Aszimmetrikus szintézisek heterogén királis katalizátorokon  részletek

súgó  nyomtatás 
vissza »

 

Projekt adatai

 
azonosító
109278
típus K
Vezető kutató Bartók Mihály
magyar cím Aszimmetrikus szintézisek heterogén királis katalizátorokon
Angol cím Asymmetric syntheses using heterogeneous chiral catalysts
magyar kulcsszavak aszimmetrikus, enantioszelektív, organokatalizátorok, nemesfémek, heterogén, immobilizálás, szerves polimerek, peptid, grafén, C-C kötés képződés, hidrogénezés, sztereokémia, királis indukció
angol kulcsszavak asymmetric, enantioselective, organocatalysis, noble metals, heterogeneous, immobilization, organic polymers, peptides, graphene, C-C bond formations, hydrogenation, stereochemistry, chiral induction
megadott besorolás
Szerves-, biomolekuláris- és gyógyszerkémia (Élettelen Természettudományok Kollégiuma)100 %
Ortelius tudományág: Intermedierek kémiája
zsűri Kémia 2
Kutatóhely Szerves Kémiai Tanszék (Szegedi Tudományegyetem)
résztvevők Bucsi Imre
Makra Zsolt
Mastalir Ágnes
Szőllősi György
Szori Kornél
projekt kezdete 2014-01-01
projekt vége 2018-12-31
aktuális összeg (MFt) 36.244
FTE (kutatóév egyenérték) 14.70
állapot lezárult projekt
magyar összefoglaló
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A szerves kémiai kutatások egyik legfontosabb területe a heterogén katalitikus aszimmetrikus reakciók kutatása. A már ismert nagy sztereoszelektivitással járó homogén katalitikus aszimmetrikus szintézisekhez kiemelkedő enantioszelektivitást biztosító különböző típusú királis nanokompozitok (organokatalizátorok, fémkatalizátorok) kifejlesztését és alkalmazását tervezzük királis vegyületek előállításár. Alig vizsgált heterogenizált katalizátorok (pályázatban tervezett): polimerekhez kötött peptidek és grafén-bázisú katalizátorok.
A heterogén katalitikus aszimmetrikus szintézisek bevezetéséhez meghatározó jelentőségű alapkutatási feladat a reakciók mechanizmusának és sztereokémiájának tanulmányozása, különösen újabb, a szakirodalomban eddig még kevésbé alkalmazott módszerekkel. Ezen belül olyan kiemelten fontos feladatok várnak megoldásra, mint a királis indukció eredetének értelmezése, a reakciókért felelős intermedierek szerkezetének felderítése és számos, a reakcióval kapcsolatban felmerült újabb kérdések megválaszolása. Ehhez elsősorban a királis katalizátor és a reagáló vegyületek közötti kölcsönhatások jellegét kell sokoldalú vizsgálatok útján megismerni. Fontos célkitűzésünk, hogy a kutatómunka - alapkutatás jellege mellett - a gyakorlatban is hasznosítható, jelentős tudást hordozó királis építőelemek előállításához vezessen.

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.

Kutatási programunkkal ehhez a világszerte kutatott problémakör feladatainak megoldásához szeretnénk hozzájárulni. Meghatározó jelentőségű egy nagy enantioszelektivitással járó konkrét aszimmetrikus reakció esetén a királis indukció értelmezése, valamint ezzel kapcsolatban felmerülő számos kérdés ismerete. A homogén és a heterogén katalízis körülményei között összehasonlító vizsgálatok szükségesek ugyanazon reakció és ugyanazon királis információkat hordozó katalizátor alkalmazása során.
Vannak-e és mik azok a különbözőségek ugyanazon reakció homogén és heterogén katalitikus változatában (aktivitás, szelektivitás, enantioszelekció iránya, stb.)? Előállítható-e egy-egy heterogén katalitikus királis reakcióra általánosítható jelleggel felhasználható királis katalizátor? Mennyire deríthetők fel a királis indukcióért felelőssé tehető, vagy azt kisebb-nagyobb mértékben befolyásoló tényezők? Milyen kölcsönhatások lépnek fel a királis katalizátorok és a reaktánsok között? Mi a királis indukcióért felelős intermedier komplexek szerkezete? Egy nagy enantioszelektivitással járó reakció alapvető törvényszerűségeinek minél mélyebb megismerése teszi lehetővé új szintézisek kidolgozását.

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 kutatási tervben kifejtett általános tendenciák kívánalmainak megfelelően célunk, szerkezeti és felületi módosításokkal új királis heterogén katalizátorok (királis nanokompozitok) kifejlesztése, ezek jellemzése és különböző szerves kémiai átalakulásokban (nukleofil addíciós reakciókban: aldol-, Michael-, Mannich- stb. addiciók, prokirális vegyületek hidrogénezésében) történő alkalmazási lehetőségeik kutatása, s ezen kémiai átalakulások mechanizmusának minél mélyebb megismerése.
Tekintettel arra, hogy a királis szintézisek nemcsak reakció-, hanem szubsztrát-specifikusak is, valamint arra, hogy az enantioszelektív heterogén katalitikus reakciók mechanizmusa ismeretlen, további sokoldalú, komplex vizsgálatokra van szükség. Ugyancsak a kutatások fejlesztését igényli az alkalmazási lehetőségek széles köre.
A szisztematikus alapkutatások remélhetőleg számos olyan információt nyújtanak a királis nanokompozitok természetéről, a vizsgált reakciók mechanizmusáról, amelyek szerencsés esetben nagy enantioszelektivitást biztosító katalizátorok előre tervezett előállítását teszik majd lehetővé.

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 heterogén katalitikus enantioszelektív szintézisek kutatása és a gyakorlatba történő bevezetése (élelmiszeripar, gyógyszeripar) a mai kémiai kutatás egyik elsődleges feladata. Az aszimmetrikus szintézisek főként azért váltak kiemelt fontosságúvá, mert nagy optikai tisztaságú anyagokat igényel az életminőség javítása, a környezeti terhelés csökkentése, valamint a gazdaságossági szempontok is e mellett szólnak.
A táplálékláncba kerülő termékek (élelmiszerek, gyógyszerek) előállításában ma már csak optikai tisztaságú anyagok (egyik optikai izomer) szerepelhetnek. Ugyanis a kiindulási anyagokban lévő másik optikai izomer mérgező hatású lehet. Az un. aszimmetrikus szintézisek szolgálnak a kívánt nagytisztaságú optikai izomerek gazdaságos előállítására, amelyek soron kívüli megoldandó kutatást igényelnek.
angol összefoglaló
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

One of the most important fields of organic chemical research is the study of heterogeneous catalytic asymmetric reactions. We plan to develop and to work out the application of chiral nanocomposites (organocatalysts, metal catalysts) providing outstanding enantioselectivities for the purpose of the synthesis of chiral compounds, for use in homogeneous catalytic asymmetric syntheses already known for their high stereoselectivities. Hardly studied catalysts are: immobilized peptides and grapheme supported metals and chiral catalysts.
For the introduction of heterogeneous asymmetric syntheses, a basic research task of groundbreaking importance is studying the mechanism and the stereochemistry of the reactions, using novel methods not yet commonly applied in published research. Some of the problems of special importance to be resolved are the interpretation of the origin of chiral induction, elucidation of the structure of the intermediates responsible for the reactions, and finding the answer to many new questions that have arisen in the course of research on these reactions. In order to achieve this, the primary task is to clarify the character of the interactions operating between the chiral catalyst and the reacting compounds by means of multifaceted studies. It is our important objective to achieve that, in addition to findings in basic research, our results also contribute to the production of chiral building blocks utilizable in practical applications.

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.

Investigation of asymmetric catalytic syntheses is the main goal of the present researches in organic chemistry. With our research program we would like to contribute to solve these worldwide explored organic reactions. It is of decisive significance the interpretation of the chiral induction in a certain asymmetric reaction, which affords high enantioselectivity as well as the answers on several additional questions which may arise related to the given reaction. It is also necessary to carry out comparative studies under homogeneous and heterogeneous catalytic conditions on the same reaction and using catalysts carrying the same chiral information. Are there and which are the differences in the homogeneous and heterogeneous versions of a certain reaction (activity, selectivity, direction of the enantioselection, etc)? Is it possible to prepare a generally applicable chiral catalyst for a certain type of reaction? Is it possible to identify the factors, which could be responsible for the chiral induction and what factors may have smaller or greater influence on this? What kinds of interactions occur between the chiral catalysts and the reactants? What is the structure of the intermediate complex responsible for the chiral induction? The deeper understanding of a certain asymmetric reaction occurring with high enantioselectivity may lead to the development of novel synthetic methods.

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 keeping with the requirements of the general trends described in workplan, our objective is the development, by structural and surface modifications, of new chiral heterogeneous catalysts (chiral nanocomposites), their characterization and investigation of their applicability in various organic chemical reactions (nucleophilic additions: aldol-, Michael-, Mannich- reactions, hydrogenation of prochiral compounds) and elucidation of the mechanism of these chemical reactions in as great detail as possible.
In view of the facts that (i) chiral syntheses are not only reaction specific but also substrate specific, and (ii) the mechanism of enantioselective heterogeneous catalytic reactions is unknown, further multifaceted, complex studies are needed. The wide range of the possibilities of utilization also calls for the extension of research. Systematic basic research is expected to produce numerous new results pertaining to the nature of chiral nanocomposites and to the mechanism of the reactions studied, which will hopefully make possible the design and planned synthesis of catalysts enabling high enantioselectivities.

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.

Research on heterogeneous catalytic enantioselective syntheses and their practical applications (food and pharmaceutical industries) are the primary tasks of chemical research today. Asymmetric syntheses have become the focus of attention mainly because of the need for materials of high optical purity for use in the improvement of life quality and the alleviation of the environmental burden, as well as for reasons of economic efficiency. In the productions of products involved in the nutrition and medicine (food, agrochemicals, pharmaceuticals) nowadays only the use of optically pure isomers are accepted, as one of the stereoisomers could be toxic. The so-called asymmetric syntheses may provide economic and environmental friendly procedures for the preparation of optical isomers in high purity. These methods necessitate significant research efforts, to which our present project is intended to contribute.





 

Zárójelentés

 
kutatási eredmények (magyarul)
A modern szerves kémia legnagyobb kihívásai közé tartozik a nagy hozzáadott értéket képviselő finom vegyszerek iránti megnövekedett igények kielégítése. A heterogén katalitikus reakciók kedvező módszerek gyakorlati jelentőségű szerves építőelemek előállítására, ugyanakkor a sztereoszelektív katalitikus eljárásoknak egyre növekvő jelentőségük van optikailag tiszta köztitermékek aszimmetrikus szintéziseiben. A kutatási terveinknek megfelelően kifejlesztettünk számos új heterogén katalitikus rendszert és eljárást bonyolult szerves molekulák hatékony előállítására. A reakcióközegben nem oldódó hordozókon rögzített katalizátorok, a katalitikusan aktív felületek módosításával nyert anyagok és a természetes anyagok felhasználásával tervezett katalizátorok aktívnak és szelektívnek bizonyultak változatos, gyakorlati jelentőségű szerves reakcióban. A vizsgált katalizátorok között megtalálhatók a heterogén szerves és fém katalizátorok. A tanulmányozott reakciók közül kiemelhetők az aszimmetrikus C-C, C-N csatolási reakciók, az enantioszelektív hidrogénezések és transzfer hidrogénezések, kaszkád és szekvenciális reakciók. Ugyanakkor a kifejlesztett anyagok növelik a folyamatok fenntarthatóságát és csökkentik ezek környezeti hatását.
kutatási eredmények (angolul)
The most challenging task of the modern organic chemistry is to satisfy the increased demand of high value-added fine chemicals. Heterogeneous catalysis may provide convenient methods for the production of organic building blocks of practical importance, whereas stereoselective catalysis by chiral solids has increasing importance in asymmetric synthesis of optically pure intermediates. According to our research plan we have developed several new heterogeneous catalysts and procedures for obtaining efficiently complex organic compounds. Our novel catalysts obtained by immobilization over insoluble supports, by modifying the surface of active catalysts, using specially designed materials or applying natural biocompatible polymers were found efficient in various organic transformations of paramount importance for the fine chemical industry. Among the reactions studied were asymmetric C-C, C-N coupling reactions, enantioselective hydrogenations and transfer hydrogenations, cascade and sequential reactions leading to complexity in well-controlled processes. These materials may contribute to the increase of the sustainability and decrease of the environmental impact of the above procedures.
a zárójelentés teljes szövege https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=109278
döntés eredménye
igen





 

Közleményjegyzék

 
György Szőllősi, Lenke Kovács, Zsolt Makra: Three consecutive steps over the chirally modified Pt surface: asymmetric catalytic cascade reaction of 2-nitrophenylpyruvates, CATAL SCI TECHNOL 5: 697-704, 2015
Tamás Firkala, Emília Tálas, Sándor Kristyán, György Szőllősi, Eszter Drotár, János Mink, Judith Mihály: Surface enhanced Raman spectroscopic (SERS) behavior of substituted propenoic acids used in heterogeneous catalytic asymmetric hydrogenation, J RAMAN SPECTROSC 46: 1102-1109, 2015
Lenke Kovács, György Szőllősi, Ferenc Fülöp: Pt–Cinchonidine Catalyzed Asymmetric Catalytic Cascade Reaction of 2-Nitrophenylpyruvates in Flow System, J FLOW CHEM 5: (4) 210-215, 2015
Kornél Szőri, Balázs Réti, György Szőllősi, Klára Hernádi, Mihály Bartók: Comparative Study of Graphite-Oxide and Graphene-Oxide Supported Proline Organocatalysts in Asymmetric Aldol Addition, TOP CATAL 59: 1227-1236, 2016
András A. Gurka, Kornél Szőri, Mihály Bartók, Gábor London.: Dual stereocontrol in aldol reactions catalysed by hydroxyproline derivatives in the presence of large amount of water, TETRAHEDRON: ASYMMETRY 27: 936-942, 2016
Attila Kunfi, Ágnes Mastalir, Imre Bucsi, Gábor London: Heck arylation of alkenes with aryl bromides by using supported Pd catalysts: a comparative study, REAC KINET MECH CAT 19:165-178, 2016
Dániel Zsolnai, Péter Mayer, Kornél Szőri, Gábor London: Pd/Al2O3-catalysed redox isomerisation of allyl alcohol: application in aldol condensation and oxidative heterocyclization reactions, CATAL SCI TECHNOL 6: 3814-3820, 2016
István M. Mándity, Sándor B. Ötvös, György Szőllősi, Ferenc Fülöp.: Harnessing the versatility of continuous-flow processes: selective and efficient reactions, CHEM REC 16: 1018-1033, 2016
György Szőllősi, Mihály Bartók: Enantioszelektív hidrogénezések módosított fémkatalizátorokon, MAGY KÉM LAPJA 71: 178-181, 2016
Attila Dékány, Enikő Lázár, Bálint Szabó, Viktor Havasi, Gyula Halasi, András Sápi, Ákos Kukovecz, Zoltán Kónya, Kornél Szőri, Gábor London: Exploring Pd/Al2O3 Catalysed Redox Isomerisation of Allyl Alcohol as a Platform to Create Structural Diversity, CATAL LETT 147: (7) 1834–1843, 2017, 2017
Attila Kunfi, Vivien Szabó, Ágnes Mastalir, Imre Bucsi, Miklós Mohai, Péter Németh, Imre Bertóti, Gábor London: Palladium on polydopamine: its true potential in catalytic transfer hydrogenations and Heck coupling reactions, CHEMCATCHEM 9: (16) 3236-3244, 2017, 2017
Imre Bucsi, Ágnes Mastalir, Árpád Molnár, Koppány L. Juhász, Attila Kunfi: Heck coupling reactions catalysed by Pd particles generated in silica in the presence of an ionic liquid, STRUCT CHEM 28: (2) 501-509, 2017, 2017
András A. Gurka, Kornél Szőri, Milán Szőri, Mihály Bartók, Gábor London: Application of hydroxyproline derivatives in enantioselective -amination reactions in organic and aqueous environments: a structure-activity relationship study, STRUCT CHEM 28: (2) 415–421, 2017, 2017
György Szőllősi, Lenke Kovács, Viktória Kozma, Vanessza J. Kolcsár.: Asymmetric Michael addition catalyzed by a cinchona alkaloid derivative non-covalently immobilized on layered inorganic supports., REAC KINET MECH CAT 121: (1) 293-306, 2017, 2017
András A. Gurka, Gábor London: Dual Stereocontrol in Enantioselective Aldol Reactions, ORG PREP PROC INT 49: (5) 415-433, 2017, 2017
Ágnes Mastalir, Mihály Bartók: Heterogeneous Asymmetric Catalysis, Handbook of Solid State Chemistry, First Edition. Eds.: R. Dronskowski, S. Kikkawa, A. Stein, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Vol. 6, Chapter 18, pp. 479-509, 2017, 2017
György Szőllősi: Asymmetric one-pot reactions using heterogeneous chemical catalysis: recent steps towards sustainable processes, CATAL SCI TECHNOL 8: (2) 389-422, 2018, 2018
György Szőllősi, Dániel Gombkötő, Attila Zsolt Mogyorós, Ferenc Fülöp: Surface-Improved Asymmetric Michael Addition Catalyzed by Amino Acids Adsorbed on Laponite, ADV SYNTH CATAL 360: (10) 1992-2004, 2018, 2018
Anita Kiss, Erzsébet Mernyák, János Wölfling, György Szőllősi, Gyula Schneider: Improved stereoselective synthesis of 3-methoxy- and 3-benzyloxy-16-hydroxymethyl-13a-estra-1,3,5(10)-trien-17-ol isomers by transfer hydrogenation using chiral Ru catalysts, REAC KINET MECH CAT 125: (1) 47-53, 2018, 2018
György Szőllősi, Viktória Kozma: Design of Heterogeneous Organocatalyst for the Asymmetric Michael Addition of Aldehydes to Maleimides, CHEMCATCHEM 10: (19) 4362-4368, 2018, 2018
György Szőllősi, Vanessza Judit Kolcsár: Highly Enantioselective Transfer Hydrogenation of Prochiral Ketones Using Ru(II)-Chitosan Catalyst in Aqueous Media, CHEMCATCHEM 11: (2), 820-830, 2019, 2019
Tamás Gazdag, Ádám Baróthi, Koppány Levente Juhász, Attila Kunfi, Péter Németh, András Sápi, Ákos Kukovecz, Zoltán Kónya, Kornél Szőri, Gábor London: Effect of Particle Restructuring During Reduction Processes Over Polydopamine-Supported Pd Nanoparticles, J NANOSCI NANOTECHNOL 19: (1) 484-491, 2019, 2019
Bartók Mihály, Dombi György: Organocatalytic Asymmetric Aldol Reactions in Aqueous or Neat Conditions: Review of Data Published in 2009-2013, CURR GREEN CHEM 1: (3) 191-201, 2014
Gurka A, Bucsi I, Kovacs L, Szollosi G, Bartok M: Reversal of the enantioselectivity in aldol addition over immobilized di- and tripeptides: studies under continuous flow conditions, RSC ADV 4: (106) 61611-61618, 2014
Szollosi G, Fekete M, Gurka AA, Bartok M: Reversal of Enantioselectivity in Aldol Reaction: New Data on Proline/gamma-Alumina Organic-Inorganic Hybrid Catalysts, CATAL LETT 144: (3) 478-486, 2014
Szőllősi György: Királisan módosított fémfelülettel katalizált aszimmetrikus kaszkád reakciók, MAGYAR KÉM FOLYÓIRAT 120: (2-3) 77-82, 2014
András A Gurka, Kornél Szőri, György Szőllősi, Mihály Bartók, Gábor London: Tuning the sense of product stereochemistry in aldol reactions of acetone and aromatic aldehydes in the presence of water with a single chiral catalyst, TETRAHEDRON LETT 56: 7201-7205, 2015
Bartok M: Advances in Immobilized Organocatalysts for the Heterogeneous Asymmetric Direct Aldol Reactions, CATAL REV SCI ENG 57: (2) 192-255, 2015




vissza »