capacitat per trobar noves formes. Les tècniques estadístiques com l'Anàlisi de Components Principals (PCA) i l’Anàlisi de Components Independents amb Retard en el Temps (TICA) ajuden a simplificar dades complexes sobre els moviments dels enzims, però no sempre mostren quines parts de l'enzim són importants per a aquests canvis. Aquesta tesi presenta noves estratègies computacionals per explorar millor la gamma d’estructures dels enzims i identificar els llocs clau per ser modificats, creant així enzims amb noves propietats. Aquí es discuteixen eines com el servidor web Shortest Path Map (SPM), millores en els mètodes d’Aprenentatge Profund (DL) i una nova metodologia que utilitza Alphafold2 (AF2) per predir les formes dels enzims. També es mostren aplicacions pràctiques, com ara la modificació d’un enzim anomenat hidroxinitril liasa (HNL) per convertir-lo en una esterasa (EST) eficient mitjançant mutacions. Aquests resultats destaquen el potencial dels mètodes computacionals per avançar en el disseny de nous enzims millorats Fri, 13 Sep 2024 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10256/25789 2024-09-13T00:00:00Z http://hdl.handle.net/10256/25770 Bio-inspired manganese-catalyzed asymmetric C-H oxidation: chiral pool expansion and predictive data analysis Palone, Andrea ENG- The strategic, site, and enantioselective C-H oxygenation of aliphatic fragments holds significant appeal in organic chemistry due to the versatility of oxygen functionalities, which serve as valuable synthetic intermediates and key components in natural products and pharmaceuticals. Despite their potential utility, these transformations remain notably underdeveloped. However, several classes of oxygenase enzymes catalyze selective oxidation of strong C-H bonds using high-valent metal−oxo species, which are formed upon the reductive activation of O2 or H2O2 at metal centers. Drawing inspiration from the reaction mechanism of these enzymes, the development of bio-inspired iron and manganese catalysts has emerged as an efficient strategy for enantioselective C-H bond oxidation In this Thesis, general and straightforward catalytic synthetic methodologies have been developed to expand the chiral pool with optically active oxygenated structures through site-selective and enantioselective C(sp3)-H bond oxygenation, via powerful, bio-inspired metal-oxo species. These methodologies are especially focused on substrates containing non-activated C-H bonds and C-H bonds adjacent to methoxy groups. Furthermore, the implementation of predictive data science tools for identifying the key molecular parameters affecting stereoselectivity in manganese-catalyzed C-H oxidation was explored. Moreover, key aspects of bio-mimetic C-H oxidation catalysis include the use of bench-stable first-row transition metal catalysts that operate in short reaction times, under mild conditions, employing waste-free H2O2 as the oxidant, making these reactions environmentally friendly; CAT- L'oxigenació estratègica i enantioselectiva d'un enllaç C-H específic en fragments alifàtics té un gran atractiu en química orgànica a causa de la versatilitat dels grups funcionals que contenen àtoms d’oxígen, els quals són valuosos intermedis sintètics i components clau en l’estructura de productes naturals i medicaments. Malgrat la seva potencial utilitat, aquestes transformacions no estan del tot desenvolupades a dia d’avui. No obstant això, diverses classes d'enzims oxidases catalitzen l'oxidació selectiva d'enllaços C-H forts utilitzant espècies de metall-oxo d'alta valència, les quals es formen després de l'activació reductora d'O2 o H2O2 en centres els metàl·lics. Inspirant-se en el mecanisme de reacció d'aquests enzims, el desenvolupament de catalitzadors bioinspirats de ferro i manganès ha sorgit com una estratègia eficient per a l'oxidació enantioselectiva d'enllaços C-H. En aquesta tesi, s'han desenvolupat metodologies sintètiques catalítiques generals i senzilles per obtenir estructures oxigenades quirals mitjançant oxigenació regio- i enantioselectiva d'enllaços C(sp3)-H, a través d'espècies de metall-oxo bioinspirades. Aquestes metodologies estan especialment centrades en substrats que contenen enllaços C-H no activats i enllaços C-H adjacents a grups metoxi. A més, s'ha explorat la implementació de ciència predictiva de dades per identificar els paràmetres moleculars clau que afecten l'estereoselectivitat en l'oxidació de C-H catalitzada per manganès. A més, els aspectes clau de la catàlisi d'oxidació de C-H biomimètica inclouen l'ús de catalitzadors de metalls de transició de primera fila, que operen en temps de reacció curts, sota condicions suaus, emprant H₂O₂ com a oxidant, fent aquestes reaccions respectuoses amb el medi ambient Tue, 30 Jul 2024 00:00:00 GMT http://hdl.handle.net/10256/25770 2024-07-30T00:00:00Z