 |
Synthesis and application of carbohydrate-based crown ethers
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
112166 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Rapi, Zsolt |
| Title in Hungarian |
Szénhidrát alapú koronaéterek szintézise és alkalmazása |
| Title in English |
Synthesis and application of carbohydrate-based crown ethers |
| Keywords in Hungarian |
koronaéter, fázistranszfer katalízis, aszimmetrikus indukció, királis felismerés |
| Keywords in English |
crown ether, phase transfer catalysis, asymmetric induction, chiral recognition |
| Discipline |
| Organic, Biomolecular, and Pharmaceutical Chemistry (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Intermedier chemistry |
|
| Panel |
Chemistry 2 |
| Department or equivalent |
Department of Organic Chemistry and Technology (Budapest University of Technology and Economics) |
| Starting date |
2014-09-01 |
| Closing date |
2017-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
21.577 |
| FTE (full time equivalent) |
3.00 |
| 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 királis katalizátorok vagy királis segédanyagok jelenlétében végrehajtott aszimmetrikus szintézis az enantiomertiszta vegyületek előállításának legmodernebb, leggazdaságosabb és legegyszerűbb módszere. Manapság a kutatások egyik fő célja, hogy újabb katalitikus enantioszelektív szintéziseket találjanak, amelyekkel kiváltható a hagyományos módszer, a racém elegyek rezolválása. Az első olyan királis koronaétert, amely hatásos enantioszelektív katalizátornak bizonyult fázistranszfer reakciókban, Cram és munkatársai fedezték fel.
Kutatómunkánk alapja az a felismerés, hogy a szénhidrát alapú királis koronaéterek fázistranszfer katalizátorként alkalmazva jelentős aszimmetrikus indukciót képesek kifejteni bizonyos reakciókban. A kutatás célja új, szénhidrát egységet tartalmazó királis koronaéterek előállítása, valamint olyan aszimmetrikus reakciók felderítése és megvalósítása, amelyek jó enantioszelektivitással játszódnak le szénhidrát alapú koronavegyületek jelenlétében. Az általunk szintetizált királis makrociklusok többféle területen is felhasználhatók. Egyrészt alkalmazhatók enantioszelektív katalizátorként aszimmetrikus fázistranszfer reakciókban, másrészt a királis koronaéterek enantiomerfelismerő-képessége alkalmassá teszi azokat racém összetételű elegyek szétválasztására, illetve az arányok meghatározására. A koronaéterek megfelelő módszerekkel szilikagélhez rögzíthetők, ezek az állófázisok pedig kromatográfiás célokra alkalmasak, valamint az immobilizált makrociklusok katalizátorként alkalmazva visszanyerhetők és újra felhasználhatók.
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.
A kutatás célja új típusú, szénhidrát alapú (α-D-glükopiranozid, D-glükofuranozid, α-D-galaktozid, L-treitol, D-xilofuranozid, D-xilál, D-glükál, stb. egységet tartalmazó) királis koronaéterek szintézise. A tervezett koronavegyületek makrogyűrűje döntően 15 vagy 18 tagú, többnyire tartalmaz legalább egy nitrogénatomot, melyhez különböző lánchosszúságú oldalkarok kapcsolódnak (lariát éterek). A szénhidrát minőségének változtatásával szerkezet-hatás összefüggések állapíthatók meg, melyek segíthetnek univerzálisabb koronaéter katalizátorok kifejlesztésében. Tervezzük a szubsztituensek változtatását a szénhidrát glikozidos hidroxilcsoportján (1-O-helyzet), az eddig alkalmazott metilcsoport mellett allil-, propil-, i-propil-, butil-, t-butil-, stb. -helyettesítőket kívánunk beépíteni. E mellett a koronagyűrű nitrogénatomján lévő oldalkar minőségének változtatásával vizsgálható annak hatása a komplexképzésre és a szelektivitásra. További tervünk, hogy foszfor-, vagy kénatomot, illetve két nitrogénatomot építünk be a makrogyűrűbe, így tanulmányozható a heteroatomok hatása a koordináló képességre és a katalitikus aktivitásra. Az így előállított koronaétereket királis katalizátorként aszimmetrikus fázistranszfer reakciókban kívánjuk tesztelni. Ezek mellett olyan makrociklusok előállítását is célul tűzzük ki, amelyek fluoreszcens építőelemet tartalmaznak. Ezeket a vegyületeket a megfelelő analitikai módszerrel párosítva tanulmányozható az adott koronaéter fémsókkal szemben mutatott komplexképző képessége, illetve racém ammóniumsók használata esetén az enantiomerfelismerő-képessége.
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 új, szénhidrát alapú makrociklusokat királis fázistranszfer katalizátorként alkalmazzuk olyan reakciókban, ahol szerepe van valamilyen (szervetlen) bázisnak és aszimmetrikus indukció kialakulására van lehetőség, úgymint Darzens-kondenzációkban, Michael-addíciókban, királis flavanonok előállításában, α,β-telítetlen ketonok epoxidálásában, prokirális ketonok és oximok redukciójában, Bingel-típusú reakciókban, stb. A reakciókat folyadék-folyadék és szilárd-folyadék rendszerekben hajtjuk végre, különböző körülmények között. A kiváltott enantioszelektivitás mértékét, azaz az enantiomerfelesleget királis HPLC, GC, vagy NMR spektroszkópia segítségével határozzuk meg. A katalizátorok hatására keletkezett új királis vegyületek abszolút konfigurációját kémiai úton, valamint CD spektroszkópiával és röntgendiffrakcióval igyekszünk bizonyítani. Az enantioszelektív reakciók mechanizmusát molekulamodellezési számításokkal kívánjuk magyarázni. A fázistranszfer reakciók termékei értékes intermedierek lehetnek a kémia szintézisekben, illetve a fázistranszfer katalízis egyszerűbb utat nyithat az adott vegyülettípus előállítására.
Néhány szénhidrát alapú fluoreszcens koronaéter előállítását is tervezzük, melyek antrakinon, fenantrolin, 1,8-naftalindikarbonsav-imid, stb. építőelemet tartalmaznak. Így alkalmasak arra, hogy fémsókkal a komplexképző képességüket, továbbá aminosav-származékokkal, amino-alkoholokkal és elsőrendű aminokkal enantiomerfelismerő-képességüket vizsgáljuk UV-VIS-CD és fluoreszcens spektroszkópiás módszerek használata mellett. Megfelelő szelektivitási értékek mellett egyes vegyületek esetén felmerülhet a szenzorként való felhasználás.
Egyes szénhidrát alapú királis koronaéterek immobilizálását is meg szeretnénk valósítani. A megfelelően kialakított makrociklusokat trietoxi-szilil csoportokkal ellátva egy „spacer”-en keresztül szilikagélhez kötjük és az így módosított állófázisokból létrehozott oszlopon racém ammónium vegyületeket próbálunk szétválasztani. Ezen kívül a rögzített koronaétereket aszimmetrikus reakciókban is alkalmazzuk, mint visszanyerhető katalizátorokat.
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.
Manapság szigorú elvárás a vegyiparban, hogy a gyógyszerek, növényvédőszerek és sok esetben a kozmetikumok hatóanyagai ne racém, hanem enantiomertiszta formában kerüljenek felhasználásra. Várható, hogy a gyógyszeripar szigorú követelményei az Európai Unión belül hamarosan megjelennek a növényvédőszer- és kozmetikai iparban is. Napjainkban a tiszta enantiomerek előállításának legmodernebb, leggazdaságosabb és legegyszerűbb módját a királis katalizátorok vagy királis segédanyagok jelenlétében végrehajtott aszimmetrikus szintézisek jelentik. A királis katalizátorok speciális képviselői a királis koronaéterek, melyek fázistranszfer körülmények között használhatók, és aszimmetrikus indukció kiváltására képesek (a kívánt termékben valamely enantiomer feleslegben lesz).
Az alkalmazott módszerünk előnye, hogy enantioszelektív katalizátorainkat természetes anyagokból állítjuk elő. A királis koronaéterek szintéziséhez kiinduló anyagként szénhidrátokat használunk, amelyek - különösen a D-glükóz - könnyen hozzáférhető kereskedelmi termékek, „zöld” vegyszernek tekinthetők, többnyire olcsók, biológiailag lebonthatók, nem mérgező vegyületek.
A fázistranszfer katalízis az egyik legjelentősebb szintetikus módszer a gyakorlati kivitelezés szempontjából. Előnye az eljárás egyszerűsége, enyhe körülmények, olcsó reagensek és oldószerek használhatók. Ez a kutatási terület kiemelt témaként szerepel a „zöld kémia” megközelítésében.
Az aszimmetrikus reakciókban használt királis katalizátorok immobilizálása a katalizátor visszanyerésének és újrahasznosításának problémáját igyekszik megoldani, valamint mostanság nagy figyelem irányul a kimosódás által okozott szennyezések elkerülésére.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The most up-to-date, most economical and most straightforward means of making available enantiopure compounds is asymmetric synthesis carried out in the presence of chiral catalysts or auxiliaries. Nowadays there is a world-wide tendency to elaborate newer and newer catalytic enantioselective syntheses to replace the traditional resolution of the racemic mixtures. One type of the chiral catalysts are the chiral crown ethers. Cram and his co-workers discovered the first chiral crown ethers which proved to be effective as enantioselective catalyst in phase transfer reactions. The basis of our research is the finding that the chiral crown ethers incorporating carbohydrate moiety in their ring, result in significant asymmetric induction as chiral phase transfer catalysts in a variety of reactions.
The present research proposal aims at the development of new methodologies for highly enantioselective asymmetric reactions catalysed by carbohydrate-based crown ethers. Another purpose of our research is the synthesis and investigation of new chiral crown ethers incorporating carbohydrate moiety. These chiral macrocycles synthesized by us, can be used as enantioselective catalysts in asymmetric phase transfer reactions. On the other hand, the enantiomeric differentiation ability of crown ethers can be utilized for enantiomeric separation and determination of racemic mixtures. With appropriate methods crown ethers can be immobilized on silica gel, and the stationer phase modified by carbohydrate-based macrocycle can be used in chromatography or as easily retrievable chiral catalyst.
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.
Our purpose is to synthesize new-type, carbohydrate-based (α-D-glucopyranoside, D- glucofuranoside, α-D-galactoside, L-threitol, D-xylofuranoside, D-xylal, D-glucal etc) chiral crown ethers. These crown compounds contain mainly a 15- or 18-membered macroring incorporating at least one nitrogen atom bearing a side chain of different length (lariat ethers). We plan to change the substituent in the 1-O-position of the carbohydrate moiety (allyl, propyl, i-propyl, butyl, t-butyl groups), as well as the „side arm” on the nitrogen atom of the crown ring. These changes in the structure can influence the ability of complexation and the selectivity of the crown ethers. We wish to build a phosphorus (or sulphur) atom and two nitrogen atoms, respectively, into the ring of the macrocycle, to study its effect not only on the coordinating ability of the crown ether, but also on their catalytic activity in enantioselective reactions. Crown ethers prepared during the research will be tested in phase transfer reactions as chiral catalysts. Besides our plan contains the synthesis of some carbohydrate-based macrocycles incorporating fluorescent unit. These crown compounds can be able to differentiate between metal cations and/or between enantiomers of racemic ammonium salts. In this case, the differentiation ability can be examined using fluorescent spectroscopy.
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.
We wish to test the new macrocycles as chiral phase transfer catalyst in various reactions, in which asymmetric induction can be expected: in Darzens condensations, in Michael additions, in preparation of chiral flavanones, in epoxidation of α,β-enones, in the reduction of prochiral ketones and their oximes, in Bingel-type reactions etc. These reactions will be carried out in liquid-liquid and solid-liquid two phase systems, varying the reaction conditions. The enantioselectivity values will be determined by chiral HPLC, GC, NMR spectroscopy. The absolute configurations of the new compounds generated by the catalysts will be determined by chemical methods, as well as CD and X-ray spectroscopy. The mechanism of the enantioselective reactions will be evaluated by molecule modelling calculations. On one hand, the products of the asymmetric phase transfer reactions may serve as useful intermediates in different syntheses, on the other hand, the asymmetric phase transfer catalytic method may lead a simpler way to the synthesis of the compound.
We would like to synthesize some new carbohydrate-based fluorescent crown ethers containing an anthraquinone, a phenanthroline or an acridine unit to investigate their enantiomeric recognition abilities towards the enantiomers of amino acid derivatives, amino alcohols and primary amines by UV-VIS-CD and fluorescence spectroscopy. These compounds may be utilized in sensors in case of good recognition abilities.
Immobilization of some carbohydrate-based crown ethers is planned. In the macrocycles having appropriate structure will be establish a spacer bearing triethoxysilyl group at the end, and these crown compounds will be bound to silica gel to give a modified chiral stationary phase which may be used for the separation of racemic ammonium salts. The macrocycles immobilized on silica gel may be applied in asymmetric reactions as retrievable catalysts.
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.
These days it is a strict requirement that the pharmaceuticals, pesticides and active compounds of the cosmetics should be processed and applied in an enantiopure form. It can be expected that the production of the pesticides and cosmetics will be also strictly controlled by the EU. The most up-to-date, most economical and most straightforward means of making available enantiopure compounds is asymmetric synthesis carried out in the presence of chiral catalysts or auxiliaries. One type of the chiral catalysts is the chiral crown ethers which can be used under phase transfer conditions. Chiral macrocycles can generate asymmetric induction in certain reactions.
The advantages of our method are that our enantioselective catalysts are synthesized from natural materials. Carbohydrates were chosen as starting material for the synthesis of crown ethers. Carbohydrates, particularly glucose are easily available commercial products and they are „green”, cheap, biodegradable, non-toxic starting materials. Phase transfer catalysis has been recognized as one of the most powerful synthetic tools for establishing practical protocols, because it offers several advantages, such as operational simplicity, mild conditions, inexpensive and environmentally benign reagents and solvents. This research area has been serving as an attractive area for the pursuit of „green chemistry”. The immobilization of chiral catalysts for asymmetric reactions is one of the most promising solution to the problem associated with the difficulties in the recovery and reuse of catalysts, as well as product contamination caused by the leaching and has attracted a great deal of interest recently.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Bakó P, Rapi Zs, Grün A, Nemcsok T, Hegedűs L, Keglevich Gy: Asymmetric Michael addition of malonates to enones catalyzed by an α-D-glucopyranoside-based crown ether, SYNLETT 26: (13) 1847-1851, 2015 | | Rapi Zsolt, Ozohanics Oliver, Tóth Gábor, Bakó Péter, Höfler Lajos, Nemcsok Tamás, Kánya Nándor, Keglevich György: Syntheses and complexing ability of α-d-gluco- and α-d-xylofuranoside-based lariat ethers, J INCL PHENOM MACRO CHEM 85: (1) 19-32, 2016 | | Zsolt Rapi, Alajos Grün, György Keglevich, András Stirling, Péter Bakó: Synthesis of a-D-galactose-based azacrown ethers and their application as enantioselective catalysts in Michael reactions, NEW J CHEM 40: (9) 7856-7865, 2016 | | Zsolt Rapi, Alajos Grün, Tamás Nemcsok, Dóra Hessz, Mihály Kállay, Miklós Kubinyi, György Keglevich, Péter Bakó: Crown ether derived from d-glucose as an efficient phase-transfer catalyst for the enantioselective Michael addition of malonates to enones, TETRAHEDRON ASYMMETR 27: (19) 960-972, 2016 | | Bakó Péter, Rapi Zsolt, Keglevich György: Monoszacharid alapú koronaéterek mint enantioszelektív katalizátorok, MAGY KEM LAP 71: (3) 87-88, 2016 | | May Nóra Veronika, Gál Gyula Tamás, Rapi Zsolt, Bakó Péter: Crystal structure of diethyl 3-(3-chlorophenyl)- 2,2-dicyanocyclopropane-1,1-dicarboxylate, ACTA CRYSTALLOGR E: CRYSTALLOGR COMM E72: 253-256, 2016 | | May Nóra Veronika, Gál Gyula Tamás, Rapi Zsolt, Bakó Péter: Crystal structure of diethyl 2-acetoxy-2-[3-(4-nitrophenyl)- 3-oxo-1-phenylpropyl]malonate, ACTA CRYSTALLOGR E: CRYSTALLOGR COMM E72: 257-260, 2016 | | Rapi Zsolt, Ozohanics Oliver, Tóth Gábor, Bakó Péter, Höfler Lajos, Nemcsok Tamás, Kánya Nándor, Keglevich György: Syntheses and complexing ability of α-d-gluco- and α-d-xylofuranoside-based lariat ethers, J INCL PHENOM MACRO CHEM 85: (1) 19-32, 2016 | | Zsolt Rapi, Alajos Grün, György Keglevich, András Stirling, Péter Bakó: Synthesis of a-D-galactose-based azacrown ethers and their application as enantioselective catalysts in Michael reactions, NEW J CHEM 40: 7856-7865, 2016 | | Zsolt Rapi, Alajos Grün, Tamás Nemcsok, Dóra Hessz, Mihály Kállay, Miklós Kubinyi, György Keglevich, Péter Bakó: Crown ether derived from d-glucose as an efficient phase-transfer catalyst for the enantioselective Michael addition of malonates to enones, TETRAHEDRON ASYMMETR 27: (19) 960-972, 2016 | | Bakó P, Rapi Zs, Grün A, Nemcsok T, Hegedűs L, Keglevich Gy: Asymmetric Michael addition of malonates to enones catalyzed by an α-D-glucopyranoside-based crown ether, SYNLETT 26: (13) 1847-1851, 2015 | | Keglevich G, Bagi P, Rapi Z, Bakó P, Drahos L, Szolnoki B, Marosi G: The synthesis of bio-based flame-retarded epoxy-precursors., MACROMOL SYMP 352: 46-50, 2015 | | Péter Bakó, Zsolt Rapi, György Keglevich: Sugar-based Crown Ethers in Enantioselective Syntheses, PERIOD POLYTECH CHEM ENG 59: (1) 51-58, 2015 | | Rapi Zsolt, Bako Peter, Drahos Laszlo, Keglevich Gyoergy: Side-Arm Effect of a Methyl alpha-D-Glucopyranoside Based Lariat Ether Catalysts in Asymmetric Syntheses, HETEROATOM CHEM 26: (1) 63-71, 2015 | | Zs Rapi, B Szolnoki, P Bakó, P Niedermann, A Toldy, B Bodzay, Gy Keglevich, Gy Marosi: Synthesis and characterization of bio-based epoxy monomers derived from d-glucose, EUR POLYM J 67: 375-382, 2015 | | P L Sóti, L Telkes, Z Rapi, A Tóth, T Vigh, Z K Nagy, P Bakó, G Marosi: Synthesis of an Aza Chiral Crown Ether Grafted to Nanofibrous Silica Support and Application in Asymmetric Michael Addition, J INORG ORGANOMET P 24: (4) 713-721, 2014 | | Rapi Zs, Démuth B, Keglevich Gy, Grün A, Drahos L, Sóti P L, Bakó P: Enantioselective Michael addition of malonates to aromatic nitroalkenes catalyzed by monosaccharide-based chiral crown ethers, TETRAHEDRON ASYMMETR 25: (2) 141-147, 2014 | | Rapi Z, Nemcsok T, Pálvölgyi Á, Keglevich G, Grün A, Bakó P: Synthesis of l-threitol-based crown ethers and their application as enantioselective phase transfer catalyst in Michael additions, CHIRALITY 29: (6) 257-272, 2017 | | Zsuzsa Jászay, István Tódor, Zsolt Rapi, Péter Bakó, Imre Petneházy, László Tőke: Diethyl (cyanofluoromethyl)phosphonate: Application in catalytic enantioselective Michael additions, PHOSPHOR SULFUR SIL REL ELEM 192: (6) 659-664, 2017 | | A Toldy, P Niedermann, Zs Rapi, B Szolnoki: Flame retardancy of glucofuranoside based bioepoxy and composites made thereof, POLYM DEGRAD STABIL 142: 62-68, 2017 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
