 |
Novel layered composites for catalytic organic reactions
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
128189 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Varga, Gábor |
| Title in Hungarian |
Új típusú réteges anyagok a katalitikus szerves reakciók szolgálatában |
| Title in English |
Novel layered composites for catalytic organic reactions |
| Keywords in Hungarian |
réteges anyagok, funkcionális kompozitok, interkalálás, delaminálás, tandem reaktor, katalitikus kapcsolási reakciók |
| Keywords in English |
layered materials, functional composites, intercalation, delamination, tandem reactor, catalytic coupling reactions |
| Discipline |
| Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences) | 100 % |
|
| Panel |
Chemistry 1 |
| Department or equivalent |
Department of Physical Chemistry and Materials Science (University of Szeged) |
| Starting date |
2018-09-01 |
| Closing date |
2021-08-31 |
| Funding (in million HUF) |
15.807 |
| FTE (full time equivalent) |
3.00 |
| 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 réteges anyagok úgy definiálhatóak a legegyszerűbben, mint olyan szilárd anyagok, amelyek szerkezetében egy (kiemelt) kristálysíkba eső kötések erős, elsődleges kötőerők, míg a síkok közöttiek gyenge, másodlagos kölcsönhatások vannak. Számos képviselőjük vált ismertté az elmúlt évtizedekben. A legtöbb esetben a felhasználásuk, főként a katalízis területén, az egyik alkotó komponens sajátságainak vagy az anyagra jellemző általános tulajdonságok kiaknázását célozta meg. Munkám során azt tervezem, hogy multifunkciós réteges szerkezetű katalizátorokat készítek. A réteges anyagok szerkezete gyakran könnyen módosítható, így felhasználás esetén például lehetőség nyílhat arra, hogy anyagunkat különféle funkciók beépítésével a katalitikus reakcióhoz szabjuk. A réteges anyagok alkalmasan kialakított multifunkciós kompozitjai lehetővé tehetik one-pot szintézisekben összetett szerves molekulák kialakítását. Terveim szerint oxohalogenid rétegekből kiépített, kettős hidroxidokat, mint töltéskompenzáló rétegeket tartalmazó kompozitokat készítek, amelyek egyszerre lennének képesek átmenetifém katalizált C–N kapcsolási reakciót és báziskatalizálta gyűrűzárásokat vagy kondenzációs reakciókat elősegíteni, így kialakítva hasznos, több funkciót is tartalmazó szerves vegyületeket egyetlen lépésben. További módosítási lehetőségként vegyértékváltó ionok beépítését tervezem, amely redoxi funkcióval bővítené a katalizátor működési módját.
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.
Amennyiben a terveim megvalósulnak, lehetővé válna olyan katalizátorok, katalizátorrendszerek kiépítése, amelyek alkalmasak lehetnek finomkémiai vegyszergyártásra egyszerű alapanyagokból egyetlen (vagy kevés számú) lépésben. Ezek a többféle funkciós csoportot tartalmazó szerves vegyületek nagy jelentőséggel bírnak a vegyipar több szegmensében is, a gyógyszeripartól az illatszerekig. Ugyanakkor előállításuk általában többlépéses szintézisúton történik, és még nagyon jól kidolgozott technológia és hatékony elválasztási módszerek esetében is nehéz egy-egy lépést ~90 %-os konverziónál hatékonyabban végrehajtani. Ez, 5-6 lépéses szintézis esetében, a teljes folyamatra nézve már ~40 %-os veszteséggel jár. Meggyőződésem, hogy ezek a veszteségek csökkenthetők a korábban felvázolt multifunkciós katalizátorok alkalmazásával, ahol a több lépés egyetlen reaktorban, a köztitermékek izolálása nélkül menne végbe, csupán a végtermék elválasztását majd tisztítását kell végrehajtani. A kutatások bizonyíthatják, hogy egy szerves reakciósorozathoz tervezhető olyan multifunkciós réteges szerkezetű anyag, amely nagy hatékonyságú katalizátorként működhet. Ráadásul ezek az anyagok viszonylag olcsó lehetnek, és környezetbarát reakciók kivitelezését is lehetővé tennék. Egyes alkalmasan kialakított kompozitok segítségével sztereoszelektív szintézisek megvalósítása is lehetővé válna, amelyek nagy jelentőségűek lehetnek például a gyógyszerkutatásban.
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 munka alapkutatási jellegű lenne, de úgy gondolom, hogy könnyen hasznosítható eredményeket szolgáltathat. A réteges anyagokat már többféle aspektusból megvizsgálták, azonban senki sem próbálkozott konkrét reakciókhoz tervezni hatékony multifunkciós anyagokat. Csupán néhány irodalmi példa található ilyen anyagok kompozitjainak (irányított) szintézisét célzó kísérletekre. Sok esetben (például oxohalogenideknél) még az alapvegyületek katalitikus sajátságai sem ismertek. Ezek vizsgálata, modellreakciók segítségével, is elengedhetetlen lesz ezeknek az anyagok katalitikus tulajdonságainak pontos megismeréséhez, ami szükséges a tervezhető katalízis megvalósításához. Ezek a kísérletek bővíthetik ismereteinket az összetett, réteges rendszerekbe „zárt” aktív komponensek (például átmeneti fémionok) fizikai-kémiai viselkedésével kapcsolatban, valamint tesztelhető az, hogy képesek-e részt venni katalitikus folyamatokban, és ha igen, milyen formában. A kompozitok kialakítását követően pedig a különböző aktív komponensek egymás melletti viselkedése válhat tanulmányozhatóvá. A kompozitszerkezetek módosításával pedig a szerkezetben fellépő hibahelyek kialakulását és a katalitikus aktivitásra gyakorolt hatásukat vizsgálhatjuk. Ezekkel az ismeretekkel hatékony multifunkciós katalizátorok tervezhetők. A végcél pedig a vegyipar számára hasznos, többféle funkciós csoportot tartalmazó szerves molekulák szintézise az ilyen katalizátorok segítségével, a ma ismert módszereknél hatékonyabban, gazdaságosabban.
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 kutatás központi kérdése az, hogy hogyan lehetne gazdaságosabban, hatékonyabban és környezettudatosabban a vegyipar számára értékes szerves vegyületeket előállítani. A választ a tervezhető katalízis adhatja meg. Nagy mennyiségű ismerettel rendelkezünk az úgynevezett réteges anyagokról, amelyeket egymással kombinálva, vagyis kompozitokat kialakítva, sok, egymástól igen eltérő katalitikus probléma megoldására lehetnek alkalmasak. Ehhez sok esetben a réteges anyagok katalitikus sajátságainak mélyebb ismeretére lenne szükség, amelyet megszerezhetünk, ha ezeket az anyagokat különböző modellreakciókban teszteljük. Ezeknek az információknak a birtokában már egy adott szerves kémiai végtermék kialakításához tudni fogjuk, hogy milyen réteges vegyületeket kell kombinálnunk. A kompozitok kialakítása után képesek lehetünk igen bonyolult (de kémiailag fontos) vegyületeket is szintetizálni.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
Layered materials are defined as solid materials with strong in-plane chemical bonds and weak out-of-plane bonds. Numerous materials belong to this group of chemicals. They are widely used as catalysts, their catalytic application is usually based on the advantageous properties of their building components or the general properties of the material itself. The aim of my work is to develop multifunctional catalytic systems with layered structures. In certain cases the structure of the layered materials can be easily modified giving the possibility to design catalysts to a specific reaction by installing different functions/functional groups into the initial structure. By combining certain layered materials (forming composites) or applying them as tandem catalysts, “one pot” syntheses of complex organic materials could possibly be accomplished. I am planning to synthesize composite materials which consist of oxyhalide layers, the negative charges of which is compensated by the layers of double hydroxides. These composite materials could be able to catalyse C–N coupling reactions and base-catalysed ring closure/condensation reactions simultaneously, giving the possibility to synthesize organic materials containing several functional groups, in one step. Furthermore, even more diverse catalysts could be produced by introducing transition metal ions with variable valency to the composites to gain redox activity.
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.
Applying the above mentioned methods it would be possible to prepare catalysts or catalytic systems suitable for the synthesis of fine chemicals from simple starting materials in one (or a few) step(s). These multifunctional organic compounds are very important in several fields of chemical industry, from pharmaceutical to cosmetic industry. However, they are usually prepared by multistep syntheses methods, where the maximum yield of the individual synthesis steps seldom exceeds 90 %, leading to over 40 % loss during a six-step-long synthesis. I believe that this loss could be significantly decreased applying the above mentioned novel multifunctional composite materials as catalysts. Furthermore, these materials may allow to perform inexpensive and environmentally friendly catalytic reactions, and in certain reactions they may even be stereoselective, which is very important in e.g. drug design.
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.
Although this project is fundamental research, the results could be utilized in the catalytic industry. While layered materials have been investigated from a series of aspects, effective multifunctional layered materials have not been specifically designed for a chosen reaction. Moreover, in certain cases even the starting materials, which would form the base of the novel composites (oxyhalides), have to be investigated because their catalytic behaviour is not known. The investigation of these starting materials is also required for the synthesis of designed catalysts. In addition, these observations would widen our knowledge about the active component (e.g. transition metal ions) from a physico-chemical point of view. After the synthesis of the composites, the catalytic behaviour of the different active components – which are present simultaneously in these materials – should be examined. By modifying the structure of the composites the formation of vacancies and their role in the catalytic reactions could be investigated. Collecting this information we would be able to predict effectively which materials (or which components) need to be used to solve an organic chemical problem. My final aim is the effective, economical synthesis of organic molecules containing several functional groups with the aid of these novel catalysts.
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 scope of this project is to find out how could valuable organic molecules be synthesized in a more efficient, more economically friendly way than the currently applied technologies offer. The answer may be the designed catalysis. The well-known layered inorganic structures and their composites are suitable for offering solutions for different catalytic problems. In some cases it is necessary to collect more information about the catalytic behaviour of the simple layered materials by testing them in different model reactions. Having gained this preliminary information it would be possible to predict which types of layered materials should be combined to synthesize a specific organic material. After the preparation of the desired composites their efficiency may even be increased by connecting them as tandem catalysts, thus maximizing the conversion.
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
List of publications |
|
|
| Kocsis Marianna, Ötvös Sándor B., Samu Gergely F., Fogarassy Zsolt, Pécz Béla, Kukovecz Ákos, Kónya Zoltán, Sipos Pál, Pálinkó István, Varga Gábor: Copper-Loaded Layered Bismuth Subcarbonate—Efficient Multifunctional Heterogeneous Catalyst for Concerted C–S/C–N Heterocyclization, ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES 13: (36) pp. 42650-42661., 2021 | | Meszaros Rebeka, Márton András, Szabados Marton, Varga Gabor, Konya Zoltan, Kukovecz Akos, Fulop Ferenc, Palinko Istvan, Otvos Sandor B.: Exploiting a Silver–Bismuth Hybrid Material as Heterogeneous Noble Metal Catalyst for Decarboxylations and Decarboxylative Deuterations of Carboxylic Acids under Batch and Continuous Flow Conditions, GREEN CHEMISTRY 23: pp. 4685-4696., 2021 | | Varga G, Somosi Z, Kónya Z, Kukovecz Á, Palinko I, Szilagyi I: A colloid chemistry route for the preparation of hierarchically ordered mesoporous layered double hydroxides using surfactants as sacrificial templates, JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE 581: (Part B) pp. 928-938., 2021 | | Kim Soobin, Varga Gábor, Seo Myungeun, Sápi András, Rácz Viktória, Gómez-Pérez Juan F., Sebők Dániel, Lee Jeonghyeon, Kukovecz Ákos, Kónya Zoltán: Nesting Well-Defined Pt Nanoparticles within a Hierarchically Porous Polymer as a Heterogeneous Suzuki–Miyaura Catalyst, ACS APPLIED NANO MATERIALS 4: (4) pp. 4070-4076., 2021 | | Timár Z, Truong Ngoc Hung, Pravda C, Kónya Z, Kukovecz Á., Sipos P, Varga G, Palinko I: Oxidation of cysteinate anions immobilized in the interlamellar space of CaAl-Layered Double Hydroxide, MATERIALS 14: (5) 1202, 2021 | | Varga G, Karádi K, Kukovecz Á, Kónya Z, Sipos P, Palinko I: Placing Ni(II) ions in various positions in/on layered double hydroxides – synthesis, characterization and testing in C–C coupling reactions, CATALYSIS LETTERS 149: (10) pp. 2899-2905., 2019 | | Varga G, Kónya Z, Kukovecz Á, Sipos P, Palinko I: Co(II)-amino acid–CaAl-layered double hydroxide composites – construction and characterization, JOURNAL OF MOLECULAR STRUCTURE 1179: pp. 263-268., 2019 | | Varga G, Somosi Z, Kónya Z, Kukovecz Á, Palinko I, Szilagyi I: A colloid chemistry route for the preparation of hierarchically ordered mesoporous layered double hydroxides using surfactants as sacrificial templates, JOURNAL OF COLLOID AND INTERFACE SCIENCE 581: (Part B) pp. 928-938., 2021 | | Varga G, Kocsis M, Kukovecz Á, Kónya Z, Djerdj I, Sipos P, Palinko I: (CuBiOI)-Bi-I is an efficient novel catalyst in Ullmann-type CN- couplings with wide scope-A rare non-photocatalyic application, MOLECULAR CATALYSIS 493: pp. 111072:1-8., 2020 | | Varga G, Kozma V, Kolcsár VJ, Kukovecz Á, Kónya Z, Sipos P, Palinko I, Szőllősi Gy: beta-Isocupreidinate-CaAl-layered double hydroxide composites-heterogenized catalysts for asymmetric Michael addition, MOLECULAR CATALYSIS 482: pp. 110675:1-7., 2020 | | Varga G, Kukovecz Á, Kónya Z, Sipos P, Palinko I: Green and selective toluene oxidation-Knoevenagel-condensation domino reaction over Ce- and Bi-based CeBi mixed oxide mixtures, JOURNAL OF CATALYSIS 381: pp. 308-315., 2020 | | Varga G, Szabados M, Kukovecz Á, Kónya Z, Varga T, Sipos P, Palinko I: Layered double alkoxides a novel group of layered double hydroxides without water content, MATERIALS RESEARCH LETTERS 8: (2) pp. 68-74., 2020 | | Varga G, Kukovecz Á, Kónya Z, Sipos P, Palinko I: Green and selective toluene oxidation-Knoevenagel-condensation domino reaction over Ce- and Bi-based CeBi mixed oxide mixtures, JOURNAL OF CATALYSIS 381: pp. 308-315., 2020 | | Varga G, Szabados M, Kukovecz Á, Kónya Z, Varga T, Sipos P, Palinko I: Layered double alkoxides a novel group of layered double hydroxides without water content, MATERIALS RESEARCH LETTERS 8: (2) pp. 68-74., 2020 | | Varga G, Kocsis M, Kukovecz Á, Kónya Z, Djerdj I, Sipos P, Palinko I: (CuBiOI)-Bi-I is an efficient novel catalyst in Ullmann-type CN- couplings with wide scope-A rare non-photocatalyic application, MOLECULAR CATALYSIS 493: pp. 111072:1-8., 2020 | | Varga G, Kozma V, Kolcsár VJ, Kukovecz Á, Kónya Z, Sipos P, Palinko I, Szőllősi Gy: beta-Isocupreidinate-CaAl-layered double hydroxide composites-heterogenized catalysts for asymmetric Michael addition, MOLECULAR CATALYSIS 482: pp. 110675:1-7., 2020 | | Varga G, Karádi K, Kukovecz Á, Kónya Z, Sipos P, Palinko I: Placing Ni(II) ions in various positions in/on layered double hydroxides – synthesis, characterization and testing in C–C coupling reactions, CATALYSIS LETTERS 149: (10) pp. 2899-2905., 2019 | | Varga G, Kónya Z, Kukovecz Á, Sipos P, Palinko I: Co(II)-amino acid–CaAl-layered double hydroxide composites – construction and characterization, JOURNAL OF MOLECULAR STRUCTURE 1179: pp. 263-268., 2019 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
