Merging Computation and Experiment to Understand and Develop Asymmetric Open-Shell Radical Cross- Couplings

结合计算和实验来理解和开发非对称开壳径向交叉耦合

基本信息

  • 批准号:
    10413930
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 36.78万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-07-01 至 2025-06-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

PROJECT SUMMARY/ABSTRACT Despite advances in high-throughput screening methods leading to a surge in the discovery of catalytic reactions, our knowledge of the molecular-level interactions in the rate- and selectivity-determining steps of catalytic reactions involving highly unstable and reactive open-shell intermediates is rudimentary. These knowledge gaps prevent control, suppression or enhancement, of competing reaction channels that can drive development of new catalytic reactions. Built on strong computational and experimental preliminary results, this program seeks to understand and guide design of new sustainable, catalytic, and asymmetric transformations. Overall, our goals are to develop predictive models of reactivity and selectivity of first-row, open-shell transition metal-catalyzed carbon-carbon bond formations that can be adapted by the organic, organometallic, and bio(in)organic community in the synthesis of medicinally-active compounds. To accomplish this overarching goal, we have identified two areas of research for the next 5 years and plans for beyond. In the first area, we will use combined experimental and computational tools to understand and develop new asymmetric iron-catalyzed radical cascade/cross-coupling reactions. In the second area, through collaborative efforts, we will target the synthesis of quaternary centers via metallophotoredox-catalyzed cross-couplings. These reactions proceed through carbon-centered radical intermediates, open-shell organometallic species, and photoexcited electronic state species where evaluating the mechanisms has been historically hampered by the inherent complexity associated with the high reactivity and instability of these species. High-level quantum mechanical calculations, rigorously calibrated against experimental data, will be used to interrogate the mechanisms and to guide the development of new catalysts and reagents for currently sluggish or unselective reactions. In addition, we will exploit selected potential energy surfaces susceptible to dynamic effects, single-electron transfers, and intersystem crossings to gain a deeper understanding of the factors determining product selectivity and inform catalyst and reaction design. Overall, these efforts will push the limits of accurate molecular modeling of increasing complex catalytic reactions and potentially impact the fields of organic, bio(in)organic, and transition-metal catalysis.
项目总结/摘要 尽管高通量筛选方法的进步导致催化剂的发现激增 反应,我们的知识的分子水平的相互作用的速度和选择性决定步骤, 涉及高度不稳定和反应性开壳中间体的催化反应是基本的。这些 知识差距阻碍了对竞争性反应通道的控制、抑制或增强, 开发新的催化反应。建立在强大的计算和实验初步结果,这 该计划旨在理解和指导新的可持续,催化和不对称转型的设计。 总的来说,我们的目标是开发预测模型的反应性和选择性的第一行,开壳层 过渡金属催化的碳-碳键形成,其可以通过有机,有机金属, 和生物(无机)有机群落在药物活性化合物的合成中的作用。为了实现这一 为了实现总体目标,我们确定了未来五年的两个研究领域和未来计划。在 第一个领域,我们将使用实验和计算相结合的工具来理解和开发新的 不对称铁催化自由基级联/交叉偶联反应。第二,通过合作 通过努力,我们将通过金属光氧化还原催化的交叉偶联来合成季中心。 这些反应通过碳中心自由基中间体,开壳层有机金属物种, 和光激发电子态物种,其中评估机制在历史上受到阻碍 与这些物质的高反应性和不稳定性相关的固有复杂性。高级别 量子力学计算,严格校准实验数据,将被用来询问 的机制,并指导开发新的催化剂和试剂,目前缓慢或 非选择性反应此外,我们将利用选定的势能面易受动态 效应,单电子转移和系统间交叉,以更深入地了解这些因素 确定产物选择性并为催化剂和反应设计提供信息。总的来说,这些努力将推动 日益复杂的催化反应的精确分子建模的局限性,并可能影响这些领域 有机、生物(无机)有机和过渡金属催化。

项目成果

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