（物理化学专业论文）胺类双官能团催化剂催化作用的理论研究.pdf

山东大学博士学位论文 中文摘要 不对称催化是当今化学发展最为活跃的领域之一，是开发手性药物、材料及 香料等化学品的强大理论基础和学术依据。其中金属络合物是研究最为普遍的化 学催化剂，并且取得世人瞩目的成就，2 0 0 1 年的诺贝尔化学奖授予了该领域做 出突出贡献的三位科学家在金属络合物催化蓬勃发展的同时，近年来，不含金 属的有机小分子催化越来越受到关注，正在成为化学领域继金属催化荆之后研究 的另一热点 不对称有机催化( e n a n t i o s e l e c t i v eo r g a n o c a t a l y s i s ) 作为二十一世纪新 出现的概念，因其高效性和高选择性，成为构建分子骨架的重要工具，在有机合 成及制药工业中发挥着巨大作甩，为医药、化学、材料和生物学的发展提供了广 阔的应用前景不对称有机催化的实验研究及理论研究，不仅能丰富有机化学学 科内容，还能造福于人类，具有重要的理论与实际意义开展不对称有机催化反 应的理论研究。从分子水平上研究不对称催化反应的机理，不仅有助于了解有机 小分子催化反应的反应历程，解释和说明实验结果，而且可以用来设计实验，预 测实验中反应中间体和过渡态的结构及稳定性，以及不对称催化反应的立体选择 性等 本论文运用量子化学方法研究了胺类双官能团催化剂催化的五个不对称反 应体系，从微观角度研究了不对称催化反应的机理，揭示了双官能团有机催化作 用的微观本质，重点阐明了反应的立体选择性和区域选择性的本质，旨在获得一 个对胺类双官能团催化剂催化不对称有机反应机理的全面、深入的认识，从而为 新型、高效催化剂的研发以及手性合成的发展提供一定的理论指导本工作对胺 类双官能团催化的微观机理、催化剂的双官能团在不对称催化反应中的作用、控 制对映选择性的因素以及电子效应、立体效应等对催化剂活性和选择性的影响做 了较系统的研究 主要研究内容及结论归纳如下： 1 概括了不对称有机催化的实验和理论研究现状总结了不对称有机催化 的通用机理( 共价键合和非共价相互作用) 国内外对有机催化的研究主要侧重 于实验方面的工作，对于催化剂的合成、结构优化以及催化反应的机理等方面 已有大量的文献报道。新的不对称催化反应不断被发现高效、高选择性和高 山尔人学博士学位论文 普适性的有机催化剂不断被研发，不对称有机催化正处于蓬勃发展的黄金时期。 2 用密度泛函理论，采用反应模型研究了双官能团( 硫) 脲催化的l ，3 一 二羰基化合物与偶氮二甲酸酯的不对称a 氨基化反应。计算结果表明：( 1 ) 双 官能团( 硫) 脲催化的反应机制首先是催化剂对亲核试剂和亲电试剂的双活化： 亲核试剂的活化是通过催化剂的叔氨基夺取l ，3 二羰基化合物上的活泼氢实现 的，亲电试剂的活化是通过底物与催化剂之间形成多重氢键网达到的；接着发生 m i c h a e l 加成，两个反应底物之间形成c - n 键；最后质子从催化剂的叔氨基转 移到加合物上，伴随着氢键配合物的解离释放出产物和催化剂。( 2 ) 催化反应有 四条竞争反应通道，它们对应着e h 的两个异构体e h i 和e h 2 与d m a d 的四 种不同的配合方式。( 3 ) 催化氨基化反应的速控步骤是c - n 键的形成，同时也 是决定对映选择性的关键步骤。计算结果确证了催化剂的( 硫) 脲基在催化反应 中起着至关重要的作用，并从理论上解释了该不对称催化反应的对映选择性。总 之，通过d f t 计算提供了详细的催化不对称小氨基化反应的机制，充分解释了 实验现象。 3 用密度泛函理论研究了叔胺一( 硫) 脲双官能团催化剂催化的1 ，3 一二羰 基化合物和硝基烯烃的不对称m i c h a e l 加成反应。采用模型催化剂和模型化合 物成功验证了实验预测的反应机理，并提供了详细的催化反应过程及控制反应 对映选择性的因素。计算结果表明：( 1 ) 双宫麓团( 硫) 脲催化的反应机制首 先是亲核试剂和亲电试剂的活化，亲核试剂的活化是通过催化剂的叔氨基夺取 l ，3 一二羰基化合物上的活泼氢实现的，亲电试剂的活化是通过底物与催化剂之 间形成多重氢键网达到的；接着发生m i c h a e l 加成，形成新的c - c 键；最后质 子从催化剂的叔氨基转移到加合物上，伴随着氢键配合物的解离释放出产物和 催化剂( 2 ) 催化反应有四条竞争反应通道，它们对应着两种反应底物与催化 剂不同的配合方式以及反应过程中氢质子不同的转移过程，其中对应r 型产物、 涉及氢直接转移的通道是最佳反应通道。( 3 ) 计算结果发现决定对映选择性的 关键步骤是c c 键的形成，而速控步骤是第二次质子的转移，即质子从催化剂 的叔氨基转移到m i c h a e l 加合物上。计算结果从理论上解释了催化剂的叔氨基 的作用：即对反应速率影响很大，但对选择性影响较小，并理论预测了催化反 应的立体选择性。总之，通过d f t 计算提供了详细的l ，3 一二羰基化合物和硝 山东大学博士学位论文 基烯烃催化不对称m i c h a e l 加成反应的机制，充分解释了实验现象。 4 理论研究了双官能团叔胺( 硫) 脲催化剂催化n ，1 3 不饱和亚胺和丙 二腈的不对称m i c h a e l 反应。计算结果表明：( 1 ) 催化反应经c c 键的形成和氢 质子的转移两个过程得到最终的产物。( 2 ) 催化反应沿两条反应通道最终得到两 个产物异构体。( 3 ) 催化反应的决速步骤是c c 键形成的过程，同时它也是控 制不对称催化反应的立体选择性的关键步骤。另外，由相对反应速率理论，推测 了的催化反应的e e 值，计算结果与实验值相吻合，说明d f t 方法应用于该领域 的计算研究是可信的。 5 聚乳酸( p l a ) 类材料由于具有良好的生物相容性和生物降解性，是目前 医用可降解材料领域中最重要的材料之一。p l a 主要通过催化l a ( 丙交酯) 开环 聚合得到，而有机催化剂合成生物降解聚合物是最具开创性的研究工作。采用密 度泛函理论( d f t ) ，用模型化合物，在b 3 l y p 6 - 3 1 g ( d ) 水平上研究了双官能团 胺硫脲催化丙交酯聚合反应链引发机理。通过几何构型全优化，得到了链引发 阶段的反应物、产物、中间体和过渡态的最可几何构型。讨论了催化聚合反应链 引发反应的两条可能路径：反应路径a ( 质子转移和开环同步进行) 和反应路径 b ( 质子转移和开环分步进行) 。通过对这两条路径进行了分析和比较，表明反 应沿路径a 在能量上最为有利。另外，总结了催化剂的双官能团在催化开环过 程中所起的作用，即氨基活化引发剂，( 硫) 脲活化单体，通过两个基团共同作 用，完成催化开环。计算结果表明催化聚合的链引发反应的决速步骤是反应的第 二步，即甲醇上的氢转移到催化剂的叔胺上，同时环打开的过程。 6 用密度泛函理论在b 3 l y p 6 3 1 6 ( d ) 水平上研究了脯氨酸衍生物催化的 硝基苯与环己酮烯胺不对称串联的亚硝基醛醇一迈克尔反应。串联反应有两条反 应通道被详细描述，它们分别对应氧选择性的醛醇反应( c h a n n e la ) 和氮选择 性的醛醇反应( c h a n n e lb ) 计算结果发现c h a n n e la 比c h a n n e lb 在能量上更 有利，通过详细的理论分析弄清了决定区域选择性的关键因素是质子在四唑酸及 亚硝基之间的转移，而速控步骤是串联反应的分子内m i c h a e l 加成。计算结果还 发现在c h a n n e la 中，分子内m i c h a e l 加成在热力学及动力学的角度都是可行的， 这样就从理论上解释了实验现象，即串联反应得到了氧亚硝基型的d - a 产物。 总之，通过d f t 计算提供了详细的催化不对称0 n i t r o s oa t d o l m i c h a e l 反应的机 山东大学博士学位论文 制，充分解释了实验现象 本论文的创新点表现在三个方面： 1 ) 首次用量子化学方法研究了胺类双官能团催化的机理，解释了实验上不 能解决的问题，如：催化剂的双官能团在催化过程中的角色，控制对映选择性 的因素，详细催化机理等。有关结果对于催化剂的设计、开发具有一定的指导 作用 2 ) 探讨了有机催化剂结构与性能的关系，总结了胺类双官能团有机催化的 微观本质，弄清控制对映选择性的关键因素，从而为相关实验研究提供一定的 理论依据，并为设计与开发新的不对称有机催化提供新的思路。 3 ) 运用相对反应速率理论，预测了胺类双官能团催化反应的值，计算结 果与实验值相吻合，说明d f t 方法应用于该领域的计算研究是可信的，从而提 供了一种理论预测值的可靠手段。 与金属络合物催化相比，有机催化剂的种类以及被研究的有机催化反应数量 还非常有限。目前的大部分有机催化反应对反应底物依赖性比较大。底物结构稍 有改变就有可能导致产率和对映选择性的大大下降。如何使催化剂更具有普遍适 用性，提高基团的兼容性，提高催化选择性( 包括化学选择性、区域选择性、立 体选择性) ，仍然是面临的挑战性问题。本文的研究取得了许多具有理论价值的 创新性成果，对实验研究及不对称有机催化的进一步研究有重要的理论指导意 义。 。 关键词：不对称有机催化：双官能团有机催化；密度泛函理论；( 硫) 脲催化； 胺催化 山东大学博士学位论文 a b s t r a c t a s y m m e t r i cc a t a l y s i sr e p r e s e n t so n eo f t h em a j o rc h a l l e n g e s i nm o d e r no 唱a m c c h c m i s t r y i tp l a y sak e yr o l ei nd r u gd i s c o v e r ya n dp h a r m a c e u t i c a l s i nt h el a s t d e c a d e ，m o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt ot r a n s i t i o nm e t a lc a t a l y s i s ，a n dt h es u o c e s si n t h i sf i e l dl e dt ot h en o b e lp r i z ei nc h e m i s t r yi n2 0 0 1 h o w e v e r , i nr e c e n ty e a r s , m a n y c h e m i s 招a r eg e t t i n ga c q u a i n t e dw i t ht h ea d v a n t a g e so fo r g a n i cc a t a l y s t s a n d o r g a n o c a t a l y s i sh a sr e c e i v e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o n g r e a tp r o g r e s si no r g a n o c a t a l y s i s h a sb e e nm a d et h e o r e t i c a l l ya n d & p e r i m e n t u l l y o r g a n o c a t a l y s i sa san e wc o n c e p t e m e r g e da tt h e 2 1 s tc e n t u r yh a sb e e nd e v e l o p i n gw i t h i no r g a n i cc h e m i s t r yi n t oi t s o w ns u b d i s c i p l i n e ，a n di t sg o l d e na g eh a sa l r e a d yd a w n e d t h et e r m o r g a n o c a t a l y s i s d e s c r i b e st h ea c c e l e r a t i o no fc h e m i c a lr e a c t i o n s t h r o u g ht h ea d d i t i o no fas u b s t o i c h i o m e t r i cq u a n t i t yo fa no r g a n i cc o m p o u n d t h e i n t e r e s ti nt h i sf i e l dh a si n c r e a s e ds p e c t a c u l a r l yi nt h el a s tf e wy e a r sa sr e s u l to f b o t h t h en o v e l t yo ft h ec o n c e p ta n d , m o r ei m p o r t a n t l y , t h ef a c tt h a tt h ee f f i c i e n c ya n d s e l e c t i v i t yo fm a n yo r g a n o c a t a l y t i cr e a c t i o n sm e e tt h es t a n d a r d so fe s t a b l i s h e d o r g a n i cr e a c t i o n s o r g a n o e a t a l y t i cr e a c t i o n sa r eb e c o m i n gp o w e r f u lt o o l si nt h e c o n s t r u c t i o no f e n m p l e xm o l e c u l a rs k e l e t o n s t h ea d v a n t a g e so fo r g a n o c a t a l y s t si n c l u d et h e i rl a c ko fs e n s i t i v i t yt om o i s t u r e a n do x y g e n , a n dt h e i rr e a d ya v a i l a b i l i t y , l o wc o s t , a n dl o w t o x i c i t y , w h i c hc o n f e r sa h u g ed i r e c tb e n e f i ti nt h ep r o d u c t i o no f p h a r m a c e u t i c a li n t e r m e d i a t e sw h e nc o m p a r e d w i t ht r a n s i t i o nm e t a lc a t a l y s t s m o r e o v e r , t h ed e s i g na n du s eo f s y n e r g i cs y s t e m sa n d b i f u n c t i o n a lo r g a n o c a t a l y s t s ，w h i c hh a v et w od i s t i n c tf u n c t i o n a l i t i e s ( c g al e w i s b a s ea n dab r o n s t e da c i d ) w i t h i nt h e 船a - n em o l e c u l e ，i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r e c o l n l n o i l a sr e a l i z a t i o ng r o w st h a to r g a n i cm o l e c u l e sn o to n l ya r eg r e e na n de a s yt o m a n i p u l a t eb u ta l s oc a nb ev e r ye f f i c i e n ta n dr e m a r k a b l ye n a n t i o s e l e c t i v ec a t a l y s t s , a s y m m e t r i co r g a n o e a t a l y s i sg r a d u a l l yc a t c h 叩w i t ht h es p e c t a c u l a ra d v a n c e m e n t so f t r a n s i t i o nm e t a lc a t a l y s i s d e s p i t et h o r o u g he x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n sa n dp o s s i b l e c a t a l y t i cm e c h a n i s mp r o p o s a l ，r e l m i v el i t t l ei su n d e r s t o o da b o u tt h ei n t r i c a c i e so f 山东人学博七学位论文 o r g a n o c a t a l y s i s ，as i t u a t i o nt h a tn e e d st ob ea d d r e s s e dt oe n a b l ec a t a l y s td e s i g nt o a d v a n c eo n ar a t i o n a l b a s i s t h e r e f o r e ，f u r t h e rt h o r o u g hi n v e s t i g a t i o n so n o r g a n o c a t a l y s i sw i l lb eo f i m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u e s t h e o r e t i c a ls t u d i e so fr e a c t i o nm e c h a n i s mb yc o m p u t a t i o n a lm e t h o d sh a v eb e e n g r e a t l yf a c i l i t a t e db yi n n o v a t i o no fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n to ft h e m e t h o d s r e c e n t l y , b 3 l y pm e t h o d sh a v eb e e na p p l i e df o rn o n - m e t a ls m a l lm o l e c u l a r c a t a l y t i cr e a c t i o na n dh a v ea c h i e v e dt h ec o n s i d e r a b l er e s u l t s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w es t u d i e dt h eb i f u n c t i o n a la m i n ec a t a l y s i sw i t hd e n s i t y f u n c t i o n a lt h e o r y ( d f t ) c a l c u l a t i o n s o u rp u r p o s e sa r et oa ) s h e dl i g h to nt h e m e c h a n i s t i cd e t a i l so ft h eb i f u n c t i o n a la m i n ec a t a l y s i sa n dh e n c eo b t a i nab e t t e r i n t e r p l a yb e t w e e nt h e o r ya n de x p e d m e n lb 1 u n d e r s t a n dt h er o l e so fb i f u n c t i o n a l g r o u po ft h ec a t a l y s ta n dt h eo r i g i no fe n a n t i o s e l e c t i v i t yf o rt h ec a t a l y z e dr e a c t i o n , a n dc ) p r o v i d eag e n e r a lp r o f i l eo ft h ec a t a l y t i cr e a c t i o nb yb i f u n c t i o n a la m i n e c a t a l y s t s o u rr e s u l t sp r o v i d ed e t a i l e di n f o r m a t i o no nt h e t r a n s i t i o ns t a t e so f b i f u n c t i o n a la m i n ec a t a l y z e do r g a n i cr e a c t i o na n ds h o u l db eh e l p f u lf o rt h ed e s i g n i n g t h en e we f i i c i e n tb i f u n e t i o n a lc a t a l y s te x a m p l e s 1 1 1 ev a l u a b l er e s u l t si nt h i sd i s s e r t a t i o nc a l lb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h er e s e a r c hh i s t o r ya n dc u r r e n ts t a t eo no r g a n o c a t a l y s i sh a v eb e e nb r i e f l y r e v i e w e d an u m b e ro fa s y m m e t r i co r g a n o c a t a l y t i cr e a c t i o n sh a v er e c e n t l yb e e n d e v e l o p e d ，a n dn e wa s y m m e t r i cr e a c t i o n sa r ec o n s t a n t l yb e i n gr e p o r t e d m o s t o r g a n o c a t a l y s t su s e dc u r r e n t l ya r eb i f u n c t i o n a l ，c o m m o n l yw i t hab r a n s t e da c i da n da l e w i sb a s ec e n t e r t h e s ec o m p o u n d sa c t i v a t eb o t ht h ed o n o ra n dt h ea c c e p t o r t h u s r e s u l t i n gi nac o n s i d e r a b l ea c c e l e r a t i o no ft h er e a c t i o nr a t e m o r e o v e r , t h eg e n e r a l m e c h a n i s m so fo r g a n o c a t a l y s i sh a v eb e e ni l l u s t r a t e d ：c o v a l e n tb o n d e di n t e r a c t i o n s a n dn o n - c o v a l e n tb o n d e di n t e r a c t i o n s 2 ag e n e r a lp r o f i l eo ft h em i c h a e lr e a c t i o no f1 3 - d i c a r b o n y lc o m p o u n d sa n d n i t r o o l e f i n sc a t a l y z e db yb i f u n c t i o u a l u r e ac a t a l y s th a se m e r g e dc l e a r l yv i at h ed f t c a l c u l a t i o n so nt h ep r o t o t y p er e a c t i o nb e t w e e nt h em a l o n a t ea n dn i t r o o l f m s f o u r r e a c t i o nc h a n n e l s ，c o r r e s p o n d i n gt ot h ea p p r o a c hm o d e so ft h en i t r o o l f i n st oc h i r a l s c a f f o l da n dt h es e c o n dp r o t o nt r a n s f e rp r o c e s s e s ，h a v eb e e nc h a r a c t e r i z e di nd e t a i l i t v i 山东大学博士学位论文 i sf o u n dt h a tt h ee n a n t i o s e l e c t i v i t yo ft h ec a t a l y z e dm i c h a e lr e a c t i o ni sc o n t r o l l e db y t h ec - cb o n d f o r m a t i o ns t e p ，w h i l et h er a t ed e t e r m i n i n gs t e pi st h ep r o t o nt r a n s f e r f r o mt h ea m i n og r o u po fc a t a l y s tt oa - c a r b o no fn i t r o n a t e o u rc a l c u l a t e dr e s u l t s c o n f i r mt h ea m i n og r o u ph a sas i g n i f i c a n te f f e c to nt h er e a c t i o nr a t e ，b u to n l ys l i g h t e f f e c to nt h ee n a n t i o s e l e c t i v i t y t h ep r e s e n td f t s t u d y w e l le x p l a i n st h ee x p e r i m e n t a l f m d i n ga n dp r o v i d e st h ed e t a i l so f t h er e a c t i o nm e c h a n i s m s 3 t h e 小a m i n a t i o nr e a c t i o no fc y c l i c 1 ，3 - d i c a r b o n y lc o m p o u n d s w i t h a z o d i c a r b o x y l m ec m m y z e db yau r e a - b a s e dc h i r a lb i f u n c t i o n a lo r g a n o e a t a l y s ti s i n v e s t i g a t e du s i n gd e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y ( d f dc a l c u l a t i o n s t h ep r e d i c t e d m e c h a n i s mi n v o l v e sf i r s tn u c l e o p h i l ea c t i v a t i o nv i ap r o t o n a t i o no ft h ea m i n og r o u p a n de l e c t r o p h i l ea c t i v a t i o nt h r o u g hs u b s t r a t eb i n d i n gt o u r e a 4t h e nc - 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u n s a t u r a t e di m i d e sa n dc a t a l y s t ( i i ) a p l a u s i b l et r a n s i t i o ns t a t ei nw h i c hi m i d ed e r i v a t i v e sa n dt h ea n i o no f t a u t o m e ro f v i i 山东大学博士学位论文 m a l o n o n i t r i l ec o o r d i n a t e st ot h et h i o u r e am o i e t ya n dt h et e r t i a r ya m i n eg r o u p ， r e s p e c t i v e l y t h er a t ed e t e r m i n i n gs t e pi sn u c l e o p h i l i cc a r b o no f t h ea n i o no f t a u t o m e r o fm a l o n o n i t r i l ea t t a c k i n ga ，p - u n s a t u r a t e di m i d e s t h ee n a n t i o s e l e c t i v i t yf o rt h e i n v e s t i g a t e dr e a c t i o ni so r i g i n a t e df r o mt h ed i f f e r e n tc o o r d i n a t i o nm o d e so fa ， 3 - u n s a t u r a t e di m i d e st oc a t a l y s t t h ec a l c u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h er e a c t i o np r e f e r s r - c o n f i g u r a t i o n a lp r o d u c t s ，w h i c hi sc o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s 5 d e s i g na n ds y n t h e s i so fb i o d e g r a d a b l ep o l y m e r sh a v ea t t r a c t e dc o n s i d e r a b l e a t t e n t i o nd u et ot h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h eb i o m e d i c a ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g o n eo ft h em o s tp r o m i s i n ga n dp r a c t i c a lm a t e r i a l si sp o l y l a c t i d e 伊l a ) b e c a u s eo f i t sb i o r e s o r b a b i l i t ya n db i o c o m p a t i b i l i t y , p l ai sr e c o g n i z e da sa ni m p o r t a n tm a t e r i a l f o rm e d i c a la n dp h a r m a c e u t i c a la p p l i c a t i o n sa sw e l la sf o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n ss u c h a sf o o dp a c k a g i n ga n dp a p e r p l ai so b t a i n e df r o mt h ec o r r e s p o n d i n gm o n o m e r sb y r i n go p e n i n gp o l y m e r i z a t i o n ( r o p ) h e d r i e kd e t a i l e da no r g a n o c a t a l y t i ca p p r o a c ht o t h el i v i n gr o po fl a c t i d ew i t hb i f u n c t i o n a lt h i o u r e ac a t a l y s t s i nt h i sd i s s e r t a t i o na c o m p u t a t i o n a ld f ts t u d yw i 也t h eb 3 l y pm e t h o do nt h e m e c h a n i s mo ft h e t h i o u r e a - c a t a l y z e dr o ph a sb e e np e r f o r m e d a l l t h es t r u c t u r e sa r eo p t i m i z e d c o m p l e t e l y a tt h eb 3 l y p 6 3 1 g ( d ) l e v e l t h ec a t a l y s i sp r o p e r t yo fb i f u n c t i o n a l a m i n ec a t a l y s ti sn o t a b l e t h a ti sc a t a l y s i sp r o c e e d sb yb i f u n c t i o n a la c t i v a t i o no ft h e c a r b o n y lo f a l a c t i d em o n o m e rv i ah y d r o g e nb o n d i n gt ot h et h i o u r e ag r o u pa n do f t h e i n i t i a t i n g p r o p a g a t i n ga l c o h o lb yt h eb r o n s t e db a s i c ( t e r t i a r ya m i n o ) g r o u po ft h e c a t a l y s t n u c l e o p h i l i cr i n g - o p e n i n go f t h el a c t i d el e a d st op r o p a g a t i o n ，w h e r e b yt h e r i n g - o p e n e dl a c t i d e f o r m st h ep r o p a g a t i n ga l c o h o lf o rt h es u b s e q u e n ta d d i t i o no f m o n o m e l 6 t h et a n d e mo - n i t r o s oa l d o i m i c h a e lr e a c