Advanced fine tuning of catalysts: stereoselective coordination and catalysis towards biologically active compounds  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
115539
Type K
Principal investigator Bakos, József
Title in Hungarian A katalizátorok finomhangolása: sztereoszelektív koordináció és katalízis biológiailag aktív vegyületek előállítására
Title in English Advanced fine tuning of catalysts: stereoselective coordination and catalysis towards biologically active compounds
Keywords in Hungarian katalizátor, sztereoszelektív, aszimmetrikus, palládium, ródium,
Keywords in English catalyst, stereoselectiv, asymmetric, palladium, rhodium
Discipline
Organic, Biomolecular, and Pharmaceutical Chemistry (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Intermedier chemistry
Panel Chemistry 2
Department or equivalent TTK Szerves Kémia Szintézis és Katalízis (University of Pannonia)
Participants Balogh, Szabolcs
Bényei, Attila Csaba
Császár, Zsófia
Farkas, Gergely
Lendvay, György
Starting date 2015-09-01
Closing date 2019-08-31
Funding (in million HUF) 16.251
FTE (full time equivalent) 10.90
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 kutatási tervezet célja új módszerek kidolgozása heterobidentikus ligandumokat (foszfán-foszforamidit, foszfit-foszforamidit, aminolakil-foszfán és tioéter-foszfán) alkalmazó aszimmetrikus katalitikus reakciókhoz. Korábbi kutatásaink során kiderült, hogy a kelátképző ligandum hídhosszának óriási jelentősége van a katalitikus reakció szelektivitására és aktivitására. A ligandumok moduláris szerkezete és a szintézisükre kidolgozott eljárások lehetővé teszik strukturális finomhangolásukat sztereo-elektronikus sajátságaik megváltoztatásával. A P/N és P/S típusú vegyületek esetében, dinamikus kinetikai rezolválás segítségével lehetőség nyílik a diasztereoszelektív komplexképződésre. A donoratomok szelektív koordinációjának köszönhetően lehetővé válik a királis információ hatékonyabb átvitele, mely a katalitikus reakció magas optikai hozamában nyilvánul meg.
Katalitikus vizsgálataink kiterjednek dehidroaminosavak, enamidok, ketonok, iminek és telítetlen foszfonátok enantioszelektív katalitikus hidrogénezésére, valamint allilcsoportot tartalmazó szubsztrátumok aszimmetrikus katalitikus allil-helyzetű szubsztitúciójára és a karbonilvegyületek konjugált addíciós reakciójára. Tervezzük ugyanakkor a ligandumok diasztereoszelektív koordinációjának beható tanulmányozását különböző átmenetifém-tartalmú komplexek segítségével.
Őszintén hisszük, hogy a hibrid ligandumokban rejlő lehetőségek, mind a szelektivitás, mind pedig a reaktivitás tekintetében, hozzájárulnak a jövő nagyteljesítményű katalizátorainak kifejlesztéséhez az alapkutatásban és az iparban egyaránt, egy egyszerűbb és zöldebb utat nyitva ezzel a jövő áttörő kémiai megoldásaihoz.

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 katalitikus rendszer olyan tulajdonságai, mint a nagy aktivitás, a jelentős szubsztrátum, funkciós csoport és oldószer-tolerancia a szerves kémiai szintézisekben való alkalmazhatóság alapjait képezik. Az ipari méretű alkalmazás esetén döntő fontosságú a ligandumok és komplexeik megfelelő stabilitása, illetve tárolásuk, tisztításuk és mindenekelőtt felhasználásuk megvalósítható legyen védőgázok alkalmazása nélkül. A módszer nagyobb méretben történő megvalósítását gátolja azonban a nehezen kivitelezhető, katalizátor elválasztás a reakcióelegytől, ezért az újrahasznosítás és újrafelhasználás sem oldható meg. Az ily módon felmerülő nehézségek leküzdését célozva, nagy hangsúly fektetünk a fémkomplexek hordozón történő heterogenizálására vagy immobilizálására

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!
A katalizátorok módosítására kidolgozott új eljárások segítségével nagyobb aktivitású és szelektivitású rendszereket nyerhetünk, amelyek hozzájárulhatnak a zöld kémiai megoldások kialakulásához. Tevékenységünk eredményei új anyagokban, eljárásokban, szabadalmakban és tudományos közleményekben egyaránt megjelenhetnek. A zöld kémiai elvek alkalmazása az alapkutatásban rendkívüli módon elősegíti az oktatás korszerűsítését, hiszen életszerű és széleskörű tapasztalatok átadásával hozzájárul a fenntartható fejlődés szemléletének kialakításához.

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 katalizátorok módosítására kidolgozott új eljárások segítségével nagyobb aktivitású és szelektivitású rendszereket nyerhetünk, amelyek hozzájárulhatnak a zöld kémiai megoldások kialakulásához. Tevékenységünk eredményei új anyagokban, eljárásokban, szabadalmakban és tudományos közleményekben egyaránt megjelenhetnek. A zöld kémiai elvek alkalmazása az alapkutatásban rendkívüli módon elősegíti az oktatás korszerűsítését, hiszen életszerű és széleskörű tapasztalatok átadásával hozzájárul a fenntartható fejlődés szemléletének kialakításához.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The present research proposal aims at the development of new methodologies for highly enantioselective reactions employing hybrid heterobidentate ligands (phosphane–phoshoramidite, phosphite-phosphoramidite, thioether-phosphane and aminoalkyl-phosphane) with the intention of improving enantioselectivity and extending the access to substrates which may serve as chiral building blocks. During our previous research it was found that the role of the backbone can be crucial in determining the activity and the enantioselectivity of the reaction. The modular structure of the ligands and their synthesis methods make possible their structural fine tuning by variation their stereo-electronic features. In the case of P/N and P/S ligands the diastereoselective complex formation becomes possible through the operation of a dynamic kinetic resolution process. Due to the selective coordination of the donor atoms, the transfer of the chiral information from the catalyst to the substrate becames more efficient and thus the optical yield can be increased.
Catalytic enantioselective hydrogenation reaction of dehydroaminoacids, enamides, ketones, imines, unsaturated phosphonates, and asymmetric allylation and conjugate addition reactions constitute a vital part of our synthetic repertoire. Furthermore, we aim the elucidation of the diastereoselective coordination of the ligands in their transition metal complexes.
We strongly believe that the inherent selectivity and reactivity of new ligand systems will accelerate innovative future catalyst design both in academia and industry, open new chemical possibility in a markedly simpler and greener way.

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.
The combination of characteristics like high activity and broad tolerance for a number of solvent is a basis for usability of such catalysts in organic synthesis. Moreover, for the practical application, especially in industrial scale it is very desirable to have ligands and complexes which are stable for a longer period of time and can be stored, purified and applied without the atmosphere of protective gases. However, larger–scale applications of this mature methodology are difficult since separation of the catalyst from reaction mixture is complex and hence catalyst recycling and reuse can be very difficult. Therefore, attention will be focused on heterogenisation or immobilization of metal complexes upon supports to overcome these problems. The combination of characteristics like high activity and broad tolerance for a number of solvent is a basis for usability of such catalysts in organic synthesis. Moreover, for the practical application, especially in industrial scale it is very desirable to have ligands and complexes which are stable for a longer period of time and can be stored, purified and applied without the atmosphere of protective gases. However, larger–scale applications of this mature methodology are difficult since separation of the catalyst from reaction mixture is complex and hence catalyst recycling and reuse can be very difficult. Therefore, attention will be focused on heterogenisation or immobilization of metal complexes upon supports to overcome these problems

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 main goal of our project is the development of efficient and economical processes for the production of fine chemicals by the application of the principles of Green Chemistry. Results of the research and development might be of interest of the pharmaceutical and fine chemical industry. The main goal of our project is the development of efficient and economical processes for the production of fine chemicals by the application of the principles of Green Chemistry. Results of the research and development might be of interest of the pharmaceutical and fine chemical industry.

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.
New processes developed by the fine tuning of the catalyst could lead to systems with higher activity and selectivity which could provide new solution to green processes. Our activity would results new compounds, process, patent, and scientific publications. We believe that application of the principles of Green Chemistry, a widely accepted set of criteria, in fundamental research would accelerate the development of the sustainable approach in education. New processes developed by the fine tuning of the catalyst could lead to systems with higher activity and selectivity which could provide new solution to green processes. Our activity would results new compounds, process, patent, and scientific publications. We believe that application of the principles of Green Chemistry, a widely accepted set of criteria, in fundamental research would accelerate the development of the sustainable approach in education.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A kutatás eredményeként különböző típusú heterodonor ligandumokat (pl. foszfin-amin, tioéter-amin, foszfin-foszforamidit, foszfin-foszfit, valamint potenciálisan 3-fogú P,N,O és P,N,N) állítottunk elő és tanulmányoztuk ezek koordinációs kémiai, valamint katalitikus tulajdonságait különös tekintettel a vegyületek fémkomplexeinek sztereoszelektív képződésére. Megállapítottuk, hogy a koordináció magasfokú szelektivitása nélkülözhetetlen a jó katalitikus szelektivitás eléréséhez, valamint meghatároztuk a sztereoszelektív koordinációt befolyásoló tényezőket a ligandum szerkezetének finomhangolása érdekében. Ennek eredményeként kimagasló szelektivitást értünk el palládium-katalizált allil-helyzetű alkilezési és aminálási reakciókban (>96% ee) a megfelelő tioéter-amin és foszfin-amin ligandumokkal. Háromfogú királis ligandumok segítségével továbbá kiemelkedő enantioszelektivitást (96%) és aktivitást értünk el konjugált ketonok irídium-katalizált aszimmetrikus hidrogénezési reakciójában. Foszfin-foszfit típusú vegyületek szervetlen hordozón történő rögzítése segítségével olyan heterogén katalizátor-rendszert állítottunk elő, melyet átfolyásos mikroreaktorban felhasználva, dimetil-itakonát ródium-katalizált hidrogénezési reakciójában >99% enantioszelektivitást sikerült elérnünk. Királis foszfin-foszforamidit típusú ligandumok Ir-komplexeivel 92%-os enantioszelektivitást értünk el prokirális iminek és kinolin-származékok aszimmetrikus hidrogénezési reakciójában.
Results in English
During the present research project we have synthesized sevaral novel heterobidentate ligand classes (eg. phosphine-amines, thioether-amines, phosphine-phosphoramidites, phosphine-phosphites, and potentially tridentate P,N,O and P,N,N type compounds), investigated their coordination chemistry and catalytic properties with special attention to their stereoselective coordination. It was established that the high selectivity of the ligand’s coordination is essential to achieve high catalytic selectivity. Additionally, we have determined the most relevant factors influencing stereoselective coordination in order to efficiently fine-tune the ligand’s structure. As a result, outstanding activity and enantioselectivity (up to 96% ee) could be achieved in palladium-catalyzed allylic alkylation and amination reactions. Chiral iridium complexes of tridentate P,N,O and P,N,N ligands proved to be highly active and selective catalysts for the chemo- and enantioselective hydrogenation of prochiral conjugated ketones. Rhodium-complexes of chiral phosphine-phosphite ligands were immobilized on inorganic support and then used as catalyst in the asymmetric hydrogenation of dimethyl-itaconate in a fixed bed reactor. The product could be synthesized in >99% enantioselectivity. Several prochiral imines and quinoline derivatives could be hydrogenated with 92% ee by using iridium-complexes of chiral phosphine-phosphoramidites.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=115539
Decision
Yes





 

List of publications

  
Major, M. M., Rövid, G., Balogh, S., Bényei, A., Lendvay, G., Frigyes, D., Bakos, J., Farkas, G.: Double stereoselective coordination of chiral N,S ligands: Synthesis, coordination chemistry and utilization in Pd‐catalyzed allylic alkylation, Appl. Organomet. Chem., 33, e4726, 2019
Császár, Z., Farkas G., Bényei A., Lendvay, G., Tóth, I., Bakos, J.: Stereoselective coordination: a six-membered P,N-chelate tailored for asymmetric allylic alkylation, Dalton Trans., 44, 16352-16360., 2015
Csaszar Z, Farkas G, Benyei A, Lendvay G, Toth I, Bakos J: Stereoselective coordination: a six-membered P,N-chelate tailored for asymmetric allylic alkylation., DALTON T 44: (37) 16352-16360, 2015
Faragó, J., Farkas, G., Bakos, J.: Foszfit-foszforamidit típusú hibrid ligandumok előállítása és alkalmazása aszimmetrikus katalitikus reakciókban, Kémiai Előadói Napok, Konferencia Kiadvány, 2015
Császár, Z. Farkas, G., Bakos, J.: Sztereogén nitrogénatommal rendelkező foszfin-amin ligandumok koordinációs és katalitikus tulajdonságainak vizsgálata, Kémiai Előadói Napok, Konferencia Kiadvány, 2015
Farkas, G., Bakos, J.: Nagy hatékonyságú enantioszelektív katalizátorok fejlesztése, Magyar Kémikusok Lapja, LXXI. Évfolyam, 5, 152-154, 2016
Farkas, G., Császár, Z., Bényei, A., Lendvay, G., Tóth, I., Bakos, J.: Stereoselective Coordination as a Promising Strategy in Effective Catalyst Design, 3rd International Symposium on the Soai Reaction and Related Topic, Book of Abstracts, p.35., 2015
Tóth, I., Farkas, G., Császár, Z., Stágel, K., Bényei, A., Lendvay, G., Bakos, J.: N-Substituent Effects of Chiral Pentane-2,4-diyl Based P,N Ligands on the Coordination Chemistry and Enantioselectivity in Palladium-Catalyzed Asymmetric Allylic Alkylati, 20th International Symposium on Homogeneous Catalysis, Book of Abstracts, 2P-105., 2016
Farkas, G, Császár, Z, Stágel, K, Nemes, E, Balogh, S, Tóth, I, Bényei, A, Lendvay, G, Bakos, J: Efficient stereochemical communication in phosphine-amine palladium-complexes: Exploration of N-substituent effects in coordination chemistry and catalysis, Journal of Organometallic Chemistry 2017, 846, 129-140., 2017
Balogh S, Farkas G, Holczbauer T, Bakos J: Origin of the chemical stability of phosphine-phospho­ramidites: structural study of an UPPhos-type crystal and application of UPPhos in the asymmetric hydrogenation of i, Acta Crystallographica Section C 2017, C73, 632-637., 2017
Császár Z, Imre P, Bényei A, Balogh S, Farkas G, Bakos J: Aminoalkyl-phosphine (P,N) ligands with pentane-2,4-diyl backbone in asymmetric allylic substitution reactions, DOI: 10.1007/s00706-017-2029-2, 2017
Madarász J, Nánási B, Kovács J, Balogh S, Farkas G, Bakos J: Immobilized phosphine-phosphite rhodium complexes: highly active and enantioselective catalysts for asymmetric hydrogenation under continuous flow conditions, Monatshefte für Chemie DOI: 10.1007/s00706-017-2048-z, 2017
Császár Z, Farkas G, Bényei A, Lendvay G, Tóth I, Bakos J: Aminoalkyl-phosphine ligands with stereogenic nitrogen donor atom: synthesis, coordination chemistry and application in catalysis, XXXIX. Kémiai Előadói Napok, 2016, Szeged, október 17-19., p. 51-54., 2016
Nemes E, Farkas G, Bakos J: Foszfit ligandumok elektronikus tulajdonságainak vizsgálata aszimmetrikus allilezési reakciókban, XXXIX. Kémiai Előadói Napok, 2016, Szeged, október 17-19., p.180-185., 2016
Major MM, Farkas G, Bakos J: Királis tioéter-amin ligandumok szintézise és koordinációs sajátságainak vizsgálata, XXXIX. Kémiai Előadói Napok, 2016, Szeged, október 17-19., p. 162-165., 2016
Farkas G, Szi-Ferenc L, Császár Z, Balogh S, Bényei A, Lendvay G, Bakos J: Zwitterionic Pd(II) chelates: synthesis, characterization and application in Suzuki-Miyaura coupling, 22th EuCheMS International Organometallic Conference, Amsterdam, July 9-13, 2017. Book of Abstacts: poster 66., 2017
Császár Z, Farkas G, Stágel K, Balogh S, Tóth I, Bényei A, Lendvay G, Bakos J: N-Substituent effects in transition metal phosphineamine complexes, 22th EuCheMS International Organometallic Conference, Amsterdam, July 9-13, 2017. Book of Abstacts: poster 54., 2017
Császár Z, Stágel K, Nemes E, Balogh S, Tóth I, Bényei A, Lendvay G, Farkas G, Bakos J: Structure elucidation of Pd complexes of P,N heterobidentate ligands bearing 2,4-pentanediyl backbone, Magnetic Moments in Central Europe 2017, Budapest, 2017, Book of Abstacts p. 94., 2017
Nemes E., Balogh S., Bakos J.: P,N ligandumok heterogenizálása és alkalmazása palládium-katalizált aszimmetrikus allil-helyzetű szubsztitúciós reakciókban, Kémiai Előadói Napok, Konferencia Kiadvány, 2017
Major M. M., Farkas G., Bakos J.: Királis tioéter-amin ligandumok szintézise és katalitikus tulajdonságainak vizsgálata, Kémiai Előadói Napok, Konferencia Kiadvány, 2017
Szi-Ferenc L., Farkas G., Bakos J.: Ikerionos szerkezetű királis palladaciklusok előállítása és alkalmazása Suzuki-Miyaura reakciókban, Kémiai Előadói Napok, Konferencia Kiadvány, 2017
Császár Z., Svélecz R., Bényei A., Lendvay G., Farkas G., Bakos J.: Királis P,N,N és P,N,O ligandumok koordinációs és katalitikus tulajdonságainak vizsgálata, 52. Komplexkémiai Kollokvium, Konferencia Kiadvány, 2018
Farkas G., Császár Z., Szi-Ferenc L., Major M. M., Balogh S., Bakos J.: Versatile aminoalkyl-phosphine ligands: synthesis, coordination chemistry and catalytic application, 22nd International Conference on Phosphorus Chemistry, Book of Abstracts and ppt presentation, 2018
Farkas G., Szi-Ferenc L., Császár Z., Balogh S., Bényei A., Lendvay G., Bakos J.: Application of zwitterionic phosphapalladacycles in aqueous phase Suzuki-Miyaura coupling, 22nd International Conference on Phosphorus Chemistry, Book of Abstracts, 2018
Császár Z., Szi-Ferenc L., Farkas G., Bakos J.: CH2-Linkage effects in P-N and PN-P ligand systems, 22nd International Conference on Phosphorus Chemistry, Book of Abstracts and Poster, 2018
Császár Z., Svélecz R., Bényei A., Lendvay G., Farkas G., Bakos J.: Synthesis of novel P,N,N and P,N,O ligands and their application in catalytic asymmetric reactions, 28th International Conference on Organometallic Chemistry, Book of Abstracts, 2018
Major M. M., Farkas G., Bakos J., Lendvay G., Rövid G., Bényei A.: New Chiral Thioether-amine Ligands: Synhtesis, Coordination Chemistry and Catalysis, 28th International Conference on Organometallic Chemistry, Book of Abstracts, 2018
Császár Z, Stágel K, Balogh S, Bényei A, Lendvay Gy, Farkas G, Bakos J: Steric effects enforce double stereoselective N-coordination in twelvemembered binuclear palladium(II)-complexes containing chiral bridging aminoalkyl-phosphine ligands, JOURNAL OF ORGANOMETALLIC CHEMISTRY 855: pp. 59-62., 2018
Szi-Ferenc L., Császár Z., Lendvay G., Bényei A., Balogh S., Nánási B., Farkas G., Bakos J: Synthesis of zwitterionic phosphapalladacycles: unusual reactivity pattern of six-membered P,N-chelates, ORGANOMETALLICS 37:(14) pp. 2203-2206., 2018




 

Events of the project

  
2017-02-20 16:37:54
Résztvevők változása



Back »