Computational Modeling of Supramolecular Interactions in Biological and Material Chemistry

Mgr. Martin Novák, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Supramolekulární interakce se v současném chemickém a biologickém výzkumu těší nesmírné pozornosti, jelikož se od nich odvíjí strukturní, spektroskopické a katalytické vlastnosti materiálů. Porozumění základním principům, proč se molekuly shlukují nebo skládají je důležitým předpokladem pro návrh pokročilých supramolekulárních útvarů. Interakce jsou obecně vnímány jako založené na elektrostatickém přitahování. Tento úhel pohledu je v předkládané práci zpochybněn. I když je Coulombická interakce pro mnohé zkoumané supramolekulární systémy skutečně stabilizující, kvantový příspěvek je též silně stabilizující a často dominantní. Použité dekompoziční metody interakční energie předpovídají významné mezimolekulové elektronové sdílení pro systémy stabilizované halo- genovou, chalkogenovou, CH-iont nebo iont-pi vazbou. Pečlivá analýza iont-$\pi$ interakcí v elektrickém poli podpořila závěry o roli kovelence. Byla pozorována korelace mezi interakčními energiemi a jednak excitovanými stavy s přenesenými náboji, a také kovalencí měřenou pomocí delokalizačních indexů v rámci kvantové teorie "atomů v molekulách". Tyto fenomény lze označit termíny vícecenterní nebo supramolekulární kovalence. Vyzbrojeni teoretickými znalostmi o povaze supramolekulárních interakcí jsme provedli studium vazby paramagnetických ruthenitých komplexů s adamantylovým chemoforem do makrocyklických nosičů. Spektra nukleární magnetické rezonance poskytla velmi precizní experimentální důkazy a informace o vzájemné orientaci a vazebných konstantách. Relativistické DFT výpočty nám pomohly objasnit pozorované spektrálních změny po navázání paramagnetických hostů do makrocyklických nosičů. Předkládaná studie poskytuje unikátní souhru experimentálních metod a výpočetního modelování a ukazuje vysoký potenciál integrovaných přístupů.

Abstract:

Supramolecular interactions are of cardinal importance in current chemical and biological research as these are engaged in derivation of structural, response, and catalytic features of materials. Understanding the fundamental principles of why the molecules cluster or fold is of vital interest for the design of advanced supramolecular assemblies. The interactions are in general referred to as electrostatic in nature. This perspective is challenged in the presented thesis and although most of the tested supramolecular systems indeed benefit from the attractive Coulombic interactions, substantial non-classical sources of stabilization have been spotted. Various energy decomposition methods predict extended intermolecular electron sharing for halogen-, chalcogen-, CH-ion, or ion-pi bonded model systems. Scrutinizing the ion-pi binding in the presence of an electric field strengthened the conclusions about the role of non-classical stabilization. Correlation between the interaction energies and charge-transfer excited states as well as with electron sharing measured by the delocalization index within the context of quantum theory of "atoms in molecules" was observed. Multi-center or supramolecular covalence seem proper designations for the aforementioned phenomena. Armed with theoretical knowledge about the nature of supramolecular interactions, a study of paramagnetic ruthenium metallocomplexes enhanced with adamantyl chemophore encapsulated into macrocyclic carriers was performed. The nuclear magnetic resonance spectra yield very fine experimental evidence and descriptors connected with the mutual orientation and binding strength. Using relativistic DFT simulations it was possible to rationalize the observations of the influence of paramagnetic host exerted on the macrocyclic carrier and vice versa. Presented study provides a unique harmony between the experiment and computational modeling and shows the marvelous potential of an integrated approach.

Keywords

Supramolekulární Interakce, Halogenová Vazba, Chalkogenová Vazba, Anion-pi, Komplex Host-Hostitel, Ruthenium, Paramagnetická NMR, Supramolecular Interactions, Halogen Bond, Chalcogen Bond, Host-Guest Complex, Paramagnetic NMR, DFT

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 5. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 11. 6. 2018
• Supervisor: prof. RNDr. Radek Marek, Ph.D.
• Reader: prof. RNDr. Ing. Jaroslav Burda, DrSc., Dr. hab. Mariusz Mitoraj, Ph.D., Prof. Dr. F.M. Bickelhaupt, FRSC

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biochemistry (4-years) / Biomolecular Chemistry