High-Throughput Methods in Quantum Chemistry Directed Catalyst Search

Abstract

Improvements in both computer hardware and computational chemistry have made the quantum chemical treatment of realistically sized chemical systems possible. In especially density functional theory with its good balance between accuracy and speed is applied routinely. In this work approaches to a fully automated high-throughput screening of homogeneous transition metal based catalysts were to be developed. Generally applicable catalysts which allow the (co)polymerization of polar olefins are lacking. It is anticipated that the development of coordinative catalysts for direct insertion polymerization of these substrates will allow a more efficient and better control of polymer properties. Exemplarily, diimido chromium(VI) catalysts have been optimized with respect to their activity in the extremely challenging fluoroolefin and in ethene polymerization. Neutral diimido chromium(VI) had been reported to show catalytic activity in the polymerization of polar olefins whereas the cationic analogs were known to polymerize ethene. The properties of transition metal compounds calculated by density functional methods often depend strongly on the particular functional. Therefore, a small neutral diimido complex has been used to calibrate the calculation method. Elementary steps for reactions with gem-difluoro ethene have been studied. The geometries do not show a marked functional dependence whereas reaction energies and barriers depend strongly on the choice of one of the thirteen tested functionals. Therefore, reference calculations with high-level wave function theory methods, i.e. CCSD(T) and CASPT2, have been conducted. These revealed at least moderate static correlation rendering single-reference calculations unreliable. Generally, double hybrid functionals show the best agreement with the wave function data. A block-box usage of the density functional methods for the prediction of catalytic activities is found to be prohibitive. Geometric parameters have been scanned systematically to beneficially influence the polymerization activity. Optimal catalysts feature an exceptionally large N-Cr-N bond angle of more than 120°. Targeting this angle, an automatic search system has been developed, which assembles and optimizes complexes automatically from predefined fragments by a combination of molecular mechanics, semi-empirical and density functional methods. Complexes with close to optimal geometric structures and high predicted activities have been generated. For the cationic diimido chromium complexes, which are known to polymerize ethene, the nature of the catalytically active species was subject of discussion in the literature. Different mechanisms have been probed using density functional methods and CASPT2 reference calculations. Insertive polymerization proceeding on chromium(VI) centers is judged to be most probable. Contradicting earlier results had been biased by a too small model system and the choice of an inappropriate density functional. Following the mechanistic study, cationic diphenylimido chromium complexes have been optimized by variation in the substitution pattern at the phenyl groups maximizing both density functional derived acitivation barriers for the polymerization of ethene and thermodynamic accessibility. To guide the optimization, genetic algorithms have been developed and implemented into an automated system. No strong structure-activity relationship could be obtained be either multi-variate linear models or by the use of neural networks. Nonetheless, substitution patterns have been identified which lead to stabilizing interactions in the transition state of insertion and to high predicted activities. First attempts to synthesize exemplary catalysts have been made, but no novel structurally authenticated diimido chromium (VI) complexes could be obtained. In summary, density functional based high-throughput methods have been developed and applied to realistically sized transition metal complexes. This led to the discovery of novel potentially highly active polymerization catalysts for fluoroolefins and ethene.

Die Entwicklungen sowohl im Bereich der Computer-Hardware als auch der Computerchemie haben genaue quantenchemische Berechnungen von molekularen Systemen mit realistischer Größe möglich gemacht. Insbesondere Berechnungen, die auf der Dichtefunktionaltheorie beruhen, zeigen ein gutes Verhältnis von Genauigkeit und Geschwindigkeit. Das Anliegen dieser Arbeit ist es, Ansätze für das vollautomatische quantenchemische Screening von Übergangsmetallkatalysatoren für homogen katalysierte Reaktionen zu finden. Allgemein anwendbare Katalysatoren für die Co-/Polymerisation von polaren Olefinen sind bisher unbekannt. Die Entwicklung von koordinativen Katalysatoren für die direkte insertive Polymerization solcher Substrate würde eine deutlich effizientere und bessere Kontrolle über die Polymereigenschaften ermöglichen. Beispielhaft sind hierfür Chrom(VI)-Katalysatoren bezüglich ihrer Aktivität in der Fluorolefin- und Ethenpolymerisation optimiert worden. Die Aktivität neutraler Diimidochrom(VI)-Komplexe für die Polymerisation polarer Olefine sowie die der kationischen Derivate für die Ethenpolymerisation ist in der Literatur bekannt. Die Ergebnisse der Berechnung von Eigenschaften von Übergangsmetallverbindungen mit Hilfe von Dichtefunktionalmethoden hängen häufig stark vom verwendeten Funktional ab. Daher ist ein kleiner neutraler Diimidokomplex zur Kalibrierung der Rechenmethode herangezogen worden. Die Elementarschritte für die Reaktion mit gem-Difluorethen sind studiert worden. Während die Geometrieen kaum Abhängigkeit vom verwendeten Funktional gezeigt haben, sind die Reaktionsenergieen und Reaktionsbarrieren stark vom der Wahl eines der neunzehn getesteten Funktionale beeinflusst. Darum sind als Referenz Rechnungen mit Wellenfunktionsmethoden, wie u.a. CCSD(T) und CASPT2, durchgeführt worden. Diese Referenzrechnungen haben gezeigt, dass die Diimidochromkomplexe durch statische Korrelation beeinflusst sind und damit Ein-Referenz-Methoden nicht verlässlich sind. Doppelhybridfunktionale haben die beste Übereinstimmung mit den Wellenfunktionsdaten erbracht. Allgemein können Dichtefunktionalmethoden nicht als „Black-Box“-Methoden zur Vorhersage katalytischer Aktivitäten verwendet werden. Geometrische Parameter des Diimidochromkomplexes sind untersucht worden, um eine Beziehung zwischen katalytischer Aktivität und Struktur herzustellen und so Leitlinien für die Katalysatoroptimierung zu finden. Katalysatoren mit einem besonders großen Stickstoff-Chrom-Stickstoff-Bindungswinkel von mehr als 120° zeigen dabei optimale Aktivität in der Fluorolefinpolymerisation. Hiervon ausgehend ist ein automatisches Screening-System entwickelt worden, das Komplexe aus vorher definierten Fragmenten konstruiert und anschließend mit einer Kombination aus molekularmechanischen, semiempirischen und Dichtefunktionalmethoden optimiert. Damit sind Komplexe mit nahezu optimalen geometrischen Strukturen und hohen potentiellen Aktivitäten gefunden worden. In der Literatur wurde die Beschaffenheit der katalytisch aktiven Spezies beim Einsatz von kationischen Diimidochromkomplexen in der Ethenpolymerisation diskutiert. Es sind nun verschiedene Mechanismen mit Dichtefunktionalmethoden untersucht worden und Referenzrechnungen sowohl mit der CCSD(T) als auch mit der CASPT2 Methode durchgeführt worden. Die direkte insertive Polymerisation an Chrom(VI)-Zentren hat sich dabei als am wahrscheinlichsten herausgestellt. Dem widersprechende frühere Ergebnisse beruhten auf einem zu kleinen Modellsystem und der Verwendung eines ungeeigneten Dichtefunktionals. Darauf aufbauend sind unter der Annahme eines Insertionsmechanismus Phenylimidochromkomplexe durch Variation im Substitutionsmuster der Phenylgruppen mit Dichtefunktionalmethoden optimiert worden, wobei der Fokus sowohl auf die Reaktionsbarrieren als auch auf die thermodynamische Zugänglichkeit der Komplexe gelegt worden ist. Für den Optimierungsprozess sind genetische Algorithmen entwickelt und in ein automatisches Optimierungssystem implementiert worden, das speziell für kleine und mittelgroße Computercluster ausgelegt worden ist. Eine starke Korrelation zwischen molekularer Struktur und katalytischer Aktivität ist weder mit einem multivariaten linearen Modell noch mit Hilfe neuronaler Netze gefunden worden. Gleichwohl ist es möglich gewesen, Substitutionsmuster an Liganden zu identifizieren, die über stabilisierende Wechselwirkungen im Übergangszustand die Insertionsbarriere senken und so zu hohen Polymerisationsaktivitäten führen. Erste Versuche, beispielhafte Katalysatoren im Labor zu synthetisieren, sind unternommen worden, doch konnten keine eindeutig zu charakterisierenden neuen Diimidochromkomplexe gewonnen werden. Insgesamt sind dichtefunktionalbasierte High-Throughput-Methoden entwickelt und auf Übergangsmetallkomplexe realistischer Größe angewendet worden. Dies hat zur Entdeckung von Leitstrukturen für neue, potentiell hoch aktive Polymerisationskatalysatoren für Fluorolefine und Ethen geführt.