 |
Development of new activation concepts in catalysis
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
116150 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Soós, Tibor |
| Title in Hungarian |
Új aktiválási elvek fejlesztése a katalízisben |
| Title in English |
Development of new activation concepts in catalysis |
| Keywords in Hungarian |
katalízis, hidrogén kötés, Lewis sav, méretkizárás |
| Keywords in English |
catalysis, hydrogen bond, Lewis acid, size-exclusion |
| Discipline |
| Organic, Biomolecular, and Pharmaceutical Chemistry (Council of Physical Sciences) | 100 % | | Ortelius classification: Intermedier chemistry |
|
| Panel |
Chemistry 2 |
| Department or equivalent |
Institute of Organic Chemistry (Research Center of Natural Sciences) |
| Participants |
Bacsó, András
Dorkó, Éva
Spránitz, Péter
Varga, Szilárd
|
| Starting date |
2015-09-01 |
| Closing date |
2019-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
27.637 |
| FTE (full time equivalent) |
10.50 |
| 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 pályázatban megfogalmazott kutatások közös eleme az, hogy a szintetikus kihívások megoldására egy viszonylag egyszerű kémiai elvet aknáz ki és használ fel, a bifunkcionalitást. A javasolt kutatási program a kutatócsoport által eddig folytatott metodikai fejlesztés jelentős kibővítése.
A pályázat 4 éve során, egy nemrégiben tett felismerésünkre alapozva, új szerkezeti elemekkel bíró organokatalizátorok elméleti úton való kifejlesztését tűztük ki, amelyektől azt várjuk, hogy azok teljesítőképessége jelentősen meghaladja majd a jelenlegi katalizátorokét mind aktivitásban, mind alkalmazhatósági körben. Alapvető célként az is szerepel, hogy a bifunkcionális katalitikus módszerek praktikus jellegét is tovább fokozzuk, hogy azok széleskörű alkalmazást nyerjenek az akadémiai mellett már az ipari laborokban is.
A már meglevő kutatási tapasztalatunkra és érdeklődésünkre építve, megfogalmaztuk annak az igényét is, hogy a bifunkcionalitás elvét más, az eddigiektől merőben eltérő kémiai problémák megoldására is alkalmazzuk.
Így felmerült annak a lehetősége, bogy az enzimatikus katalíziben szerepet játszó feszültséget, mint aktiválási elvet kiaknázzuk és olyan kismolekulás katalizátorokat fejlesszünk, amely egy speciális entalpia-entrópia és entalpia-entalpia kompenzáción alapul.
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.
Az elmúlt évtized intenzív kutatási tevékenységének köszönhetően, mára már egyértelműen látható, bogy a bifunkcionális organokatalízis alkalmazhatósága egy jól definiált molekulahalmazra terjed ki. Ettől a körtől jelentősen eltérő esetekben, mind a kevésbé, mind a sokkal reaktívabb szubsztrátok esetében a katalizátor hatékonysága jelentősen csökken. Ezt felismerve, s a legújabb mechanisztikus eredményünkre alapozva, megkíséreljük az organokatalizátorok új családjának tudatos, tervezett megalkotását, amelyek révén jelentősen ki szeretnénk bővíteni a jelenlegi bifunkcionális organokatalízis alkalmazhatósági körét.
Következő lépésben a bifunkcionalitást a katalizátor tervezésben különleges módon szeretnénk hasznosítani. A katalitikus területen elmúlt évszázadban bekövetkezett nagymérvű fejlődés ellenére az enzimatikus folyamatokban jelentős szerepet kapó feszültségnek, mint aktiválási elvnek a katalitikus kihasználása nem megoldott. Az alapvető kérdés amit megfogalmaztunk az annak a vizsgálata, bogy milyen módon lehetne ezt a fontos elvet átültetni és kiaknázni katalitikus eljárásokban. Felvetésünk a frusztrált Lewis pároknál megismert "frusztrációs energiára" épül, amelynek segítségével a reaktív konformerek, illetve specieszek egyensúlyát kívánjuk előnyösen befolyásolni a reakciókban.
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 elmúlt egy évtizedben az aszimmetrikus organokatalízis jelentős mértékben hozzájárult a szintetikus kémiai fejlődéséhez. Számos aktiválási elvet ismertek fel, amelyeket azután királis molekulák szintézisében használták sikerrel. Bár a kutatási terület még mindig újnak tekinthető, és nyilvánvalóan rengeteg felfedezés várat még magára, az már most is egyértelmű, hogy ez a katalitikus módszer jelentős és meghatározó szerepet tölt majd be a közeljövőben.Hatékonysága és széleskörű alkamazhatósága miatt a számos aktiválási elv közül kiemelkedik a bifunkcionális organokatalízis. Éppen ezért különösen fontos ennek a területnek a további fejlődése, szintetikus nehézségeinek megoldása, amely végül elvezethet oda, hogy ez a zöld kémiához sorolható katalitikus módszer az ipari gyakorlatba is meghonosodjon.
A javasolt kutatási programban éppen ezért alapvetően új katalitikus aktiválási elvek fejlesztésére teszünk kísérletet. A kutatások során megfelelő egyensúlyt próbáltunk kialakítani a felfedező jellegű alap és az alkalmazott kutatást között. A kutatások eredményeként arra számítunk, hogy olyan innovatív szintetikus kémiát tudunk kifejleszteni, amely hosszútávú megoldásokat tud adni, s ezzel párhuzamosan új molekulákat és új molekuláris tulajdonságokat szolgáltat.
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 jelenkor egyik kiemelten fontos szintetikus kémiai kihívása az az, hogy milyen módon oldható meg egyszerre a szintetikus kapacitás növelése és bővítése anélkül, hogy a kémiai folyamatok tovább ne terheljék a környezetet.
A javasolt kutatási programban megfogalmazott célkitűzések tükrözik ezen törekvéseket, azaz tudatosan ki szeretnénk aknázni a szerves kémia lehetőségeit, s annak centrális jellege miatt, alapvető tudományos, társadalmi és környezetvédelmi problémák megoldására lehetőséget nyújtani. Mivel a katalízis kiemelt szerepet tölt be a kémia világában, így kutatási programunk meghatározó eleme, új, az eddigi katalizátorok képességét meghaladó organokatalizátorok tervezett kifejlesztése.
A kutatási tervek közös eleme a bifunkcionalitásnak, mint egyszerű kémiai elvnek a kianázása. Kutatásaink eredményeként nem csupán meglevő kémiai problémák megoldására leszünk képesek, de akár új perspektívát is tudunk ajánlani a gyógyszergyártás és az agrokémia területén.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The common ground of the overall proposed activity is to exploit and explore the synthetic potential offered by a simple chemical concept, the bifunctionality. The outlined research program is the radical expansion of our previous methodologically oriented research activity to solve some still existing challenges.
During the proposed four-year period, based on our recent mechanistic findings, novel bifunctional organocatalysts will be designed and developed to expand the capacity of the present best-in-class methods and catalysts. Our overarching goal is to provide practical and widely applicable catalysts and reactions that foster the progress in academic labs and are amenable for industrial applications.
Because of our keen interest in bifunctionality and size-exclusion catalyst design element, we plan to expand the utility of the original basic bifunctionality concept toward a unique strain promoted activation mode. Employing highly congested Lewis acids, we will challenge to develop catalytic system based on the enthalpy-entropy, and enthalpy-enthalpy compensation in the transition states.
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.
Over the last decade, the heightened activity in organocatalytic field unequivocally identified a certain substrate range within which these catalysts can be efficiently applied. Beyond this charted range, however, the catalytic performance of bifunctional organocatalysts is rather poor and there is a need for further innovation in the domain of both highly reactive, and also relatively nonreactive substrates. Thus, we will explore whether the charted range of applicability of bifunctional organocatalysis could be expanded toward challenging but important chiral building blocks. Along this line, not only methodological developments, but also rational catalyst design will be probed and executed.
In the following step, we would like to expand the concept of bifunctionality toward unique activation modes. Despite the enormous advances, the concept to induce strain in the substrate in catalytic processes is not yet realized, although strain is the important element of enzymatic activation. Thus, the fundamental question we addressed is whether this mode of activation could be implemented into man-made catalysts. We outlined a possible solution, a speculative one, which use the "frustration energy" to try to built in strain into organocatalytic activations via shifting the equilibrium of reactive conformers and species in a reaction.
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.
As a frontier discipline, the asymmetric organocatalysis has contributed greatly to the last decade’s advances of synthetic organic chemistry. Several activation modes have been developed and applied with great success in the synthesis of chiral molecules. Although this field is relatively young and still a large body of chemistry left to be investigated, the scientific achievements qualify this field as a fundamental and transformative research area.
Among the known activation concepts, the bifunctional non-covalent organocatalysis has found widespread applications and became one of the main research areas within the field. However, there is still a lot of known synthetic and practical limitations which slow downs the penetration of this "green" chemistry into industry.
Consequently, in the outlined proposal, we aimed to give a more focus to pursue problems rather than puzzles, where the chemical solutions can fundamentally change the game. The proposed research programs is envisioned to solve certain challenging problems now confronting bifunctional organocatalysis and achieve a balance between curiosity-driven research and problem-solving research which would also require the intensified collaboration with the chemical industry. In this spirit, we propose a research program which keeps the value creation and solving existing problems in the forefront in order to markedly expand the utility and power of bifunctional organocatalysis.
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.
One of the key challenges of modern synthetic organic chemistry is how to increase the synthetic capacity in a cost effective manner, while transforming the present methodologies into green and sustainable ones. In our outlined proposal, the vision and suggested research activity are planned to be bold and far-reaching, including development of conceptually new chemistries and activation modes that allow synthetic organic chemistry to bring its core strength to affect and solve current scientific challenges and also pressing environmental and societal problems.
The common ground of the overall proposed activity is to exploit and explore the synthetic potential offered by a simple catalytic concept, the bifunctionality. In our proposal, we address certain system-level problem of the field and try to develop chemistry which can solve existing problems and open new perspectives.
As a result, greener and cost effective organocatalytic methodologies is expected to be developed which chemistry also strengthen current pharmaceutical and agrochemical research.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Éva Dorkó, Márk Szabó, Bianka Kótai, Imre Pápai, Attila Domján, Tibor Soós: Expanding the Boundaries of Water-Tolerant Frustrated Lewis Pair Hydrogenation: Enhanced Back Strain in the Lewis Acid Enables the Reductive Amination of Carbonyls, Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 9512–9516, 2017 | | Mária Bakos, Ádám Gyömöre, Attila Domján, Tibor Soós: Auto-Tandem Catalysis with Frustrated Lewis Pairs for Reductive Etherification of Aldehydes and Ketones, Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 5217–5221, 2017 | | Mária Bakos, Zoltán Dobi, Dániel Fegyverneki, Isreal Fernández, Tibor Soós: Janus Face of the Steric Effect in a Lewis Acid Catalyst with Size-Exclusion Design: Steric Repulsion and Steric Attraction in the Catalytic Exo-Selective Diels-Alder Rea, https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.8b02099, 2018 | | Dániel Vajk Horváth, Frigyes Domonyi, Roberta Palkó, Andrea Lomoschitz, Tibor Soós: Regioexhaustive Functionalization of the Carbocyclic Core of Isoquinoline: Concise Synthesis of Oxoaporphine Core and Ellipticine, https://www.thieme-connect.com/products/ejournals/pdf/10.1055/s-0037-1609153.pdf, 2018 | | Dániel Vajk Horváth, Tamás Holczbauer, Laura Bereczki, Roberta Palkó, Nóra Veronika May, Tibor Soós, Petra Bombicz: Polymorphism of a porous hydrogen bond- assisted ionic organic framework, http://doi.org/10.1039/C8CE00041G, 2018 | | Mária Bakos, Zoltán Dobi, Dániel Fegyverneki, Isreal Fernández, Tibor Soós: Janus Face of the Steric Effect in a Lewis Acid Catalyst with Size- Exclusion Design: Steric Repulsion and Steric Attraction in the Catalytic Exo-Selective Diels−Alder Reaction, ACS Sustainable Chem. Eng. 2018, 6, 10869−10875, 2018 | | Dániel Fegyverneki, Natália Kolozsvári, Dániel Molnár, Orsolya Egyed, Tamás Holczbauer, Tibor Soós: Size‐Exclusion Borane‐Catalyzed Domino 1,3‐Allylic/Reductive Ireland–Claisen Rearrangements: Impact of the Electronic and Structural Parameters on the 1,3‐Allylic Shift Aptitude, Chem.Eur.J. 2019, 25, 2179–2183, 2019 | | Zoltán Dobi, Tamás Holczbauer, Tibor Soós: Schreiner's Thiourea Promoted [2+2] Cycloaddition of Captodative Azetidinones and Nitroolefins, Eur. J. Org. Chem. 2017, 1391–1395, 2017 | | András Bacsó, Mariann Szigeti, Szilárd Varga, Tibor Soós: Bifunctional Thiourea-Catalyzed Stereoablative Retro-Sulfa-Michael Reaction: Concise and Diastereoselective Access to Chiral 2,4-Diarylthietanes, Synthesis 2017, 49, 429-439, 2017 | | Péter Spránitz, Petra Sőregi, Bence Béla Botlik, Máté Berta, Tibor Soós: Organocatalytic Desymmetrisation of Fittig’s Lactones: Deuterium as a Reporter Tag for Hidden Racemisation, Synthesis 2019, 51, 1263–1272, 2019 | | Éva Dorkó, Bianka Kótai,Tamás Földes, Ádám Gyömöre, Imre Pápai, Tibor Soós: Correlating electronic and catalytic properties of frustrated Lewis pairs for imine hydrogenation, Journal of Organometallic Chemistry 2017, 847, 258-262, 2017 | | Mariann Szigeti, Zoltán Dobi, Tibor Soós: The Goldilocks Principle in Phase Labeling. Minimalist and Orthogonal Phase Tagging for Chromatography-Free Mitsunobu Reaction, J. Org. Chem. 2018, 83, 2869−2874, 2018 | | Dániel Vajk Horváth, Frigyes Domonyi, Roberta Palkó, Andrea Lomoschitz, Tibor Soós: Regioexhaustive Functionalization of the Carbocyclic Core of Isoquinoline: Concise Synthesis of Oxoaporphine Core and Ellipticine, https://www.thieme-connect.com/products/ejournals/pdf/10.1055/s-0037-1609153.pdf, 2018 | | Zoltán Dobi, Tamás Holczbauer, Tibor Soós: Schreiner's Thiourea PromoReaction: Concise and Diastereoselective Access to Chiral 2, 4-Diarylthietanes, Eur. J. Org. Chem. 2017, 1391–1395, 2017 | | Barbara Berkes, Kristóf Ozsváth, Laura Molnár, Tamás Gáti,Tamás Holczbauer, György Kardos, Tibor Soós: Expedient and Diastereodivergent Assembly of Terpenoid Decalin Subunits having Quaternary Stereocenters through Organocatalytic Robinson Annulation of Nazarov Reagent, Chem. Eur. J. 2016, 22, 18101–18106, 2016 | | András Bacsó, Mariann Szigeti, Szilárd Varga, Tibor Soós: Bifunctional Thiourea-Catalyzed Stereoablative Retro-Sulfa-Michael Reaction: Concise and Diastereoselective Access to Chiral 2,4-Diarylthietanes, Synthesis 2017, 49, 429-439, 2017 | | Mária Bakos, Ádám Gyömöre, Attila Domján, Tibor Soós: Auto-Tandem Catalysis with Frustrated Lewis Pairs for Reductive Etherification of Aldehydes and Ketones, Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 5217–5221, 2017 | | Éva Dorkó, Márk Szabó, Bianka Kótai, Imre Pápai, Attila Domján, Tibor Soós: Expanding the Boundaries of Water-Tolerant Frustrated Lewis Pair Hydrogenation: Enhanced Back Strain in the Lewis Acid Enables the Reductive Amination of Carbonyls, Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 9512–9516, 2017 | | Éva Dorkó, Bianka Kótai,Tamás Földes, Ádám Gyömöre, Imre Pápai, Tibor Soós: Correlating electronic and catalytic properties of frustrated Lewis pairs for imine hydrogenation, Journal of Organometallic Chemistry 2017, 847, 258-262, 2017 | | Dániel Vajk Horváth, Tamás Holczbauer, Laura Bereczki, Roberta Palkó, Nóra Veronika May, Tibor Soós, Petra Bombicz: Polymorphism of a porous hydrogen bond- assisted ionic organic framework, CrystEngComm, 2018, 20, 1779–1782, 2018 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
