Examination of hyperpolarization in aqueous media with para-hydrogen  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
115535
Type PD
Principal investigator Papp, Gábor
Title in Hungarian Hiperpolarizáció vizsgálata vizes közegben para-hidrogénnel
Title in English Examination of hyperpolarization in aqueous media with para-hydrogen
Keywords in Hungarian para-hidrogén, hidrogénezés, fémorganikus katalízis, szulfonált foszfin, PHIP
Keywords in English para-hydrogen, hydrogenation, organometallic catalysis, sulfonated phosphine, PHIP
Discipline
Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences)70 %
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)30 %
Ortelius classification: Physical chemistry
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Department of Physical Chemistry (University of Debrecen)
Starting date 2016-01-01
Closing date 2018-12-31
Funding (in million HUF) 9.045
FTE (full time equivalent) 2.60
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 para-hidrogén indukált polarizáció (PHIP - Para-Hydrogen Induced Polarization) kiváltásának és alkalmazhatóságának tanulmányozása mind alap- mind pedig alkalmazott kutatási szempontból kiemelkedő jelentőségű lehet. A katalitikus hidrogénezési reakciók alapvetőnek tekinthetőek a szerves kémiai szintézisekben, melyek mechanizmusának megismerése az aktív katalizátorok tervezése szempontjából is igen fontos. Tervezett munkám célja vizes közegben alkalmazható – korábban már hidrogénezési reakciókban aktívnak bizonyult – Ru-, Rh-, Ir-komplexek előállítása és tesztelése para-hidrogénezési reakciókban. Továbbá tervezem eddig még nem használt telítetlen szubsztrátum molekulák esetében a para-H2-nel történő redukciót. Egy olyan technika (Field Cycling) alkalmazását fogom kivitelezni amellyel a polarizáció nagysága és élettartama fokozható. Ebben az esetben a katalitikus hidrogénezési reakciókat csökkentett mágneses térben hajtjuk végre úgynevezett mu-metal pajzs segítségével. A para-hidrogén indukált polarizáció egy másik, igen fontos alkalmazási területe a modern képalkotó orvosdiagnosztika, ahol a megnövekedett jel intenzitások az MRI felvételek kontrasztosabbá válását teszik lehetővé. Ennek megfelelően munkám alapvető célja a vizes közegben képződő és elő szervezetben is jelen lévő úgynevezett biomolekulák (piruvát, fumarát, telítetlen aminszármazékok, stb.) ilyen típusú jelzése, előállítása PHIP vagy SABRE effektusok kihasználásával. Az íly módon előállított jelzett molekulákat pedig nemzetközi együttműködés keretében tervezem in vivo körülmények között is tesztelni.

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 para-hidrogén indukált polarizáció kivitelezése vizes közegben központi kérdése a jelzett biomolekulák előállítására és aktív hidrogénező katalizátorok fejlesztésére irányuló kutatásoknak. A vizes-szerves kétfázisban végrehajtott hidrogénezési reakciók mechanizmusának megismerése az aktívabb katalizátorok tervezése szempontjából fontos. A vizes közegben lejátszódó reakciók termékeként képződő, szervezetben is előforduló biomolekulák igen nagy NMR aktivitása lehetővé teszi ezek képalkotó orvosdiagnosztikai (MRI) alkalmazását. A korábban már sikeresen alkalmazott nemesfém komplex katalizátorok továbbfejlesztése, tulajdonságainak vizsgálata indokolt az aktivitás növelése és a felhasználhatóság szempontjából. Az alkalmazott szubsztrátumok körének bővítése pedig azok alkalmazási körét szélesítik, akár a költségesebb nemesfém katalizátorok árán is. A para-hidrogén által kiváltott polarizáció intenzitásának és élettartamának növelése pedig kulcskérdés lehet az esetleges in vivo alkalmazásokban. Ennek egyik alkalmas módja az úgynevezett Field Cycling technika, amelyben a közel nulla mágneses tér eredményeként kapunk még nagyobb és hosszabb élettartamú NMR jelintenzitásokat. Tervezett munkám során vízoldható Ru-, Rh-, Ir-foszfin komplexek előállítását és alkalmazását fogom elvégezni para-hidrogénezési reakciókban és a termékként képződő jelzett biomolekulák tesztelését fogom elvégezni in vivo MRI körülmények között is nemzetközi együttműködés keretében. Az indukált polarizáció élettartamának és nagyságának növelése érdekében a korábban már sikeresen elvégzett para-hidrogénezési reakciókat csökkentett mágneses térben is el fogom végezni.

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 projekt keretében tervezett munka eredményeképpen előállított nemesfém (Ru, Rh, Ir) komplexek fejlesztése és tulajdonságainak szélesebb körben történő feltérképezése a gyakorlati alkalmazhatóság növekedését vonja maga után. Az újabb típusú vízben oldódó komplexek (pl. Ir-NHC-foszfinok, NHC: N-heterociklusos karbén) hidrogénező katalizátorként való tesztelése pedig új reakciók tervezését teszik lehetővé. A lejátszódó reakciók mechanizmusának megismerése (a para-hidrogén indukált polarizáció NMR intenzitás növelő hatásának köszönhetően) a termék specifikus katalizátorok tervezését teszi lehetővé. Továbbá a para-hidrogénezési reakciókban képződő nagy NMR intenzitással bíró szervezetben is előforduló biomolekulák (piruvát, fumarát, aminok, stb.) a képalkotó orvosdiagnosztika (MRI) számára meghatározó jelentőségűek. Az így jelzett vegyületek in vivo alkalmazása és alkalmazhatósága kulcskérdés a modern orvostudomány számára. Ebben az esetben is kiemelkedő jelentőséggel bír a vizes közeg alkalmazása, hiszen ezen anyagféleségek természetüknél fogva vízben oldódnak. A projekt során végzett kísérletek ezen molekulák képződésének és felhasználhatóságának optimalizálását teszik lehetővé. A zéró mágneses térben végzett hidrogénezési reakciók tesztelése a Ru-, Rh- és Ir-komplexek esetében további jelentőséggel bír mivel a korábban már igazoltan alkalmas katalizátorok aktivitásának növelése az alapkutatás kérdéskörén túl a szintén a gyakorlati felhasználhatóságot eredményezheti. A jelzett biomolekulák élettartamának és a jelzés intenzitásának növelése a csökkentett mágneses tér alkalmazásával az orvosdiagnosztikai felhasználhatóság lehetősége növekszik. Továbbá a szubsztrátum molekulák körének szélesítése szintén az alkalmazási/alkalmazhatósági terület bővülését jelenti.

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 adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A tervezett kutatás eredményeképpen olyan vízben oldódó katalizátorok előállítását valamint hidrogénezési reakciókban való tesztelését fogom elvégezni amelyek segítségével a korábban már ismert Ru-, Rh-, Ir-komplexek alkalmazáshatósága válik széleskörűbbé. A speciális méréstechnika alkalmazása lehetővé teszi ezen katalitikus folyamatok mélyebb megértését, ezáltal növelve a még hatékonyabban alkalmazható katalizátorok tervezésének lehetőségét. A reakciókban képződő, élő szervezetben is jelenlévő molekulák mágneses tulajdonságainak megváltozása pedig azt eredményezi, hogy ezen termék vegyületek alkalmasak a modern orvosdiagnosztikai alkalmazások (elsősorban MRI) számára. A tervezett program további célja, hogy eddig még nem alkalmazott szubsztrátum molekulák jelzésén keresztül az alkalmazhatóság köre bővüljön. Továbbá a projekt keretében tervezett eszköz (mu-metal pajzs) beszerzése és alkalmazása az adott reakciókban tovább növeli az alkalmazott méréstechnika hatékonyságát. Ezért a korábban már sikeresen kivitelezett para-hidrogénezési reakciók esetében is tervezem a csökkentett mágneses tér alkalmazását, minthogy ezen általánosan alkalmazott katalitikus folyamatok tulajdonságainak mélyebb megismerése és megértése rendkívül fontos kérdés mind az alapkutatásban mind pedig a gyakorlatban való alkalmazhatóság tekintetében.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

Initiation and study of para-hydrogen induced polarization (PHIP) are important both in fundamental and applied research. Catalytic hydrogenation reactions are fundamental in organic synthesis, while understanding of the reaction mechanisms is very important with respect to design of active catalysts. My aim is the preparation of water soluble – earlier results were proved the hydrogenation activity of these complexes – Ru-, Rh-, Ir-complexes and use of these in parahydrogenation reactions. On the other hand I planed hydrogenation of unsaturated substrate molecules are not tested before in aqueous solutions with para-H2. Furthermore I plan to apply such technique (Field Cycling) which can enhance the extent and the life time of polarization. In this case we carry out the catalytic hydrogenation in the reduced magnetic field by using a mu-metal shield. The other large area of using para-hydrogen is the modern medical imaging diagnostic techniques where the MRI image can have better contrast using hyperpolarized molecules. In my planned work my basic aim is to synthetize and label important biocompounds (pyruvate, fumarate, unsaturated amines, etc.) formed in aqueous medium and found in living organisms by taking advantage of PHIP or SABRE (Signal Amplification By Reversible Exchange) effect.

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 para-hydrogen induced polarization in aqueous medium is in the focus of interest. Studying of the hydrogenation reaction mechanisms in aqueous/organic biphasic system is important to plan more active catalysts. Biocompounds, which can be obtained as products in the aqueous catalytic reaction with para-hydrogen and that can be found in living organisms, can have high NMR activity that enables to apply the medical imaging (MRI) diagnostic. Development and examination of the properties of the previously applied noble metal complexes caused the broad applicability. The extended range of unsaturated substrate molecules are caused widely field of use. Increasing the extent of para-hydrogen induced polarization activity and life time of the polarized molecules is key issue in the in vivo application. One suitable way of this is the Field Cycling method in which the higher and longer life time NMR signal intensity can be obtained by using reduced magnetic field. In my planned research I will prepare water soluble Ru-, Rh-, Ir-phosphine complexes and I am going to apply them in para-hydrogenation reactions. I will test the labelled biomolecules formed as products under in vivo MRI conditions. I will carry out the hydrogenation reaction in reduced magnetic field to increase the extent and the life time of induced polarization.

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.

In the framework of this project I plan to prepare several water soluble noble metal (Ru, Rh, Ir) complexes and the development of these catalysts caused their practical applicability were increased. Testing of these water soluble complexes (for example: the newest Ir-NHC-phosphines, NHC: N-heterocyclic carbene) as catalyst can allow the planning of new reactions. Furthermore planning of product-specific catalysts can be made possible by understanding the reaction mechanisms, as well. Biomolecules (such as pyruvate, fumarate, amines etc.) obtained in para-hydrogenation reactions and occuring in living organisms are highly important formed it can imaging diagnostics (MRI). Thus the in vivo application of the labelled compounds is a key issue for modern medicine. Since these type of materials inherently are soluble in water the application of aqueous medium has outstanding importance. Experiments done during this project enable optimization of the synthesis of metal complex catalysts and their application. In case of Ru-, Rh-, Ir-complexes hydrogenation reactions carried out in zero magnetic field are highly important since increasing the activity of existing/available complexes could bring significant developments not only in basic research but in the practical use of such catalysts, as well. The life time and the enhancement of these biomolecules were increased by use of close-to-zero magnetic field, and it caused the opportunity of medical imaging (primarily MRI) also. Furthermore, the area of application will be expanded by the extended range of unsaturated substrate molecules.

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 NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

In the framework of my planned research I am going to prepare known water soluble Ru-, Rh-, Ir-complexes and will test these catalysts in hydrogenations using para-hydrogen. Deeper understanding of catalytic reactions can be allowed by the use of the special methodology of the planned research (field cycling) what will facilitate of the design of more efficient catalysts. The special magnetic properties of biocompatible molecules formed in catalytic hydrogenations with para-hydrogen make them suitable for modern medical diagnostics (especially MRI). On the other hand, my planned research project include the expansion of application through has not been used unsaturated substrate molecules. Furthermore, purchase and application of the equipment (mu-metal shield) planned with in this project is will increase the efficiency of the PHIP methodology. In addition to the study of known parahydrogenation reactions from our earlier measurements will test under close-to-zero magnetic field. The results of these measurements can help to make these catalysts (or devise new ones) more applicable in basic research and in medical diagnostical practice.





 

Final report

 
Results in Hungarian
Különböző vízoldható telítetlen karbonsavak hidrogénezésében jellemeztük több Ir-NHC-foszfin komplex katalitikus aktivitását, és megállapítottuk, hogy az megfelel para-hidrogénezési reakciók katalíziséhez. Módszert dolgoztunk ki különböző vízoldható Rh(I)- és Ir(I)-NHC/foszfin-komplexek katalitikus alkalmazására vizes közegű para-hidrogénezési reakciókban, modellvegyületként propargil- és allil-alkoholt használva. Megállapítottuk, hogy a csökkentett mágneses tér alkalmazása ezekben a rendszerekben az 1H-NMR-jelek intenzitását nem növelte jelentős mértékben. Előállítottunk egy új típusú Ir-mtppms-dihidridet (mtppms = monosulfonált trifenilfoszfin) melyet alkalmasnak találtunk mind vizes közegű para-hidrogénezésben mind pedig a homogénkatalitikus hidrogéntárolásban szerepet játszó szelektív hangyasav bontásban. Ugyanezen komplex katalizátorral áramló közegben (mikrofluidikai reaktor) demonstráltuk, hogy ilyen körülmények között formiát-sók vizes oldatában a hidrogén tárolása és felszabadítása egyszerűen és dinamikusan vezérelhető a hőmérséklet szabályozásával. Vízoldható katalizátorok alkalmazásával reduktív aminálási reakciót dolgoztunk ki nagy felbontású glikán-analitika céljára.
Results in English
The catalytic activities of several Ir-NHC-phosphine complexes were characterized in hydrogenation of unsaturated carboxylic acids. It was established that their catalytic properties allow their use in catalysis of para-hydrogenation reactions, too. A simple and effective methodology was developed for the application of Rh(I)- and Ir(I)-NHC/phosphine complex catalysts in para-hydrogenations in aqueous media – propargyl and allyl alcohols were used as model substrates. It was established that in these system application of decreased magnetic field did not increase significantly the intensity of the 1H-NMR signals. A new Ir-mtppms-dihydride (mtppms = monosulfonated triphenylphosphine) was synthesized which was found active in both para-hydrogenation and in the dehydrogenation of formic acid; the latter reaction plays important role in chemical hydrogen storage. The Ir-mtppms-dihydride catalyst also proved useful for hydrogen generation from aqueous solution of formate salts in flow reaction systems (in a microfluidic reactor). It was demonstrated that the volume of generated hydrogen could be regulated simply and dynamically by regulating the temperature. With the use of water-soluble catalysts we have developed a new method for glycan analysis based on reductive amination.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=115535
Decision
Yes





 

List of publications

 
Gábor Papp,Gábor Ölveti,Henrietta Horváth,Ágnes Kathó,Ferenc Joó: Highly efficient dehydrogenation of formic acid in aqueous solution catalysed by an easily available water-soluble iridium(III) dihydride, DALTON TRANSACTIONS 45: pp. 14516-14519., 2016
Horváth Henrietta,Papp Gábor,Kovács Henrietta,Kathó Ágnes,Joó Ferenc: Iridium(I) NHC-phosphine complex-catalyzed hydrogen generation and storage in aqueous formate/bicarbonate solutions using a flow reactor - Effective response to changes in hydrogen demand, INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY, 2019
I Szatmári,G Papp,F Joó,Á Kathó: Promoter effect of bicarbonate in hydrogenation of cinnamaldehyde catalyzed by a water-soluble Ru(II)-phosphine complex, INORGANICA CHIMICA ACTA, 2017
Joó Ferenc,Papp Gábor,Horváth Henrietta,Kathó Ágnes: Hidrogén tárolása homogén katalitikus kémiai rendszerekben, MAGYAR KÉMIAI FOLYÓIRAT - KÉMIAI KÖZLEMÉNYEK (1997-) 123: (4) pp. 196-202., 2017
Kovacs Z,Papp G,Horvath H,Joo F,Guttman A: A novel carbohydrate labeling method utilizing transfer hydrogenation-mediated reductive amination., JOURNAL OF PHARMACEUTICAL AND BIOMEDICAL ANALYSIS 142: pp. 324-327., 2017
Papp Gábor: Szelektív hidrogénezés vízoldható átmeneti-fém-foszfát komplex katalizátorokkal, MAGYAR KÉMIKUSOK LAPJA 72: (2) pp. 39-40., 2017
I Szatmári, G Papp, F Joó, Á Kathó: Promoter effect of bicarbonate in hydrogenation of cinnamaldehyde catalyzed by a water-soluble Ru(II)-phosphine complex, INORG CHIM ACTA &: (&) &, 2017
Joó Ferenc, Papp Gábor, Horváth Henrietta, Kathó Ágnes: Hidrogén tárolása homogén katalitikus kémiai rendszerekben, MAGY KÉM FOLY KÉM KÖZL 123: (4) 196-202, 2017
Kovacs Z, Papp G, Horvath H, Joo F, Guttman A: A novel carbohydrate labeling method utilizing transfer hydrogenation-mediated reductive amination., J PHARMACEUT BIOMED ANAL 142: 324-327, 2017
Papp Gábor: Szelektív hidrogénezés vízoldható átmeneti-fém-foszfát komplex katalizátorokkal, MAGY KEM LAP 72: (2) 39-40, 2017
Gábor Papp, Gábor Ölveti, Henrietta Horváth, Ágnes Kathó, Ferenc Joó: Highly efficient dehydrogenation of formic acid in aqueous solution catalysed by an easily available water-soluble iridium(III) dihydride, DALTON T 45: 14516-14519, 2016




Back »