Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Quantum chemistry
Panel
Chemistry 1
Department or equivalent
Institute of Organic Chemistry (Research Center of Natural Sciences)
Participants
Csókás, Dániel Földes, Tamás Hamza, Andrea Madarász, Ádám
Starting date
2015-01-01
Closing date
2019-08-31
Funding (in million HUF)
24.339
FTE (full time equivalent)
9.37
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A pályázat keretében organokatalitikus folyamatok mechanizmusát kívánjuk tanulmányozni elméleti kémiai módszerek alkalmazásával. Alapvető célunk a reaktivitást és sztereoszelektivitást meghatározó tényezők feltárása. Elméleti tanulmányaink során különös figyelmet fordítunk a másodlagos intermolekuláris kölcsönhatások (pl. van der Waals kölcsönhatások) szerepének felderítésére. Szintetikus kémikusokkal együtműködve a mechanisztikus ismereteket új katalizátorok kifejlesztésére kívánjuk felhasználni. A pályázati időszakban három organokatalitikus reakciótípust kívánunk behatóan vizsgálni: a) diarilprolinol-katalizált Michael addíciók, b) telítetlen aldehidek Mukaiyama-Michael reakciói, c) bifunkciós aminok által katalizált addíciós reakciók.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Napjainkban az organokatalízis a szintetikus kémia egyik legdinamikusabban fejlődő ága. Az ezredforduló óta eltelt időszakban számos olyan új eljárást fejlesztettek ki, melyekben viszonylag egyszerű királis szerves molekulák katalitikus hatásával értek el nagyfokú sztereoszelektivitást. Ezen folyamatok mechanizmusára vonatkozó ismereteink azonban meglehetősen hiányosak, az észlelt sztereoszelektivitás sok esetben nehezen értelmezhető. A tervezett kutatás kiinduló hipotézise szerint elméleti és kísérleti módszerek közös alkalmazásával a katalitikus ciklusokban azonosíthatók azok az állapotok (köztitermékek és átmeneti állapotok), melyek alapvetően befolyásolják a reakciók sebességét és sztereokémiai kimenetelét. Pontos kvantumkémiai számítások segítségével ezek az állapotok feltérképezhetők, és felmérhető a katalizátoron végzett módosítás hatása is, melyet akár kísérletileg is tesztelni lehet. De vajon egy adott folyamatra hogyan találjuk meg az optimális katalizátort? Kutatásainkban erre a kérdésre keressük a választ.
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Az organokatalízis robbanásszerű fejlődésének egyik kulcsa, hogy a katalizátorok, illetve azok építőelemei nagyon könnyen hozzáférhetők (sokszor a természetben is előforduló vegyületek). Szerves vegyületek katalizátorként történő alkalmazásának egy másik nagy előnye, hogy reakciók könnyen kezelhetők, nem ígényelnek speciális reakciókörülményeket (pl. inert atmoszférát). Sőt, mivel a katalizátorok nem tartalmaznak fémeket, a kidolgozott organokatalitikus módszerek környezetkímélő eljárásoknak tekinthetők; persze számos ezzel kapcsolatos probléma még megoldásra vár. Kutatásaink eredményei új, gazdaságos, és környezetvédelmi szempontól is előnyös módszerek kidolgozását segíthetik elő.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A kémia folyamatok túlnyomó része csak "külső segítséggel", ún. katalizátorok jelenlétében megy végbe. Egy vegyipari folyamat hatékonyságát alapvetően befolyásolja a felhasznált katalizátorok milyensége. Kutatásaink alapvető célja gazdaságos és környezetkímélő katalizátorok kifejlesztése. Egyszerű, a természetben gyakran előforduló vegyületek felhasználásával olyan katalizátorokat tervezünk, melyek kielégítik ezeket a feltételeket.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. This proposal aims at providing new insight into the mechanism of organocatalytic processes. We use computational approaches to identify the main factors that determine the reactivity and stereoselectivity of these reactions. We wish to pay particular attention to reveal the role of attractive non-covalent interactions (such as dispersion) in stereocontrol. The new mechanistic information obtained from theoretical studies will be utilized to develop new catalysts in collaboration with synthetic chemists. We intend to follow three major lines in our research program corresponding to three classes of reactions, namely: a) diarylprolinol catalyzed Michael additions, b) Mukaiyama-Michael reactions with unsaturated aldehydes, c) addition reactions promoted by bifunctional amine catalysts.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. Organocatalysis belongs to the most dynamically developing fields of synthetic chemistry. In the past ten years or so, a large number of new synthetic methods have been reported, werein relatively simple chiral organic molecules were used to promote asymmetric transformations. Despite these developments, the information regarding the reaction mechanism is far from complete, the observed stereoselectivity cannot always be easily understood. The working hypothesis of the present proposal is that the most relevant states of the catalytic cycle (i.e. intermediates and transition states that determine the reactivity and the stereochemical outcome of the reactions), can be revealed and characterized in joint theoretical-experimental studies. These states, as well as the effect of catalyst modification, can be identified computationally by using accurate quantum chemical methods. The theoretical predictions can be tested experimentally as well. But how to find an optimal catalyst for a given process? We seek an answer to this question in our research project.
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. The rapid development of organocatalysis is related to the advantages of using small chiral organic molecules to promote stereoselective organic transformations: some of them (or their building blocks) are readily available (occur in nature), and they are easy to handle, the reaction do not require special conditions (inert atmosphere, for instance). Futhermore, these catalysts are metal-free, so the organocatalytic methods can be considered as environmentally benign procedures; although several related problems require further efforts. The results of our investigations may aid the development of new, efficient and green synthetic methods.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Most of the chemical reactions can only take place by an "external help", i.e. in the presence of catalysts. The efficiency of an industrial chemical process is fundamentally determined by the quality of the catalyst. The ultimate goal of the present research is to develop economic and environment-friendly catalysts. Using simple, readily available compounds as building blocks, we design new catalyst that suffice these requirements.
Final report
Results in Hungarian
Jelen projekt keretében organokatalitikus folyamatok mechanizmusát vizsgáltuk elméleti kémiai és kísérleti módszerek közös alkalmazásával. Alapvető célunk a reaktivitást és sztereoszelektivitást meghatározó tényezők feltárása volt. Az eredeti terveknek megfelelően a pályázati időszakban három organokatalitikus reakciótípust vizsgáltunk behatóan: a) diarilprolinol-katalizált Michael addíciók, b) telítetlen aldehidek Mukaiyama-Michael reakciói, c) bifunkciós aminok által katalizált addíciós reakciók. Mindhárom tematikában jelentős új ismereteket tártunk fel a katalizátorok működésével kapcsolatban. Az új reaktivitási és sztereoszelektivitási modelleket lehetőség szerint további kísérletekkel ellenőriztük, és a mechanisztikus ismereteket új katalizátorok kifejlesztésére használtuk fel. A kvantumkémiai számítások rávilágítottak arra, hogy a hidrogénhíd kötések mellett egyéb másodlagos kölcsönhatások (diszperzió, elektrosztatika) is jelentősen befolyásolhatják a reakciók sztereoszelektivitási kimenetelét. Eredményeinket magas impaktú folyóiratokban közöltük.
Results in English
Within the framework of the present proposal, we explored the mechanism of organocatalytic processes. We used computational and experimental methods to identify the main factors that determine the reactivity and stereoselectivity of these reactions. In line with the original research plan, we followed three research lines focusing on: a) diarylprolinol catalyzed Michael additions, b) Mukaiyama-Michael reactions with unsaturated aldehydes, c) addition reactions promoted by bifunctional amine catalysts. Computational analysis provided significant new mechanistic insights in all three areas. The emerging reactivity and stereoselectivity models could be verified experimentally, and the new mechanistic information could be utilized to develop new catalysts. The results of quantum chemical calculations revealed that in addition to H-bonding interactions, other secondary noncovalent interactions, such as dispersion and electrostatics, can have a substantial effect on the stereoselectivity outcome of reactions. Our results were published in high impact journals.
