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Andrea Bottoni

Professore Alma Mater

Alma Mater Studiorum - Università di Bologna

Professore a contratto a titolo gratuito

Dipartimento di Chimica "Giacomo Ciamician"

Temi di ricerca

Parole chiave: dinamica molecolare Catalisi asimmetrica Catalisi enzimatica metodi QM Chimica computazionale metodi ibridi QM/MM reazioni organometalliche Meccanismi di reazione

1. Messa a punto di nuovo “software” adatto alla trattazione di sistemi molecolari di grandi dimensioni, in particolare enzimi oppure reazioni convenzionali organiche e organometalliche con una trattazione esplicita delle molecole di solvente nel quale avviene la reazione. Questo “software” è basato su metodi ibridi quanto-meccanici (QM) e di meccanica molecolare (MM): metodi (QM/MM).

2. Studi teorico-computazionale di reazioni organiche e organometalliche.

Lo scopo di questi studi è: (a) Determinare il meccanismo di reazioni importanti dal punto di vista sintetico sia per laboratori industriali che accademici.  (b) Individuare la specie “attiva” coinvolta in reazioni catalizzate o mediate dai metalli. (c) Capire il ruolo specifico giocato dal metallo. Questi studi sono effettuati utilizzando metodi QM (DFT, MSCSCF, CI, Moller-Plesset, Coupled Cluster) e metodi ibridi QM/MM.

3. Costruzione di modelli computazionali per lo studio di reazioni biochimiche e del loro meccanismo.

Il meccanismo di importanti processi biochimici viene esaminato per mezzo di metodi QM, MM e QM/MM. In particolare si studiano reazioni che coinvolgono enzimi e metallo-enzimi. Il nostro obiettivo è quello di definire una strategia computazionale che permette di costruire sistemi-modello attendibili per la simulazione di importanti processi biologici. Questa strategia si basa sia su un esame convenzionale della superficie di energia potenziale sia sull'utilizzo di tecniche di dinamica molecolare.

1. Messa a punto di nuovo “software” adatto alla trattazione di sistemi molecolari di grandi dimensioni, in particolare enzimi oppure reazioni convenzionali organiche e organometalliche con una trattazione esplicita delle molecole di solvente nel quale avviene la reazione. Questo “software” è basato su metodi ibridi quanto-meccanici (QM) e di meccanica molecolare (MM): metodi (QM/MM).

Il codice COBRAM, nato da questo progetto, permette di interfacciare molti codici QM e MM oggi disponibili sul mercato. Esso rende possibile uno studio efficiente di sistemi enzimatici dividendo l'intero sistema in più regioni. Quella più interna (in generale la più piccola) è trattata a livello QM e include i residui del sito attivo che giocano un ruolo chiave nella catalisi (rottura e formazione di nuovi legami chimici) e la porzione di substrato direttamente coinvolta nel processo. Le regioni più esterne sono trattate a livello MM. Queste regioni sono coinvolte a livelli diversi di accuratezza nei processi di ottimizzazione di geometria e/o di dinamica molecolare. Gli algoritmi utilizzati rendono l'utilizzo di questo codice particolarmente efficiente e competitivo rispetto ad altri codici disponibili sul mercato.

2. Studi teorico-computazionale di reazioni organiche e organometalliche.

Lo scopo di questi studi è: (a) Determinare il meccanismo di reazioni importanti dal punto di vista sintetico sia per laboratori industriali che accademici.  (b) Individuare la specie “attiva” coinvolta in reazioni catalizzate o mediate dai metalli. (c) Capire il ruolo specifico giocato dal metallo. Questi studi sono effettuati utilizzando metodi QM (DFT, MSCSCF, CI, Moller-Plesset, Coupled Cluster) e metodi ibridi QM/MM.

Sono studiate in modo particolare reazioni di carbonylazione, metatesi, ciclopropanazione, riduzione di chetoni catalizzate da metalli di transizione come Cu, Zn, Pd, Pt, Rh.

3. Costruzione di modelli computazionali per lo studio di reazioni biochimiche e del loro meccanismo.

Il meccanismo di importanti processi biochimici viene esaminato per mezzo di metodi QM, MM e QM/MM. In particolare si studiano reazioni che coinvolgono enzimi e metallo-enzimi. Il nostro obiettivo è quello di definire una strategia computazionale che permette di costruire sistemi-modello attendibili per la simulazione di importanti processi biologici. Questa strategia si basa sia su un esame convenzionale della superficie di energia potenziale sia sull'utilizzo di tecniche di dinamica molecolare. Sono in corso di studio i meccanismi d''azione di enzimi importanti per il loro ruolo biologico: racemasi, glutaminil ciclasi, anidrasi, endonucleasi, glucosilasi, proteine che giocano un ruolo chiave nei processi di riparazione del DNA.