Utilization of visible light activated photoredox catalysis in organic syntheses  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
118172
Type NN
Principal investigator Novák, Zoltán
Title in Hungarian Látható fénnyel aktivált fotoredox katalízis alkalmazása szerves kémiai átalakításokban
Title in English Utilization of visible light activated photoredox catalysis in organic syntheses
Keywords in Hungarian Fotoredox katalízis, átmenetifémek, szerves szintézisek
Keywords in English Photoredox catalysis, transition metals, organic synthesis
Discipline
Organic, Biomolecular, and Pharmaceutical Chemistry (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Pharmaceutical chemistry
Panel Chemistry 2
Department or equivalent Institute of Chemistry (Eötvös Loránd University)
Participants Adamik, Réka Anna
Béke, Ferenc
Földesi, Tamás
Gonda, Zsombor
Kovács, Szabolcs
Mészáros, Ádám
Pethő, Bálint
Simkó, Dániel Csaba
Sipos, Gellért
Tolnai Gergely, László
Tóth, Balázs László
Varga, Bálint
Starting date 2016-06-01
Closing date 2019-12-31
Funding (in million HUF) 41.706
FTE (full time equivalent) 15.33
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Kutatásaink során olyan fotokatalitikus átalakításokban felhasználható katalizátorokat szeretnénk előállítani, melyek irídium és ruténium helyett réz centrumot tartalmaznak, és képesek a látható fény energiájának felhasználására. Az általunk előállított új, módosított bipiridil és fenantrolin ligandumok szerkezetének, és a velük készített komplexek hatékonyságának összevetése hasznos információt szolgáltat a tudományterület számára.
Az újonnan előállított és irodalmi leírások alapján készült fotokatalizátorok hatékonyságát gyökös reakciókban kívánjuk megvizsgálni. Fotoredox katalízissel difenil-amin gyök könnyen kialakítható aromás aminokból. Célunk olyan gyökös mechanizmusú fotokatalizált intramolekuláris reakció kifejlesztése, amelynek segítségével új heterociklusos rendszerek alakíthatók ki aromás aminok N-vinil, allil és propargil származékaiból kiindulva. A várt termékek között eddig le nem írt 6,7 tagú heterociklusos szerkezetek is találhatóak.
A nemzetközi együttműködés keretein belül értékes szakmai tapasztalatcserére nyílna lehetőség. A kutatócsoportba az Egyesült Államokból nyári gyakorlatra érkező diákok a projektben résztvevő kutatókkal dolgoznának, amely mindkét fél számára értékes tapasztalatokat kínál. Az együttműködés eredményeként nemzetközi folyóiratban megjelenő publikációk várhatóak, valamint az eredményeket nemzetközi konferenciákon kívánjuk bemutatni. Az együttműködés előnye, hogy gyorsabban sikerül eredményeket elérni a szakmai tapasztalattal rendelkező fél közreműködésével egy új kutatási területen a fotoredox katalízís témakörben. Az új tématerület beindítása és hatékony kivitelezése hozzájárul a tudományos kutatóképzés minőségének növeléséhez.

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 alapkérdése a fotoredox rendszerek hatékonyságának növelése, az ismert katalizátorok továbbfejleszthetőségének vizsgálata. Olyan rendszereket kívánunk kifejleszteni, melynek segítségével új módszerrel állíthatók elő a társadalom számára is fontos anyagok. Szerkezet-aktivitás összefüggések megállapításával tudományos alapra kívánjuk helyezni a fotoredox katalizátorok fejlesztését. Új molekulaszerkezetek létrehozásával, karakterizálásával szeretnénk a kémiai anyagok sokféleségét növelni. A rendszerek optimálása nemcsak a katalizátorok finomhangolására, hanem a teljes reakciókörülményre kiterjedne. Ennek eredményeképpen energia- és anyaghatékony módon tudnánk előállítani szerves molekulákat.

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 újonnan kifejlesztett nem nemesfém alapú katalizátorok alkalmazásával a fotoredox eljárások ipari méretben gazdaságosan megvalósíthatóak lehetnek. Ezzel amellett, hogy az aktiváláshoz felhasznált energia környezetbarát, az új reakcióutak miatt lehetőség nyílik új anyagok előállítására is. A réz alapú katalizátorok feltehetően a hagyományos irídium és ruténium alapúakétól eltérő tulajdonságokkal rendelkeznek, új utakat nyitva a szintetikus kémia számára.
A projekt megvalósításában tervezett szintézisutak az irodalomban nem ismertek. Segítségükkel gyógyszerszerű molekulák (pl. oxazepinek, diazepinek, izokinolinok) állíthatók elő az eddigieknél hatékonyabban, egyszerűen elérhető kiindulási anyagokból. A fotoredox rendszerek ezidáig tapasztalt szelektivitása előrevetíti az előállítható anyagok sokszínűségét. Az előállított anyagok a gyógyszerkémia számára hasznos kiindulási pontot jelenthetnek.

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 társadalom technológiai és tudományos fejlődésének mára fő szempontja a természeti értékek megőrzése. A napfény kifogyhatatlan energiaforrása a szintetikus kémia számára is hasznos lehet. A fotokémiai átalakítások nemcsak zöld energiát használnak fel, hanem alkalmazásával csökken a vegyi hulladék kibocsájtás. Ezekben a reakciókban azonban az átalakítás folyamatában résztvevő úgynevezett gyökös átmeneti termékek miatt sokszor nem kívánt melléktermékek keletkeznek. A problémára megoldást a fotoredox katalizátorok alkalmazása jelenti.
Célunk olyan katalizátorrendszerek kifejlesztése, melyek kiválthatják a drága nemesfém komplexeket. Újfajta ligandumok rézkomplexei is széleskörűen alkalmazhatóak lehetnek katalizátorként, illetve a korábban alkalmazott komplexek is hatékonyabbá válhatnak.
A fotokatalizátorokat gyógyszerszerű molekulák szintézisében vizsgálnánk. Az eljárásokban új vázszerkezetek is létrehozhatóak intramolekuláris átalakításokban. Első esetben tanulmányoznánk eddig nem vizsgált dehidrobenzol illetve egyéb acetilén típusú vegyületek fotokémiai alkalmazhatóságát. Olyan többkomponensű átalakításokat kidolgozását kívánjuk megvalósítani, melyekben több építőelem segítségével, egy lépésben állítanánk elő összetett szerkezettel rendelkező molekulákat. Így olyan szintetikus kémiai módszerekhez juthatnánk, melyekkel egyszerűen építhetnénk fel változatos vegyülettárakat, melyeket a gyógyszerkutatásban használnak fel.
Eredményeinket a későbbiekben mind az akadémiai alapkutatás mind pedig a gyógyszeripar használhatja fel, hogy segítségével környezetbarát módon állítson elő a társadalom számára hasznos anyagokat illetve gyógyszerhatóanyagokat.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
We aim to develop new copper based photocatalytic systems, which are able to substitute the expensive noble metal iridium and ruthenium complexes in harvesting visible light for photoredox catalysis. The designed and synthesized new substituted bipyrilyl and phenanthroline based ligands would be used for the preparation of new catalyst complexes. The complexes would be investigated in structure-activity relationship to gain systematic information for the future development.
The new and literature-based complexes would be used in novel type of transformations. Phenyl-amine radical can be easily generated by photoredox catalysis from aromatic amines. The goal of the project is the synthesis of new heterocyclic systems through photocatalyzed radical ring closures of N-vinyl, -allyl and –propargyl arilamine derivatives. The new system would result in a 6, 7 membered or larger sized heterocycles.
The international cooperation would open the possibility to the fruitful exchange of professional experiences. The students arriving from the US would work with the Hungarian students in the project, which is beneficial for both sides. As the expected results of the project we will publish our results in international chemistry journals, and present our future result on several scientific conferences. The great benefit of the cooperation is the faster development of the workplan with the aid of the experience of the American partner in the field of photoredox catalysis. Initiation of a new catalytic field of organic chemistry strongly support the scientific value of the future researchers.

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 main role of this research is the development of photoredox catalysis. We aim to develop catalytic systems that are able to produce precious compounds via unprecedented pathways. With the aid of structure- activity relationship analysis we aim to build the scientific basis for the development of photoredox catalysts. By optimization of the reaction parameters including new types of catalysts, solvent, temperature, etc., we would like to generate new scaffolds on an effective way. The result of the whole study would contribute in the development of synthetic methodology.

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.
Our newly synthesized non-noble metal complexes would contribute to the industrial scale application of photoredox catalysis in the future. This enables the use of inexhaustible energy of Sun for the activation of organic compounds; moreover the new synthetic routes would let us synthesize unprecedented scaffolds. The copper based complexes would presumably have slightly different conditions than Ir or Ru complexes that can open new horizon in synthetic organic chemistry.
The reactions planned to be investigated have not been described yet in the literature. These new approaches would resultthe formation of drug-like molecules, such as oxazepines, diazepines, isoquinolines in a short and unprecedented route. The selectivity of photoredox catalysts in organic transformations ensures the wide spectra of compounds to be synthesized. The new compounds would be precious compounds for drug-development.

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.
The main goal of chemical sciences is to develop methodologies which are based on a sustainable way. The inexhaustible energy of the Sun can be employed by organic synthesis. The advantage of these pathways is not only the use of green energy, but the efficiency in term of waste. In photochemical reactions the usually generated radical species are able to provide side products. To generate these species on a more controlled way, photocatalysts are utilized in the organic transformations.
We aim to develop new photocatalysts which may offer alternative to the expensive noble metal complexes or enhance their efficiency. With the use of our new ligands, much less expensive metals, like copper would be also more generally suitable, or the ligands would make the noble metal complexes more effective.
To fulfill the aims of the project we would examine the use of these catalysts in the production of drug-like molecules. After literature analogues we are likely to synthesize new scaffolds via intermolecular reactions. New types of unsaturated compounds, such as benzyne and other acetlyenes would also be investigated. Photocatalyzed multicomponent reactions for the synthesis of heterocyclic molecules would also be developed. In this approach molecules with divers chemical structure would be built up in a single reaction sequence from simple building blocks. The resulting molecule libraries are similar to those which are used in pharmaceutical chemistry.
The suspected results of our research would be used in academic pharmaceutical research. As a result of the project new and effective methods would be developed for the production of precious materials and drugs.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Több alternatív megoldást vizsgáltunk a szerves kémiában leggyakrabban használt nemesfém alapú fotokatalizátorok kiváltására. Előállítottunk számos, rézcentrumot tartalmazó homoleptikus és heteroleptikus N,N és P,P kétfogú ligandumokat tartalmazó komplexet, melyek közül a bisz-imin réz-komplexek és azok ligandumai könnyen,egyszerű építőelemekből hatékonyan előállíthatók.Megállapítottuk, hogy ezek a komplexek kis katalizátortöltés mellett is hatékonyan elősegítik a sztirolszármazékok és alifás halogénszármazékok közötti ATRA reakciót. Olcsó szerves festékek alkalmazásán alapuló látható fénnyel aktivált gyűrűzárási reakciót dolgoztunk ki kvaterner centrumban trifluormetil csoportot hordozó oxindolok előállítására. Számos új szerkezetű festékmolekula szintézisét valósítottuk meg, és bizonyítottuk katalizátorként történő alkalmazhatóságukat különböző C-C kötés kialakításával járó fotokatalitikus reakcióban. Olyan kapcsolási reakcióban is bizonyítottuk az Ir alapú katalizátorok helyettesíthetőségét a festékmolekulákkal, amelynek Ir-katalizált változatát is a projekt keretében fejlesztettünk ki. Megmutattuk, hogy benzil-piperidinek előállíthatók N-Boc-prolinból és benzilszulfóniumsók kettős fémes Ni-Ir fotokatalitikus reakciójában. Trifluormetil aziridinek új, fotokatalitikus körülmények között megvalósítható gyűrűnyitási reakciójára dolgoztunk ki eljárást, valamint töltésátviteli komplexek látható fénnyel történő gerjesztésén alapuló jódozási és boronálási reakciót dolgoztunk ki.
Results in English
Alternative solutions were investigated to replace the most commonly used noble metal based photocatalysts in organic chemistry. Several homoleptic and heteroleptic copper complexes containing N, N and P, P bidentate ligands were prepared, of which the bisimine copper complexes and their ligands can be easily and efficiently prepared from simple building blocks. We found that these complexes efficiently promote the ATRA reaction of styrene derivatives with aliphatic halogen derivatives using low catalyst loading. Visible light induced ring closure reaction in the presence of inexpensive organic dyes was developed for the synthesis of oxindoles with trifluoromethyl group in their quaternary center. We synthesized several novel dye molecules and demonstrated their utility as catalysts in the photocatalytic C-C bond forming reactions. We also demonstrated the substitutability of Ir based catalysts with new dye molecules in a coupling reaction which was developed earlier in our laboratory. We showed that benzylpiperidines can be prepared from N-Boc-proline and benzylsulfonium salts using the bimetallic Ni-Ir photocatalytic reaction. We have developed a novel ring opening reaction of trifluoromethyl aziridines under photocatalytic conditions, and an iodination and boronation reaction based on excitation of charge transfer complexes by visible light.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=118172
Decision
Yes





 

List of publications

  
Bálint Varga, Zsombor Gonda, Balázs L. Tóth, András Kotschy, Zoltán Novák: Development of Ni‐Ir dual photocatalytic Liebeskind coupling of sulfonium salts for the synthesis of 2‐benzylpyrrolidines, European Journal of Organic Chemistry, 2019
Zsombor Gonda, Ferenc Béke, Orsolya Tischler, Milán Petró, Zoltán Novák, Balázs L. Tóth: Erythrosine B catalyzed visible-light photoredox arylation-cyclization of N-alkyl-N-aryl-2-(trifluoromethyl)acrylamides to 3-(trifluoromethyl)indolin-2-one derivatives, European Journal of Organic Chemistry, Eur. J. Org. Chem. 2017, 15, 2112-2117, 2017
Balázs L. Tóth, Orsolya Tischler, Zoltán Novák: Recent advances in dual transition metal–visible light photoredox catalysis, Tetrahedon Letters 2016, 57, 4505–4513, 2016
F. Béke, Zs. Gonda, O. Tischler, M. Petró, Z. Novák, B. L. Tóth: Erythrosine B catalyzed photoredox arylation-cyclization of N-alkyl-N-aryl-2-(trifluoromethyl)acrylamides, 18th Tetrahedron Symposium, 27-30 June 2017 Budapest, Hungary, 2017
Béke Ferenc, Gonda Zsombor, Tischler Orsolya, Petró Milán, Novák Zoltán, Tóth Balázs László: N-Alkil-N-aril-2-(trifluorometil)akrilamidok arilezése és gyűrűzárása Eritrozn B katalizált fotoredox reakcióban, Vegyészkonferencia 2017, 2017. Június 19-21, Hajdúszoboszló, 2017
Béke Ferenc, Gonda Zsombor, Tischler Orsolya, Petró Milán, Novák Zoltán, Tóth Balázs: Trifluormetil-oxindolok szintézise fotokatalitikus gyűrűzárási reakcióban, Heterociklusos és Elemorganikus Kémiai Munkabizottság ülése Balatonszemes, 2017. május 15-17, 2017
Sipos Gellért, Novák Zoltán: Rézkomplexek szintézise és alkalmazása fotoredox katalízisben, Vegyészkonferencia 2017, 2017. Június 19-21, Hajdúszoboszló, 2017, 2017
Földesi Tamás, Sipos Gellért, Adamik Réka, Tóth Balázs, Timothy J. Peelen, Novák Zoltán: Rézkomplexek alkalmazása fotokémiai átalakításokban, Heterociklusos és Elemorganikus Kémiai Munkabizottság ülése Balatonszemes, 2018. június 6-8, 2018
Tamás Földesi, Bálint Nagy, Réka Adamik, Gellért Sipos, Zoltán Novák: Design of novel diimine-based copper complexes and their application as photoredox catalysts, 19th Tetrahedron Symposium 26-29 June 2018 | Riva del Garda, Lake Garda. Italy, 2018
Réka Adamik, Tamás Földesi, Bálint Nagy, Gellért Sipos, Zoltán Novák: Synthesis of novel copper based photocatalysts and their application as photoredox transformations, BOSS XVI 16th Belgian Organic Synthesis Symposium Brussels, Belgium - July 8-13, 2018, 2018
F. Béke, Zs. Gonda, O. Tischler, M. Petró, Z. Novák, B. L. Tóth: Erythrosine B photocatalyzed synthesis of 3‐(trifluoromethyl)indolin‐2‐ones by arylative cyclization, BOSS XVI 16th Belgian Organic Synthesis Symposium Brussels, Belgium - July 8-13, 2018, 2018
Adamik Réka Anna: HOMOLEPTIKUS RÉZ-FENANTROLIN KOMPLEXEK SZINTÉZISE ÉS ALKALMAZÁSA FOTOREDOX KATALÍZISBEN, BME MSc szakdolgozat, 2018
Petró Milán: Trifluormetil-oxindol származékok előállítása láthatófénnyel aktivált fotoredox katalízis segítségével, ELTE BSc. szakdolgozat, 2017
Tamás Földesi, Réka Adamik, Gellert Sipos, Bálint Nagy, Balázs László Tóth, Attila Benyei, Krisztina Szekeres, Győző Láng, Attila Demeter, Timothy Peelen and Zoltán Novák: Design and application of diimine-based copper(I) complexes in photoredox catalysis, Organic and Biomolecular Chemistry, 2019
FÖLDESI Tamás, NAGY Bálint, ADAMIK Réka, SIPOS Gellért, NOVÁK Zoltán: Design of novel diimine-based copper complexes and their application as photoredox catalysts, XXIV. Nemzetközi Vegyészkonferencia, 2018. október 24-27. Szováta, Románia, 2018
Adamik Réka: Homoleptikus réz-fenantrolin komplexek szintézise és alkalmazása fotoredox katalízisben, Szóbeli Előadás, OTDK 2019, Kémiai és Vegyipari Szekció, BME, 2019. március 21-23., 2019
Nagy Bálint: "Új fotokatalizátorok szintézise és alkalmazása látható fénnyel kiváltott szerves kémiai átalakításokban ", ELTE TDK dolgozat 2019, 2019
Tamás Földesi, Zsombor Gonda, Bálint Nagy, Zoltán Novák: Synthesis of carbazole substituted dyes, XXV. Vegyészkonferencia, Kolozsvár, 2019.10.24-26.; poszter prezentáció, 2019
Nagy Bálint, Gonda Zsombor, Béke Ferenc, Varga Bálint, Novák Zoltán: Karbazol-tartalmú fotokatalizátorként alkalmazható festékmolekulák szintézise és alkalmazása szerves kémiai átalakításokban, MKE Vegyészkonferencia 2019, Eger, 2019. 06. 24-26.; poster prezentation, 2019
Zsombor Gonda, Zoltán Novák: Carbazolyl substituted dyes: synthesis and application, Markovnikov Congress on Organic Chemistry, Oroszország, Kazan, 2019 június 24-28.;poster presentation, 2019
Adamik Réka Anna, Földesi Tamás, Nagy Bálint, Sipos Gellért, Novák Zoltán: Újfajta rézalapú fotokatalizátorok előállítása és alkalmazása fotoredox átalakításokban, MKE Vegyészkonferencia 2019, Eger, 2019. 06. 24-26., poster presentation, 2019
Zoltán Novák, Bálint Varga, Ferenc Béke, Tamás Földesi, Balázs Tóth, Bálint Nagy, Gellért Sipos, Zsombor Gonda, Réka Adamik, Timothy J. Peelen: Utilization of novel photocatalytic systems for functionalization and ring constructions reactions, ACS Spring 2020 National Meeting & Expo, March 22-26, 2020. oral presentation, 2020




 

Events of the project

  
2018-06-28 15:50:14
Résztvevők változása
2018-04-16 11:01:59
Résztvevők változása
2017-04-19 15:25:43
Résztvevők változása



Back »