Elméleti Kémiai Számítások Alkalmazása Gyógyszeripari Jelentőségű Molekulák És Reakciók Vizsgálatára

Elméleti kémiai számítások alkalmazása gyógyszeripari jelentőségű molekulák és reakciók vizsgálatára

Doktori értekezés

Készítette: Komjáti Balázs

Témavezető: Dr. Nagy József egyetemi docens

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Szerves Kémia és Technológia Tanszék

2016

Nyilatkozat

Alulírott Komjáti Balázs kijelentem, hogy ezt a doktori értekezést magam készítettem és abban csak a megadott forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, amelyet szó szerint, vagy azonos tartalomban, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen, a forrás megadásával megjelöltem.

Budapest, 2016. május 26.

Komjáti Balázs

Köszönetnyilvánítás

Mindenekelőtt szeretnék köszönetet mondani témavezetőmnek, Dr. Nagy Józsefnek a szakmai irányításért, az odaadó segítségért, és hogy kutatómunkámban mindvégig támogatott.

Köszönöm családomnak és barátaimnak, hogy doktori tanulmányaim alatt támogattak, bíztattak.

Szeretném megköszönni a dolgozat alapjául szolgáló kutatás során nyújtott segítségét Szokol Biankának és Kováts Benjáminnak. Köszönöm Bell Evelin és Kókai Eszter javító szándékú észrevételeit, valamint a Bioorganikus kutatócsoport minden tagjának az évek alatt nyújtott segítségét.

Külön köszönet illeti az együttműködő partnereinket, a Semmelweis Egyetem Gyógyszerészi Kémiai Intézetének munkatársait, Dr. Horváth Pétert az ECD spektrumok felvételért, Dr. Tóth Gergőt a ciklodextrinekkel kapcsolatos munka koordinálásáért, Urai Ákost és Dr. Hosztafi Sándort a morfinszármazékok előállításáért, továbbá az ELTE Növényszervezettani Tanszékéről Dr. Boldizsár Imrét és Sólyomvári Annát a növényi eredetű anyagok izolálásáért.

Köszönettel tartozok a kvantumkémiai számításokban nyújtott segítségéért Kelemen Zsoltnak, Dr. Szieberth Dénesnek és Dr. Nyulászi Lászlónak.

Hálás vagyok a munkámat anyagilag támogató szervezeteknek, a Sanofi Zrt-nek, a Varga József és a ProProgressio alapítványoknak.

A kutatáshoz használt szuperszámítógép beszerzését a TÁMOP - 4.2.2.B-10/1-2010-0009 projekt finanszírozta.

Tartalomjegyzék Rövidítések jegyzéke ...... 5

1. Bevezetés ...... 7

2. Chan–Lam–Evans-reakció vizsgálata ...... 9

2.1. Irodalmi áttekintés ...... 9

2.1.1. Diaril-éterek fontossága ...... 9

2.1.2. Diaril-éterek szintéze C-O keresztkapcsolási reakciókkal ...... 9

2.1.3. Chan–Lam–Evans-kapcsolás feltételezett mechanizmusa ...... 13

2.1.4. Chan–Lam–Evans-kapcsolás módosított változatai ...... 14

2.1.5. Stabil réz(III)-vegyületek ...... 15

2.1.6. Átmenetifém-vegyületek és reakcióik kvantumkémiai vizsgálata ...... 17

2.2. Alkalmazott számítási módszerek a Chan–Lam–Evans-reakció vizsgálatára ...... 17

2.3. Eredmények és értékelésük ...... 18

2.3.1. Chan–Lam–Evans-reakció réz(II)-acáttal ...... 18

2.3.2. Chan–Lam–Evans-reakció réz(II)-fluoriddal ...... 23

2.3.3 Réz(III)-komplexek elektronszerkezete ...... 26

2.3.4. Réz(II)-fluorid alkalmazása Chan–Lam–Evans-kapcsolásban ...... 27

3. Kvantumkémiai számítások alkalmazása elektronikus cirkuláris dikroizmus spektrumok becsléséhez ...... 30

3.1. Irodalmi áttekintés ...... 30

3.1.1. Királis vegyületek fontossága ...... 30

3.1.2. Abszolút konfiguráció meghatározásának módszerei ...... 30

3.1.3. Cirkuláris dikroizmus jelensége és spektroszkópia alkalmazása ...... 31

3.1.4. Balanophonin ...... 32

3.1.5. Kvantumkémiai módszerek cirkuláris dikroizmus spektrum becslésére ...... 34

3.1.6. Aromás nitrovegyületek gerjesztett állapotainak vizsgálata ...... 35

3.2. Alkalmazott módszerek az ECD spektrumok becsléséhez ...... 36

3.3. Aromás nitrovegyületek gerjesztett állapotainak vizsgálata ...... 37 2

3.3.1. Modellvegyületek kiválasztása és előállítása ...... 37

3.3.2. [(1R,E)-bornán-2-ilidén]anilin ...... 39

3.3.3. [(1R,E)-bornán-2-ilidén]-4-nitroanilin ...... 39

3.3.4. Egyéb para-szubsztituált [(1R,E)-bornán-2-ilidén]anilin származékok ...... 41

3.3.5. Kodein ...... 42

3.3.6. 1-Nitrokodein ...... 43

3.3.7. (R)-2,4-Difenil-4,5-dihidrooxazol ...... 43

3.3.8 (R)-4-Fenil-2-(4-nitrofenil)-4,5-dihidrooxazol ...... 43

3.3.9. Gerjesztések vizsgálata ...... 44

3.4. Cirsium eriophorum gyümölcsfalából izolált neo-lignánok vizsgálata ...... 48

3.4.1. Neo-lignánok izolálása ...... 48

3.4.2. Prebalanophonin ...... 48

3.4.3. Balanophonin ...... 49

3.4.4. Spektrumok értékelése ...... 49

4. Ciklodextrin zárvány komplexek vizsgálata ...... 51

4.1. Irodalmi áttekintés ...... 51

4.1.1. Ciklodextrinek tulajdonságai ...... 51

4.1.2. Ciklodextrin-zárványkomplexek alkalmazása ...... 52

4.1.3. Ciklodextrin zárványkomplexek modellezése ...... 52

4.3. Alkalmazott számítási módszerek ciklodextrin zárványkomplexek vizsgálatára 53

4.4. Ciklodextrin zárványkomplexek vizsgálata ...... 54

4.4.1. Célkitűzés ...... 54

4.4.2. Asenapin ...... 55

4.4.3. Thalidomid és pomalidomid ...... 58

5. Összefoglalás ...... 63

5.1. Chan–Lam–Evans-reakció vizsgálata ...... 63

5.2. Aromás nitrovegyületek gerjesztett állapotainak vizsgálata ...... 63

5.3. Cirsium eriophorum gyümölcsfalából izolált neo-lignánok vizsgálata ...... 64

5.4. Ciklodextrin zárványkomplexek vizsgálata ...... 64

6. Tézispontok ...... 66

7. Közlemények listája ...... 67

A doktori értekezés témájához kapcsolódó közlemények ...... 67

Egyéb, a doktori értekezés témájához nem kapcsolódó közlemények ...... 68

8. Függelék ...... 70

8.1 A sűrűségfunkcionál elmélet alapjai ...... 70

Jákob létrája (Jacob’s ladder) ...... 72

1. fok – LDA ...... 72

2. és 3. fok – GGA és meta-GGA funkcionálok ...... 73

4. fok – Hibrid funkcionálok ...... 73

5. fok ...... 74

Diszperziós korrekciók ...... 74

8.2 Sűrűségfunkcionálok kiválasztása réz-komplexek vizsgálatára ...... 74

8.4 Bázis szuperpozíciós hiba mértéke és kiküszöbölése ciklodextrin zárványkomplexek vizsgálatakor ...... 76

9. Kísérletek részletes leírása ...... 79

Fenilboronsav ...... 79

Grignard-reakcióval ...... 79

Lítiálással ...... 80

Kristályvízmentes réz(II)-acetát, Cu(OAc)2 ...... 80

3,5-Dijód-L-tirozin-metil-észter–hidroklorid...... 80

N-BOC-3,5-dijód-L-tirozin-metil-észter ...... 81

10. Irodalomjegyzék ...... 82

Rövidítések jegyzéke

Ar arilcsoport Boc terc-butiloxikarbonil-csoport CAM Coulomb-Attenuating Method CBS teljes bázisra extrapolált CC2 másodrendű közelítő coupled cluster CD ciklodextrin CT charge transfer: töltésátmenettel vagy szétválással járó folyamat def2-nVP Ahlrichs féle javított polarizált felhasított vegyérték bázis (n=S,TZ,QZ) DMAP 4-dimetilaminopiridin DBU 1,8-diazabicikloundec-7-én B3LYP Becke 3 paraméteres hibridfunkcionálja CCSD Coupled-Cluster Singles and Doubles ECD elektronikus cirkuláris dikroizmus EOM-CCSD Equation of Motion Coupled-Cluster Singles and Doubles GGA generalized gradient approximation, általánosított gradiens közelítés HF Hartree–Fock módszer HF-3c a HF módszer Grimme által kifejlesztett paraméterezett kisbázisú módosítása HOMO legmagasabb energiájú betöltött molekulapálya HPLC nagy hatékonyságú folyadék kromatográfia IEF-PCM integral equation formalism polarizable continuum model IRC intrinzikus reakciókoordináta követés L ligandum LE helyi gerjesztés LPNO local pair natural orbital LUMO legalacsonyabb energiájú betöltetlen molekulapálya MO molekulapálya M06 Truhlar által kifejlesztett hibrid funkcionál M06L Truhlar által kifejlesztett funkcionál M06-2X Truhlar által kifejlesztett hibrid funkcionál nemfémes elemekhez NMR mágneses magrezonancia spektroszkópia

Nu nukleofil ORD optikai rotációs diszperzió PBE Perdew, Burke és Ernzerhof által kifejlesztett funkcionál PBE0 Perdew, Burke és Ernzerhof által kifejlesztett hibrid funkcionál PM3 Stewart által kifejlesztett szemiempirikus módszer Pyr piridin RaNi Raney-nikkel katalizátor RI resolution of identity approximation rt. room temperature, szobahőmérséklet SAC-CI Symmetry Adapted Cluster/Configuration Interaction TD-DFT időfüggő sűrűségfunkcionál elmélet TEA trietil-amin TEMPO (2,2,6,6-tetrametilpiperidin-1-il)oxidanil TEMPOH 2,2,6,6-tetrametilpiperidin-1-ol TON turn-over number TS átmeneti állapot TsCl p-toluolszulfonsav-klorid UV-VIS ultraibolya–látható spektroszkópia VRK vékonyréteg kromatográfia ωB97XD Head-Gordon által kifejlesztett távolság szeparált funkcionál diszperzió korrekcióval X halogénatom

1. Bevezetés A kvantumkémia számítások alkalmazásának fontosságát jelzi, hogy e tudomány- terület úttörőinek munkáját 1998-ban (Pople és Kohn) kémiai Nobel-díjjal ismerték el. A kvantumkémia számítások felhasználhatók például molekulák, molekuláris komplexek szerkezetének meghatározására, kémiai reakciók mechanizmusának feltárására, valamint spektrumok becslésére. A számításos kémia hajnalán egész termeket kitöltő (szuper)számítógépek kellettek egészen kicsi molekulák elektronszerkezetének számításához, ma már azonban egy modern személyi számítógéppel akár több mint száz atomot tartalmazó molekulák is tanulmányozhatók. Ehhez a számításokhoz használt hardverek és szoftverek fejlődésére is szükség volt. Ma már egyre gyakrabban találkozhatunk olyan multidiszciplináris kutatásokkal, melyekben a reakciók megértését és vizsgálatát elméleti kémiai számítások segítették. Kvantumkémiai kutatásaimat először saját számítógépemen kezdtem el a GAMESS-US programmal. Akkor még csak viszonylag egyszerűbb reakciók modellezésére volt lehetőségem. Amikor 2012 augusztusában üzembe helyezték a Budapest Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem „Superman” számítógép clusterét, akkor új lehetőségek nyíltak meg, egy nagyságrenddel komplexebb rendszerek vizsgálata vált lehetővé Gaussian és ORCA programokkal. A dolgozatban három témakörben elért eddigi eredményeinket mutatom be, ezekben a közös, hogy a preparatív, elválasztás-technikai illetve spektroszkópiai probléma vizsgálatára kvantumkémiai számításokat alkalmaztunk, illetve, hogy a vizsgált rendszerek gyógyszeripari jelentőséggel bírnak. Az elméleti számítások során célunk az volt, hogy az adott probléma megoldásához szükséges szinten végezzük a számításainkat. Ahol tudtuk, bemutattuk, hogy a számítások további pontosítása már nem változtatja meg a megválaszolandó kérdésre adott válaszunkat. Mindhárom témakörben már van impakt faktorral rendelkező folyóiratban megjelent közleményünk, de a dolgozat még nem publikált eredményeket is tartalmaz. A dolgozatban csak olyan preparatív kísérletek és hozzájuk tartozó analatikai adatok szerepelnek, amelyek nem találhatók meg a megjelent közleményekben. A kutatócsoportunk ipari partner számára végzett kutatás-fejlesztés során alkalmazta először a Chan–Lam–Evans-kapcsolást. Azért kezdtük el a reakció mechanizmusának vizsgálatát, hogy javíthassunk a hozamokon, mivel a reakció

7 termelése az általunk vizsgált vegyületekre nem érte el az 50%-kot sem. Ugyan a reakció meglehetősen elterjedt, a mechanizmusát még nem vizsgálták számításos kémiai módszerekkel. Már a kutatás korai szakaszában kiderült, hogy valószínűleg a reakció első lépése a sebesség-meghatározó, és ennek a lépésnek a gyorsításával érhető el a hozamok javítása. Számítási eredményeink alapján réz(II)-fluoriddal váltottuk ki az addig használt réz(II)-acetátot. Az új reagenssel jelentősen sikerült növelnünk a hozamokat. A Semmelweis Egyetem Gyógyszerészi Kémia Intézetével együttműködésben kezdtük el különböző természetes forrásból származó vegyületek és félszintetikus származékaik ECD spektrumának a vizsgálatát. Kutatásunk során kiderült, hogy az aromás nitrovegyületek számított spektruma érzékeny az alkalmazott számítási módszerre. A jelenséget részletesen vizsgálva rájöttünk, hogy hogyan befolyásolja az alkalmazott sűrűségfunkcionál a becslés pontosságát. Az ELTE Növényszervezettani Tanszékén különböző neo-lignánok izolálását hajtották végre a Cirsium eriophorum növény gyümölcsfalából. Az izolált termékek elválasztását, kromatográfiás és spektroszkópiai vizsgálatát részben az ELTE Analitikai Kémia Tanszékén, részben pedig a Semmelweis Egyetem Gyógyszerészi Kémia Intézetében végezték el. Kutatócsoportunk az izolált vegyületek abszolút konfigurációjának meghatározását kvantumkémia számításokkal segítette. A Semmelweis Egyetem Gyógyszerészi Kémia Intézetében nagy hagyománya van a gyógyszerhatóanyagok és készítmények analitikai vizsgálatának, így például a királis elválasztás-technikák alkalmazásának. Ciklodextrin állófázisú HPLC és kapilláris elektroforézis segítségével valósították meg több hatóanyag enantiomerjeinek az elválasztását. A szeparációt okozó gazda-vendég kölcsönhatásokat részletesen vizsgálták, amit kutatócsoportunk ciklodextrin zárványkomplexek modellezésével segített. A dolgozatomban több teljesen eltérő rendszert és tulajdonságát vizsgáltam két különböző programmal, melyeknek eltérőek az erősségei és hátrányai, ezért az alkalmazott számítási módszert (bázis, funkcionál) az irodalomban fellelhető analógiák és összehasonlító tesztek alapján választottam ki. A módszer megválasztását természetesen a technikai lehetőségeink korlátozták, de mindig törekedtem a lehető legpontosabb megvalósítható számításokat elvégezni. A dolgozatom olyan számítási eredményeket is tartalmaz, amiket még nem publikáltunk, vagy korábbi hasonló témájú publikációk után készültek el.

2. Chan–Lam–Evans-reakció vizsgálata 2.1. Irodalmi áttekintés 2.1.1. Diaril-éterek fontossága A természetes és biológiailag aktív anyagok között számos diaril-éter típusú vegyület található. A gyógyászatban már alkalmazzák például az emberi pajzsmirigyhormonok – a tiroxin és trijódtironin – szintetikus változatait (1. ábra). A HIV-ellenes complestatin és a baktériumellenes hatású vancomycin makrociklikus pepditekben is fellelhető a diaril-éter egység. Ezek a példák is jól mutatják e vegyületcsalád jelentőségét.1 Számos – növényekből izolált – diaril-éter típusú vegyületnek van in vitro citosztatikus hatása (1. ábra). Ezek szintetikus analogonjait intenzíven vizsgálják; mind a pontos hatásmechanizmusuk felderítése érdekében, mind potenciálisan rákellenes hatóanyagok kifejlesztése céljából.2 Megállapítható, hogy a diaril-éterek O-arilezési reakciókon keresztüli szintézise gyógyszeripari jelentőséggel bíró, jelenleg is fejlődő területe a szintetikus kémiának.3, 4

1. ábra a: tiroxin, b: trijódtironin, c: gerfelin, d: obovatol, e: vicanicin, f: Alnus hirsuta heptanoidja

2.1.2. Diaril-éterek szintéze C-O keresztkapcsolási reakciókkal A fenolok O-arilezése aril-halogenidekkel csak erélyes körülmények közt megy végbe, mert az aromás szén-halogén kötés stabil, ezért ezeket a vegyületeket csökkent reakcióképességűnek hívjuk. Közvetlen arilezés csak akkor lehetséges, ha az aril- halogenid szubsztituensei –I és –M effektussal rendelkeznek, mint például a nitro-, 5 karboxil- és nitrilcsoport. Az SNAr típusú reakciót használták például a tiroxin

9 megvalósított szintézisében (2. ábra).6 A magas hőmérséklet és erős bázis alkalmazása királis molekulák racemizációját okozhatja, ha e körülmények között a vegyület az aszimmetrikus szénatomon deprotonálódni tud. A szintézis első lépéseiben bevitt nitrocsoportoknak két szerepe volt, először a szubsztitúcióra aktiválták a gyűrűt, másodszor pedig több lépés után szelektíven jód atomokra cserélhetők. Ha a jódot a szintézis korábbi lépésében vitték volna be, akkor az SNAr reakció körülményei között azok is reagálhattak volna, így a reakció nem lett volna szelektív.

2. ábra Tiroxin totálszintézisének kulcslépései. A harmadik lépésben a két nitro csoport segíti elő a direkt arilezést.

Az aromás halogenidek ruténium- vagy vas-ciklopentadienil-komplexekkel, 7 illetve Mn(CO)3-al történő komplexálódása aktiválja őket SNAr reakcióra (3. ábra). Az enyhe reakciókörülmények előnyösek olyan esetekben, amikor felléphetne a racemizáció. E reakciót használták például a vancomycin alapváz totálszintézisére.8 A módszer legnagyobb hátránya, hogy ekvimoláris mennyiségű fém komplexre van szükség, ami a leghatékonyabb ruténium esetén rendkívül költséges, ugyan akár 80%-ban visszanyerhető a fém, de az anyagveszteség így is jelentős. Másik hátránya, hogy ezzel a módszerrel nem állíthatók elő halogént tartalmazó diaril-éterek. A ruténium komplexből a terméket enyhe körülmények között, fotokémiai úton lehet felszabadítani.

O X O O R M R1 + R 1 R2 + 2 R1 R2 L L L L M L M L L L L

3. ábra Fém-arén komplex által aktivált SNAr reakció. A fém-komplex a reakció végén visszanyerhető

Az 1905-ben publikált Ullmann-féle éterszintézis a legrégebbi fémkatalizált keresztkapcsolásnak tekinthető.9-11 A reakcióban fém-réz illetve réz(I)-sók jelenlétében valósítható meg a fenolok és aril-halogenidek kapcsolása (4. ábra). A reakció mechanizmusa az 4. ábrán látható. A reakció első lépésében képződő Cu(I)X-ből oxidatív addícióban képződő rézvegyületből reduktív eliminációval kapjuk a várt terméket, és kapjuk vissza a réz-sót. Az oxidatív addíció során réz(III)-komplex alakul ki, és ebből történhet a reduktív elimináció (5. ábra).

4. ábra Ullmann-féle éterszintézis általános reakciósémája

5. ábra Az Ullmann-féle diaril-éter-szintézis katalitikus ciklusa

A reakció hátránya, hogy csak erélyes körülmények között játszódik le, magas hőmérsékletre és erős bázisokra van szükség, ami királis molekulák racemizációját okozhatja; különösen elektronszívó csoportokhoz képest alfa-helyzetben, például α-

11 aminosavak esetében. A reakciót különböző kétfogú amin típusú ligandokkal lehet aktiválni (6. ábra).12-14 A palládium(0) katalizált Buchwald–Hartwig-kapcsolást eredetileg aminok arilezésére fejlesztették ki, de az utóbbi években sikerült kiterjeszteni alkoholokra és fenolokra is.15-20 Viszonylag enyhébb reakciókörülmények szükségesek az Ullmann- szintézishez képest, ezért a racemizációnak kisebb a veszélye. Palládium-katalizátor alkalmazása esetén rendszerint foszfin-ligandumokat használnak (6. ábra).18

6. ábra Ullmann-féle éter szintézis és Buchwald–Hartwig-kapcsolás tipikus ligandumjai

Aromás jodónium-sókkal is lehet fenolokat arilezni.21 Amennyiben a fenol- komponens orto-helyzetben halogénekkel szubsztituált, akkor csak fémréz katalízissel játszódik le a reakció (7.ábra).22 A reakció hátránya, hogy az atomhatékonyság rendkívül rossz, a jódónium-só egyik arilcsoportja kárba vész.

X OH I O + R1 R2 R2 R1 R2

7. ábra Fenolok arilezése aromás jodónium-sókkal

Chan és Evans kutatócsoportja egymástól függetlenül közel egy időben dolgozta ki arilboronsavak és fenolok réz(II)-acetát mediálta kapcsolását (8. ábra).23, 24 A reakció előnye a korábbi O-arilezésekhez képest, hogy szobahőmérsékleten játszódik le, nagy a funkcióscsoport toleranciája és a felhasznált fémsó viszonylag olcsó. A reakció alkalmazását később kiterjesztették alkoholokra, anilin származékokra, deprotonálható N-heterociklusokra.

8. ábra Chan–Lam–Evans-kapcsolás

2.1.3. Chan–Lam–Evans-kapcsolás feltételezett mechanizmusa A reakció mechanizmusára több javaslat is van az irodalomban, a jelenleg elfogadott reakciómechanizmus a 9. ábrán látható. Az ábra elkészítéséhez King és Evans munkáira támaszkodtam, ez az ábra ilyen formában összefoglalva még máshol nem szerepelt. A reakció transzmetallálási lépéssel indul, a réz ellenionja távozik a bórsav résszel, az aromás gyűrű pedig átkerül a réz-komplexre. A feltételezések szerint, a nukleofil addíció utáni reduktív eliminációt egy diszproporcionálódási lépés előzi meg, ahol a réz(II)-komplex réz(III)-komplexszé alakulhat. A réz oxidációját nem a levegő oxigénje végzi, mivel a reakció kisebb termeléssel, de inert atmoszférában is lejátszódik.24 A mechanizmus megértését nehezíti, hogy réz(III)-vegyületeket analitikai módszerekkel nehéz kimutatni, mivel nagyon reaktívak, és a reakcióban csak csekély koncentrációban vannak jelen.25, 26 A kapcsolás lényegesen különbözik a Suzuki- reakciótól, míg ott a katalizátorként funkcionáló palládiumot a ciklus végén visszanyerjük, addig a Chan–Lam–Evans-kapcsolás során a réz aerob oxidációjának nehézsége miatt, a katalizátor TON értéke kicsi.27 A reakció hátránya tehát, hogy az oxidatív regeneráció nélkül diaril-éterek előállítására katalitikus mennyiség helyett az

9. ábra Chan–Lam–Evans-kapcsolás feltételezett mechanizmusa (a réz amin-ligandumjai nincsenek jelölve) arilboronsavak és a fenolok mellé két ekvivalens réz(II)-acetát szükséges. A reakció

13 mechanizmusát legjobb tudomásunk szerint nem vizsgálták még kvantumkémiai számításokkal.

2.1.4. Chan–Lam–Evans-kapcsolás módosított változatai

King és munkatársai katalitikus mennyiségű Cu(OAc)2 felhasználásával vizsgálták a 10. ábrán látható módosított Chan–Lam–Evans-reakciót.28 A metanolt egyszerre alkalmazták reagensként és oldószerként is. A reakció során oxigénatmoszférát alkalmaztak és figyelték annak fogyását, megállapították, hogy egy mol diaril-éter termék képződéséhez fél mol oxigénmolekulára van szükség. Az eredményeik alapján tettek javaslatot a reakció mechanizmusára (10. ábra).

10. ábra Chan–Lam–Evans-kapcsolás katalitkus mennyiségű réz(II)-acetáttal

Quach és munkatársai az arilboronsavakat aril-trifluoroborátokkal helyettesítették. Így elérték, hogy a reakcióhoz csak 10% Cu(OAc)2 volt szükséges, és kitűnő termeléssel állítottak elő aril-étereket.29 A kiinduló organofluoroborátok boronsavakból kálium-bifluoriddal jó termeléssel állíthatók elő (11. ábra).30

11. ábra Chan–Lam–Evans-reakció aril-trifluoroborátokkal

Yoo és munkatársai katalitikus fotooxidációval javították a reakcióban a konverziót és a termelést (12. ábra).31 Az alkalmazott trisz[2-fenilpiridináto- C2,N]irídium(III) komplex látható fény hatására gerjesztődik, és egy oxigénmolekulának átad egy elektront, így a komplexben az irídium oxidációs száma +4 lesz és mellette képződik egy szuperoxid-gyökanion. A magas oxidációs számú irídium-komplex képes a katalitikus ciklushoz szükséges Cu(II) – Cu(III) oxidációra, illetve a ciklus végén a Cu(I) – Cu(II) oxidációra is, a katalizátor regenerálásához. A szuperoxid-gyökanion szintén képes lehet a katalizátor regenerálására.

12. ábra Fotokatalitikus módósítású Chan–Lam–Evans-reakció

Az fentiekből látható, hogy a Chan–Lam–Evans-reakció körülményeinek optimálásával, hatékonyabbá és gyorsabbá tehető a reakció kevesebb fém katalizátor alkalmazása mellett is.

2.1.5. Stabil réz(III)-vegyületek Reaktivitásuk miatt csak kevés stabil réz(III)-vegyületet sikerül eddig előállítani, izolálni és jellemezni. Ezek d8 elektronkonfigurációnak megfelelően síknégyzetes vagy négyzetes piramis geometriájúak.25 Rendszerint a megfelelő réz(II)-vegyület elektrokémiai vagy kémiai oxidációjával állítják elő őket. A 13. ábra jellegzetes szerkezetű réz(III)-vegyületeket mutat be az előállításuk évszámával.32-40 A példákból jól látszik, hogy a legtöbb stabil réz(III)-komplexben a ligandum 4 fogú és akár makrociklusos is lehet. Ribas és munkatársai a 14. ábrán látható módon állítottak elő stabil réz(III)- vegyületet.39 A reakció különlegessége, hogy két azonos réz(II)-komplex vesz benne részt, az egyikről az aktivált helyzetű hidrogén az aromás gyűrűről és egy elektron átkerül a másik komplexre, az első komplex ezáltal réz(III)-á oxidálódik, a második pedig réz(I)- é redukálódik. TEMPO oxidálószer jelenlétében, csak a réz(III)-vegyület képződik. Ez a reakció mutatja, hogy a megfelelően komplexált réz(II)-vegyületek diszproporcionálódhatnak, és egymás mellett stabil lehet a réz(I)- és réz(III)-forma. Stahl és munkatársai az előző réz(III)-vegyületet könnyen deprotonálható savamidokkal regáltatták (14.ábra).41 A nukleofil minőségétől függ az N-arilezett

15 főtermék és önkapcsolt melléktermék aránya. A reakció jól mutatja a réz(III)-vegyületek reaktivitását és felhasználhatóságát.

CF H S CF3 2 F3C Cu NEt2 F3C Cu CF3 HF2C Cu CF2H F3C S CF3 CF2H

Ph3P N PPh3 Ph3P N PPh3 Burton (1989) Naumann (1993) Eujen (1996)

2+ C F 5 6 H 2+ N N EtO N N

Cu C5F6 NH Cu NH N Cu N N N N N N N

2 ClO C5F6 4 2 ClO4

Furuta (2000) Ribas (2002) Wang (2009) 13. ábra Stabil fémorganikus réz(III) vegyületek, előállításuk évszámával

14. ábra Stabil réz(III) komplexek előállítása és reakciója nukleofilekkel

2.1.6. Átmenetifém-vegyületek és reakcióik kvantumkémiai vizsgálata A d-mező elemeinek számításos kémia vizsgálata nehéz feladat. A degenerált d- pályák, a változatos oxidációs állapotok, magas és alacsony spinű komplexek megnehezítik a számításokat. Átmenetifém komplexek esetén statikus korrelációs effektusok miatt gyakran a rendszer már nem írható le egy determinással, ekkor szükség lehet multikonfigurációs módszerek alkalmazására. E nehézségek ellenére mégis alacsony számítási igényük miatt a sűrűségfunkcionál módszerek a legelterjedtebbek.42 A Zhao és Truhlar által kidolgozott Minessota-funkcionálcsalád két tagja a hibrid M06 és az M06L funkcionál kitűnő eredményeket adtak – még akár multikonfigurációs karakterű – átmentifém-komplexekre és reakcióikra is.43 Palládium-katalizált keresztkapcsolási reakciókat már vizsgáltak sűrűségfunkcionál módszerekkel.44-46 A számítások is alátámasztották a keresztkapcsolási reakciók általános mechanizmusát, melynek lépései az oxidatív addíció, transzmetallálás és reduktív elimináció. Houk és Buchwald a réz-katalizált Ullmann-típusú reakciók vizsgálatakor különböző ligandumok szelektivitásra gyakorolt hatását vizsgálták, több elméletet is felállítottak a reakció mechanizmusára.47 Yu és csoportja egy részben új mechanizmusra tett javaslatot, melyben a klasszikus oxidatív addíciós és reduktív eliminációs lépésekkel is magyarázható volt a ligandumok szelektivitásra gyakorolt hatása. Az oxidatív addíció során réz(III)-komplexek kialakulását feltételezték.48

2.2. Alkalmazott számítási módszerek a Chan–Lam–Evans-reakció vizsgálatára A geometriákat ωB97XD/6-31+G(d,p) szinten optimáltuk, pontosabb energiaszámítást (single point energy) 6-311+G(2df,2pd) bázissal és ωB97XD, PBE0 és M06L funkcionálokkal végeztünk.43, 49-54. Előzetes eredmények alapján a geometria számításához is szükséges volt a nehézatomokon diffúz függvény használatára. A frekvenciaszámítást a geometriaoptimálással azonos szinten végeztük, stabil molekulák esetén csak pozitív frekvenciák voltak, átmenti állapotok esetén pontosan egy negatív frekvencia volt. Átmeneti állapotok helyességét IRC számításokkal igazoltuk. Relativisztikus hatásokat nem vettük figyelembe, mert elővizsgálatok és irodalmi adatok alapján réz (és d-mező első sorának elemei esetében) nem jelentős a hatásuk.55 A szolvatációt az IEF-PCM oldószermodellel vettük figyelembe. Minden kvantumkémiai

17 számítást a Gaussian 09 rev. B programcsomaggal hajtottuk végre.56 Törekedtünk minden lépés átmeneti állapotának modellezésére, de a ligandum-kicserélődések gátjait nem modelleztük és nem vettük figyelembe.

2.3. Eredmények és értékelésük 2.3.1. Chan–Lam–Evans-reakció réz(II)-acáttal A Chan–Lam–Evans-reakció számításos kémiai vizsgálatában törekedtünk a legegyszerűbb kivitelezésre. A reakciót el lehet végezni trietil-amin és piridin bázissal is, de merev szerkezete miatt az utóbbit választottuk. A boronsav és a fenol komponenst is a lehető legegyszerűbbnek választottuk meg. A réz(II)-acetát hidrátja kristályában és rosszul szolvatáló oldószerekben, dinukleáris formában van jelen, melyben az acetát-ionok lapátkerék alakzatban helyezkednek el, és kétfogú ligandumként viselkednek.57-59 Piridin-származékokkal és aminokkal többlépcsős folyamatban különböző komplexek képződnek.60 Első lépcsőben megmarad a dinukleáris szerkezet, vízmentes réz(II)-acetát esetén csak bekapcsolódik a ligandum, hidrát estén a víz cserélődik le. További ligandum hozzáadására felbomlik a dinukleáris szerkezet. A ligandum minőségétől függ a reakció egyensúlyi állandója. A rosszul szolvatáló oldószerekben a komplex szétesése szeparált anionra és kationra nem valószínűsíthető, mert az számításaink szerint 20,5 kcal/mol-al kedvezőtlenebb. Számítások alapján létezhetnek 3 és 4 piridint tartalmazó komplexek, de a 2 ligandumot tartalmazók a legstabilabbak. Cu(OAc)2Pyr2-nak létezhet cisz és transz konformációja, a szabadentalpia-különbség az izomerek között minimális. A dinukleáris Cu2(OAc)4Pyr2

és a monomer transz-Cu(OAc)2Pyr2 közötti egyensúlyi reakció szabadentalpia- különbsége –17,5 kcal/mol, ezért ha jelen van a szükséges piridin, akkor az egyensúly a monomer irányába van eltolódva. Geometriai és töltéseloszlási adatokból kiderült, hogy a dinukleáris komplex esetén ekvivalensek, monomer komplex esetén nem ekvivalensek az acetát-ion oxigénatomjai. A komplexek szerkezetét a 15. ábra mutatja be.

15. ábra Cu(II)(OAc)2H2O (bal felső) dimer, Cu(II)2(OAc)4Pyr2 (jobb felső),

transz-Cu(II)(OAc)2Pyr2 (bal alsó) és cisz-Cu(II)(OAc)2Pyr2 (jobb alsó)szerkezete

Ismert, hogy Suzuki-kapcsolás során egy hidroxid-ion, vagy hasonló nukleofil addíciója aktiválja a boronsav-származékot.27 A Chan–Lam–Evans-kapcsolás körülményei között szabad hidroxid-ionok nem lehetnek jelen. A számítások alapján a transzmetallálás egy hatos gyűrűs átmeneti állapoton keresztül játszódik le 27,8 kcal/mol aktiválási szabadentalpiával. Ez az érték magasnak tűnhet, de ez a gát elektronikus energiában csak 11,9 kcal/mol, így nyilvánvalóvá válik, hogy az entrópia-csökkenés okozza ezt a magas szabadentalpia-változást. Ismert, hogy az oldatfázisban az oldott anyag entrópiája a gázfázisbelihez képest csökken. A szolvatációt a termokémiai adatok számításához használt statisztikus termodinamikai algoritmus nem tudja figyelembe venni, ezért molekulaszám-változással járó reakciók entrópia-változását túlbecsüli.61-63 Az előzőeket és a számítások általános pontosságát figyelembe véve megállapíthatjuk, hogy a transzmetallálás aktiválási gátja ugyan magas, de egy szobahőmérsékleten kis sebességgel lejátszódó reakcióra enged következtetni. Az átmeneti állapotban a fenilboronsav rész szén–bór-kötése megnyúlik, kialakul a szén–réz-kötés, a bóratom

19 pedig a réz-komplex egyik acetát-ionjának oxigénatomjához kapcsolódik (16. ábra). A reakció során változó kötéstávolságokat a 2. táblázatban foglaltam össze.

16. ábra Transzmetallálási lépés vonalas és tébeli ábrája. transz-TS (bal) és cisz-TS (jobb)

1. táblázat Transzmetallálás során bekövetkező kötéstávolság változások cisz-TS esetén

Kötés (Å) Kiinduló Átmeneti állapot Termék

C-B 1.56 2.08 -

Cu-O1 1.96 2.35 -

Cu-C - 2.11 1.96

B-O2 - 1.46 1.41

A reakció végeztével kapunk egy bórsav–ecetsav vegyes-anhidridet és a fenilcsoportot hordozó Cu(II)OAcPhPyr2 komplexet. Ebben a struktúrában a réz(II)- atom magányos elektronja részben a rézatom, részben pedig a fenilgyűrű ipszo szénatomja között oszlik meg, mely a spinsűrűség eloszlásból is látható. A fenolát-ion - addíciója eredményezi a [Cu(II)OAcOPhPhPyr2] aniont.

17. ábra Spinsűrűség eloszlás Cu(II)(OAc)2Pyr2 és Cu(II)OAcPhPyr2 komplexekben

Előzetes számítások alapján réz(II)-vegyületből nem történhet reduktív elimináció, az ehhez tartozó átmeneti állapotot nem találtuk meg, ez kizárólag réz(III)- komplexekből lehetséges. A reakció egyik kulcslépése a megfelelő fenilcsoportot hordozó réz(II)-komplex oxidációja réz(III)-állapotúvá. Feltételezések szerint a reakcióelegyben jelenlévő réz-komplexek között redox-egyensúly állhat fenn. A 4. táblázatban lehetséges redox-reakciók szabadentalpia-változásait foglaltam össze. A számításokat elvégeztük PBE0 és M0L funkcionállal is.

2. táblázat Lehetséges redox reakció párok

ωB97XD PBE0 M06L Redukció ΔG (kcal/mol)

- - -88,2 -79,3 -78,8 1 Cu(II)(OAc)2Pyr2 + e ⇌ [Cu(I)(OAc)2Pyr2]

Oxidáció

+ - 117,7 113,4 110,5 2 Cu(II)OAcPhPyr2 ⇌ [Cu(III)OAcPhPyr2] + e

- 3 [Cu(II)OAcOPhPhPyr2] ⇌ 102,2 94,5 88,8 - Cu(III)OAcOPhPhPyr2 + e

A 1-es reakció egy lehetséges résztvevője a redox egyensúlynak. A 2-es és 3-as reakció közül 3-as kedvezőbb, tehát a fenolát addíciójának meg kell előznie az oxidációt. Összegezve a 1-es és 3-as reakciót azt kapjuk, hogy az alábbi reakció szabad entalpia - változása 14,0 kcal/mol. A képződő [Cu(I)(OAc)2Pyr2] anionból egy acetát ion kiválása 3,3 kcal/mol szabadentalpia csökkenéssel jár. A 3. táblázatban feltüntettem más

21 funkcionálokkal végzett számítások eredményét is. A különbségekből látszik, hogy ezek az egy elektron átmenttel járó reakciók érzékenyek a módszer megválasztására.

– [Cu(II)OAcOPhPhPyr2] + Cu(II)(OAc)2Pyr2 ⇌

– Cu(III)OAcOPhPhPyr2 + [Cu(I)(OAc)2Pyr2] ⇌

– Cu(III)OAcOPhPhPyr2 + [Cu(I)(OAc)Pyr2] + AcO

A reakció utolsó lépése a reduktív elimináció, mely során a réz oxidációs száma háromról egyre csökken. A 18. ábrán látható módon réz(III) állapotú komplexből alacsony 2,8 kcal/mol aktiválási gáton keresztül történik a reduktív elimináció. A lépés végén megkapjuk a difenil-étert és a Cu(I)OAcPyr2 komplexet. A reakció teljes szabadentalpia profilját az 19. ábra mutatja be.

18. ábra Cu(III)OAcOPhPhPyr2 (bal) és a redukítv elimináció átmeneti állapotának geometriája (jobb)

A Chan–Lam–Evans-reakció acetát ellenionnal 5 lépésből áll: 1. reaktív fémkomplex kialakulása az inaktív formából 2. transzmetallálás 3. fenol addíciója 4. réz(III)-intermedier kialakulása diszproporcióval 5. reduktív elimináció

19. ábra Chan–Lam–Evans-reakció teljes szabadentalpia profilja acetát-ellenionnal ωB97XD/6-311+G(2df,2pd) szinten.

2.3.2. Chan–Lam–Evans-reakció réz(II)-fluoriddal Az irodalomban ismert, hogy a fluorid-ion keresztkapcsolási reakciókat képes gyorsítani 64-66. A fluor–bór-kötés erősebb a többi halogén–bór-kötésnél és összevethető az oxigén–bór-kötés erősségével.67 Mint láthattuk, a transzmetallálási lépésben a réz ellenionjának szerepe van a szén–bór-kötés hasításában, feltételezhető, hogy acetáthoz hasonlóan viselkedik a fluorid-ion is. A réz(II)-acetáthoz hasonló dinukleáris komplexek a fluorid esetén nem képződhetnek, mert a fluorid-ion méretéből adódóan nem tudja áthidalni a két rézatom közötti távolságot. Megállapítottuk, hogy 1–4 piridin-ligandumot tartalmazó komplexek jöhetnek létre, de csak a cisz-Cu(II)F2Pyr2, és transz-Cu(II)F2Pyr2 és Cu(II)F2Pyr3 lehet jelen kémia reakció lejátszódásához szükséges koncentrációban (20. ábra). A három kiinduló komplexből más a transzmetallálási reakciók aktiválási energiagátja, ezek alapján reakció csak a cisz-Cu(II)F2Pyr2–ből történhet, a transz változatból magasabb aktiválási gát miatt nem. Az átmeneti állapotban bekövetkező kötéstávolság változásokat az 5. táblázatban foglaltam össze. A transzmetallálás termékére addícionálódhat a fenolát ion.

3. táblázat Transzmetallálás során bekövetkező kötéstávolság változások cisz-

Cu(II)F2Pyr2

Kötés (Å) Kiinduló Átmeneti állapot Termék

C-B 1.55 2.06 -

Cu-F 1.87 2.40 -

Cu-C - 2.10 1.98

B-F - 1.43 1.35

20. ábra Balról jobra: cisz-Cu(II)F2Pyr2, transz-Cu(II)F2Pyr2 és Cu(II)F2Pyr3

21. ábra Balról jobra: TS-cisz-Cu(II)F2Pyr2 és TS-transz-Cu(II)F2Pyr2

Megvizsgáltunk több lehetségesnek tűnő oxidációs és redukciós részlépést (6. táblázat). Megállapíthatjuk, hogy réz(II)–réz(III) oxidáció penta-koordinált anionból a legkedvezőbb a 4-es egyenlet szerint. Amennyiben a kiinduló réz(II)-vegyület semleges és a reakcióban pozitív töltésű réz(III)-komplex képződik, akkor az sokkal nagyobb energia-befektetést igényel lásd 3. egyenlet.

4. táblázat Lehetséges redox reakció párok

wB97XD PBE0 M06L

Redukció ΔG (kcal/mol)

- transz-Cu(II)F2Pyr2 + e ⇌ transz- -72.3 -68.1 -68.0 1 - [Cu(I)F2Pyr2]

- - 2 cisz-Cu(II)F2Pyr2 + e ⇌ cisz-[Cu(I)F2Pyr2] -74.8 -71.2 -72.1

Oxidáció

[Cu(II)FPhPyr2] ⇌ 115,8 112,3 106,6 3 + - Cu(III)FPhPyr2 + e

– [Cu(II)FOPhPhPyr2] ⇌ Cu(III)FOPhPhPyr2 91.6 88.1 81.5 4 - + e

A transzmetalálás termékére bekapcsolódik a fenolát-ion, megtörténik a diszproporció majd a reduktív elimináció (22. ábra). A reakció teljes szabadentalpia-profilja az 23. ábrán látható.

22. ábra Balról jobbra: Cu(II)FPhPyr2, Cu(III)FOPhPhPyr2 és TS-

Cu(III)FOPhPhPyr2

23. ábra Chan–Lam–Evans-reakció teljes szabadentalpia-profilja fluorid-ellenionnal ωB97XD/6-311+G(2df,2pd) szinten.

2.3.3 Réz(III)-komplexek elektronszerkezete A d-mező elemeinek vegyületei esetén gyakran felmerül, hogy multikonfigurációs karakterűek, és nem írhatók le egy determinánsos hullámfüggvénnyel. Az irodalomban vannak javaslatok, hogy milyen esetekben van szükség multikonfigurációs leírásra. Lee és munkatársai úgy találták, hogy ha CCSD számítás T1 diagnosztika értéke meghaladja a 0,02-t akkor már nem használható az egy determinánsos leírás.68

Elvégeztünk ellenőrző számításokat a Cu(III)FOPhPhPyr2 molekulán. LPNO- CCSD/def2-SVP szinten a T1 értéke 0,016, ami megfelel az empirikus kritériumnak.69 CAS(4,4)/def2-SVP szinten 87% és 13% a két determináns aránya a hullámfüggvényben, ami már nem elhanyagolható. A vizsgált rendszer méretéből adódóan arra a következetesére jutottunk, hogy csak sűrűségfunkcionál módszerek alkalmazhatók, és valószínűleg helyesen írják le az enyhe multikonfigurációs karakterű réz-komplexeket is. Elvégeztük a legelterjedtebb funkcionálokkal hipotetikus réz(II) komplexek oxidációjának és redukciójának vizsgálatát, mely eredménye a függelék 8.2. pontjában található.

2.3.4. Réz(II)-fluorid alkalmazása Chan–Lam–Evans-kapcsolásban Mint a számítási eredményekből látszik a réz(II)-fluorid a Chan–Lam–Evans- reakció sebesség-meghatározó lépésében csökkenti az aktiválási gátat (27,8 kcal/mol helyett 24,7 kcal/mol fluorid-ellenion esetén), ezért megkíséreltük a reakció hatékonyabbá tételét ennek a komplexnek az alkalmazásával. A vizsgálataink során Chan és munkatársai által alkalmazott körülményeket alkalmaztuk.23 A réz(II)-fluoridot már használták keresztkapcsolási reakciókban, a feltételezések szerint szén-fém kötés hasításában segíthet a fluorid.64-66 Rendszerint cézium-fluorid hozzáadásával végzik ezeket a reakciókat, de mivel a réz(II)-fluorid kereskedelmi forgalomban kapható, nincs szükség a cézium-só alkalmazására. Yu és munkatársai réz(II)-fluorid katalizátor segítségével állítottak elő arilboronsavakból és kalkogén elemekből arilkalkogenideket.70 A reakciókban használt vízmentes réz(II)-acetátot, fenilboronsavat és védett tirozin-származékot a kutatócsoportunkban állítottuk elő. A boronsav előállítását a két leggyakoribb irodalmi módszerrel is kipróbáltuk.71 Brómbenzolból kiindulva, magnézium forgáccsal állítottuk elő dietil-éterben a Grignard-komplexet, amit trimetil- boráttal reagáltatva, majd hidrolizálva kaptuk 82%-os termeléssel a fenilboronsavat. A reakciót butil-lítiummal elvégezve kicsit gyengébb, 69%-os termeléssel kaptuk a kívánt terméket (24. ábra). Mivel a Grignard-reakcióval jobb volt a termelés, és a reakció könnyebben kivitelezhető, a továbbiakban csak ezt alkalmaztuk.

24. ábra Fenilboronsav előállítása

3,5-Dijód-L-tirozinból kiindulva metanolban tionil-kloriddal állítottuk elő az aminosav- észtert, aminek aminocsoportját di-terc-butil-dikarbonáttal védve kaptuk kitűnő termeléssel a N-BOC-3,5-dijód-L-tirozin-metil-észtert (25. ábra).

25. ábra N-BOC-3,5-dijód-L-tirozin-metil-észter előállítása

A kapcsolási reakció során a réz(II)-fluorid maradéktalanul beoldódott, csapadék kiválást nem tapasztaltunk, a képződő piridin komplex sárgás-zöld. A réz(II)-acetát piridin komplexe barnás kék színű volt. A réz-sók önmagukban nem oldódnak diklórmetánban, és piridin hozzáadása nélkül nem történt reakció. A fenilboronsav és fenol reakciója esetén a réz-só mennyiségét csökkenteni tudtuk a termelés jelentős csökkenése nélkül, de ez szubsztituált fenolok esetén már nem volt lehetséges, ezért az összehasonlító reakciók során 1 ekvivalens réz-sót használtunk (26. ábra). A reakciókat VRK-san követtük, a kiinduló fenol elfogyásakor, de legkésőbb 18 óra után feldolgoztuk a reakcióelegyet.

26. ábra Vizsgált reakciók általános egyenlete

Irodalmi adatok alapján elektronszívó és nagy térkitöltésű szubsztituenseket tartalmazó fenolok esetén a reakció rossz termeléssel szolgáltatja a kívánt terméket. A réz-fluorid hatékonyságát ezeken a problémás eseteken kívántuk bemutatni. Az eredményeket a 7. táblázatban foglaltam össze. A 4-brómfenol, 3-etoxi-4-hidroxibenzaldehid és 4-nitrofenol esetén az eredeti

Cu(OAc)2-os eljárással alacsony termeléssel ment végbe a reakció, 4-brómfenol esetén majdnem duplájára, többi esetben pedig jelentősen nőtt a termelés réz-fluoriddal. Az irodalomban a benzaldehid-származékok Chan–Lam–Evans-reakciójának termelése alacsony, valószínűleg az aldehid oxidációja miatt.72 Réz-fluoriddal sikerült a reakcióidőt csökkenteni, ezért az aldehid kevesebb ideig volt kitéve oxidatív környezetnek. A 3-etoxi- 4-hidroxibenzaldehid esetén háromszorosára nőtt a termelés a klasszikus módszerhez képest. A jódozott tirozin-származékoknak hatalmas jelentősége van a gyógyászatban. Evans és munkatársai már beszámoltak tiroxin szintéziséről boronsavak és fenolok

28 kapcsolásával, azt tapasztalták, hogy a fenolos hidroxilcsoport melett orto-helyzetben lévő jódatomok nagymértékben lassítják a reakciót, hosszabb reakcióidő és 3 ekvivalens arilboronsav reagens szükséges a jó termeléshez.24 A védett dijódtirozin esetén réz-fluoridot alkalmazva a termelés 30%-al nőt, a reakcióidőt 72 óráról 18-ra, a felhasznált fenilboronsav mennyiségét 3 ekvivalensről 2-re tudtuk csökkenteni. Ez különösen fontos, mert már az irodalmi bevezetőben is láttuk, hogy a jódozott fenolszármazékok közvetlenül Ulmann-reakcióban nem kapcsolhatók, ezért ezeknek az előállításához kerülőutakra vagy egzotikusabb reakciókra lehet szükség.

5. táblázat Chan–Lam–Evans-reakció réz(II)-acetát és réz(II)-fluorid reagensekkel Termelés (%) Fenol Termék Cu(OAc)2 CuF2

96 98

61 77

20 38

30 89

31 34

50 80

Körülmények: 0,5 mmol fenol, 0,5 mmol réz(II) só, 1,5-2 mmol fenilboronsav, 10 ml diklórmetán, szobahőmérséklet, levegőre CaCl2 csővel nyitott lombik

A réz-fluorid minden vizsgált esetben jobb termeléssel szolgáltatta a célvegyületeket, mint a klasszikus réz-acetát. Az új reagensnek egy ismert hibája van, a fluroid-ion hasítja a szilícium–heteroatom-kötéseket, ezért a gyakran használt terc-butil- dimetilszilil- és hasonló védőcsoportok esetén nem alkalmazható.73

3. Kvantumkémiai számítások alkalmazása elektronikus cirkuláris dikroizmus spektrumok becsléséhez 3.1. Irodalmi áttekintés 3.1.1. Királis vegyületek fontossága A Contergan-botrány óta tudjuk, hogy királis gyógyszer hatóanyagok enantiomerjeinek különböző biológiai hatása lehet, ezért ma már minden hatóanyagnál külön vizsgálni kell az enantiomerek hatását és metabolizmusát.74 Amennyiben nem egyezik meg a hatásuk, vagy más a mellékhatás profiljuk, akkor a kész gyógyszerkészítménybe csak a hatásos enantiomer kerülhet. Hatalmas feladat elé állítja a vegyészeket, hogy rezolválással vagy sztereoszelektív szintézisekkel hatékonyan állítsanak elő nagy enantiomer-tisztaságú végtermékeket. Így a gyógyszeripari kutatás- fejlesztés számára rendkívül fontos feladat az abszolút konfiguráció és az enantiomer- tisztaság meghatározása. 75

3.1.2. Abszolút konfiguráció meghatározásának módszerei A legkézenfekvőbb és legmegbízhatóbb az egykristály röntgendiffrakció, mellyel egy kristályban egyértelműen meghatározható a molekulát felépítő atomok helyzete.76 A módszer nagy hátránya, hogy a méréshez szükséges egykristály előállítása rendkívül nehéz, gyakran minden kísérlet ellenére sikertelen. Nukleáris Overhauser-effektus elvén működő korrelációs NMR vizsgálatokkal (NOESY, ROESY) akkor van mód megfejteni egy molekula abszolút térszerkezetét, ha egy részletének az abszolút konfigurációja már ismert.77, 78 Lebontási reakciókkal bonyolultabb vegyületek visszavezethetők ismert térszerkezetű anyagokra. Ma már ennek a módszernek szinte csak történelmi jelentősége van. Ez volt az alapja a Fischer által bevezetett D/L-nomenklatúrának, amelyben a szénhidrátok szerkezetét a glicerinaldehidre vezették vissza.79 Rokon szerkezetű királis molekulák cirkuláris dikroizmus spektruma sok esetben hasonló, így gyakran jó becslés adható a konfigurációra. Ugyanakkor az ECD spektrum becsülhető kvantumkémiai számítások segítségével, a mért spektrummal összehasonlítva pedig a vizsgált molekula abszolút konfigurációja meghatározható.80, 81

3.1.3. Cirkuláris dikroizmus jelensége és spektroszkópia alkalmazása Az elektromágneses hullámok elektromos térerősség és mágneses térerősség vektora egymásra és a fénysugár haladási irányára is merőleges. Lineárisan polározott fény esetén az irányuk nem változik (27. ábra). A cirkulárisan polározott fény esetében a térerősség vektorok a haladási irányra merőleges kör sugara mentén forognak. A cirkuláris dikroizmus jelensége azon alapul, hogy a királis molekulák a jobbra, illetve balra cirkulárisan polározott fényt különböző mértékben nyelik el.

Az abszorbciót leíró Lambert–Beer-törvénybe behelyettesítve azt kapjuk, hogy a jobbra és balra polározott fény moláris abszorbanciája különböző, a különbség pedig a moláris cirkuláris dikroizmus.80 Történelmi okokból a moláris ellipticitás a leggyakrabban alkalmazott mértékegység a CD spektroszkópiában, mely a moláris dikroizmus 32982,2- szorosa. Az egyenletekben A: abszorbancia, ε: moláris elnyelés, C: koncentráció, l: küvetta hossza, Θ: moláris ellipticitás.

(1) ∆퐴 = 퐴퐿 − 퐴푟 = (휀퐿 − 휀푅) 퐶 푙

(2) ∆휀 = 휀퐿 − 휀푅

(3) [휃] = 3298,2∆휀

Linerárisan polározott fény

Cirkulárisan polározott fény

27. ábra Cirkulárisan polározott fény és a cirkuláris dikroizmus jelensége82-84

A felhasznált fény hullámhossz tartománya alapján két különböző spektroszkópiai módszer használja ki a cirkuláris dikroizmus jelenségét. Dolgozatomban az UV-VIS tartományban működő elektronikus cirkuláris dikroizmust (ECD) tárgyalom részletesen. Ismert még az infravörös tartományban működő vibrációs cirkuláris dikroizmus spektroszkópia (VCD).85 A mért ECD spektrum nem az adott anyag saját, belső tulajdonsága, függ a molekulák konformációjától, így a konformációs eloszlást befolyásoló tényezőktől, például a hőmérséklettől és az oldószertől. Az ECD spektrum becslésekor figyelembe kell venni a vizsgált molekula lehető legtöbb konformációját, és Boltzmann-eloszlásukkal súlyozni kell őket.81 A cirkuláris dikroizmus spektrum „megfejtésére” nincsenek általános empirikus szabályok, de például oxo- és bizonyos gyűrűs vegyületekre léteznek szektorszabályok, amelyekkel az alapvegyület egyszerű szubsztituált származékainak térszerkezete kikövetkeztethető.86-88 Fehérjéket alkotó másodlagos struktúráknak (alfa-hélix, béta-redő, rendezetlen stb.) jellegzetes az ECD spektruma, ezért a spektrum dekonvolúciójával lehet következtetni a másodlagos szerkezeti egységek arányára.89 A cirkuláris dikroizmus spektrum becsülhető kvantumkémia számítások segítségével, a mért spektrummal összehasonlítva pedig a vizsgált molekula abszolút konfigurációja meghatározható. A rotátor erősség az alábbi képlettel írható fel általánosan:

(4) 푅0푖 = 퐼푚(〈훹0|휇̂|훹푖〉〈훹0|푚̂|훹푖〉 = |휇⃗⃗⃗⃗0⃗ 푖| · |푚⃗⃗⃗⃗⃗0⃗ 푖| · cos (휇⃗⃗⃗⃗0⃗ 푖, 푚⃗⃗⃗⃗⃗0⃗ 푖)

A 4. egyenletből látszik, hogy szükséges az elektromos és a mágneses átmeneti dipólusmomentum, valamint a két vektor szögének a számítása, ezért a rotátor erősség számítása bonyolultabb és nagyobb pontosságot igénylő feladat, mint csak az oszcillátor erősség számítása.87, 90

3.1.4. Balanophonin A neolignánok olyan polifenolok, amelyek fenilalanin és fahéjalkohol kapcsolódásával jönnek létre növényekben. Gyógyászatban alkalmazott képviselőjük a citotoxikus podophyllotoxin.91, 92 Haruna és munkatársai 1982-ben a Balanophora japonica növényből izolálták az általuk balanophoninnak elnevezett neolignánt (28. ábra).93 Javaslatot tettek a vegyület abszolút konfigurációjára rokonszerkezetű ismert térszerkezetű anyagok ECD és ORD spektruma alapján. Yuen kutatócsoportja megvalósította a vegyület totálszintézisét, és származékképzés után elvégzett egykristály

32 röntgendiffrakciós mérésekkel megállapították a helyes abszolút konfigurációt.94 Jang és munkatársai Dipteryx odorata magjából izolálták a balanophonint, és megállapították, hogy kinon-reduktáz aktivitással bír, ezért potenciálisan rákmegelőző hatású lehet.95

28. ábra Balanophonin szerkezete (Yuan és mts. javaslata alapján)

29. ábra Balanophora japonica96 (bal felső), Dipteryx odorata97 (jobb felső) szárított gyümölcse, Anastatica hierochuntica98 (bal alsó) és Cirsium eriophorum99 (jobb alsó)

Nakashima és társai Anastatica hierochuntica-ból izolálta a vegyületet, és melanin-termelést inhibeáló hatását figyelték meg egér B16 melanóma sejtvonalakban.100 A balanophonint már számos növényből sikerült izolálni (29. ábra), legutóbb a Magyarországon is őshonos Cirsium eriophorum-ból (gyapjas aszat).101

A gyógyszeripar számára rendkívül fontosak a természetes eredetű kismolekulás hatóanyagok. Az 1981 és 2006 között megjelent originális készítményeknek nagyjából negyede természetes eredetű, vagy félszintetikus származék.102 A fitokémiai kutatásokban is nagy szerep jut az abszolút konfiguráció meghatározásának, így a cirkuláris dikroizmus spektroszkópiának.103, 104 Amennyiben egy már ismert természetes anyagot új fajból izolálnak, akkor mindenféleképpen szükséges az új forrásból származó molekula abszolút konfigurációját vizsgálni, ugyanis nem evidens, hogy a különböző fajokból származó azonos 2D szerkezetű molekuláknak azonos az abszolút konfigurációja.105 Ezt jól mutatja, hogy például a citrusfélék kifejezett narancs illatát adó (R)-(+)-limonén mellett előfordul a természetben a terpentin szagú (S)-(–)-limonén is.

3.1.5. Kvantumkémiai módszerek cirkuláris dikroizmus spektrum becslésére Számos kvantumkémiai módszer alkalmas gerjesztett állapotok számítására, és ezáltal UV-VIS és ECD spektrumbecslésre. Vannak félempirikus módszerek, amelyekkel többszáz-atomos molekulák spektruma is számítható, de ezek a módszerek rendkívül pontatlanok ezért a gyakorlatban nem igazán alkalmazhatóak.106, 107 A CI-szingletek (CI- Singles) módszere az elektronkorreláció elhanyagolása miatt a gerjesztési energiákat jellemzően túlbecsüli. Az egy determinánsos hullámfüggvényen alapuló EOM-CCSD, SAC-CI, RI-CC2 módszerek ugyan pontos becslést adnak az ECD spektrumra, de komoly számítási igényük miatt csak korlátozottan alkalmazhatóak.108-111 A TD-DFT a leghatékonyabb módszer gerjesztett állapotok tanulmányozására, UV-VIS és ECD spektrumok becsléséhez. A módszert már sikeresen alkalmazták természetes anyagok, fémkomplexek és más szerves vegyületek abszolút konfigurációjának meghatározására.101, 103, 112-114 Azonban számos példa van az irodalomban amikor TD-DFT nem elég pontos, ilyenek például a Rydberg-állapotok, a töltés-átmenettel járó gerjesztések (charge transfer excitations, CT) és a többszörös gerjesztések leírásai, valamint léteznek egyéb pontatlanságok mért vagy magasabb szinten számolt spektrumokhoz képest.90, 108, 110, 115-119 Az irodalomban ECD spektrumok számítására a B3LYP a leggyakrabban használt funkcionál, mely a legtöbb esetben megfelelő eredményeket ad, de számos példa van, amikor a becsült spektrum nem hasonlít a mérthez.81, 111, 120 A B3LYP-et 1993-ban

34 publikálta Becke, e dolgozat írásának pillanatában a cikkének több mint 40 ezer hivatkozása van.121 Három empirikus paraméter írja le ezt a hibrid funcionált, mely tartalmaz Hartree–Fock-kicserélődést, LDA és Becke88 kicserélődést, valamint VWN és LYP korrelációt. A HF kicserélődés aránya 20%. A CAM-B3LYP a korábbi B3LYP távolság szeparált (range separated) változata, abban különbözik, hogy az alkalmazott HF és Becke88 kicserélődés aránya távolság függő.122 A HF aránya kis távolságok esetén 19% végtelenben pedig 65%, a két érték között egy Gauss-féle hibafüggvénnyel lehet meghatározni, aminek a paramétere 0,33. A magasabb HF kicserélődés nagy távolságokban javítja a funkcionál viselkedését, de még aszimptotikusan nem teljesen helyes. (Ehhez 100% HF kicserélődés kell nagy távolságok esetén, ilyen funkcionálok azonban nem vizsgáltunk, mert a célunk az volt, hogy olyan ECD számításokra gyakran alkalmazott hibrid funkcionálokat hasonlítsunk össze, amelyek csak a HF arányban térnek el, de kicserélődési és korrelációs funkcionáljaik azonosak.) A CAM-B3LYP funkcionállal végzett spektrum becslésszámítási igénye nem jelentősen nagyobb, mint a B3LYP használata esetén. Az irodalomban már beszámoltak olyan próbálkozásokról, hogy a funkcionál paramétereit kifejezetten ECD spektrum becsléshez hangolják, azonban nem sikerült úgy paraméterezni, hogy egyszerre legyen pontos a gerjesztési energia és a rotátorerősség becslése.110 Az M06-2X funkcionál egy paraméterezett hibrid meta-GGA funkcionál, tesztek alapján az egyik legpontosabb funkcionál fémeket nem tartalmazó vegyületek geometriájának és reakcióinak vizsgálatára, és jól használható UV-VIS and ECD spektrumok becslésére is. 43, 123-126

3.1.6. Aromás nitrovegyületek gerjesztett állapotainak vizsgálata A természetben csak néhány nitrovegyület ismert. Ezek közül a legjelentősebb a klóramfenikol antibiotikum, azonban számos növényvédőszer és gyógyszeripari intermedier tartalmaz nitrocsoportot. Ezért ezeknek a vegyületeknek UV-VIS és ECD spektroszkópiai vizsgálata fontos feladat.127 A p-nitroanilin gerjesztési spektrumát és a fellépő szolvatokromikus eltolódást EOM-CCSD, TD-DFT és QM/MM számításokkal vizsgálva kiderült, hogy a molekulában gerjesztéskor töltésszétválás következik be (CT).119, 128 A DFT módszerek közül a CAM-B3LYP közelítette meg legjobban a pontos EOM-CCSD számítás eredményét. Előzetes vizsgálataink alapján kiderült, hogy ha a vizsgált királis molekula aromás nitrocsoportot tartalmaz, akkor a B3LYP-el és a CAM-

B3LYP-el számított spektrum jelentősen eltérhet. Kutatásunk során arra fókuszáltunk, hogy mi az oka a két módszer eredményei közötti különbségnek. A témában megjelent cikkünkben csak a B3LYP és CAM-B3LYP funkcionálokat vizsgáltuk, de e dolgozatban szerepel az M06-2X funkcionállal elvégzett számítások eredménye is.

3.2. Alkalmazott módszerek az ECD spektrumok becsléséhez A vizsgált molekulák konformációs analízisét M06-2X/6-31+G(d,p) szinten végeztük el, amennyiben több stabil konformert találtunk, akkor a konformerek spektrumait a Boltzmann-eloszlásukkal súlyoztuk.43, 49-51 A gerjesztett állapotokat B3LYP, CAM-B3LYP és M06-2X funkcionálokkal és 6-311++G(2d,2p) bázissal számítottuk.121, 122 A molekulától függően 20-40 gerjesztett állapotot számítottunk. A szolvatációt az IEF-PCM oldószermodellel vettük figyelembe. Minden kvantumkémiai számítást a Gaussian 09 rev. B programcsomaggal hajtottuk végre.56 Az UV és ECD spektrumokat a SpecDis programmal σ = 0.30 eV paraméterű Gauss-függvényekkel szimuláltuk. A programmal lenne lehetőség mért és számított spektrumok hasonlóságát számszerűsíteni, de tapasztalataink szerint ez csak akkor lehetséges, ha eleve nagyon jó egyezés van a spektrumok között.129 A gerjesztett állapotok analízisét a GaussSum programmal végeztük.130 A molekulaorbitálokat és a természetes átmeneti orbitálokat a Gabedit programmal jelenítettük meg.131 Az irodalomban vannak példák, amikor a szolvatációs hatásokat nem kontinium oldószer modellel hanem QM-MM számításokkal több rétegű explicit oldószer burokkal vették figyelembe. Ez a módszer főleg a töltésátmenettel járó gerjesztések energiáját becsülte meg pontosabban, azonban a módszer bonyolultsága és számítási igénye miatt nem elterjedt, dolgozatomban nem alkalmaztam.132 A vibronikus hatásokat UV-VIS és ECD számításoknál leggyakrabban elhanyagolják, mert oldatban mért spektrumokban a rezgési finomszerkezet sávszélesedés miatt nem kivehető, illetve mert ezeknek a figyelembe vétele nagyságrendekkel megnöveli számítási igényt.133, 134 Az ECD és UV spektrumokat szimultán vettük fel egy Jasco J-720 spektropolariméterrel (Jasco INC, Tokyo, Japan) cilindrikus küvettákban víz, metanol vagy acetonitril oldószerekben. A spektrumok felvétele 50 nm/min sebességgel és 3-5 akkumulációval történt.

3.3. Aromás nitrovegyületek gerjesztett állapotainak vizsgálata 3.3.1. Modellvegyületek kiválasztása és előállítása A nitrocsoport hatásának tanulmányozására 6 db királis modellvegyületet terveztünk, ezeket kereskedelmi forgalomban kapható enantiomertiszta kiinduló anyagokból állítottuk elő olyan reakciók felhasználásával melyek nem változtatták meg az aszimmetrikus szénatomok konfigurációját. (1S)-(−)-Kámfort anilinnel vagy 4-nitroanilinnel p-toluolszulfonsav katalizátorral xilolban vízleválasztó feltéttel forralva kaptuk az [(1R,E)-bornán-2-ilidén]anilin és [(1R,E)-bornán-2-ilidén]-4-nitroanilin vegyületeket (30. ábra).135 Az irodalomban alkalmazott toluolban a reakció rendkívül lassú volt, ezért azt a magasabb forráspontú xilol izomer-elegyre cseréltük. -R % -H 54

-NO2 68

30. ábra Bornánilidén vázas modellvegyületek szintézise

Kodeint acetilcsoporttal védtük, majd tömény salétromsavval nitráltuk, az acetil védőcsoportot eltávolítva nyertük az 1-nitrokodeint (31. ábra). Védőcsoport alkalmazása nélkül a 6-os helyzetű hidroxilcsoport oxidációja következhetett volna be.

31. ábra 1-Nitrokodein előállítása

(R)-Fenilglicinolt benzoesav-kloriddal illetve 4-nitrobenzoesav-kloriddal reagáltattuk, a gyűrűt metánszulfonsav-klorid és DBU segítségével zártuk be, így kaptuk az (R)-2,4-difenil-4,5-dihidrooxazolt és (R)-4-fenil-2-(4-nitrofenil)-4,5-dihidrooxazolt (32. ábra). Az irodalomban leggyakrabban alkalmazott trietil-amin bázissal, gyenge termeléssel kaptuk csak a várt terméket, az erősebb 1,8-diazabicikloundec-7-én bázis alkalmazásával a reakció kiváló termeléssel ment végbe.136

-R % -H 48

-NO2 43

32. ábra Dihidrooxazol származékok szintézise

A vizsgálatokhoz előállított vegyületek szerkezete a 33. ábrán látható. Az elméleti módszerekkel becsült spektrumokat vízszintes tengely mentén eltolással és függőleges átméretezéssel illesztettük a mért spektrumokhoz. Az eltolás gerjesztési energia (eV) egységben történt, majd visszaalakítottuk hullámhossz (nm) egységre, ezeket a paramétereket a 8. táblázatban foglaltam össze.

33. ábra Előállított modellvegyületek

6. táblázat Spektrumok illesztéséhez használt paraméterek

Eltolás (eV) Méretezés Molekula B3LYP CAM-B3LYP M06-2X B3LYP CAM-B3LYP M06-2X 1 -0,15 -0,35 -0,35 0,60 0,20 0,43 2 0,30 -0,35 -0,35 0,55 0,42 0,12 3 0,30 -0,30 -0,30 0,73 0,42 0,33 4 -0,01 -0,60 -0,55 2,90 2,00 1,60 5 0,10 -0,40 -0,60 1,20 0,60 0,60 6 -0,01 0,10 -0,25 1,20 1,20 1,00

3.3.2. [(1R,E)-bornán-2-ilidén]anilin Az áthidalt biciklusos bornanilidén gyűrűrendszer meglehetősen merev, a metilcsoportok forgása az egyetlen konformációs mobilitás. Relaxált potenciális energiafelület szkenneléssel bizonyítottuk, hogy a fenilgyűrűnek csak egy stabil állása van az imin nitrogén–aromás szén tengely körüli forgás mentén. Ezért a spektrum-számításokban csak egyetlen konformert vettünk figyelembe. Mindhárom funkcionál eredményei jó egyezést mutatnak a kísérleti UV-VIS és ECD spektrumokkal. A 200-230 nm tartományban a CAM-B3LYP funkcionállal számolt spektrum jobban követi a mértet (34.

ábra).

3.3.3. [(1R,E)-bornán-2-ilidén]-4-nitroanilin Mivel a nitrocsoport para-helyzetben található, az aromás gyűrű szimmetrikus, így az [(1R,E)-bornán-2-ilidén]anilinra elvégzett konformációs analízis ebben az esetben is helytálló. A nitrocsoport három atomja az aromás gyűrű síkjában található. Az UV-VIS spektrum mindhárom módszerrel hasonlít a mértre, de a CAM-B3LYP és az M06-2X funkcionál adja a jobb eredményt (35. ábra). Az ECD spektrum esetén már sokkal komolyabb eltérések vannak. A CAM-B3LYP funkcionál esetén mindhárom csúcs előjele helyes, de a 330 nm-nél lévő csúcs intenzitását a számítás jelentősen túlbecsülte a spektrum többi részéhez képest. A 36. ábrán láthatóak a gerjesztések is, így látható hogy, a CAM-B3LYP spektruma esetében 240 nm-nél lévő kicsi pozitív csúcs 3 pozitív előjelű gerjesztés eredménye, míg a B3LYP funkcionállal számolt spektrumban a 276 nm-nél lévő lokális maximumhoz nem tartozik pozitív előjelű gerjesztés, így az nem a pozitív tartományba, hanem csak nulla értékhez tart. A B3LYP funkcionállal számolt spektrumban a két negatív csúcs aránya fordított a

34. ábra [(1R,E)-bornán-2-ilidén]anilin becsült és mért UV-VIS (jobb) és ECD (bal) spektrumok összehasonlítása.

35. ábra [(1R,E)-bornán-2-ilidén]-4-nitroanilin becsült és mért UV-VIS (jobb) és ECD (bal) spektrumainak összehasonlítása.

36. ábra [(1R,E)-bornán-2-ilidén]-4-nitroanilin becsült és mért ECD spektrumainak összehasonlítása. Az önálló gerjesztéseket ábrázoltuk.

40 mérthez képest. A B3LYP funkcionállal számolt ECD becslés akár jobbnak is tűnhet a CAM-B3LYP funkcionállal számoltnál, de a megbízható spektrumbecsléshez, jobb, ha minden csúcs előjele megfelelő, mint az, hogy a spektrum kisebb részletében pontosabb legyen az illeszkedés. Az M06-2X funkcionál esetén minden csúcs előjele helyes, de a 270 nm-nél lévő pozitív csúcs erőssége mind a mérthez, mind a CAM-B3LPY funkcionállal számolthoz képest eltúlzott.

3.3.4. Egyéb para-szubsztituált [(1R,E)-bornán-2-ilidén]anilin származékok Annak érdekében, hogy bizonyítsuk, hogy a jelenség specifikus a nitrocsoportra, olyan molekulákra is elvégeztük a spektrumbecsléseket, amelyeket nem állítottunk elő, és spektrumaikat sem mértük. A 37. ábra a 4-metoxi-, 4-bróm-, 4-dimetilamino- és 4-ciano- szubsztituált [(1R,E)-bornán-2-ilidén]anilin származékok becsült ECD spektrumát mutatja, összehasonlítva a szubsztituálatlan alapvegyület mért spektrumával.

R=OMe R=Br

R=NMe2 R=CN

37. ábra Para-helyzetben szubsztituált [(1R,E)-bornán-2-ilidén]anilin származékok ECD spektruma az alapvegyület spektrumával összehasonlítva

A korábbiakkal megegyező módon számítottuk a spektrumokat. Minden esetben a B3LYP-el és CAM-B3LYP-el számított spektrum nagyon hasonló volt, nem voltak tapasztalhatók olyan eltérések, mint a nitrocsoport esetén. Továbbá a számított spektrumok hasonlítanak a szubsztituálatlan [(1R,E)-bornán-2-ilidén]anilin mért spektrumára is. 3.3.5. Kodein A kodein kondenzált gyűrűrendszere meglehetősen merev, a tercier nitrogénatomot tartalmazó gyűrű mozgásának kis hatása van a spektrumra. Négy konformer Boltzmann-eloszlással súlyozott spektrumát használtam az összehasonlításban (38. ábra). A B3LYP funkcionállal számított UV-VIS spektrumban a 288 nm-nél lévő csúcs, valamint a számított ECD spektrumban az ennek megfelelő negatív csúcs hiányzik,

38. ábra Kodein becsült és mért UV-VIS (jobb) és ECD (bal) spektrumainak összehasonlítása

39. ábra 1-nitrokodein becsült és mért UV-VIS (jobb) és ECD (bal) spektrumainak összehasonlítása

42 beleolvadt a szomszédos csúcsba. B3LYP funkcionál használata esetén a csúcsarányok nem helyesek. Ennél a molekulánál is a CAM-B3LYP és az M06-2X funkcionálok sokkal jobban teljesítenek, minden ECD csúcs előjele helyes, a csúcsarányok is jól követik a mért spektrumot. 3.3.6. 1-Nitrokodein A nitrocsoport majdnem teljesen egy síkban van az aromás gyűrűvel, a kodein konformációs analízise erre a molekulára is igaz. Az UV-VIS spektrum mindhárom funkcionállal hasonlít a mérthez, azonban az ECD spektrumokban jelentős eltérések vannak (39. ábra). B3LYP funkcionál használata esetén több olyan csúcs is van, melyek nincsenek benne a mért spektrumban, így ezzel a módszerrel lehetetlen lenne meghatározni az abszolút konfigurációt. A CAM-B3LYP funkcionál használata esetén minden ECD csúcs előjele helyes, így a mért és számított spektrumban a csúcsok összerendelhetőek. Megállapítható, hogy csak a CAM-B3LYP és M06-2X funkcionálokkal végzett becslés közelíti meg nagyon jól a mért spektrumot, és így csak ezekkel lehet teljes biztonsággal meghatározni a molekula térszerkezetét.

3.3.7. (R)-2,4-Difenil-4,5-dihidrooxazol A tanulmányozott dihidrooxazol származékoknak csak egy stabil konformere van, a 2-es helyzetű aromás gyűrű és a dihidrooxazol gyűrű egy síkban van, a 4-es helyzetben lévő fenilgyűrű pedig merőleges erre a síkra. A CAM-B3LYP funkcionál használatával jól reprodukálható a mért spektrum, de az ECD spektrum 235-275 nm tartományában található pozitív csúcs szélesebb, mint a mért spektrumban (40. ábra). A B3LYP és az M06-2X funkcionál használata esetén egy a mért spektrumban nem látható kis negatív ECD csúcs van 275 nm-nél, továbbá az UV-VIS spektrumban a 220 nm alatti tartomány túl kicsi intenzitású. Ugyan a három módszerrel kapott spektrumok hasonlóak, ebben az esetben is egyértelműen a CAM-B3LYP funkcionál szolgáltatta a jobb eredményt. Az M06-2X-el becsült ECD spektrum jobban hasonlított a B3LYP-el mint a CAM-B3LYP- el számítottra.

3.3.8 (R)-4-Fenil-2-(4-nitrofenil)-4,5-dihidrooxazol Az ECD spektrum legnagyobb részén a CAM-B3LYP funkcionállal számított spektrum hasonlít jobban mérthez, azonban a 235 nm-nél és 250 nm-nél lévő két negatív

40. ábra (R)-2,4-Difenil-4,5-dihidrooxazol becsült és mért UV-VIS (jobb) és ECD (bal) spektrumainak összehasonlítása

41. ábra (R)-4-Fenil-2-(4-nitrofenil)-4,5-dihidrooxazol becsült és mért UV-VIS (jobb) és ECD (bal) spektrumainak összehasonlítása csúcsot csak egy burkoló görbével írja le (41. ábra). A B3LYP funkcionállal számított ECD görbében a 350 nm-hez és a 415 nm-hez tartozó gerjesztések a számított UV spektrumban 380 nm-nél található extra (a mért spektrumban nem található) csúcshoz tartoznak, ezeknek az extra csúcsoknak a jelenléte az abszolút konfiguráció meghatározását (ha az ismeretlen lenne) ellehetetlenítené. Az M06-2X funkcionál a CAM-B3LYP funkcionálhoz hasonlóan jó eredményt ad. 3.3.9. Gerjesztések vizsgálata A 9. táblázat az [(1R,E)-bornán-2-ilidén]-4-nitroanilin öt legalacsonyabb energiájú gerjesztését mutatja a B3LYP és CAM-B3LYP funkcionálokkal számítva. Jól látszik, hogy a két funkcionállal számított gerjesztések jelentősen eltérnek egymástól, ezek egymáshoz rendelése nem egyszerű. Csak az oszcillátor-erősség, rotátor-erősség,

MO-hozzájárulás figyelembe vételével és a megjelenített természetes átmeneti orbitálokkal lehetséges a gerjesztett állapotok párosítása.

7. táblázat Gerjesztett állapotok analízise. a: hullámhossz (nm) b: oszcillátor-erősség, c: rotátor-erősség, d: 10% fölötti MO-hozzájárulások, f: dipólusmomentum (debye). B3LYP CAM-B3LYP

λ a f b r c MO d µ f λ a f b r c MO d µ f

S0 7.08 6.94

S1 349.5 0.4148 -22.75 H→L (99%) 19.90 305.9 0.0000 -0.93 H-5→L (83%) 5.99

H-5→L (53%) S 316.6 0.0002 -5.80 6.03 300.1 0.5393 -44.08 H→L (92%) 17.47 2 H-4→L (38%)

H-1→L (82%) S 301.3 0.0108 -0.24 H-1→L (94%) 14.57 268.3 0.0108 1.11 6.43 3 H→L+1 (14%)

S4 272.9 0.0005 -0.90 H-7→L (97%) 6.29 265.8 0.0006 -0.83 H-10→L (93%) 12.75

H→L+1 (17%) S5 271.3 0.0145 -10.13 H-2→L (86%) 27.33 240.9 0.0030 3.51 H→L+3 (12%) 4.64 H→L+6 (32%)

A természetes átmeneti orbitálokkal alaposabb betekintést nyerhetünk a gerjesztés folyamatába, mint ha csak az MO-hozzájárulásokat vizsgálnánk, mivel a donor és akceptor orbitálok megjeleníthetők.118, 137 Irodalmi adatok alapján a nitrocsoport töltésátmenettel járó gerjesztésekben (charge transfer excitation, CT) kitűnő akceptor, a fenilgyűrű pedig donor lehet.138 A 42. ábrán a két első gerjesztett állapot természetes átmeneti orbitáljai láthatók mindkét funkcionállal számítva. Az egyik gerjesztés a nagy dipólusmomentum és a megjelenített orbitálokon látható elektronsűrűség-eltolódás miatt CT állapot, míg a másik egy lokális gerjesztés (LE), mert a dipólusmomentum is közel áll az alapállapothoz és az orbitálokon sem látható jelentős töltéseltolódás. A két funkcionál a két különböző jellegű gerjesztés sorrendjét felcseréli. Ez arra enged következtetni, hogy a CAM-B3LYP funkcionál növeli a töltésszétváláshoz szükséges energiát, ezért ez a folyamat kevésbé kedvező mint B3LYP-nél, ez megfelel irodalmi eredményeknek.118

A harmadik gerjesztés esetén a helyzet bonyolultabb, mint az első kettő esetén, ugyanis a gerjesztéshez két átmeneti orbitál pár is tartozik (43. ábra). A nagyobbik komponens egy CT gerjesztés és a második egy LE gerjesztés. A két funkcionállal a két komponens arányát eltérően lehetett meghatározni: B3LYP esetén 95%:5% (CT:LE) míg CAM-B3LYP esetén 85%:15% (CT:LE) a számított arány, a megnövekedett LE komponens-arány csökkenti az átlag dipólusmomentumot, és valószínűleg ez az oka a rotátorerőség változásának is.

42. ábra S1 és S2 gerjesztés természetes átmeneti orbitáljai

43. ábra S3 gerjesztés természetes átmeneti orbitáljai

3.4. Cirsium eriophorum gyümölcsfalából izolált neo-lignánok vizsgálata 3.4.1. Neo-lignánok izolálása Az előző fejezetben láthattuk, hogy az M06-2X funkcionál a CAM-B3LYP funkcionálhoz hasonlóan jó eredményeket produkál a spektrumbecslések során, ezért a továbbiakban ezt a két funkcionált használtuk. A vegyületeket az ELTE Növényanatómia Tanszékén izolálták Cirsium eriophorum gyümölcsfalából, 2D szerkezetüket a Semmelweis Egyetem Gyógyszerészi Kémia Intézetében határozták meg, a cirkuláris dikroizmus spektrumokat is ott készítették.

3.4.2. Prebalanophonin A prebalanophonin esetében az átlagolt számított spektrumokban négy konformert vettünk figyelembe. A kettős kötés és az A gyűrű közötti kötést két állással, a 7-es és 8-as szénatomok közötti kötést 3 állással (kb. 120 fok eltérés), a B gyűrű és 7- es szénatom közötti kötést két állással vizsgáltuk meg. Az A gyűrű és a 8-as atom között csak egy állás lehetséges az A gyűrű orto szubsztitiense miatt. A számításokból és NMR vizsgálatokból is kiderült, hogy a 8-as és a 7-es számú szénatomokhoz kapcsolódó hidrogének antiperiplanáris állásúak. A spektrumok metanolban készültek. Az implicit oldószermodellek nem tudják figyelembe venni az oldószer és a szolvatált molekula között hidrogénkötéseket. A konformerkeresés során azokat a szerkezeteket nem vettük figyelembe, amelyeket belső hidrogén híd stabilizál. Gawronski és mtsi kimutatták, hogy az oldószer polaritásának növelésével borkősav származékokban kialakuló belső hidrogénkötések száma csökken, különösen víz és metanol esetén.139 A kodein és nitrokodein példájából valószínűsítettük, hogy az aromás gyűrűkhöz kapcsolódó metoxi- csoportok állásának a hatása a CD spektrumokra kicsi, ezért csak egy, kedvezőnek ítélt állásban rögzítettük a metoxi-csoportokat a geometria optimálások során. A formilcsoport és a kettős kötés egymáshoz képest kétféleképpen állhat. A fahéjaldehiden megvizsgálva úgy találtuk, hogy a transz állás kb. 2 kcal/mol-al alacsonyabb szabadentalpiájú, ebből valószínűsíthető, hogy az ezt a szerkezeti egységet tartalmazó bonyolultabb molekulák esetén is hasonlóan jelentős szabadentalpia különbség lehet a két konformer között, ezért a prebalanophonin és balanophonin vizsgálatakor csak a transz állást vettük figyelembe.

44. ábra Fahéjaldehid konformerei.

45. ábra Prebalanophonin lehetséges konformereinek vázlatos ábrázolása. Jobb: figyelembe vett szabadon forgó kötések; Bal: 7-8 kötés menti transz állású konformáció Newman projekciója.

3.4.3. Balanophonin A balanophonin esetében az átlagolt számított spektrumokban négy konformert vettünk figyelembe. A kettős kötés és az A gyűrű közötti kötést két állással, a B gyűrűt és C gyűrűt egymáshoz képest szintén két állással vizsgáltuk meg. A 8 és 7 számú szén atomokhoz kapcsolódó hidrogének NMR vizsgálatok szerint transz állásúak.

46. ábra Balanophonin lehetséges konformereinek vázlatos ábrázolása.

3.4.4. Spektrumok értékelése Prebalanophonin esetén a számolt spektrumok nagyon jól illeszkednek a mérthez (47. ábra). A korábbi példákban már többször láthattuk, hogy az alacsonyabb energiákhoz tartózó csúcsok rendszerint szélesebbek a mért, mint a becsült spektrumban, és nehéz a számított spektrumot teljes mért spektrumhoz jól illeszteni. Mivel a Balanophonin esetén is minden csúcs iránya megegyezik a mért spektrumban láthatókkal, korábbi tapasztalatok és irodalom alapján elfogadhatónak tartottuk a feltételezett abszolút konfigurációt.

47. ábra (7S,8S)-Prebalanophonin mért és számított UV-VIS és ECD spektruma.

(7S,8S) 48. ábra (7S,8S)-Prebalanophonin szerkezete

49. ábra (7R,8S)-Balanophonin mért és számított UV-VIS és ECD spektruma.

(7R,8S) 50. ábra (7R,8S)-Balanophonin szerkezete

4. Ciklodextrin zárvány komplexek vizsgálata 4.1. Irodalmi áttekintés 4.1.1. Ciklodextrinek tulajdonságai A ciklodextrinek olyan makrociklusos oligoszacharidok, amelyek ötnél több 1-4 glikozid kötéssel kapcsolódó α-D-glükóz egységet tartalmaznak, és a keményítő enzimatikus átalakításnak termékei.140 A legfontosabb képviselőiket a 10. táblázat foglalja össze és szerkezetüket az 51. ábra mutatja be. Fizikai és kémia tulajdonságaikat a gyűrű tagszáma határozza meg. Például minél kisebb a gyűrű tagszáma, annál kevésbé érzékeny enzimatikus hidrolízisre. A jellegzetes csonka kúp szerkezetükből adódóan az alkoholos hidroxilcsoportok a peremeken találhatók, az üreg belső része ezzel szemben kevesebb poláris csoportot tartalmaz, így viszonylag apoláris. A ciklodextrinek képesek zárvány komplexeket képezni olyan molekulákkal, amelyek megfelelő méretűek ahhoz, hogy elférjenek az üregükben.

α-ciklodextrin β-ciklodextrin γ-ciklodextrin

51. ábra A ciklodextrinek legjellemzőbb képviselőinek szerkezete

Kémiai módosításokkal előnyösen változtatható a ciklodextrinek tulajdonságai, így ma már számos ciklodextrin származékot állítottak elő, mind gyógyszer formulálási, mind analitikai célra.141-143

8. táblázat Ciklodextrinek legjellemzőbb képviselőinek tulajdonságai

α-ciklodextrin β-ciklodextrin γ-ciklodextrin Glükóz egységek száma 6 7 8 Móltömeg (g/mol) 972 1135 1297

Vízoldhatóság 25 °C-n (g/100ml) 14,5 1,85 23,2 Külső átmérő (Å) 14,6 15,4 17,5 Üreg átmérő (Å) 4,7-5,3 6,0-6,5 7,5-8,3 Üreg térfogat (Å3) 174 262 427

4.1.2. Ciklodextrin-zárványkomplexek alkalmazása A ciklodextrinek gazda-vendég kölcsönhatás kialakítására képesek, e tulajdonságukat a gyógyszeripar többféleképpen hasznosítja. Legfontosabb felhasználásuk a vízben rosszul oldódó hatóanyagok biológiai hasznosulásának növelése, mivel a ciklodextrin–hatóanyag-komplex jobban oldódik vízben, mint a tiszta hatóanyag.144, 145 Alkalmazhatók továbbá kellemetlen szagú vagy ízű hatóanyagok maszkírozására, szövet irritáció kiküszöbölésére, és alkalmazásukkal növelhető a hatóanyagok stabilitása. Ma már számos forgalomban lévő gyógyszerkészítményben alkalmazzák a ciklodextrineket előnyös tulajdonságaik miatt.146 Továbbá alkalmazhatók királis additívként, vagy állófázisként gázkromatográfiában, fordított fázisú folyadékkromatogfiában és kapilláris elektroforézisben.147, 148

4.1.3. Ciklodextrin zárványkomplexek modellezése A számos lehetséges alkalmazási területből látszik, hogy a ciklodextrin- zárványkomplexek modellezése fontos feladat, azonban ezen szupramolekuláris rendszerek vizsgálatát megnehezíti a méretükből adódó hatalmas számítási igényük. Vizsgálatukra leggyakrabban molekula-mechanikai és szemiempirikus kvantumkémiai módszereket használnak, azonban ezeknek a módszereknek a pontossága elmarad a sűrűségfunkcionál és ab initio számításokétól.149-152 Santillán-Vargas és munkatársai az α-ciklodextrin komplexeit vizsgálva megállapította, hogy a PBE funkcionállal és DZVP (dupla zéta vegyérték polarizált) bázissal számított geometria jól megközelíti a kísérleti adatokat.52, 153 Megfigyelték azt is, hogy súlyos hibákhoz vezethet, ha szemiempirikus

52 módszerrel számolt geometrián sűrűségfunkcionál módszerrel végeznek energiaszámítást. A ciklodextrin-zárványkomplexek kialakulásában jelentős szerepe van az oldószernek is, azonban a szolvatáció leírása kvantumkémiai számításokban nem egyszerű. Két megközelítés (és ezek kombinációja) létezik a szolvatáció figyelembevételére. Explicit modellről beszélünk, ha az oldószert úgy vesszük figyelembe, hogy a vizsgált rendszerben elhelyezzük az oldószer molekulákat is. Elhelyezhetünk specifikus helyekre, például ha sejthető hidrogénkötés kialakulása, vagy egységesen beboríthatjuk a vizsgált molekulákat. Ennek a módszernek a hátránya, hogy az explicit oldószer molekulák miatt a rendszer mérete nagyon nagy is lehet. Bizonyos kölcsönhatások és reakciók leírásához egyértelműen szükség van az explicit modellre.154, 155 Gyorsíthatók a számítások, ha többrétegű (ONIOM) számítást végzünk.156 Így lehetőség van arra, hogy az oldószert alacsonyabb szinten számítsuk, mint a vizsgált molekulákat. Az implicit modellek az oldószerburkot egy polarizálható üreg felszínével modellezik, az oldott molekula polarizálja az üreget, melynek következtében fellépő dielektromos polarizáció elektrosztatikus teret létrehozva megváltoztatja az oldott anyag töltéseloszlását.157, 158 Az üreget meghatározott sugarú atom központú gömbök hozzák létre. Gaussian programcsomagban használt IEF-PCM és az ORCA-ban használt COSMO is ezen az elven működik.51, 157

4.3. Alkalmazott számítási módszerek ciklodextrin zárványkomplexek vizsgálatára A számításokat az ORCA kvantumkémiai programcsomaggal hajtottuk végre.159 Komplexek geometriáját PM31, HF-3c és PBE/def2-SVP2 szinten optimáltuk megkötések nélkül.150, 160-162 A def2-SVP bázis volt a legjobb minőségű, amivel a – rendszer méretéből adódóan – geometriaoptimálást még végre lehetett hajtani és def2-TZVP bázissal pedig energiaszámítást. A def2-SVP bázis esetén D3 és gCP korrekció alkalmazásával és

1 A PM3 számítások gépigénye rendkívül kicsi. Elméletileg kombinálhatók oldószer modellekkel, de akkor számítási igényük nagyságrendekkel megnő, pontosságuk pedig továbbra sem túl jó, ezért a szemiempirikus PM3 módszert COSMO oldószer modellel együtt nem alkalmaztuk. 2 Az ORCA egy korábbi verziójában technikai problémánk volt bizonyos funkcionálok és a Grimme féle diszperziós korrekciók együttes alkalmazásával, ezért Szabó, Z.-I et al. J. of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 117 2016 398 közleményünkben ezt nem alkalmaztuk. A dolgozatom már tartalmazza az ORCA legfrissebb 3.0.3 verziójával számított a D3BJ diszperziós korrekciót használó számítások eredményét. 53 anélkül is elvégeztük a számításokat.163, 164 Az asenapin esetében csak COSMO modellel vettük figyelembe a szolvatációt, thalidomid és pomalidomid esetén pedig 25 vízmolekulát tartalmazó explicit és COSMO implicit modellt is alkalmaztunk.155, 157 Az RI közelítést alkalmaztuk a DFT számítások során.165 A rendszerek mérete miatt sem analitikus, sem numerikus frekvencia-számításra nem volt lehetőség. A komplexeket az Avogadro programmal jelenítettük meg.166 Implicit oldószermodell esetén kötési energiát a következőképpen definiáltuk:

Ekötési = Ekomplex – (Egazda + Evendég) Explicit oldószermodell esetén kötési energiát a következőképpen definiáltuk:

Ekötési = Ekomplex – (Egazda + Evendég + Evíz cluster) Az explicit modellnél az explicit molekulák energiáját nem lehet az egy molekula energiájának darabszám-szorzásával közelíteni, ugyanis a komplexben az explicit molekulák között is hidrogénkötések vannak. Ezt vesszük figyelembe, amikor a 25 db. vízmolekulából álló víz-klaszter (nanoméretű vízcsepp) energiájával számolunk. Az így számított kötési energiák közvetlenül mérési adatokkal nem hasonlíthatók össze, de különböző orientációjú zárványkomplexek kötési energiájának különbségéből következtetni lehet a komplexek valós stabilitására.

4.4. Ciklodextrin zárványkomplexek vizsgálata 4.4.1. Célkitűzés A Semmelweis Egyetem Gyógyszerészi Kémiai Intézetében gyógyszerhatóanyagok enantiomerjeinek folyadék kromatográfiás és kapilláris elektroforézissel történő elválasztását vizsgálták, illetve valósították meg. Az elválasztásokban módosított ciklodextrin alapú állófázisokat alkalmaztak. A kialakuló gazda-vendég kölcsönhatások vizsgálatával lehetőség lenne a jövőben hatékonyabban megválasztani az analithoz megfelelő állófázist, illetve jósolható lenne az enantiomerek elúciós sorrendje. Emellett a ciklodextrin zárványkomplexeknek nagy jelentősége van a jól felszívódó stabil gyógyszerkészítmények előállításában is, így ebből a szempontból is fontos terület ezeknek a komplexek szerkezetének kutatása. A gyógyszerhatóanyagok enantiomerjeinek és β-ciklodextrinnel alkotott zárványkomplexeinek szerkezetét és kötési energiáját sűrűségfunkcionál módszerekkel kívántuk vizsgálni. Célunk volt megvizsgálni, hogy az alkalmazott bázis, diszerpeziós és BSSE korrekció hogyan befolyásolja a vizsgált komplexek kötési energiáját. Kiinduló

54 pontként a SE GYKI-ban elvégzett kísérletekre, például korrelációs NMR mérésekre és elúciós sorrendekre tudtunk támaszkodni.

4.4.2. Asenapin Az asenapin egy atipikus antipszichotikum, mely racemátként van forgalomban, szerkezetét az 52. ábra mutatja be.167 A Semmelweis Egyetem Gyógyszerészi Kémiai Intézetében ciklodextrin állófázisú gélelektroforézissel valósították meg az enantiomerek elválasztását. Azonban enantiomertiszta standard hiányában nem tudták azonosítani, hogy melyik enantiomer eluálódik előbb. Kvantumkémiai számításokkal próbáltunk javaslatot tenni az elúciós sorrendre.

52. ábra (R,R)-asenapin szerkzete és a komplexálódás szempontjából jellemző régiók

Számos kiinduló szerkezetből indítottunk geometriaoptimálásokat. A β-CD kisebb átmérőjű nyílásának síkjától 4 különböző távolságban helyeztük el a vendég molekulát, úgy hogy egyszerre csak az egyik gyűrűt helyeztük az üregbe. Megfelelő szögek és távolságok rögzítésével előoptimáltuk a szerkezeteket PM3 szinten. Majd megkötések nélkül PM3, HF-3c vagy PBE/def2-SVP szinten, utóbbi esetén D3 és gCP korrekció alkalmazásával és anélkül, végeztük el a geometria optimálását. Az 52. ábra mutatja be az asenapin komplexálódás szempontjából jellemző régióit. Sztérikus okokból a molekulának csak ez egyik aromás gyűrűje fér el a β- ciklodextrin üregében, ekkor a másik aromás gyűrű a ciklodixtrin üregén kívül helyezkedik el, a pirrolidin gyűrű protonált nitrogénja egy a ciklodextrin peremén lévő hidroxilcsoporttal hoz létre hidrogénkötést. A számítások eredményét a 11. táblázat tartalmazza, a komplexek szerkezete az 53. és 54. ábrán látható. Az PBE/def2- TZVP//PBE/def2-SVP szinten D3 és gCP korrekcióval elvégzett számítás tekinthető a legpontosabbnak.163, 164 A PM3 kivételével minden számítás hasonló eredményt adott,

55 ellenben a PM3 esetében mind a regioszelektivitás mind a sztereoszelektivitás megfordul a legpontosabbnak tekinthető PBE/def2-TZVP-vel kapott eredményhez képest.

53. ábra (R,R)-asenapin és β-ciklodextrin zárványkomplexének szerkeztének metszete (3 glükóz egység eltávolítva). A klórral szusztituált aromás gyűrű az üregben található, a protonált amin pedig hidrogén kötést létesít a gyűrű peremével.

Ugyan a kötési energiák különbsége meglehetősen kicsi, összemérhető az alkalmazott módszerek pontosságával, azonban a PM3 kivételével a különböző módszerekkel kapott eredmények konzisztensek. A számítások alapján mindkét enantiomer esetén a klórszubsztituenst tartalmazó gyűrű nagyobb affinitással kötődik, mint a szubsztituálatlan. A stabil geometriákban a protonált aminocsoport hidrogénkötéssel kapcsolódhat a CD peremén lévő hidroxilcsoportokhoz. Különböző a két enantiomer kötési energiája, az (R,R)-enantiomer a számítások szerint erősebben kötődik. Az enantiomerek kötési energiakülönbségét mindenféleképpen óvatosan kell kezelni. Az eredmények alapján javaslatot tettünk az elúciós sorrendre, az (S,S) enantiomer a kisebb kötési energia miatt feltételezésünk szerint gyorsabban eluálódik. A szemiempirikus PM3 módszer nem adott a kísérleti adatoknak és a pontosabb számításoknak megfelelő eredményt, így a módszer alkalmazása csak előoptimáláshoz javasolt. Az irodalomban sajnos ciklodextrin zárványkomplexek vizsgálatára a szemiempírikus módszerek elterjedtek, ezen eredményeket az előzőek alapján azonban óvatosan kell kezelni. A HF-3c módszer helyesen becsülte meg a zárványkomplexek kötési energiájának sorrendjét. PBE funkcionállal D3 diszperziós és gCP bázisszuperpozíciós korrekciókat alkalmazva csekély különbség van a def2-SVP és def2- TZVP bázis között. A korábban publikált PBE/def2-SVP szinten számított

56 energiakülönbség értékek nem térnek el jelentősen a D3 és gCP korrekcióval kapott értékektől. (A kötési energia abszolút értéke főleg a gCP korrekció miatt jelentősen eltér.)

9. táblázat Asenapin enantiomereinek β-ciklodextrinnel alkotott záványkomplexeinek kötési energiája (kcal/mol) Komplex 1 2 3 4 d e Orientáció klórfenil az üregben fenil az üregben ΔE1-3 ΔE1-2 Enantiomer RR SS RR SS Számítási módszera PM3 (gázfázis) 0.7 -9.1 -0.4 -5.8 1.1 9.8 HF-3c -12.7 -10.0 -9.9 -13.0 -2.8 -2.7 PBE/def2-SVPb -12.8 -8.2 -11.4 -7.5 -1.4 -4.6 PBE/def2-SVP D3c -41.4 -38.4 -40.3 -37.7 -1.1 -3.0 PBE/def2-TZVP D3c -25.2 -22.0 -23.6 -21.3 -1.6 -3.2 a: PM3 kivételével minden esetben COSMO oldószer modellt alkalmaztunk; b: Szabó, Z.-I et al. J. of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 117 2016 398.; c: Grimme féle D3 diszperziós korrekció Becke- Johnson csillapítással gCP korrekció; d: (R,R)-enantiomer különböző orientációjú komplexeinek energiakülönbsége; e: Két enantiomer komplxének energiakülönbsége, amikor klórfenil van az üregben.

1 2

3 4

54. ábra β-CD és és asenapin enantiomerjeinek zárványkomplexei

4.4.3. Thalidomid és pomalidomid A thalidomidot először mint nyugtatót és hányáscsillapítót hozták forgalomba, az 1960-as években derült ki teratogenetikus hatása, amit az egyik enantiomer okoz. A hatóanyagnak azóta már több kedvező hatását is felfedezték.168 Használják autoimmun betegségekben, daganatos megbetegedésekben és lepra ellen. A pomalidomid a

58 thalidomiddal rokonszerkezetű mielóma multiplex elleni hatóanyag (55. ábra).169 A két hatóanyag zárványkomplexeinek vizsgálatát hasonlóságuk miatt együtt tárgyalom.

55. ábra Racém thalidomid (bal) és racém pomalidomid (jobb) szerkezete

Az asenapinnal ellentétben a thalidomid és pomalidomid esetében a molekulák két fele közötti különbséget az oldószerrel fellépő hidrogénkötések okozzák (56. ábra). Megkíséreltük a komplexek optimálását implicit oldószer modellel, de azt tapasztaltuk, hogy a CD gyűrű torzult, és a kapott energiák nem voltak összhangban sem a kísérletekkel, sem pedig a CD zárványkomplexekről alkotott eddigi képünkkel. Érdekes módon pont a hidrofób aromás gyűrű került a CD üregén kívülre. Az implicit oldószermodellek nem tudják figyelembe venni az oldott molekula és oldószer közötti hidrogénhidakat, ezért a probléma megoldásához explicit oldószer molekulák alkalmazására lehet szükség.

56. ábra (R)-thalidomid szerkezete és a komplexálódás szempontjából jellemző régiók

Az explicit oldószer burok előállításának módja sem nem trivális, sem nem egyszerű. Úgy jártunk el, hogy vízmolekulákkal manuálisan egyenletesen borítottuk be a vizsgált molekulák β-CD üregén kívül elhelyezkedő részét. Számos próbálkozás után megállapítottuk, hogy a thalidomid és pomalidomid beborításához 21 molekulára van szükség. Felmerült, hogy csak a vendégmolekula a hidrogénkötés kialakítására képes atomjaihoz helyezzünk el explicit oldószert molekulát, ezekben az esetekben a már korábban említett módon jelentősen torzult a ciklodextrin szerkezete, és nem kaptunk stabil zárványkomplexeket. A CD kisebb átmérőjű nyílását 4 db vízmolekulával zártuk

59 le, mert enélkül a kismolekula keresztülcsúszik a nyíláson, és szétesik a komplex. Mindkét lehetséges enantiomert vizsgáltuk 2-2 kiinduló orientációval, a geometriaoptimálást az explicit oldószer molekulákkal együtt végeztük el. A PBE/def2- SVP D3 szinten végzett geometriaoptimálással kapott szerkezeteket az 57. és 58. ábra mutatja be

57. ábra (R)-Thalidomid β-ciklodextrin zárvány komplexének szemléltető ábrái. Explicit víz molekulákat tartalmazó modell (jobb), metszet ábra explicit víz nélkül (bal).

A rokonszerkezetű thalidomid és pomalidomid kötési energiái hasonlóak (13. táblázat). Mindkét molekula mindkét enantiomerje esetében az aromás ftálimido- gyűrűrendszer kötődik erősebben a β-ciklodextrinhez (56. ábra), ami megfelel a kísérleti eredményeknek és a kémiai intuíciónknak is. Az (S)-enantiomerek erősebben kötődnek, mint az (R)-enantiomerek, ezért az utóbbiak valószínűleg gyorsabban eluálódnak. Thalidomidból rendelkezésre állt enantiomertiszta minta, amivel az enantiomerek elúciós sorrendjét meghatároztuk; a kísérleti eredmények összhangban voltak a számítások eredményével. A számítások pontosságából és a bonyolultságából adódóan az eredményeket annak ellenére is óvatosan kell kezelni, hogy a kísérleti elúciós sorrend igazolta a számolt kötési energiakülönbség irányát. Ellenben e kísérleti eredményből nem tudjuk a számolt kötési energia abszolútértékét igazolni. A pontosabb becsléshez az oldószer-buroknak más elrendeződéseit is figyelembe kellene venni. Azt azonban biztosabban kijelenthetjük, hogy a vendégmolekula orientációja, és kötődése csak explicit oldószermodellel határozható meg.

10. táblázat Thalidomid enantiomerei β-ciklodextrinnel alkotott záványkomplexeinek kötési energiái (kcal/mol) Komplex 1 2 3 4 c d Orientáció ftálimid az üregben glutáramid az üregben ΔE1-3 ΔE1-2 Enantiomer R S R S Számítási módszera PM3 (gázfázis) -1.2 -8.9 -1.3 -5.1 0.1 7.7 HF-3c -9.0 -16.1 -4.7 -25.4 -4.3 7.0 PBE/def2-SVP -6.5 -18.2 17.8 -7.7 -24.3 11.7 PBE/def2-SVP D3b -55.5 -64.1 -46.7 -58.1 -8.8 8.6 PBE/def2-TZVP D3b -37.3 -44.2 -28.3 -38.7 -9.0 6.9 a: PM3 kivételével minden esetben COSMO oldószer modellt alkalmaztunk; b: Grimme féle D3 diszperziós korrekció Becke-Johnson csillapítással gCP korrekció; c: (R)-enantiomer különböző orientációjú komplexeinek energiakülönbsége; d: Két enantiomer komplexének energiakülönbsége, amikor ftálimid van az üregben.

11. táblázat Pomalidomid enantiomerei β-ciklodextrinnel alkotott záványkomplexeinek kötési energiái (kcal/mol) Komplex 1 2 3 4 c d Orientáció ftálimid az üregben glutáramid az üregben ΔE1-3 ΔE1-2 Enantiomer R S R S Számítási módszera PM3 (gázfázis) 8.8 1.9 15.7 12.9 -6.9 6.9 HF-3c -13.9 -17.2 -8.1 -18.6 -5.8 3.3 PBE/def2-SVP -9.0 -20.1 25.7 -4.8 -34.7 11.1 PBE/def2-SVP D3b -35.5 -40.5 -28.4 -34.3 -7.1 5.0 PBE/def2-TZVP D3b -21.4 -26.4 -15.5 -19.9 -5.9 5.0 a: PM3 kivételével minden esetben COSMO oldószer modellt alkalmaztunk; b: Grimme féle D3 diszperziós korrekció Becke-Johnson csillapítással gCP korrekció; c: (R)-enantiomer különböző orientációjú komplexeinek energiakülönbsége; d: Két enantiomer komplexének energiakülönbsége, amikor ftálimid van az üregben.

1 2

3 4

58. ábra Thalidimod és β-ciklodextrin zárványkomplexei az explicit vízmolekulák nélkül.

5. Összefoglalás 5.1. Chan–Lam–Evans-reakció vizsgálata A Chan–Lam–Evans-reakció a diaril-éterek előállításának egy fontos módszere. Kvantumkémiai módszerekkel próbáltuk a reakció mechanizmusát feltárni, hogy ennek ismeretében úgy válasszuk meg az alkalmazott réz(II)-vegyületeket, hogy jobb hozammal valósíthassuk meg a reakciót. Az számítások szerint a reakciónak 5 kulcslépése van. Először kialakul az aktív fémkomplex, ezt követi a transzmetallálás, mely során az arilcsoport a boronsavról átkerül a rézkomplexre, majd a fenolát (általánosabban: nukleofil) addíciója következik. A reduktív elimináció csak hármas oxidációs számú rézkomplexből lehetséges, ami különböző rézkomplexek között lejátszódó diszproporciós reakcióban képződik. Ha a klasszikus réz(II)-acetát reagenst réz(II)- fluoridra cseréljük, akkor a számítások szerint reakció sebességmeghatározó lépésének az aktiválási gátja jelentősen lecsökken. A számítási eredmények alapján a réz(II)-fluorid hatékonyságát hat megvalósított reakcióban vizsgáltuk. Az új reagenssel jelentősen sikerült növelni a termeléseket, csökkenteni a fenilboronsav reagens mennyiségét és a reakcióidőt. Különösen nagy termelésnövekedést értünk el az oxidációra érzékeny 3-etoxi-4-hidroxibenzaldehid és a sztérikusan gátolt N-BOC-3,5-dijód-L-tirozin-metil-észter esetén.

5.2. Aromás nitrovegyületek gerjesztett állapotainak vizsgálata Előzetes kísérletekből ismertük fel, hogy aromás nitrovegyületek különböző funkcionálokkal számított ECD spektruma jelentősen eltérhet egymástól. A jelenség vizsgálatára megterveztünk és előállítottunk 6 modellvegyületet, amiből 3 nem tartalmaz nitrocsoportot, a másik 3 pedig az előzőeknek nitrocsoporttal szubsztituált származéka. A nitrocsoportot nem tartalmazó modellvegyületeknél a B3LYP, CAM-B3LYP és M06- 2X funkcionálokkal végzett számítások a mért spektrumhoz nagyon hasonló eredményeket adtak, míg a nitroszármazékoknál csak a CAM-B3LYP és M06-2X funkcionállal végzett becslések hasonlítottak a mért spektrumokhoz, a B3LYP funkcionállal kapott eredmények mind a mért spektrumoktól, mind pedig a másik kettő funkcionállal kapott eredményektől jelentősen eltértek.

A jelenség megértéséhez megvizsgáltuk a gerjesztett állapotok jellemzőit és természetes átmenti pályák (NTO) vizsgálatát végeztük el. Megállapítottuk, hogy a CAM-B3LYP funkcionál helyesebben írja le a töltésátmenettel (szétválással) járó gerjesztéseket, melyekben a nitrocsoport akceptorként viselkedik. A CAM-B3LYP és M06-2X minden vizsgált esetben megbízhatóbb ECD becslést adott, ezért ennek használata a B3LYP helyett ajánlott. Az előállított modellvegyületek jól használhatók számítási módszerek pontosságának vizsgálatához.

5.3. Cirsium eriophorum gyümölcsfalából izolált neo-lignánok vizsgálata A Cirsium eriophorum (gyapjas aszat) termésfalából izolált neo-lignánok abszolút konfigurációját spektroszkópiai mérések és kvantumkémiai számítások segítségével határoztuk meg. A (7R,8S)-balanophonin így megállapított konfigurációja megegyezik az irodalomban megbízhatóbbnak tekintett röntgen krisztallográfiával korábban meghatározottal. A (7S,8S)-prebalanophonin abszolút konfigurációjára a miénk az első javaslat, amit egyelőre még csak számítások támasztanak alá.

5.4. Ciklodextrin zárványkomplexek vizsgálata Ciklodextrineket gyakran alkalmazzák HPLC illetve kapilláris-elektroforézis állófázisában. Az enantiomerek elválását okozó gazda-vendég kölcsönhatásokat számításos kémiai módszerekkel vizsgáltuk különböző kvantumkémiai módszerekkel implicit és explicit oldószer modellekkel. Asenapin és β-ciklodextrin zárványkomplexeit számításos kémiai módszerekkel vizsgálva megállapítottuk, hogy mindkét enantiomer esetén a klórral szubsztituált aromás gyűrű nagyobb affinitással kötődik a hidrofób üregben, mint a szubsztituálatlan gyűrű, és ezen belül az (R,R)-enantiomer kötődik erősebben. A kötési energiák alapján javaslatot tettünk a két enantiomer elúciós sorrendjére. Az elméleti számításokkal kapott eredmények összhangban vannak a korrelációs NMR mérések eredményével. A különböző számítási módszerekkel kapott eredmények összehasonlítása alapján megállapítható, hogy az irodalomban széleskörűen használt PM3 szemiempirikus módszer nem alkalmas az enantiomer-diszkrimináció helyes modellezésére, ellenben a további vizsgált módszerek hasonló, a kísérleti adatokkal egyező elúciós sorrendet jósoltak.

Thalidomid és pomalidomid enantiomerjei β-ciklodextrin zárványkomplexeinek vizsgálatakor az explicit modell használata elengedhetetlen, mert a gazda–vendég- kölcsönhatásban fontos szerepe van a vendég molekula és oldószer közötti hidrogénkötéseknek. Az explicit modellünk 25 vízmolekulát tartalmazott, amelyek egyenletesen beborították a vizsgált molekula ciklodextrin üregén kívüli részét, és lezárták a CD kisebb átmérőjű nyílását. A számítások alapján az aromás ftálimidogyűrű nagyobb affinitással kötődik a hidrofób üreghez, mint a glutárimidgyűrű. Mindkét vizsgált molekula esetén az (S)-enantiomer képez stabilabb zárványkomplexet. A számításokkal meghatározott elúciós sorrend, jó egyezést mutat a kísérleti adatokkal.

6. Tézispontok

1. Kvantumkémiai számításokkal megállapítottuk, hogy a Chan–Lam–Evans- reakció első, sebességmeghatározó lépése a transzmetallálás, amit rézkomplexek közötti diszproporciós reakció követ, majd a kialakult réz(III)-komplexből történhet meg a reduktív elimináció, ami a diaril-éter terméket eredményezi. Megállapítottuk, hogy a reakció sebességmeghatározó transzmetallálási lépésében fluorid-tartalmú réz-komplex esetén jelentősen csökken az aktiválási energiagát, az általánosan használt acetát-tartalmú réz-komplexhez képest. A számítási eredmények alapján hat modellreakcióban bemutattuk, hogy a Chan–Lam–Evans-kapcsolási reakcióban réz(II)-acetát helyett réz(II)-fluoridot alkalmazva jelentősen növelhető a preparatív termelés, csökkenthető a reakcióidő és a boronsav-komponens mennyisége. [I] 2. Hat általunk előállított modellvegyületen meghatároztuk a B3LYP és CAM- B3LYP funkcionálokkal becsült cirkuláris dikroizmus spektrumok pontosságát a mért spektrumokhoz képest. Összehasonlításképpen a számításokat elvégeztük M06-2X funkcionállal is, amellyel a CAM-B3LYP funkcionálhoz hasonló eredményeket kaptunk. Természetes átmeneti pályák segítségével igazoltuk, hogy a töltésátmenettel járó gerjesztéseket (CT) a javított aszimptotikus viselkedésű CAM-B3LYP funkcionál sokkal pontosabban írja le, mint a B3LYP funkcionál, így pontosabb cirkuláris dikroizmus spektrum becsléseket szolgáltat. [II] 3. Kvantumkémiai számítások és cirkuláris dikroizmus spektroszkópia segítségével igazoltuk a Cirsium eriophorum (gyapjas aszat) termésfalából izolált (7S,8S)- prebalanophonin és (7R,8S)-balanophonin neo-lignánok abszolút konfigurációját. [III] 4. PBE/def2-SVP szinten COSMO implicit oldószermodell segítségével megállapítottuk, hogy az asenapin klórral szubsztituált aromás gyűrűje nagyobb affinitással kötődik a β-ciklodextrin hidrofób üregében, mint a szubsztituálatlan gyűrű valamint, hogy a két enantiomer közül az (R,R)-enantiomer kötődik erősebben. [IV] 5. Megállapítottuk, hogy csak implicit COSMO oldószer modell alkalmazása nem elegendő thalidomid és pomalidomid β-ciklodextrinel alkotott zárványkomplexei szerkezetének és kötési energiájának meghatározására, hanem legalább 25 explicit víz molekulával kell az oldószert modellezni PBE/def2-SVP szinten. [V]

7. Közlemények listája

A doktori értekezés témájához kapcsolódó közlemények

Folyóirat cikkek I. Komjáti, B.; Szokol, B.; Poppe, L.; Nagy, J., Copper(II) Fluoride a New Efficient Promoter of Chan-Lam-Evans Coupling, Periodica Polytechnica 59 2015 243. IF: 0,296; I:- (szerzői hányad KB: 80%) II. Komjáti, B.; Urai, Á.; Hosztafi, S.; Kökösi, J.; Kováts, B.; Nagy, J.; Horváth, P., Systematic study on the TD-DFT calculated electronic circular dichroism spectra of chiral aromatic nitro compounds: A comparison of B3LYP and CAM-B3LYP, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 155 2016 95. IF: 2,353; I:- (szerzői hányad KB: 75%) III. Sólyomváry, A.; Tóth, G.; Komjáti, B.; Horváth, P.; Kraszni, M.; Noszál, B.; Molnár-Perl, I.; Boldizsár, I., Identification and isolation of new neolignan and sesquineolignan species: Their acid-catalyzed ring closure and specific accumulation in the fruit wall of Cirsium eriophorum (L.) Scop, Process Biochemistry 50 2015 853. IF: 2,516; I:2 (szerzői hányad KB: 20%) IV. Szabó, Z.-I.; Tóth, G.; Völgyi, G.; Komjáti, B.; Hancu, G.; Szente, L.; Sohajda, T.; Béni, S.; Muntean, D.-L.; Noszál, B., Chiral separation of asenapine enantiomers by capillary electrophoresis and characterization of cyclodextrin complexes by NMR spectroscopy, mass spectrometry and molecular modeling, Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 117 2016 398. IF: 2,979; I:1 (szerzői hányad KB: 100%) V. Szabó, Z.-I.; Mohammadhassan, F.; Szőcs, L.; Nagy, J.; Komjáti, B.; Noszál, B.; and Tóth, G.; Enantioseparation of thalidomide on cyclodextrin-bonded chiral stationary phases and characterization of inclusion complexes by NMR spectroscopy and molecular modeling Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry 2016 közlésre elfogadva. IF: 1,48; I:- (szerzői hányad KB: 51%)

Előadások 1. Komjáti B., Urai Á., Hosztafi S., Kökösi J., Kováts B., Horváth P., Nagy J.: Cirkuláris dikroizmus spektrumok becslése kvantum kémiai módszerekkel, távoli kölcsönhatások fontossága, Oláh György Doktori Iskola XII. Konferenciája, 2015. február 05., Budapest, Magyarország 2. Komjáti B., Nagy J.: Cirkuláris dikroizmus spektrumok számítása kvantumkémiai módszerekkel, Semmelweis Egyetem Gyógyszerészi Kémiai Intézet szeminárium, 2013. május 7., Budapest, Magyarország

Poszterek 1. Á. Urai, L. Szőcs, P. Horváth, S. Hosztafi, B. Komjáti, B Kováts, J. Nagy: Prediction of circular dichroism spectra of modified natural products with M06-2X functional, A Voyage From Molecules to Materials with Numerical Methods for Quantum Chemistry, 2015. január 11-15. Tromso, Norvégia 2. B. Szokol, E. Kókai, B. Komjáti, L. Poppe, J. Nagy: Mechanistic study of the copper mediated coupling of arylboronic acids and phenols, International Congress of Quantum Chemistry, 2015. június 8-13. Peking, Kína

Egyéb, a doktori értekezés témájához nem kapcsolódó közlemények Folyóirat cikkek 1. Bencze L. C.; Komjáti B.; Pop, L.-A.; Paizs, C.; Irimie, F.-D.; Nagy, J.; Poppe, L.; Toşa, M. I., Synthesis of enantiopure l-(5-phenylfuran-2-yl)alanines by a sequential multienzyme process, Tetrahedron: Asymmetry 26 2015 1095. IF 2.155 (szerzői hányad KB: 100%) 2. Tosa M. I.; Komjáti B.; Madarász, J.; Kolonits, P.; Poppe, L.; Nagy, J., Stable Hydrate of a β-Lactamcarbaldehyde, Studia Universitatis Babes-Bolyai Chemia 1 2015 229. IF: 0,191 (szerzői hányad KB: 100%) 3. Könye R.; Ress AE.; Sólyomváry A.; Tóth G., Darcsi A.; Komjáti B.; Horváth P.; Noszál B.; Molnár-Perl I.; Béni Sz.; Boldizsár I.; Enzyme-hydrolyzed Fruit of Jurinea mollis: a Rich Source of (-)-(8R,8’R)-Arctigenin, Natural Product Communications 2016 közlésre elfogadva

Előadások 1. Komjáti B., Laurinyecz I., Szokol B., Nagy J.: Sztereoszelektív ketén-imin cikloaddíciók vizsgálata, MKE Vegyészkonferencia, 2013. június 26-28., Hajdúszoboszló, Magyarország

Poszterek 1. Komjáti B., Szokol B., Poppe L., Nagy J.: N-allil-β-laktám származékok előállítása és oxidatív transzformációja, XVIII. Nemzetközi Vegyészkonferencia, 2012. november 22-25., Félixfürdő, Románia és Oláh György Doktori Iskola X. Konferenciája 2013. február 7., Budapest Magyarország

2. B. Komjati, J. Nagy: Theoretical study of a stereoselective ketene-imine cycloaddition, Oláh György Doktori Iskola X. Konferenciája, 2013. február 7., Budapest, Magyarország

3. B. Komjáti, J. Nagy: Development of a two-parameter double-hybrid functional for the accurate prediction of circular dichroism spectra, Oláh György Doktori Iskola XI. Konferenciája, 2014. február 6., Budapest, Magyarország

4. Komjáti B., A. Wankmüller, G. Grampp: Gerjesztett tripletek kioltása uracil származékokkal, fény okozta gyógyszer mellékhatások lehetséges okainak vizsgálata, Oláh György Doktori Iskola XII. Konferenciája, 2015. február 5., Budapest, Magyarország

5. Komjáti B., Urai Á., Hosztafi S., Nagy J.: DFT/IGLO módszer alkalmazása pontos 1H és 13C kémiai eltolódás becsléséhez, Oláh György Doktori Iskola XII. Konferenciája, 2015. február 5., Budapest, Magyarország

8. Függelék

8.1 A sűrűségfunkcionál elmélet alapjai Dolgozatom mindhárom témakörében sűrűségfunkcionál módszereket alkalmaztam, ezért szükségesnek éreztem ezeknek a módszerek elméleti alapjainak és fejlődésének tárgyalását. Jól ismert az irodalomból, hogy tökéletes, azaz minden rendszer minden tulajdonságát helyesen leíró funkcionál nincsen, ezért fontos hogy átfogó képünk legyen a különböző módszerek alapjairól, előnyeiről, hátrányairól és alkalmazási területükről. A később részletezendő okokból a sűrűségfunkcionálok szinte majdnem minden esetben empírikus paramétereket tartalmaznak. Ezeket a paramétereket úgy határozták meg, hogy a funkcionállal számított eredmények jól közelítsék meg a kísérleti adatokat, vagy a magasabb szintű ab initio módszerekkel számított értékeket. Walter Kohn 1998-ban kapott megosztott Nobel-díjat a sűrűségfunkcionál elmélet (density functional theory, DFT) kidolgozásáért. Hohenberg-Kohn tételek elektronokból álló rendszerek alapvető tulajdonságait írják le.170 Az első Hohenberg-Kohn tétel, kimondja, hogy az elektronsűrűség ismeretében a rendszer energiája meghatározható. Az elmélet középpontjában az elektronokból álló „homogén elektrongáz” (jellium) áll. Az atommagok hatását az elektrongázra külső potenciálként vesszük figyelembe. Az energia várható értékét felírhatjuk a sűrűségfunkcionáljaként:

3. 퐸[휌] = 푇[휌] + 푉푒푒[휌] + 푉푛푒[휌] ahol 푇[휌] a kinetikus energiafunkcionál, 푉푒푒[휌] az elektron-elektron taszítás, 푉푛푒[휌] a külső potenciál energiafunkcionálja.

A Vne külső potenciálnak 푉푛푒[휌] az energiajáruléka a sűrűséggel kifejezhető:

푛 푛 푁 2 푍훼푒 (5) 푉푛푒 = − ∑ ∑ = ∑ 푣(푟푖) = 푛푣(푟) 푟푖훼 푖=1 훼=1 푖=1

∗ (6) 푉푛푒[휌] = ∫ 훹 (1, … , 푛)훹(1, … , 푛) ∑ 푣(푟푖)푑푟푖 … 푑푟푛 = ∫ 휌(푟)푣(푟)푑푟 푖 Az előbbiek alapján az energiafunkcionál a következő formába írható át:

(7) 퐸[휌] = 퐹[휌] + ∫ 휌(푟) 푣(푟) 푑푟

(8) 퐹[휌] = 푇[휌] + 푉푒푒[휌]

퐹[휌] a Hohenberg-Kohn-funkcionál, ami a külső potenciáltól független, csak részecskeszámtól függ, ezért univerzális adott részecskeszámra. A második Hohenberg-Kohn tétel szerint az alapállapot energiája variációs elvvel meghatározható. Eszerint létezik egy 퐸퐻퐾[휌] energiafunkcionál, melyre igaz, hogy ha

ρ0(r) a rendszer alapállapotának sűrűsége és E0 pedig az energiája, akkor E[ρ]>E0 bármely

ρ≠ρ0 próba sűrűségre és igaz, hogy E[ρ0]=E0, így a következő variációs problémát kapjuk:

(9) 훿 [퐸퐻퐾[휌] − 휇 (∫ 휌(푟)푑푟 − 푛)] = 0 amiből egyszerűsítések után kapjuk: 훿퐸 [휌] 훿퐹[휌] (10) 퐻퐾 = + 푣(푟) = 휇 훿휌(푟) 훿휌(푟)

A megoldásnak egyetlen akadálya, hogy az egzakt 퐹[휌] funkcionál nem ismert. Kohn és Sham dolgozott ki egy módszert, mellyel közelebb kerülhetünk a megoldáshoz. Bevezettek egy „nem kölcsönható” referencia rendszert, melynek Schrödinger-egyenlete az elektronok közötti kölcsönhatás elhanyagolása miatt felírható egyelektronos egyenletekkel. Az elektronsűrűség így már kifejezhető az egyelektronos hullámfüggvényekkel: 푛 2 (11) 휌 = ∑|휑푖| 푖=1 Az egyelektronos determináns használatával és egyszerűsítések után jutunk a következő egyenlethez:

(12) 퐹[휌] = 푇푠[휌] + 퐽[휌] + 퐸푋퐶[휌] ahol 푇푠[휌] a rendszer egzakt kinetikus energiafunkcionálja, 퐽[휌] az egzaktul számítható

Coulomb kicserélődési tag és EXC funkcionál, ami szétválasztható EX kicserélődési és EC korrelációs funkcionálra. Amennyiben találunk megfelelő közelítéseket kicserélődési és korrelációs funkcionálokra, akkor a rendszer energiája meghatározható. A korábban

71 kidolgozott SCF algoritmusok HF energia számításhoz hasonlóan alkalmasak DFT számításokhoz is.171

Jákob létrája (Jacob’s ladder) John Perdew 2001-ben fogalmazta meg hasonlatát a sűrűségfunkcionálok hierarchiájáról.172, 173 Az ószövetségben (Ter. 28,10-12) szereplő Jákob elindult Beersebából, és Háránba ment. Útközben megpihent és álmában egy létrát (lajtorját) látott, melyen az angyalok le-följártak a Menny és a Föld között. Perdew hasonlatában a Föld az elektronkorreláció nélküli Hartree-világot jelenti, a Menny pedig a legpontosabb számításokat. A létra fokain helyezte el a sűrűségfunkcionálok különböző generációit. „Mennyország” Kémiai pontosság Példa:

5. Dupla hibrid B2PLYP

4. Hibrid (m)GGA B3LYP, M06-2X, PBE0

3. mGGA TPSS, M06L

2. GGA PBE, BLYP

1. L(S)DA Slater, VWN

„Föld” Hartree-világ

59. ábra A sűrűségfunkcionálok hierarchiája és generációi Perdew csoportosítása szerint, alkalmazva a Jákob létrája hasonlatot.

1. fok – LDA Már láttuk, hogy az egzakt kicserélődés és korrelációs funkcionál nem ismert. Dirac 1930-ban levezette a homogén elektrongáz kicserélődési egzakt funkcionálját: 1 3 3 3 4 (13) 퐸퐿퐷퐴 = − ( ) ∫ 휌3 푑푟 푥 2 4휋 Ez az alapja a lokális sűrűségközelítésnek (Local Density Approximation) illetve nyílt héjú rendszerekben a lokális spinsűrűség-közelítésnek (Local Spin Density

Approximation). A korrelációs tag elhagyásával Slater és Gáspár Xα módszerét kapjuk,

72 amit szilárdtestfizikában elterjedten használtak.174 Vosko, Wilk és Nussair LSD közelítésen alapuló korrelációs funkcionált dolgozott ki.175

2. és 3. fok – GGA és meta-GGA funkcionálok Az LSD funkcionálok hibáit javíthatjuk, ha sorba fejtjük a sűrűség szerint, azaz nem csak az elektronsűrűségtől való függést hanem annak első hely szerinti deriváltját is, akkor általánosított gradiens közelítést (GGA) kapjuk. A sűrűség második deriváltját is figyelembe véve kapjuk a „meta” általánosított gradiens közelítést (GGA). Az első három fokon álló funkcionálokat nevezzük tiszta (pure) funkcionáloknak.

4. fok – Hibrid funkcionálok A hibrid funkcionálok esetén az energia számítására Hartree-Fock kicserélődés, DFT kicserélődés és korreláció valamilyen kombinációját alkalmazzák. Az egzakt kicserélődés miatt az energia nem csak a sűrűségtől annak első és második deriváltjától függ, hanem a betöltött pályáktól is. A jelenleg leggyakrabban alkalmazott funkcionálok ebbe a családba tartoznak, mert a tapasztalatok azt mutatják, hogy a hibrid funkcionálok pontosabbak az egzakt kicserélődést nem tartalmazó tiszta funkcionáloknál. A széleskörűen alkalmazott B3LYP hibrid funkcionál a következő formában írható fel:121

퐵3퐿푌푃 퐿퐷퐴 퐻퐹 퐵88 푉푊푁 퐿푌푃 (14) 퐸푋퐶 = 0,80퐸푋 + 0,20퐸푋 + 0,72퐸푋 + 0,19퐸퐶 + 0,81퐸퐶

A távolható kölcsönhatások és gerjesztések helyes leírásán segít a Savin által kidolgozott majd Tsuneda, Yanai, and Hirao által továbbfejlesztett távolságszeparált séma.176, 177 A két elektronos operátort egy közeli és egy távoli tagra szétbontották az alábbi képlet szerint.

1 1 − erf (휇푟12) erf (휇푟 ) (15) = + 12 푟12 푟12 푟12 ahol r12 a két elektron távolsága és µ pedig egy paraméter, ami a két tag arányát meghatározza. A távolságszeparált funkcionálok közül a CAM-B3LYP gerjesztett állapotok vizsgálatára rendkívül elterjedt, az ωB97X-D funkcionál (és változatai) kiemelkedően pontosnak bizonyultak gyengén kölcsönható rendszerekben.54, 122

5. fok Perdew eredeti definíciója szerint az ötödik fokon olyan funkcionálok állnak, amik figyelembe veszik a betöltött és a betöltetlen Kohn-Sham orbitálokat. A véletlen fázis közelítésen (RPA) alapuló funkcionálok, még nem terjedtek el széleskörűen. A dupla hibrid funkcionálok a HF kicserélődési tagon kívül MP2 jellegű perturbációs korrelációt is tartalmaznak, így a betöltetlen pályák hatása is megjelenik a rendszer energiájában. A módszert Truhlar és mtsa dolgozták ki, majd Grimme fejlesztette ki az első széleskörűen alkalmazható változatát.178, 179 A módszer számítási igénye nagyobb mint a hibrid funkcionáloké, az MP2 számításokéval összemérhető. A B2PLYP funkcionál a következő formában írható fel:

퐵2푃퐿푌푃 퐵88 퐻퐹 퐿푌푃 푀푃2 (16) 퐸푋퐶 = 0,47퐸푋 + 0,53퐸푋 + 0,73퐸퐶 + 0,27 퐸퐶

Diszperziós korrekciók Ismert, hogy a sűrűségfunkcionálok nem írják le helyesen nagy távolságokban a diszperziós kölcsönhatásokat. Több módszer is ismert a diszperziós kölcsönhatások figyelembe vételére DFT számításokban, ezek közül a legismertebb és legelterjedtebb a Grimme féle DFT-D módszer.163, 180 Ennek előnye a rendkívül kicsi számítási igény (töredéke a DFT számításnak), de számos empírikus paramétert tartalmaz. Tiszta funkcionálok esetén DFT-D módszerrel jelentősen javítható a számítások pontossága.

8.2 Sűrűségfunkcionálok kiválasztása réz-komplexek vizsgálatára Az általunk vizsgált Chan–Lam–Evans-reakció során a különböző réz-komplexekben a réz oxidáció száma változik, jellemzően a réz(II) oxidálódhat és redukálódhat. Az irodalomban kevés adat található arról, hogy mely funkcionálok képesek legpontosabban átmeneti fémkomplexek ionizációs (oxidáció) és elektronaffinitás (redukció) energiáit megbecsülni. Kiválasztottunk egy kisméretű Cu(II)L2R1R2 általános képletű modell vegyületet, mellyel a Chan–Lam–Evans-reakcióban résztvevő réz-komplexeket kívántuk modellezni, a szerkezetüket M06/6-31+G(d,p) szinten optimáltuk. A vizsgált vegyületek szerkezetét a 61. ábra mutatja be.

R1: F F OMe R2: F Me Me L: NH3

60. ábra Hipotetikus Cu(II)L2R1R2 vegyületek szerkezete

A leggyakoribb funkcionálokkal cc-PVTZ bázissal kiszámítottuk a hipotetikus

Cu(II)L2R1R2 vegyületek vertikális ionizációs és elektronaffinitási energiáit. A sűrűségfunkcionálok eredményeit teljes bázisra extrapolált CCSD(T) számításokkal hasonlítottuk össze, Neese és munkatrásai általkidolgozott 2 pontos (cc-PVDZ, cc- PVTZ→ CBS) extrapolációt alkalmaztunk.181 A vizsgált funkcionálok négy csoportba, tiszta (pure) funkcionálok, hibrid, távolságszeparált hibrid (LC) és dupla hibrid funkcionálok.

12. táblázat Legjelentősebb sűrűségfunkcionálok pontosságának vizsgálata hipotetikus

Cu(II)L2R1R2 vegyületeken, CCSD(T)/CBS-el összehasonítva

Funkcionál Eeaff Eion Átlag MAE (kcal) PBE 9.0 17.2 13.1 TPSS 4.7 17.0 10.9 Tiszta BLYP 7.9 19.6 13.8 M06L 1.7 12.3 7.0 M11L 12.4 6.9 9.7 B3LYP 5.9 5.0 5.5 PBE0 1.6 5.2 3.4 Hibrid TPSSh 2.1 10.7 6.4 M06 9.9 5.4 7.7 M06-2X 2.7 18.6 10.7 M11 2.7 11.4 7.0 LC-hibrid LC-wPBE 3.8 7.5 5.7 ωB97XD 1.8 5.9 3.9 Dupla B2PLYP 11.9 13.0 12.5 hibrid mPW2PLYP 10.1 8.1 9.1 MP2 33.1 20.6 26.9 Ab initio CCSD 3.5 13.0 8.3

Eeaff: elektronaffinitási energia Eion: ionizációs energia MAE: átlagos abszolút hiba

A tiszta funkcionálok közül a meta-GGA az M06L, hibrid funkcionálok közül a PBE0, az LC-hibrid funkcionálok közül pedig az ωB97XD szolgáltatta a legpontosabb

75 becslést, ami összhangban van korábbi tesztekkel. 43, 182, 183 Ezzel a 3 funkcionállal is elvégeztünk energiaszámításokat a Chan–Lam–Evans-reakció vizsgálatakor. A sűrűségfunkcionál módszerekken kívül megvizsgáltuk néhány ab initio módszerek pontosságát is. Az MP2 hatalmas hibával becsülte meg az energiákat, ennek az az oka, hogy egydeterminánsos leírás már nem helytálló. Ha a kiinduló HF hullámfüggvény nem elég jó minőségű, akkor a perturbációs módszerek nem adhatnak pontos eredményt. Ugyanez igaz az MP2 szerű korrelációs tagot tartalmazó dupla-hibrid funkionálokra. A CCSD(T) és a CCSD eredményeit összevetve, látható, hogy jelentős hatása van a perturbatív triplet gerjesztéseknek (T). Enélkül a vizsgált folyamatokban több sűrűségfunkcionál is jobban teljesít a CCSD-nél. Fontos figyelembe venni, hogy ebben a tesztben csak az ionizációs és elektronaffinitási energiákat vizsgáltuk. Egyéb tulajdonságok és energiagátak vizsgálata a módszerek validálásának céljából, már jelentősen túlmutatna jelen dolgozat keretein.

8.4 Bázis szuperpozíciós hiba mértéke és kiküszöbölése ciklodextrin zárványkomplexek vizsgálatakor Nagyméretű molekuláris asszociátumok számításakor gyakran nincs lehetőségünk nagyméretű bázisokat alkalmazni számítási igényük miatt. Kisebb bázis alkalmazása esetén felléphet a bázis szuperpozíciós hiba (BSSE), ami kedvez az asszociátumok képződésnek, azaz „túlstabilizálja” azokat. A jelenség oka az, hogy az asszociátumokban a felépítő egységek bázisfüggvényei átfedik egymást, ami az elektronikus energia csökkenésével jár, mintha ezeken az atomokon nagyobb bázist alkalmaznánk.52 A bázis szuperpozíciós hiba kiküszöbölésére több ismert eljárás is létezik, a legelterjedtebb a Boys-Bernardi ellensúlyozási (countepoise) módszer és a Grimme féle paraméterezett geometria ellensúlyozási módszer (gCP).164, 184 Az első módszerrel pontosan meghatározható az adott bázissal elvégzett számítások bázis szuperpozíciós hibája, míg a második módszer egy empírikus paramétereken alapuló becslést ad rá. A 16. táblázatban 4-fluorfenol és α-ciklodextrin két különböző zárvány- komplexének kötési energiáját hasonlítottam össze. A számításokhoz PBE funkcionált, D3 diszperzió korrekciót és a kétféle BSSE korrekciót alkalmaztam. Feltüntettem a BSSE korrekciókkal, és az anélkül kapott energiákat, illetve a két izomer szerkezet közötti energia különbséget.

61. ábra α-ciklodextrin és 4-fluorfenol két lehetséges zárványkomplexének sematikus szerkezete. Komplex 1 (jobb), Komplex 2 (bal)

13. táblázat α-ciklodextrin és 4-fluorfenol zárványkomplexeinek kötési energiái különböző bázisokkal és BSSE korrekcióval PBE D3 Bázis def2-SVP def2-TZVP def2-SVP def2-TZVP BSSE korrekció Boys-Bernardi Grimme gCP Komplex 1

Ekötési -18.3 -13.4 -18.3 -13.4

Ekötési-korrigált -10.5 -11.6 -7.0 -11.3 BSSE -7.8 -1.9 -11.3 -2.2

Komplex 2

Ekötési -25.0 -16.7 -25.0 -16.7

Ekötési-korrigált -14.2 -14.6 -12.4 -14.3 BSSE -10.7 -2.1 -12.5 -2.4

E1-2 6.7 3.2 5.5 3.0

Ekorr1-2 3.8 3.0 5.5 3.0

A felhasított vegyérték héjú def2-SVP bázisnál jelenetős BSSE hiba jelentkezik, kb. 75%- a a korrekcióval kapott energiának. A jelentősen nagyobb def2-TZVP bázis esetén a BSSE hiba már jelentősen kisebb, a kötési energiának kb. a 15%-a. Az izomerek közötti energiakülönbségek esetén látszik, hogy a def2-SVP bázissal korrekció nélkül kapott izomerek közötti energiakülönbség majdnem kétszerese a korrigálténak. A def2-TZVP bázissal az izomerek közötti energiának csak 7% a hibája. A gCP módszer TZVP bázis esetén visszaadja a Boys-Bernardi módszer eredményét, a becsült BSSE hiba, a korrekcióval számított kötési energia és izomerek közötti energia

77 különbség is szinte megegyezik. A def2-SVP bázis esetén a gCP korrekció eredménye a korrekció nélküli és a Boys-Bernardi között van. Az eredményekből látszik, hogy a bázis szuperpozíciós hibát az empirikus gCP módszer is képes korrigálni. Mivel Boys-Bernardi módszerhez képest a gCP számítási igénye elhanyagolható, megvalósítása is egyszerűbb és gradiense is elérhető, ezt alkalmaztuk és alkalmazzuk ciklodextrin zárvány komplexek vizsgálatára.

9. Kísérletek részletes leírása

Az IR-spektrumok Bruker ALPHA FT-IR készüléken, az 1H- és 13C-NMR- spektrumok Bruker DRX-500 (1H: 500 MHz; 13C: 125,75 MHz), illetve Bruker DRX-300 (1H: 300 MHz; 13C: 75,5 MHz) készüléken készültek.

A kromatográfiás tisztításokat Kieselgel 60 PF254 (2 mm, 2020 cm) preparatív lapon, vagy többfajta szemcseméretű Kieselgel 60 géllel töltött oszlopon végeztem; a

VRK-s reakciókövetéshez Merck Kieselgel 60 F254-es lapot használtam, detektálás UV fénnyel, foszformolibdénsavas, vagy jódos előhívással történt. Az olvadáspontméréshez VEB Analytik Dresden PHMK készüléket használtam, az olvadáspontok nem korrigáltak.

Fenilboronsav Grignard-reakcióval

Egy kétnyakú, refluxhűtővel s azon kalcium-kloridos csővel, kerülővezetékes csepegtető-tölcsérrel ellátott, gondosan kiszárított lombikba belehelyeztem 3,80 g (157 mmol) magnéziumforgácsot. A csepegtetőtölcsérbe töltöttem 16,7 ml (159 mmol) brómbenzol és 65 ml vízm. éter elegyét. Kevertetés közben becsepegtettem az oldat negyedét, és addig kevertettem, amíg a reakció be nem indult. A reakció beindulása után olyan ütemben csepegtetettem hozzá a maradék brómbenzol oldatot, hogy az éter külső fűtés nélkül refluxáljon. Az adagolás befejezte után az elegyet még fél órát vízfürdőn refluxáltattam, utána lehűtöttem az elegyet, és dekantálva leszűrtem. Egy másik kiszárított kétnyakú gömblombikban 40 ml THF és 40 ml (359 mmol) trimetil-borát elegyét töltöttem, és szárazjeges hűtéssel lehűtöttem –30°C alá. Ezt követően a szűrletet lassan becsepegtettem, úgy hogy a hőmérséklet ne menjen –30°C fölé. Az adagolás befejezése után az elegyet további fél óráig kevertettem, majd szobahőmérsékletre engedtem. A feldolgozás során 1N HCl-t adtam az elegyhez, amíg a csapadék feloldódott, majd elválasztottam az elegyet, utána még egyszer kiráztam 60 ml diklórmetánnal. Az egyesített szerves fázist Na2SO4-on szárítottam, majd bepároltam. A kristályokat hexánnal eldörzsöltem, és szűrés után vákuum-exszikkátorban szárítottam. A termék fehér kristályos anyag.

Termelés: 15,70 g, 82 %, op.: 215°C

Lítiálással

Négynyakú, gondosan kiszárított gömblombikban 4,2 ml (40 mmol) brómbenzol és 50 ml THF elegyét nitrogén atmoszféra alatt szárazjeges hűtéssel lehűtöttem. Ezután 22 ml (234 mmol) butil-lítium 2,5 M-os hexános oldatát csepegtettem hozzá –70°C-on. Az adagolás után fél órát kevertettem, majd 10 ml (100 mmol) trimetil-borát és 10 ml THF elegyét csepegtettem az elegyhez. Újabb 30 perc kevertetés után az elegyet szobahőmérsékletre engedtem és 1N HCl-t adtam hozzá, amíg a csapadék fel nem oldódott. Ezután 50 ml diklórmetánnal kiráztam az anyagot, majd a szerves fázist szárítás után bepároltam. A keletkezett kristályokat hexánnal mostam és szűrés után vákuum- exszikkátorban szárítottam.

Termelés: 3,37 g, 69%, op.: 215°C

C6H7BO2 (121.93)

1 H NMR (300 MHz, CDCl3): δ 7.92 – 6.78 (m, 5H, PhH); 8.29 (s, 1H, OH), 8.26 (s, 1H, OH) ppm.

13 C NMR (75 MHz, DMSO-d6): δ 128.20 (s, 2×Ph-C), 132.90 (s, Ph-C), 135.86 (s, 2×Ph- C) ppm.

IR (KBr): ν = 3077,56; 3053,41; 3024,23; 1603,20; 1574,48; 1494,29; 1442,02; 1345,43; 1306,93; 1178,94 cm-1

Kristályvízmentes réz(II)-acetát, Cu(OAc)2

10,71 g (53,6 mmol) réz(II)-acetát–monohidrátot 20 ml (212 mmol) ecetav- anhidridben refluxáltattam egy órán át. Szűrés után az anyagot vákuum-exszikkátorban szárítottam. A termék sötétkék kristályos anyag.

Termelés: 9,59 g (52,8 mmol), 98%

3,5-Dijód-L-tirozin-metil-észter–hidroklorid

4,75 g (10,6 mmol) 3,5-dijód-L-tirozin–monohidráthoz (59) 30 ml metanolt adtam, és jeges-hűtés mellett 6 ml tionil-kloridot (8,3 mmol) csepegtettem hozzá. Homogén oldatot csak a tionil-klorid hozzáadása után kaptam, amit ezután

80 szobahőmérsékleten egy éjszakán át kevertettem. Az oldatot ezután bepároltam, és a maradékot hexán és éter elegyében eldörzsöltem. A kristályokat szűrés után vákuum- exszikkátorban szárítottam. Az anyag fehér por.

Termelés: 4,707 g (10 mmol) 92%, op.: 194°C felett bomlik

C10H12ClI2NO3 (483,47)

1 H NMR (300 MHz, DMSO-d6) δ 2.50 (s, 2H, CH2), 3.70 (s, 3H, OCH3), 4.00 (s, 1H, + CH), 7.52 (s, 2H, ArH), 8.77 (s, 3H, NH3 ) ppm.

13 C NMR (75 MHz, DMSO-d6) δ 33.03 (CH2), 51.88 (OCH3), 52.84 (CH), 84.79 (2×Ar- C-I), 129.21 (2×Ar-CH), 139.41 (Ar-C1), 153.91 (Ar-C4), 168.5 (COO) ppm.

IR (KBr): ν= 3442; 3429; 2988; 2947; 1748; 1548; 1496; 1456; 1404; 1313 cm-1

N-BOC-3,5-dijód-L-tirozin-metil-észter

2,54 g (5,26 mmol) 3,5-dijód-L-tirozin-metil-észter–hidrokloridot feloldottam 15 ml metanolban. A 0°C-on kevert oldathoz 1,36 g (6,23 mmol) BOC2O-t adtam hozzá, majd 2,35 ml trietil-amint csepegtettem hozzá. Az elegyet egy éjszakán át kevertettem. Másnap 50 ml etil-acetátban feloldottam, majd pH 4,5 értékre savanyítottam 1N sósavval. A fázisok elválasztása után a vizes fázist etil-acetáttal extraháltam, majd az egyesített szerves fázisokat szárítás után bepároltam. Az anyag fehér por.

Termelés: 2,82 g (5,2 mmol) 98%, 99°C felett bomlik

C15H19I2NO5 (547,12)

1H NMR (300 MHz, CDCl3) δ 1.44 (s, 9H, t-Bu), 2.82 – 2.99 (m, 2H, CH2), 3.73 (s, 3H,

OCH3), 5.02 (d, 1H, CH), 6.13 (s, 1H, NH), 7.43 (s, 2H, ArH) ppm.

13 C NMR (75 MHz, DMSO-d6) δ 28.52 (3×CH3), 36.54 (CH2), 46.04 (OCH3), 54.64 (CH), 83.64 (2×Ar-C-I), 129.21 (2×Ar-CH), 140.04 (Ar-C1), 153.91 (NHCO), 171.74 (COO) ppm.

IR (KBr): ν= 3455; 3363; 1759; 1745; 1729; 1687; 1547; 1524; 1458; 1433 cm-1

10. Irodalomjegyzék 1. E. N. Pitsinos, V. P. Vidali, and E. A. Couladouros,Diaryl Ether Formation in the Synthesis of Natural Products European Journal of Organic Chemistry 2011, 1207 (2011). 2. F. Bedos-Belval, A. Rouch, C. Vanucci-Bacque, and M. Baltas,Diaryl ether derivatives as anticancer agents - a review MedChemComm 3, 1356 (2012). 3. R. Frlan and D. Kikelj,Recent Progress in Diaryl Ether Synthesis Synthesis 2006, 2271 (2006). 4. J. Scott Sawyer,Recent Advances in Diaryl Ether Synthesis Tetrahedron 56, 5045 (2000). 5. J. Clayden, N. Greeves, and S. Warren, "Organic Chemistry." OUP Oxford, 2012. 6. E. T. Borrows, J. C. Clayton, and B. A. Hems,S 42. The synthesis of thyroxine and related substances. Part I. The preparation of tyrosine and some of its derivatives, and a new route to thyroxine Journal of the Chemical Society (Resumed), S185 (1949). 7. F. Pigge and J. J. Coniglio,Stoichiometric Applications of eta6-Arene Ruthenium(II) Complexes in Organic Chemistry Current Organic Chemistry 5, 757 (2001). 8. A. J. Pearson, D. V. Ciurea, and A. Velankar,Studies toward the total synthesis of ristocetin A aglycone using arene-ruthenium complexes as S(N)Ar substrates: Construction of an advanced tricyclic intermediate Tetrahedron letters 49, 1922 (2008). 9. F. Ullmann and P. Sponagel,Ueber die Phenylirung von Phenolen Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft 38, 2211 (1905). 10. G. Evano, N. Blanchard, and M. Toumi,Copper-Mediated Coupling Reactions and Their Applications in Natural Products and Designed Biomolecules Synthesis Chemical Reviews 108, 3054 (2008). 11. S. V. Ley and A. W. Thomas,Modern Synthetic Methods for Copper-Mediated C(aryl) O, C(aryl) N, and C(aryl) S Bond Formation Angewandte Chemie International Edition 42, 5400 (2003). 12. H.-J. Cristau, P. P. Cellier, S. Hamada, J.-F. Spindler, and M. Taillefer,A General and Mild Ullmann-Type Synthesis of Diaryl Ethers Organic Letters 6, 913 (2004). 13. D. Ma and Q. Cai,N,N-Dimethyl Glycine-Promoted Ullmann Coupling Reaction of Phenols and Aryl Halides Organic Letters 5, 3799 (2003). 14. R. A. Altman, A. Shafir, A. Choi, P. A. Lichtor, and S. L. Buchwald,An Improved Cu- Based Catalyst System for the Reactions of Alcohols with Aryl Halides The Journal of Organic Chemistry 73, 284 (2008). 15. J. Louie and J. F. Hartwig,Palladium-catalyzed synthesis of arylamines from aryl halides. Mechanistic studies lead to coupling in the absence of tin reagents Tetrahedron Letters 36, 3609 (1995). 16. G. Mann, C. Incarvito, A. L. Rheingold, and J. F. Hartwig,Palladium-Catalyzed C−O Coupling Involving Unactivated Aryl Halides. Sterically Induced Reductive Elimination To Form the C−O Bond in Diaryl Ethers Journal of the American Chemical Society 121, 3224 (1999). 17. F. Paul, J. Patt, and J. F. Hartwig,Palladium-catalyzed formation of carbon-nitrogen bonds. Reaction intermediates and catalyst improvements in the hetero cross-coupling of aryl halides and tin amides Journal of the American Chemical Society 116, 5969 (1994). 18. C. H. Burgos, T. E. Barder, X. Huang, and S. L. Buchwald,Significantly Improved Method for the Pd-Catalyzed Coupling of Phenols with Aryl Halides: Understanding Ligand Effects Angewandte Chemie International Edition 45, 4321 (2006). 19. A. S. Guram, R. A. Rennels, and S. L. Buchwald,A Simple Catalytic Method for the Conversion of Aryl Bromides to Arylamines Angewandte Chemie International Edition in English 34, 1348 (1995). 20. K. E. Torraca, X. Huang, C. A. Parrish, and S. L. Buchwald,An Efficient Intermolecular Palladium-Catalyzed Synthesis of Aryl Ethers Journal of the American Chemical Society 123, 10770 (2001).

21. J. Malmgren, S. Santoro, N. Jalalian, F. Himo*, and B. Olofsson,Arylation with Unsymmetrical Diaryliodonium Salts: A Chemoselectivity Study Chemistry (Weinheim an Der Bergstrasse, Germany) 19, 10334 (2013). 22. B. Blank, F. R. Pfeiffer, C. M. Greenberg, and J. F. Kerwin,Thyromimetics. I. The Synthesis and Hypocholesteremic Activity of Some 3' and 3',5'-Alkyl and Aryl-3,5- diiodothyronines Journal of Medicinal Chemistry 6, 554 (1963). 23. D. M. T. Chan, K. L. Monaco, R.-P. Wang, and M. P. Winters,New N- and O-arylations with phenylboronic acids and cupric acetate Tetrahedron Letters 39, 2933 (1998). 24. D. A. Evans, J. L. Katz, and T. R. West,Synthesis of diaryl ethers through the copper- promoted arylation of phenols with arylboronic acids. An expedient synthesis of thyroxine Tetrahedron Letters 39, 2937 (1998). 25. A. Casitas and X. Ribas,The role of organometallic copper(iii) complexes in homogeneous catalysis Chemical Science 4, 2301 (2013). 26. A. J. Hickman and M. S. Sanford,High-valent organometallic copper and palladium in catalysis Nature 484, 177 (2012). 27. N. Miyaura and A. Suzuki,Palladium-Catalyzed Cross-Coupling Reactions of Organoboron Compounds Chemical Reviews 95, 2457 (1995). 28. A. E. King, T. C. Brunold, and S. S. Stahl,Mechanistic Study of Copper-Catalyzed Aerobic Oxidative Coupling of Arylboronic Esters and Methanol: Insights into an Organometallic Oxidase Reaction Journal of the American Chemical Society 131, 5044 (2009). 29. T. D. Quach and R. A. Batey,Copper(II)-Catalyzed Ether Synthesis from Aliphatic Alcohols and Potassium Organotrifluoroborate Salts Organic Letters 5, 1381 (2003). 30. E. Vedejs, R. W. Chapman, S. C. Fields, S. Lin, and M. R. Schrimpf,Conversion of Arylboronic Acids into Potassium Aryltrifluoroborates: Convenient Precursors of Arylboron Difluoride Lewis Acids The Journal of Organic Chemistry 60, 3020 (1995). 31. W.-J. Yoo, T. Tsukamoto, and S. Kobayashi,Visible-Light-Mediated Chan–Lam Coupling Reactions of Aryl Boronic Acids and Aniline Derivatives Angewandte Chemie International Edition 54, 6587 (2015). 32. D. W. Margerum, K. L. Chellappa, F. P. Bossu, and G. L. Burce,Characterization of a readily accessible copper(III)-peptide complex Journal of the American Chemical Society 97, 6894 (1975). 33. F. C. Anson, T. J. Collins, T. G. Richmond, B. D. Santarsiero, J. E. Toth, and B. G. R. T. Treco,Highly stabilized copper(III) complexes Journal of the American Chemical Society 109, 2974 (1987). 34. J. Hanss and H.-J. Krüger,The First Stable Copper(III) Complex Containing Aliphatic Thiolates as Ligands: Structural and Spectroscopic Evidence for CuII and CuIII Ions in Complexes with Square-Planar CuN2S2 Coordination Environments Angewandte Chemie International Edition in English 35, 2827 (1996). 35. M. A. Willert-Porada, D. J. Burton, and N. C. Baenziger,Synthesis and X-ray structure of bis(trifluoromethyl)(N,N-diethyldithiocarbamato)-copper; a remarkably stable perfluoroalkylcopper(III) complex Journal of the Chemical Society, Chemical Communications, 1633 (1989). 36. D. Naumann, T. Roy, K.-F. Tebbe, and W. Crump,Synthesis and Structure of Surprisingly Stable Tetrakis(trifluoromethyl)cuprate(III) Salts Angewandte Chemie International Edition in English 32, 1482 (1993). 37. R. Eujen, B. Hoge, and D. J. Brauer,Synthesis and properties of donor-free bis(difluoromethyl) cadmium, (CF2H)2Cd NMR spectroscopic detection and structure of tetrakis(difluoromethyl) cuprate(III) and related compounds Journal of Organometallic Chemistry 519, 7 (1996). 38. A. Srinivasan and H. Furuta,Confusion Approach to Porphyrinoid Chemistry Accounts of Chemical Research 38, 10 (2005). 39. X. Ribas, D. A. Jackson, B. Donnadieu, J. Mahía, T. Parella, R. Xifra, B. Hedman, K. O. Hodgson, A. Llobet, and T. D. P. Stack,Aryl C H Activation by CuII To Form an

Organometallic Aryl–CuIII Species: A Novel Twist on Copper Disproportionation Angewandte Chemie International Edition 41, 2991 (2002). 40. B. Yao, D.-X. Wang, Z.-T. Huang, and M.-X. Wang,Room-temperature aerobic formation of a stable aryl-Cu(iii) complex and its reactions with nucleophiles: highly efficient and diverse arene C-H functionalizations of azacalix[1]arene[3]pyridine Chemical Communications, 2899 (2009). 41. L. M. Huffman and S. S. Stahl,Carbon−Nitrogen Bond Formation Involving Well- Defined Aryl−Copper(III) Complexes Journal of the American Chemical Society 130, 9196 (2008). 42. C. J. Cramer and D. G. Truhlar,Density functional theory for transition metals and transition metal chemistry Physical Chemistry Chemical Physics 11, 10757 (2009). 43. Y. Zhao and D. Truhlar,The M06 suite of density functionals for main group thermochemistry, thermochemical kinetics, noncovalent interactions, excited states, and transition elements: two new functionals and systematic testing of four M06-class functionals and 12 other functionals Theoretical Chemistry Accounts 120, 215 (2008). 44. A. A. C. Braga, G. Ujaque, and F. Maseras,A DFT Study of the Full Catalytic Cycle of the Suzuki−Miyaura Cross-Coupling on a Model System Organometallics 25, 3647 (2006). 45. M. García-Melchor, A. A. C. Braga, A. Lledós, G. Ujaque, and F. Maseras,Computational Perspective on Pd-Catalyzed C–C Cross-Coupling Reaction Mechanisms Accounts of Chemical Research 46, 2626 (2013). 46. C. Backtorp and P.-O. Norrby,A DFT comparison of the neutral and cationic Heck pathways Dalton Transactions 40, 11308 (2011). 47. G. O. Jones, P. Liu, K. N. Houk, and S. L. Buchwald,Computational Explorations of Mechanisms and Ligand-Directed Selectivities of Copper-Catalyzed Ullmann-Type Reactions Journal of the American Chemical Society 132, 6205 (2010). 48. H.-Z. Yu, Y.-Y. Jiang, Y. Fu, and L. Liu,Alternative Mechanistic Explanation for Ligand- Dependent Selectivities in Copper-Catalyzed N- and O-Arylation Reactions Journal of the American Chemical Society 132, 18078 (2010). 49. R. Krishnan, J. S. Binkley, R. Seeger, and J. A. Pople,Self‐consistent molecular orbital methods. XX. A basis set for correlated wave functions The Journal of Chemical Physics 72, 650 (1980). 50. L. R. Warren J. Hehre, P. von R. Schleyer, John Pople, "Ab initio molecular orbital theory." Wiley, 1986. 51. J. Tomasi, B. Mennucci, and E. Cancès,The IEF version of the PCM solvation method: an overview of a new method addressed to study molecular solutes at the QM ab initio level Journal of Molecular Structure: THEOCHEM 464, 211 (1999). 52. T. Veszprémi and F. Miklós,A Kvantumkémia Alapjai és Alkalmazása Műszaki Könyvkiadó, Budapest (2002). 53. C. Adamo and V. Barone,Toward reliable density functional methods without adjustable parameters: The PBE0 model The Journal of Chemical Physics 110, 6158 (1999). 54. J.-D. Chai and M. Head-Gordon,Systematic optimization of long-range corrected hybrid density functionals The Journal of Chemical Physics 128, 084106 (2008). 55. T. R. Cundari, "Computational Organometallic Chemistry." Taylor & Francis, 2001. 56. R. B. Gaussian 09, G. W. T. M. J. Frisch, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, , J. R. C. M. A. Robb, G. Scalmani, V. Barone, B. Mennucci, , H. N. G. A. Petersson, M. Caricato, X. Li, H. P. Hratchian, , J. B. A. F. Izmaylov, G. Zheng, J. L. Sonnenberg, M. Hada, , K. T. M. Ehara, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, , O. K. Y. Honda, H. Nakai, T. Vreven, J. A. Montgomery, Jr., , F. O. J. E. Peralta, M. Bearpark, J. J. Heyd, E. Brothers, , V. N. S. K. N. Kudin, T. Keith, R. Kobayashi, J. Normand, , A. R. K. Raghavachari, J. C. Burant, S. S. Iyengar, J. Tomasi, , N. R. M. Cossi, J. M. Millam, M. Klene, J. E. Knox, J. B. Cross, , C. A. V. Bakken, J. Jaramillo, R. Gomperts, R. E. Stratmann, , A. J. A. O. Yazyev, R. Cammi, C. Pomelli, J. W. Ochterski, , K. M. R. L. Martin, V. G. Zakrzewski, G. A. Voth, , J. J. D. P. Salvador, S. Dapprich, A. D. Daniels, , J. B. F. O. Farkas, J. V. Ortiz, J. Cioslowski, , and G. and D. J. Fox, Inc., Wallingford CT, 2010.

57. J. N. Van Niekerk and F. R. L. Schoening,X-Ray Evidence for Metal-to-Metal Bonds in Cupric and Chromous Acetate Nature 171, 36 (1953). 58. J. Catterick and P. Thornton, in "Advances in Inorganic Chemistry and Radiochemistry" (H. J. Emeléus and A. G. Sharpe, eds.), Vol. Volume 20, p. 291. Academic Press, 1977. 59. M. Kyuzou, W. Mori, and J. Tanaka,Electronic structure and spectra of cupric acetate mono-hydrate revisited Inorganica Chimica Acta 363, 930 (2010). 60. M. Szpakowska, I. Uruska, and J. Zielkiewicz,Equilibria between mono- and bi-nuclear complexes in Cu(O2CMe)2-pyridine derivative-diluent systems. The influence of the amine ligand basicity Journal of the Chemical Society, Dalton Transactions, 1849 (1985). 61. M. H. Abraham,Relationship between solution entropies and gas phase entropies of nonelectrolytes Journal of the American Chemical Society 103, 6742 (1981). 62. D. H. Wertz,Relationship between the gas-phase entropies of molecules and their entropies of solvation in water and 1-octanol Journal of the American Chemical Society 102, 5316 (1980). 63. J. K.-C. Lau and D. V. Deubel,Hydrolysis of the Anticancer Drug Cisplatin: Pitfalls in the Interpretation of Quantum Chemical Calculations Journal of Chemical Theory and Computation 2, 103 (2006). 64. S. W. Wright, D. L. Hageman, and L. D. McClure,Fluoride-Mediated Boronic Acid Coupling Reactions The Journal of Organic Chemistry 59, 6095 (1994). 65. S. P. H. Mee, V. Lee, and J. E. Baldwin,Stille Coupling Made Easier—The Synergic Effect of Copper(I) Salts and the Fluoride Ion Angewandte Chemie International Edition 43, 1132 (2004). 66. T. Hiyama,How I came across the silicon-based cross-coupling reaction Journal of Organometallic Chemistry 653, 58 (2002). 67. C. A. Wamser,Equilibria in the System Boron Trifluoride—Water at 25° Journal of the American Chemical Society 73, 409 (1951). 68. T. J. Lee and P. R. Taylor,A diagnostic for determining the quality of single-reference electron correlation methods International Journal of Quantum Chemistry 36, 199 (1989). 69. A. Hansen, D. G. Liakos, and F. Neese,Efficient and accurate local single reference correlation methods for high-spin open-shell molecules using pair natural orbitals The Journal of Chemical Physics 135, 214102 (2011). 70. J.-T. Yu, H. Guo, Y. Yi, H. Fei, and Y. Jiang,The Chan–Lam Reaction of Chalcogen Elements Leading to Aryl Chalcogenides Advanced Synthesis & Catalysis 356, 749 (2014). 71. D. G. Hall, in "Boronic Acids", p. 1. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2006. 72. S. P. Kawatkar, T. A. Keating, N. B. Olivier, J. N. Breen, O. M. Green, S. Y. Guler, M. F. Hentemann, J. T. Loch, A. R. McKenzie, J. V. Newman, L. G. Otterson, and G. Martínez-Botella,Antibacterial Inhibitors of Gram-Positive Thymidylate Kinase: Structure–Activity Relationships and Chiral Preference of a New Hydrophobic Binding Region Journal of Medicinal Chemistry 57, 4584 (2014). 73. P. G. M. Wuts and T. W. Greene, in "Greene's Protective Groups in Organic Synthesis", p. 16. John Wiley & Sons, Inc., 2006. 74. L. A. Nguyen, H. He, and C. Pham-Huy,Chiral Drugs: An Overview International Journal of Biomedical Science : IJBS 2, 85 (2006). 75. E. J. Ariëns,Stereochemistry, a basis for sophisticated nonsense in pharmacokinetics and clinical pharmacology European Journal of Clinical Pharmacology 26, 663 (1984). 76. H. D. Flack and G. Bernardinelli,The use of X-ray crystallography to determine absolute configuration Chirality 20, 681 (2008). 77. G. E. Bachers and T. Schaefer,Applications of the intramolecular nuclear Overhauser effect in structural organic chemistry Chemical Reviews 71, 617 (1971). 78. L. Kozerski, P. Krajewski, K. Pupek, P. G. Blackwell, and M. P. Williamson,Towards stereochemical and conformational assignment in flexible molecules using NOEs and molecular modelling Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions 2, 1811 (1997).

79. Rules of Carbohydrate Nomenclature The Journal of Organic Chemistry 28, 281 (1963). 80. N. Berova, L. D. Bari, and G. Pescitelli,Application of electronic circular dichroism in configurational and conformational analysis of organic compounds Chemical Society Reviews 36, 914 (2007). 81. A. G. Petrovic, N. Berova, and J. L. Alonso-Gómez, in "Structure Elucidation in Organic Chemistry", p. 65. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2015. 82. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/5/5e/Linearly_pol.png. 83. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/4/4b/Circularly_pol.png. 84. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d1/Circular_dichroism.png. 85. P. J. Stephens,Theory of vibrational circular dichroism The Journal of Physical Chemistry 89, 748 (1985). 86. N. Berova, P. L. Polavarapu, K. Nakanishi, and R. W. Woody, "Comprehensive Chiroptical Spectroscopy, Applications in Stereochemical Analysis of Synthetic Compounds, Natural Products, and Biomolecules." Wiley, 2012. 87. N. Berova, P. L. Polavarapu, K. Nakanishi, and R. W. Woody, "Comprehensive Chiroptical Spectroscopy, Instrumentation, Methodologies, and Theoretical Simulations." Wiley, 2011. 88. A. Perczel, M. Hollósi, G. Tusnády, and G. D. Fasman,Convex constraint analysis: a natural deconvolution of circular dichroism curves of proteins Protein Engineering 4, 669 (1991). 89. A. Micsonai, F. Wien, L. Kernya, Y.-H. Lee, Y. Goto, M. Réfrégiers, and J. Kardos,Accurate secondary structure prediction and fold recognition for circular dichroism spectroscopy Proceedings of the National Academy of Sciences 112, E3095 (2015). 90. C. Diedrich and S. Grimme,Systematic Investigation of Modern Quantum Chemical Methods to Predict Electronic Circular Dichroism Spectra The Journal of Physical Chemistry A 107, 2524 (2003). 91. P. M. Dewick, in "Medicinal Natural Products", p. 7. John Wiley & Sons, Ltd, 2009. 92. X. Hui, L. Min, and T. Xuan,A Review on Hemisynthesis, Biosynthesis, Biological Activities, Mode of Action, and Structure-Activity Relationship of Podophyllotoxins: 2003- 2007 Current Medicinal Chemistry 16, 327 (2009). 93. M. Haruna, T. Koube, K. Ito, and H. Murata,BALANOPHONIN, A NEW NEO- LIGNAN FROM BALANOPHORA JAPONICA MAKINO CHEMICAL & PHARMACEUTICAL BULLETIN 30, 1525 (1982). 94. M. S. M. Yuen, F. Xue, T. C. W. Mak, and H. N. C. Wong,On the absolute structure of optically active neolignans containing a dihydrobenzo[b]furan skeleton Tetrahedron 54, 12429 (1998). 95. D. S. Jang, E. J. Park, M. E. Hawthorne, J. S. Vigo, J. G. Graham, F. Cabieses, B. D. Santarsiero, A. D. Mesecar, H. H. S. Fong, R. G. Mehta, J. M. Pezzuto, and A. D. Kinghorn,Potential Cancer Chemopreventive Constituents of the Seeds of Dipteryx odorata (Tonka Bean) Journal of Natural Products 66, 583 (2003). 96. http://yakushimalife.appspot.com/gallery/flowers/balanaphora1.jpg. 97. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4b/Tonka_Beans.jpg. 98. http://www.asergeev.com/pictures/archives/2014/1339/jpeg/07.jpg. 99. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/8a/Cirsium_eriophorum1.jpg. 100. S. Nakashima, H. Matsuda, Y. Oda, S. Nakamura, F. Xu, and M. Yoshikawa,Melanogenesis inhibitors from the desert plant Anastatica hierochuntica in B16 melanoma cells Bioorganic & Medicinal Chemistry 18, 2337 (2010). 101. A. Sólyomváry, G. Tóth, B. Komjáti, P. Horváth, M. Kraszni, B. Noszál, I. Molnár-Perl, and I. Boldizsár,Identification and isolation of new neolignan and sesquineolignan species: Their acid-catalyzed ring closure and specific accumulation in the fruit wall of Cirsium eriophorum (L.) Scop Process Biochemistry 50, 853 (2015). 102. D. J. Newman and G. M. Cragg,Natural Products as Sources of New Drugs over the Last 25 Years⊥ Journal of Natural Products 70, 461 (2007).

103. Z.-Q. Wang, C. Huang, J. Huang, H.-Y. Han, G.-Y. Li, J.-H. Wang, and T.-M. Sun,The stereochemistry of two monoterpenoid diastereomers from Ferula dissecta RSC Advances 4, 14373 (2014). 104. A. E. Nugroho and H. Morita,Circular dichroism calculation for natural products Journal of Natural Medicines 68, 1 (2014). 105. J. M. Finefield, D. H. Sherman, M. Kreitman, and R. M. Williams,Enantiomeric Natural Products: Occurrence and Biogenesis Angewandte Chemie International Edition 51, 4802 (2012). 106. J. Ridley and M. Zerner,An intermediate neglect of differential overlap technique for spectroscopy: Pyrrole and the azines Theoretica chimica acta 32, 111 (1973). 107. M. C. Zerner, G. H. Loew, R. F. Kirchner, and U. T. Mueller-Westerhoff,An intermediate neglect of differential overlap technique for spectroscopy of transition-metal complexes. Ferrocene Journal of the American Chemical Society 102, 589 (1980). 108. M. Caricato, G. W. Trucks, M. J. Frisch, and K. B. Wiberg,Oscillator Strength: How Does TDDFT Compare to EOM-CCSD? Journal of Chemical Theory and Computation 7, 456 (2011). 109. T. Miyahara, J.-y. Hasegawa, and H. Nakatsuji,Circular Dichroism and Absorption Spectroscopy for Three-Membered Ring Compounds Using Symmetry-Adapted Cluster- Configuration Interaction (SAC-CI) Method Bulletin of the Chemical Society of Japan 82, 1215 (2009). 110. D. Shcherbin and K. Ruud,The use of Coulomb-attenuated methods for the calculation of electronic circular dichroism spectra Chemical Physics 349, 234 (2008). 111. A. Wakai, H. Fukasawa, C. Yang, T. Mori, and Y. Inoue,Theoretical and Experimental Investigations of Circular Dichroism and Absolute Configuration Determination of Chiral Anthracene Photodimers Journal of the American Chemical Society 134, 4990 (2012). 112. Y. Si, G. Yang, M. Hu, and M. Wang,Assignment of the absolute configuration of dinuclear zirconium complexes containing two homochiral N atoms using TDDFT calculations of ECD Chemical Physics Letters 502, 266 (2011). 113. M. Kwit, M. D. Rozwadowska, J. Gawroński, and A. Grajewska,Density Functional Theory Calculations of the Optical Rotation and Electronic Circular Dichroism: The Absolute Configuration of the Highly Flexible trans-Isocytoxazone Revised The Journal of Organic Chemistry 74, 8051 (2009). 114. A. Szentesi, A. Gergely, P. Horváth, S. Hosztafi, and G. Szász,Determination of 6-oxo- morphinans, as the oximes, by difference circular dichroism spectroscopy Analytical and Bioanalytical Chemistry 374, 427 (2002). 115. I. Ciofini and C. Adamo,Accurate Evaluation of Valence and Low-Lying Rydberg States with Standard Time-Dependent Density Functional Theory The Journal of Physical Chemistry A 111, 5549 (2007). 116. A. Dreuw and M. Head-Gordon,Failure of Time-Dependent Density Functional Theory for Long-Range Charge-Transfer Excited States: The Zincbacteriochlorin−Bacteriochlorin and Bacteriochlorophyll−Spheroidene Complexes Journal of the American Chemical Society 126, 4007 (2004). 117. R. Kobayashi and R. D. Amos,The application of CAM-B3LYP to the charge-transfer band problem of the zincbacteriochlorin–bacteriochlorin complex Chemical Physics Letters 420, 106 (2006). 118. H. Nitta and I. Kawata,A close inspection of the charge-transfer excitation by TDDFT with various functionals: An application of orbital- and density-based analyses Chemical Physics 405, 93 (2012). 119. J. J. Eriksen, S. P. A. Sauer, K. V. Mikkelsen, O. Christiansen, H. J. A. Jensen, and J. Kongsted,Failures of TDDFT in describing the lowest intramolecular charge-transfer excitation in para-nitroaniline Molecular Physics 111, 1235 (2013). 120. L. Goerigk and S. Grimme,Calculation of Electronic Circular Dichroism Spectra with Time-Dependent Double-Hybrid Density Functional Theory The Journal of Physical Chemistry A 113, 767 (2008).

121. A. D. Becke,Density‐functional thermochemistry. III. The role of exact exchange The Journal of Chemical Physics 98, 5648 (1993). 122. T. Yanai, D. P. Tew, and N. C. Handy,A new hybrid exchange–correlation functional using the Coulomb-attenuating method (CAM-B3LYP) Chemical Physics Letters 393, 51 (2004). 123. Y. Zhao and D. G. Truhlar,Density Functionals with Broad Applicability in Chemistry Accounts of Chemical Research 41, 157 (2008). 124. Y. Zhao and D. G. Truhlar,Exploring the Limit of Accuracy of the Global Hybrid Meta Density Functional for Main-Group Thermochemistry, Kinetics, and Noncovalent Interactions Journal of Chemical Theory and Computation 4, 1849 (2008). 125. J. Wysocki, M. Kwit, and J. Gawronski,Absolute Configuration Determination and Convenient Asymmetric Synthesis of cis-3-(9-Anthryl)cyclohexanol with Proline as a Catalyst Chirality 24, 833 (2012). 126. D. Jacquemin, E. A. Perpète, I. Ciofini, C. Adamo, R. Valero, Y. Zhao, and D. G. Truhlar,On the Performances of the M06 Family of Density Functionals for Electronic Excitation Energies Journal of Chemical Theory and Computation 6, 2071 (2010). 127. M. J. Strauss,The Nitroaromatic Group in Drug Design. Pharmacology and Toxicology (for Nonpharmacologists) Industrial & Engineering Chemistry Product Research and Development 18, 158 (1979). 128. D. Kosenkov and L. V. Slipchenko,Solvent Effects on the Electronic Transitions of p- Nitroaniline: A QM/EFP Study The Journal of Physical Chemistry A 115, 392 (2011). 129. T. Bruhn, A. Schaumlöffel, Y. Hemberger, and G. Bringmann,SpecDis: Quantifying the Comparison of Calculated and Experimental Electronic Circular Dichroism Spectra Chirality 25, 243 (2013). 130. N. M. O'Boyle, A. L. Tenderholt, and K. M. Langner,cclib: A library for package- independent computational chemistry algorithms Journal of Computational Chemistry 29, 839 (2008). 131. A.-R. Allouche,Gabedit—A graphical user interface for computational chemistry softwares Journal of Computational Chemistry 32, 174 (2011). 132. F. Egidi, R. Russo, I. Carnimeo, A. D’Urso, G. Mancini, and C. Cappelli,The Electronic Circular Dichroism of Nicotine in Aqueous Solution: A Test Case for Continuum and Mixed Explicit-Continuum Solvation Approaches The Journal of Physical Chemistry A 119, 5396 (2015). 133. N. Lin, F. Santoro, X. Zhao, A. Rizzo, and V. Barone,Vibronically Resolved Electronic Circular Dichroism Spectra of (R)-(+)-3-Methylcyclopentanone: A Theoretical Study The Journal of Physical Chemistry A 112, 12401 (2008). 134. D. Jacquemin, E. Brémond, A. Planchat, I. Ciofini, and C. Adamo,TD-DFT Vibronic Couplings in Anthraquinones: From Basis Set and Functional Benchmarks to Applications for Industrial Dyes Journal of Chemical Theory and Computation 7, 1882 (2011). 135. L. Strekowski, S. E. Patterson, L. Janda, R. L. Wydra, D. B. Harden, M. Lipowska, and M. T. Cegla,Further studies on the cyclization of aromatic azomethines ortho-substituted with a trifluoromethyl group: synthesis of 2,4-di- or 2,3,4-trisubstituted quinolines The Journal of Organic Chemistry 57, 196 (1992). 136. Y. Imai, W. Zhang, T. Kida, Y. Nakatsuji, and I. Ikeda,Novel Chiral Bisoxazoline Ligands with a Biphenyl Backbone: Preparation, Complexation, and Application in Asymmetric Catalytic Reactions The Journal of Organic Chemistry 65, 3326 (2000). 137. R. L. Martin,Natural transition orbitals The Journal of Chemical Physics 118, 4775 (2003). 138. A. Slama-Schwok, M. Blanchard-Desce, and J. M. Lehn,Intramolecular charge transfer in donor-acceptor molecules The Journal of Physical Chemistry 94, 3894 (1990). 139. A. Janiak, U. Rychlewska, M. Kwit, U. Stępień, K. Gawrońska, and J. Gawroński,From Single Molecule to Crystal: Mapping Out the Conformations of Tartaric Acids and Their Derivatives ChemPhysChem 13, 1500 (2012).

140. E. M. M. Del Valle,Cyclodextrins and their uses: a review Process Biochemistry 39, 1033 (2004). 141. X. Li, Z. Zhou, W. Zhou, L. Dai, and Z. Li,Preparation of a novel cyclodextrin derivative of benzimido-[small beta]-cyclodextrin and its enantioseparation performance in HPLC Analyst 136, 5017 (2011). 142. L. Szente and J. Szejtli,Highly soluble cyclodextrin derivatives: chemistry, properties, and trends in development Advanced Drug Delivery Reviews 36, 17 (1999). 143. Q. Zhong, L. He, T. E. Beesley, W. S. Trahanovsky, P. Sun, C. Wang, and D. W. Armstrong,Development of dinitrophenylated cyclodextrin derivatives for enhanced enantiomeric separations by high-performance liquid chromatography Journal of Chromatography A 1115, 19 (2006). 144. R. L. Carrier, L. A. Miller, and I. Ahmed,The utility of cyclodextrins for enhancing oral bioavailability Journal of Controlled Release 123, 78 (2007). 145. M. E. Davis and M. E. Brewster,Cyclodextrin-based pharmaceutics: past, present and future Nat Rev Drug Discov 3, 1023 (2004). 146. T. Loftsson, M. E. Brewster, and M. Másson,Role of cyclodextrins in improving oral drug delivery American Journal of Drug Delivery 2, 261 (2012). 147. S. M. Han,Direct enantiomeric separations by high performance liquid chromatography using cyclodextrins Biomedical Chromatography 11, 259 (1997). 148. G. K. E. V. Scriba,Cyclodextrins in capillary electrophoresis enantioseparations – Recent developments and applications Journal of Separation Science 31, 1991 (2008). 149. G. Frison and G. Ohanessian,A comparative study of semiempirical, ab initio, and DFT methods in evaluating metal–ligand bond strength, proton affinity, and interactions between first and second shell ligands in Zn-biomimetic complexes Journal of Computational Chemistry 29, 416 (2008). 150. R. Sure and S. Grimme,Corrected small basis set Hartree-Fock method for large systems Journal of Computational Chemistry 34, 1672 (2013). 151. X.-S. Li, L. Liu, T.-W. Mu, and Q.-X. Guo,A Systematic Quantum Chemistry Study on Cyclodextrins Monatshefte für Chemie / Chemical Monthly 131, 849. 152. L. Liu and Q.-X. Guo,Use of Quantum Chemical Methods to Study Cyclodextrin Chemistry Journal of inclusion phenomena and macrocyclic chemistry 50, 95. 153. H. Santillán-Vargas, J.-Z. Ramírez, J. Garza, and R. Vargas,Density-functional-theory study of α-cyclodextrin inclusion complexes International Journal of Quantum Chemistry 112, 3587 (2012). 154. M. R. Poopari, Z. Dezhahang, and Y. Xu,A comparative VCD study of methyl mandelate in methanol, dimethyl sulfoxide, and chloroform: explicit and implicit solvation models Physical Chemistry Chemical Physics 15, 1655 (2013). 155. P. Terleczky and L. Nyulászi,The Effect of the Primary Solvate Shell on the Mechanism of the Stöber Silica Synthesis. A Density Functional Investigation The Journal of Physical Chemistry A 113, 1096 (2009). 156. L. W. Chung, W. M. C. Sameera, R. Ramozzi, A. J. Page, M. Hatanaka, G. P. Petrova, T. V. Harris, X. Li, Z. Ke, F. Liu, H.-B. Li, L. Ding, and K. Morokuma,The ONIOM Method and Its Applications Chemical Reviews 115, 5678 (2015). 157. A. Klamt and G. Schuurmann,COSMO: a new approach to dielectric screening in solvents with explicit expressions for the screening energy and its gradient Journal of the Chemical Society, Perkin Transactions 2, 799 (1993). 158. J. Tomasi, B. Mennucci, and R. Cammi,Quantum Mechanical Continuum Solvation Models Chemical Reviews 105, 2999 (2005). 159. F. Neese,The ORCA program system Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science 2, 73 (2012). 160. J. J. P. Stewart,Optimization of parameters for semiempirical methods I. Method Journal of Computational Chemistry 10, 209 (1989). 161. J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof,Generalized Gradient Approximation Made Simple Physical Review Letters 77, 3865 (1996).

162. A. Schäfer, H. Horn, and R. Ahlrichs,Fully optimized contracted Gaussian basis sets for atoms Li to Kr The Journal of Chemical Physics 97, 2571 (1992). 163. S. Grimme, S. Ehrlich, and L. Goerigk,Effect of the damping function in dispersion corrected density functional theory Journal of Computational Chemistry 32, 1456 (2011). 164. H. Kruse and S. Grimme,A geometrical correction for the inter- and intra-molecular basis set superposition error in Hartree-Fock and density functional theory calculations for large systems The Journal of Chemical Physics 136, 154101 (2012). 165. F. Neese,An improvement of the resolution of the identity approximation for the formation of the Coulomb matrix Journal of Computational Chemistry 24, 1740 (2003). 166. M. Hanwell, D. Curtis, D. Lonie, T. Vandermeersch, E. Zurek, and G. Hutchison,Avogadro: an advanced semantic chemical editor, visualization, and analysis platform Journal of Cheminformatics 4, 17 (2012). 167. A. Minassian and J. W. Young,EVALUATION OF THE CLINICAL EFFICACY OF ASENAPINE IN SCHIZOPHRENIA Expert opinion on pharmacotherapy 11, 2107 (2010). 168. A. J. Perri, III and S. M. D. Hsu,A review of thalidomide's history and current dermatological applications Dermatology Online Journal 9 (2003). 169. M. Q. Lacy and A. R. McCurdy,Pomalidomide Blood 122, 2305 (2013). 170. P. Hohenberg and W. Kohn,Inhomogeneous Electron Gas Physical Review 136, B864 (1964). 171. W. Kohn and L. J. Sham,Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects Physical Review 140, A1133 (1965). 172. J. P. Perdew and K. Schmidt,Jacob’s ladder of density functional approximations for the exchange-correlation energy AIP Conference Proceedings 577, 1 (2001). 173. J. P. Perdew, A. Ruzsinszky, J. Tao, V. N. Staroverov, G. E. Scuseria, and G. I. Csonka,Prescription for the design and selection of density functional approximations: More constraint satisfaction with fewer fits The Journal of Chemical Physics 123, 062201 (2005). 174. J. C. Slater, "The self-consistent field for molecules and solids." McGraw-Hill, 1974. 175. S. H. Vosko, L. Wilk, and M. Nusair,Accurate spin-dependent electron liquid correlation energies for local spin density calculations: a critical analysis Canadian Journal of Physics 58, 1200 (1980). 176. T. Leininger, H. Stoll, H.-J. Werner, and A. Savin,Combining long-range configuration interaction with short-range density functionals Chemical Physics Letters 275, 151 (1997). 177. H. Iikura, T. Tsuneda, T. Yanai, and K. Hirao,A long-range correction scheme for generalized-gradient-approximation exchange functionals The Journal of Chemical Physics 115, 3540 (2001). 178. Y. Zhao, B. J. Lynch, and D. G. Truhlar,Doubly Hybrid Meta DFT: New Multi- Coefficient Correlation and Density Functional Methods for Thermochemistry and Thermochemical Kinetics The Journal of Physical Chemistry A 108, 4786 (2004). 179. S. Grimme,Semiempirical hybrid density functional with perturbative second-order correlation The Journal of Chemical Physics 124, 034108 (2006). 180. S. Grimme, J. Antony, S. Ehrlich, and H. Krieg,A consistent and accurate ab initio parametrization of density functional dispersion correction (DFT-D) for the 94 elements H-Pu The Journal of Chemical Physics 132, 154104 (2010). 181. D. G. Liakos and F. Neese,Improved Correlation Energy Extrapolation Schemes Based on Local Pair Natural Orbital Methods The Journal of Physical Chemistry A 116, 4801 (2012). 182. M. Steinmetz and S. Grimme,Benchmark Study of the Performance of Density Functional Theory for Bond Activations with (Ni,Pd)-Based Transition-Metal Catalysts ChemistryOpen 2, 115 (2013). 183. Y. Minenkov, A. Singstad, G. Occhipinti, and V. R. Jensen,The accuracy of DFT- optimized geometries of functional transition metal compounds: a validation study of

catalysts for olefin metathesis and other reactions in the homogeneous phase Dalton Transactions 41, 5526 (2012). 184. S. F. Boys and F. Bernardi,The calculation of small molecular interactions by the differences of separate total energies. Some procedures with reduced errors Molecular Physics 19, 553 (1970).