Studium reakčních profilů Diels-Alderových reakcí metodou DFT

Bc. Erik Kalla

Master's thesis

A DFT Study of Reaction Profiles for Diels-Alder Reactions

Abstract:

Tato diplomová práce se věnuje studiu energetických profilů Diels-Alderových reakcí využívaných v organické syntéze při přípravě derivátů forskolinu. Forskolin je přírodní látka diterpenoidní povahy s prokázanou biologickou aktivitou. Spolu se syntetickými deriváty vykazuje selektivitu k některým formám adenylátcyklázy, enzymu katalyzujícího přeměnu adenosintrifosfátu na cyklickou formu adenosinmonofosfátu. Diels-Alderova reakce mezi strukturně neměnným dienem a dienofilem tvořeným substituovaným methyl-p-benzochinonem slouží jako nástroj k přípravě nových analogů forskolinu s potenciální biologickou aktivitou. Selektivita této reakce vede k tvorbě stereochemicky odlišných produktů v poměrech, které závisí na charakteru a poloze substituční skupiny na dienofilu. Tato práce využívá metodu funkcionálu hustoty ke geometrické optimalizaci komplexů reaktantů v různých relativních orientacích, k hledání tranzitních stavů cykloadicí a k jejich jednoznačnému propojení s přílušnými lokálními minimy na povrchu potenciální energie. Teoretická data jsou poté korelována s experimentem, včetně aspektu korelace mezi charakterem a polohou substituční skupiny na jedné straně a velikostí aktivačních bariér a relativní stabilitou produktů na straně druhé. Díky dobrému souhlasu mezi experimentem a teorií je možné doplnit naměřená data o cenný vhled do termodynamické vs. kinetické kontroly stereochemie produktů zde studovaných Diels-Alderových reakcí.

Abstract:

This diploma thesis deals with the study of energy profiles for Diels-Alder reactions which are utilized in organic synthesis during forskolin derivatives preparation. Forskolin is a diterpenoid natural product with proven biological activity. Along with its synthetic derivatives, it shows selectivity for some forms of adenylate cyclase, an enzyme that catalyzes the conversion of adenosine triphosphate to the cyclic form of adenosine monophosphate. The Diels-Alder reaction between a structurally invariable diene and a substituted methyl-p-benzoquinone dienophile is employed as a tool for new forskolin analogs preparation with potential biological activity. Stereochemically diverse products are formed in specific ratios, depending on the character and position of dienophile substituent group. This thesis employs density functional theory for geometry optimizations of reactant complexes in various relative orientations, for transition state searches, and for their unambiguous identification with local minima on the potential energy surface. A comparison of theoretical data with experiment is presented afterwards, including the aspect of substituent character and position on the activation barriers and relative product stability. Due to a very good agreement between theoretical and experimental data, the latter can be supplemented with a valuable insight into thermodynamic vs. kinetic control of product stereochemistry for this particular type of Diels-Alder reaction.

Keywords

DFT, Diels-Alderova reakce, dien, dienofil, Single-Coordinate driving, IRC, forskolin, Diels-Alder reaction, diene, dienophile

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 6. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 9. 7. 2021
• Supervisor: doc. Mgr. Markéta Munzarová, Dr. rer. nat.
• Reader: RNDr. Jaroslav Vacek, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Master programme / field:
Chemistry / Physical Chemistry