Synthesis of heterocyclic molecules in photocatalytic transformations
Keywords in Hungarian
fotokémia, katalízis, heterociklusok
Keywords in English
Photochemistry, Catalysis, Heterocycles
Discipline
Organic, Biomolecular, and Pharmaceutical Chemistry (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Intermedier chemistry
Panel
Chemistry 2
Department or equivalent
Institute of Chemistry (Eötvös Loránd University)
Participants
Novák, Zoltán
Starting date
2017-10-01
Closing date
2021-09-30
Funding (in million HUF)
15.219
FTE (full time equivalent)
3.20
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 szerves kémia tudományban mindig fontosak az újfajta aktiválási eljárások. Az egyik ilyen lehetőség a fotoredox katalízis ahol látható fényt lehet használni egy-elektron átmenettel járó reakciókban, hatékonyan és ellenőrizhető módon. A kutatás fő célja látható fénnyel és átmeneti fémmentes fotokatalizátorok segítségével kivitelezett gyűrűzárási reakciók vizsgálata és fejlesztése heterocikulusok előállítására. Az előállítandó öt, hat és héttagú heterociklusok biológiai hatásuknak köszönhetően alkalmasak lehetnek gyógyszer- vagy növényvédőszeripari felhasználásra. A kutatás során olyan átalakításokat szeretnénk kidolgozni, mely egyszerűen megvalósítható körülmények között, könnyen hozzáférhető anyagok használatát teszik lehetővé. Így nemcsak az akadémiai de az ipari kutatások során is alkalmazható eljárásokhoz juthatunk.
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 látható fénnyel kiváltott fotoredox kémia még gyerekcipőben jár. A kezdetben nehezen előállítható és drága katalizátorokat alkalmaztak, de ezeken az átalakításokon mindenképpen változtatni kell. A pályázat legnagyobb kihívása az alkalmas katalizátor rendszer megtalálása. A katalizátorok és a gyűrűzárási reakciók vizsgálata az átalakítás jobb megértését segítené elő. Az előálítható heterociklusoknál a szelektivitás és a funkcióscsoport tolerancia vizsgálata szintén a kutatás részét képezné.
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 kutatás átmenetifémmentes fotoredox katalizátorok felhasználásával csökkentené az átalakítások ökológiai lábnyomát. A látható fény (napfény) hatására végbemenő gyűrűzárási reakciók megújuló illetve energiatakarékos fényforrásokat használnának. Így hosszútávon elérhető lenne, hogy a látható fénnyel kiváltott fotoredox katalízis mindennapi gyakorlattá váljon a szerves kémiai kutatások során. Ezáltal a fotokémiai átalakításban előállítható új vegyületek közül a biológiai rendszerekben is alkalmazhatóak, új molekulákat eredményezne a gyógyszerkutatás számára.
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. Az emberiség rendkívüli fejlődésen ment keresztül az elmúlt századokban, ennek egyik fő oka, hogy egyre jobban tudjuk hasznosítani a földi erőforrásokat. Napjainkban is fosszilis energiahordozók jelentik a fő energiaforrásokat, melyek a folyamat fenntarthatóságát és a fenntartató fejlődést kérdőjelezik meg. Az elmúlt száz évben az emberiség létszámának megnégyszerezéséhez hozzájáruló gyógyszeriparnak is a földgáz és a kőolaj a fő alapanyaga és energiahordozója. A szintetikus szerves kémia egy új, feltörekvő területe a fotoredox katalízis, melynek segítségével egy lépésben és kevesebb energia befektetése árán állíthatóak elő olyan komplex szerves molekulák, melyeket a gyógyszeripar is hasznosíthat. Az átalakítás során felhasznált anyagok nehézfém mentesek ezáltal a reakció ökológiai lábnyoma kisebb lesz, valamint a látható fény létrehozása nem igényel költséges berendezést. Az enyhe körülmények között kis anyagi és energiaráfordítással előállítható heterciklusos vegyületek előállítása, hozzájárul egy fenntartható szerves vegyipar kialakulásához.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. New synthetic methods of activation are always important in organic chemistry. Such an option is photoredox catalysis, where visible light can be used in single-electron transfer reactions in an effective and controllable manner. The main goal of this research is to investigate and develop ring closure reactions to prepare heterocycles using visible light and photocatalysts without transition metals. Due to their biological activity, the five, six, or seven-membered heterocycles are good candidates to be used in the pharmaceutical or plant protection industry. During the research, we will aim to develop procedures that would allow using easily accessible substances and simply achievable reaction conditions. Thus, the result would be a procedure not only applicable in academic research but also in industrial research.
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 chemistry of visible light-induced photoredox reactions is still in its infancy. The first catalysts that were used were costly and difficult to produce, but these transformations certainly have to be changed. The greatest challenge in this project is finding the suitable catalyst system. The study of catalysts and ring closure reactions would promote a better understanding of transformation reactions. For the preparable heterocycles, investigating selectivity and functional group tolerance would also be part of the 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 research would decrease the ecological footprint of transformation reactions by using photoredox catalysts without transition metals. Ring closure reactions induced by visible light (sunlight) use renewable and energy efficient light sources. Thus, on the long run, we could make visible light-induced photoredox catalysis an everyday practice in organic chemistry research. Out of the new compounds that can be prepared with photochemical transformation, the ones with biological applicability can provide new candidate molecules for pharmaceutical research.
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. Humanity went through a fascinating development during the past centuries. One of the main reasons for this is our increasing ability to utilize the resources on Earth. Today, fossil fuels are our principal sources of energy, making it questionable whether this course can be maintained and our development is sustainable. During the last hundred years, the pharmaceutical industry contributed to quadrupling the human population, also using natural gas and petroleum as its main raw materials and energy carriers. Photoredox catalysis is a new, emerging field in synthetic organic chemistry, giving us the possibility to produce complex organic molecules in a single step requiring less energy, which can be useful for the pharmaceutical industry as well. The substances used during these transformation reactions are free from heavy metals, thus the ecological footprint of the process is reduced. In addition, it does not require any expensive equipment to produce visible light. Preparing heterocyclic compounds under mild conditions with reduced financial and energy costs can help the foundation of a sustainable organic chemical industry.
Final report
Results in Hungarian
Nikkel-irídium kettős fémkatalizált fotokémiai reakció dolgoztunk ki szubsztituált benzil szulfóniumsók és N-Boc-prolin dekarboxilatív alkilezési reakciójában. Munkánk során 18 szulfóniumsó felhasználásával számos benzilpirrolidinszármazékot állítottunk elő látható fény besugárzás segítségével. Iridium kiváltására alkalmas új, változatos szerkezettel rendelkező karbazolszubsztituált izoftalonitril (CzIPN) és szubsztituált ftálimidszármazékokat állítottunk elő és megmutattuk fotokatalizátorként való alkalmazhatóságukat négy különböző szerves kémiai átalakításban. A ftálimidszármazékok egy másik csoportját képező redoxaktív észterek fotokatalitikus körülmények között elvégezhető borilezési reakcióját vizsgáltuk és a szintetikus alkalmazhatóság bemutatása mellett kísérleti úton és kvantumkémiai számítások segítségével is tettünk javaslatot a gyökös átalakulás mechanizmusára.
UV fény és fluoreszcens jelzőmolekulák segítségével sikerült szerves molekulák palládiumszennyezőit kimutatni és detektálni, melyet ICP-MS mérések segítségével is igazoltunk. Az eredmények hozzájárultak annak bizonyítására, hogy az organokatalitikusnak vélt Suzuki-Miyaura kapcsolás valójában ppm mennyiségű palládium jelenléte okozza, melyek az amin katalizátor szolgáltat a reakció számára. A posztdoktori kutatás keretében hipervalens jódvegyületek felhasználásával sikeresen dolgoztunk ki hatékony fluoralkenilezési eljárást különböző nitrogén tartalmú heterociklusos molekulák N-trifluorpropenilezésére.
Results in English
A nickel-iridium dual metal-catalyzed photochemical reaction was developed in the decarboxylative alkylation reaction of substituted benzyl sulfonium salts and N-Boc-proline. Our work involved the preparation of a series of benzylpyrrolidine derivatives using 18 sulfonium salts under visible light irradiation. Novel carbazole-substituted isophthalonitrile (CzIPN) and substituted phthalimide derivatives with diverse structures suitable for iridium substitution were prepared and their applicability as photocatalysts in four different organic chemical transformations was demonstrated. We have investigated the photocatalytic borylation reaction of redox-active esters, another group of phthalimide derivatives. In addition to demonstrating their synthetic applicability, we proposed a mechanism for the radical transformation by experimental and quantum chemical calculations.
Using UV light and specially designed fluorescent molecules, palladium contaminants in organic molecules were detected and verified in parallel measurements by ICP-MS measurements. The results contributed to reveal the mechanism of so-called organocatalytic Suzuki-Miyaura coupling, and it was found that the coupling is catalyzed by ppm amounts of palladium, which was supplied by the amine catalyst for the reaction. An efficient fluoroalkenylation procedure for the N-trifluoropropenylation of heterocyclic molecules with different nitrogen contents was successfully developed using hypervalent iodine compounds.
Gonda Zsombor, Földesi Tamás, Nagy Bálint, Novák Zoltán: Modular synthesis of carbazole substituted phthalimides as potential photocatalysts, SYNTHESIS-STUTTGART 2021: In press, 2021
Novák Zoltán, Csenki János Tivadar, Mészáros Ádám, Gonda Zsombor: Stereoselective Direct N‐Trifluoropropenylation of Heterocycles with a Hypervalent Iodonium Reagent, CHEMISTRY-A EUROPEAN JOURNAL 2021: In press, 2021
Balázs L. Tóth, Gergő Sályi, Attila Domján, Orsolya Egyed, Attila Bényei, Zsombor Gonda, Zoltán Novák: Z-Selective Fluoroalkenylation of (Hetero)Aromatic Systems by Iodonium Reagents in Palladium-Catalyzed Directed C-H Activation, Adv. Synth. Catal. 2021: In press, 2021, 2021
Zoltán Novák, Réka Adamik, János T. Csenki, Ferenc Béke, Regina Gavaldik, Bálint Varga, Bálint Nagy, Zoltán May, János Daru, Zsombor Gonda, Gergely L. Tolnai: Revision of amine-catalysed Suzuki coupling, Nature Catalysis 2021: In press, 2021, 2021
Varga Bálint, Gonda Zsombor, Tóth Balázs László, Kotschy András, Novák Zoltán: A Ni-Ir Dual Photocatalytic Liebeskind Coupling of Sulfonium Salts for the Synthesis of 2-Benzylpyrrolidines,, EUROPEAN JOURNAL OF ORGANIC CHEMISTRY 2020: (10) pp. 1466-1471., 2020
Gonda Zsombor, Novák Zoltán: Carbazolyl substituted dyes: synthesis and application, Markovnikov Congress on Organic Chemistry, Kazan, Russia, June 23-28, 2019, 2019
Földesi Tamás, Gonda Zsombor, Nagy Bálint, Novák Zoltán: Synthesis of carbazole substituted dyes, 25th International Conference on Chemistry, Cluj-Napoca, Romania, October 24-26. 2019, 2019
Varga Bálint, Gonda Zsombor, Tóth Balázs László, Kotschy András, Novák Zoltán: Development of Ni-Ir dual photocatalytic Liebeskind coupling of sulfonium salts for the synthesis of 2-benzylpyrrolidines, EUROPEAN JOURNAL OF ORGANIC CHEMISTRY 2019: In press, 2019
Varga Bálint, Gonda Zsombor, Tóth Balázs, Kotschy András, Novák Zoltán: 2-benzilpirrolidine előállítása Ni-Ir rendszer által katalizált fotoredox Liebeskind kapcsolással, Heterociklusos és Elemorganikus Kémiai Munkabizottság ülése Balatonszemes, 2019. június 3-5., 2019
