Heterociklusos molekulák funkcionalizálására szolgáló új módszerek kidolgozása
Title in English
Design of novel methods for the functionalization of heterocyclic molecules
Keywords in Hungarian
heterociklusok, funkcionalizálás, jodóniumsók
Keywords in English
heterocycles, functionalization, iodonium salts
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
Földesi, Tamás Mészáros, Ádám Novák, Zoltán Tóth, Balázs László
Starting date
2018-12-01
Closing date
2021-08-31
Funding (in million HUF)
19.858
FTE (full time equivalent)
3.05
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Napjainkban az agrokémiai és gyógyszerkémiai kutatásokban számos heterociklusos vegyület fordul elő. A kutatás fő célja N-alkenil heterociklusok előállítása N-H és N-C heterociklusokból jodóniumsók segítségével az N-alkenilezési reakció vizsgálatával és fejlesztésével. 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 heteroaromás vegyületek N-alkenilcsoportjainak kialakítására eddig leírt módszerek erélyes körülményeket és nemkívánatos nehézfém-katalizátorokat, esetenként katalizátorrendszereket igényeltek vagy a reagensekből visszamaradó melléktermékektől nehéz megszabadulni. Az enyhe és átmenetifém-mentes körülmények között reagáló alkenilező reagens megtalálásával jelentősen kedvezőbbé tehető az alkenil-heterociklusok előállítása, ahol a heterociklus és a reagens szelektivitás, és a funkciós csoport 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 az átmenetifém-mentes reagens és reakciókörülmények felhasználásával csökkentené az átalakítás ökológiai lábnyomát. A reakció során a reagensből keletkező melléktermék szintén értékes arilvegyülethez juthatunk, így nem csak egy, hanem két hasznos termékhez juthatunk egy reakcióban, amelyet akár egy-üst eljárásban szintén felhasználhatunk. Az átalakításban előállítható új vegyületek közül számos, a biológiai rendszerekben is alkalmazható és 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. 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 régóta keresi azokat a reagenseket, melyek segítségével egy lépésben és kevesebb energia befektetése árán állíthatók elő olyan komplex szerves molekulák, melyeket a gyógyszeripar is hasznosíthat. Az átalakítás során felhasznált anyagok nehézfém-mentesek ezáltal a reakció ökológiai lábnyoma kisebb lesz. A heterociklusos vegyületek enyhe körülmények között kis anyagi és energiaráfordítással történő előállítása hozzájárul egy fenntarthatóbb szerves vegyipar kialakulásához.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Nowadays, agrochemical and pharmacochemical research use many heterocyclic compounds. The main goal of this research is to investigate and develop ring closure reactions of N-H and N-C heterocycles to prepare N-alkenyl heterocycles using iodonium salts. Due to their biological activity, the five, six, or seven-membered heterocycles are appropriate candidates to be used in the pharmaceutical or crop protection industry. During the research, we 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 chemistry.
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 described methods for the preparation of N-alkenyl groups of heteroaromatic compounds so far have required strong reaction conditions, undesirable heavy metal catalysts, sometimes catalyst systems, or have resulted by-products coming from reagents and difficult to get rid of. By developing a family of alkenylation reagents which react under mild and transition metal-free conditions, it is possible to make the alkenyl containing heterocycles more advantageous. The investigation of heterocycles’ and reagents’ 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. This research would reduce the ecological footprint of the procedure by using transition metal free reagents and reaction conditions. In these transformations, the by-product derived from the reagent can also be a valuable aryl compound, opening the path for further one pot routes. The new compounds that would be prepared easily through simple transformations, would widen the accessible biologically active molecule pool. That provides 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. Nowadays, fossil fuels are our principal sources of energy, making it questionable whether this progress can be maintained or 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. The synthetic organic chemistry giving us the possibility to produce complex organic molecules in the least step, requiring less energy, which can be useful for the pharmaceutical industry as well. This would reduce our ecological footprint by avoiding unnecessary steps and toxic transition metals. In addition to, preparing heterocyclic compounds under mild conditions with decreased financial cost and lowered energy demand helps the foundation of a more sustainable organic chemical industry.
Final report
Results in Hungarian
Az alkenilezési reakciók témakörében jodóniumsók segítségével valósítottunk meg direkt fluoralkenilezési reakciókat aromás és heterociklusos molekulákon átmenetifém-mentes és palládiumkatalizált reakciók felhasználásával. Munkánk során kidolgoztunk egy olyan eljárást, amely lehetővé teszi különböző nitrogén heterociklusos molekulák NH csoportjának átalakítását fluoros enamin részletté, sztereoszelektív módon. A reakciók mechanizmust vizsgáltuk mind kísérleti mind pedig elmélet módszerek segítségével.
Új alkenijodónium reagenseket állítottunk elő és használtunk fel aromás és heteroaromás vegyületek C-H kötés funkcionalizálására teljes regio- és sztereoszelektivitással. A jodoniumsók segítségével sikerült bizonyítanunk, hogy a Suzuki reakció rendkívül kis mennyiségű palládium jelenlétére is érzékeny, és a kapcsolási reakció ppm mennyiségű fém jelenlétében is hatékonyan lejátszódik, és ez a kis mennyiségű fém felelős az organokatalitikusnak vélt reakcióért.
Results in English
In the field of alkenylation reactions, direct fluoroalkenylation reactions on aromatic and heterocyclic molecules were carried out using transition metal-free and palladium-catalyzed reactions with iodonium salts. In our work, we have developed a procedure for the conversion of NH groups of various nitrogen heterocyclic molecules to fluoro enamine moieties in a stereoselective manner. The reaction mechanism was investigated using both experimental and theoretical methods.
Novel alkenyiodonium reagents were prepared and used for C-H bond functionalization of aromatic and heteroaromatic compounds with full regioselectivity and stereoselectivity. Using the iodonium salts, we have demonstrated that the Suzuki reaction is sensitive to the presence of very small amounts of palladium and that the coupling reaction proceeds efficiently in the presence of ppm amounts of metal, and that this small amount of metal is responsible for the reaction being organocatalytic.
Ádám Mészáros, Anna Székely, Ferenc Béke, Ágnes Tóth, János T. Csenki, András Stirling, Zoltán Novák: Hypervalency aided route to 3,3,3-trifluoropropenylated heterocycles, 1,2-diamines and N-aryl-2-(trifluoromethyl)aziridines, 257th ACS Spring 2019 National Meeting & Expo Egyesült Államok, Florida, Orlando, 2019. március 28 – április 4. szóbeli előadás, 2019
Csenki János Tivadar, Mészáros Ádám, Gonda Zsombor, Novák Zoltán: Nitrogén tartalmú heterociklusok N-trifluorpropenilezése hipervalens jódvegyületekkel, Heterociklusos és Elemorganikus Kémiai Munkabizottság ülése, Balatonszemes, 2019. június 3-5. szóbeli előadás, 2019
Zoltán Novák: CONSTRUCTION AND FUNCTIONALIZATION OF HETEROCYCLES WITH HYPERVALENT REAGENTS, 18th Blue Danube Symposium on Heterocyclic Chemistry, Ljubljana 2019. szeptember 18-21. szóbeli előadás, 2019
Ádám Mészárosa, János Tivadar Csenkia, Zsombor Gondaa, Zoltán Novák: Hypervalency aided route to 3,3,3-trifluoropropenylated heterocycles, Markovnikov Congress on Organic Chemistry, Oroszország, Kazan, 2019 június 24-28. poszter, 2019
