 |
BMe Kutatói pályázat |
|
BME, Oláh György Doktori Iskola
BME VBK, Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék
Témavezető: Dr. Nyulászi László
Ionos folyadékok és karbének összekapcsolása - új lehetőségek?
A kutatási téma néhány soros bemutatása
Az ionos folyadékok [1] és a karbének [2] kémiája külön-külön is intenzíven kutatott terület, (2012-ben ~5000 illetve, ~2000 hivatkozás a Web of Science-ben). Doktori munkám során e két forró terület összekapcsolásával foglalkozom, ami alapkutatási és alkalmazási szempontból egyaránt új lehetőségeket hozhat. Az ionos vegyületek egyik legjellemzőbb tulajdonsága a magas olvadáspont (konyhasó 801 °C), azonban léteznek 100 °C alatt olvadó, úgynevezett ionos folyadékok (1. ábra) [1]. Előnyös és sokoldalúan változtatható tulajdonságaiknak köszönhetően számos helyen alkalmazhatóak, alacsony gőztenziójuk miatt „zöld oldószerként”, vagy az elválasztástechnikában, napelemekben elektrolitként, de akár az űrtechnológia extrém körülményei közt is. [3]
A karbének szokatlan kötés szerkezetű két vegyértékű szénatomot (szén közismerten 4 kötést létesít, gondoljunk a CH4 molekulára) tartalmazó vegyületek (2. ábra). Átmeneti fémekkel képzett komplexeik [4] jelentőségét Nobel-díjak jelzik: Fisher-1973; Schrock, Chauvin, Grubbs-2005. Szabad vegyületként mutatott, s az utóbbi években sokat vizsgált ún. organokatalitikus aktivitásuk kiemelten érdekessé teszi őket.
1. ábra: Két ionos vegyület: NaCl szilárd, EMIM-Ac folyadék. Az ionos folyadékokat felépítő leggyakoribb kationok és anionok, pirossal az EMIM-Ac ionjai
A kutatóhely rövid bemutatása
A BME-VBK Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszéken Dr. Nyulászi László vezetésével működő kutatócsoport régóta foglalkozik elméleti kémiával, azon belül karbénekkel, ionos folyadékokkal és elemorganikus kémiával. A csoport eddigi eredményes munkáját számos nemzetközileg elismert publikáció, illetve hazai és nemzetközi együttműködés is bizonyítja. Kísérleti munkámat Dr. Nagy József csoportjában (Szerves Kémia és Technológia Tanszék) végzem, ahol nagy hagyománya van a preparatív szerves kémiának.
A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása
Napjainkban az ipari folyamatok környezetbaráttá tétele egyre jobban előtérbe kerül. Ennek egyik legfontosabb lépése a veszélyes, illékony szerves oldószerek helyettesítése. Az általában szerves kationból és szervetlen vagy szerves anionból álló ionos folyadékok (1. ábra) gőztenziója értelemszerűen kicsi, így többségük eleget tesz a zöld kémia [5] követelményeinek, ráadásul a kationok és anionok változtatásával tulajdonságaik jól hangolhatóak. Habár e vegyületeket legtöbbször oldószerként alkalmazzák, imidazólium alapú ionos folyadékok esetében külső bázis hozzáadásával az in situ keletkező karbén számos folyamatot maga is katalizálhat (2.ábra). A zöld kémia további jelentős szereplői a katalizátorok, melyek a reakció aktiválási energiájának csökkentésével egy alternatív reakció utat nyitnak meg, így megnövelve egy adott reakció sebességét. Különösen intenzíven kutatott terület napjainkban az organokatalizátorok világa, ahol a drága, ritka, esetleg környezeti kockázatú átmeneti fém helyett szerves vegyület katalizál. Ide tartozik az N-heterociklusos karbének családja. E vegyületek különleges helyett töltenek be a katalizátorok családjában, ugyanis átmenetifémekkel komplexeket képezve vagy szabad formában organokatalizátorként egyaránt kitűnően alkalmazhatóak.
2. ábra: N-heterociklusos karbének és az általuk katalizált benzoin kondenzáció mechanizmusa
Szervezetünkben a B1 vitamin a transzketoláz enzim aktív centrumában tulajdonképpen egy karbén, a tiazol-2-ilidén (2. ábra) származék katalizál számos folyamatot. A karbén különleges elektron szerkezete révén [6] a reakció során átpolározza a kémiai kötéseket (umpolung), így alakíthatunk ki a preparatív szerves kémiában kiemelt jelentőségű szén-szén kötéseket (2. ábra). Az elmúlt években karbén katalizálta redoxreakciók [7] is megjelentek az irodalomban melyek közül kiemelten érdekesek azok, melyekben a szén-dioxid oxidál. A folyamat közvetlen kémiai érdekessége mellett, a szén-dioxid környezeti vonatkozása miatt is kiemelendő e reakció.
A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések
A korábbi munkákban az ionos folyadékok és a karbének közt az ionos folyadékokhoz adott külső bázis teremtett kapcsolatot. Kutatócsoportunkban korábban az 1-etil-3-metilimidazólium-acetát ionos folyadék gőzeiben kimutatták a karbének jelenlétét, megállapítva egyúttal az anion bázicitásának a szerepét a karbénképződésben. [8] E kísérleti tényből azonban nem következik egyértelműen, hogy folyadék fázisban is jelen lehet annyi karbén, hogy e vegyületekre jellemző organokatalitikus aktivitást figyelhessünk meg, esetlegesen akár szén-dioxid redukciót. A szén-dioxid reakcióba vitelét nagyban elősegítheti, hogy e gáz nagyon jól oldódik ionos folyadékokban [9], ennek oka akárcsak a szén-dioxid redukció mechanizmusa nem teljesen tisztázott [4(e),(h),(i)]. Az oldhatóság és az organokatalitikus aktivitás egyaránt befolyásolható a karbén prekurzor ionok változtatásával, így kutatásunk másik iránya meglévő és eddig még elő nem állított karbének katalitikus aktivitásának vizsgálata. Felmerül a kérdés, hogy a természet a transzketoláz enzim esetében miért pont a tiazol-2-ilidént ”választotta”, miért nem egy másik hasonló vegyületet, például a nagyobb stabilitással rendelkező és elsőként előállított imidazol-2-ilidént [10] vagy a tiazol-2-ilidén oxigén analógját, az oxazol-2-ilidént. Ez utóbbi vegyületet érdekes módon még nem sikerült szintetizálni, annak ellenére, hogy számos más oxigént és nitrogént tartalmazó karbén már ismert az irodalomból. [11] Ennek oka nem feltétlenül a vegyület instabilitása, hanem más vegyületekkel (pl. lehet a vegyület vízzel) szembeni nagy érzékenysége.
Módszerek
Munkám során elméleti és kísérleti munka kombinálásával keresem a fenti kérdésekre a választ. Számításokat kvantumkémiai szoftverek segítségével nagy teljesítményű számítógépek felhasználásával végzem. Modellezéshez a legújabb sűrűségfunkcionál elméleten alapuló (DFT) módszereket használom. A kvantumkémiai modellezés során nagy gondot kell fordítani a megfelelő módszer kiválasztására, ezért a kutatás elején tesztszámításokat kell végezni, majd kiválasztani azt a módszert, ami a legjobban leírja a rendszerünket. Egy kvantumkémiai modellezés jóságát legszemléletesebben az elvégzett sikeres kísérletek támasztják alá, ezért az elméleti számítások mellett Dr. Nagy József csoportjában laboratóriumi kísérleteket is végzek. Az előállított vegyületek szerkezetét a legmodernebb elválasztási és spektroszkópiai módszerek segítségével (vékony réteg kromatográfia (VRK), gázkromatográfia-tömegspektrometria (GC-MS), nukleáris mágneses magrezonancia (NMR) és infravörös (IR) spektroszkópia) határozom meg. További kísérleteket Dr. Székely Edittel együttműködve nagynyomású reaktorokban végzünk.
Eddigi eredmények
1-etil-3-metilimidazólium-acetát (EMIM-Ac), mint egy sok oldalú organokatalitikus ionos folyadék[K1]
Munkám során karbének keletkezési lehetőségét vizsgáltam 1-etil-3-metilimidazólium-acetát (EMIM-Ac) ionos folyadékban (1. ábra). Előzetes kvantumkémiai számításaim megmutatták, hogy az ionok közötti kölcsönhatás a semleges karbén kialakulását jelentősen befolyásolja (3. ábra), a gőzfázishoz képest a karbént tartalmazó rendszerek relatív energiája megnő, összhangban azzal, hogy bár gőzfázisban a karbéneket kutató csoportunk korábban sikeresen detektálta [2], folyadékfázisban keletkezésükre spektroszkópiai bizonyíték eddig nem ismert, e vegyületek jelenlétét csak csapdázási reakciókkal igazolták folyadékfázisban. [12] Preparatív munkám során sikerült több kísérletben is megmutatni, hogy az EMIM-Ac-ban jelenlévő karbén koncentráció megfelelően nagy ahhoz, hogy több reakcióban egyértelmű organokatalitikus aktivitást figyelhessünk meg.
3. ábra: Az ionok közötti kölcsönhatás nem kedvez a karbénképződésnek
Szén-dioxid atmoszférában vagy levegőn végrehajtott kísérletek esetében a legújabb irodalomban erősen vitatott szén-dioxiddal történő oxidációt a melléktermékként keletkező szén-monoxid IR-spektroszkópia segítségével való detektálásával sikerült több alkalommal is bizonyítani, ugyanakkor e kísérletek során többször ütköztünk reprodukciós problémákba, ami azt mutatja, hogy ezen izgalmas reakció teljes megértéséig még nem sikerült eljutni. A probléma megértése kutatócsoportunkban jelenleg is folyó intenzív kutatás része.
A szén-dioxiddal való oxidáció mechanizmusának felderítése során első lépéseként elméleti kémiai módszerekkel megvizsgáltam a szén-dioxid EMIM-Ac-ban való viselkedését. A szén-dioxid fizikailag és kémiailag is oldódhat az ionos folyadékban. Az első esetben általánosan elfogadott nézet, hogy a szén-dioxid az ionos folyadék anionjával létesít kölcsönhatást, a kationnal nem. [13] Prof. Barbara Kirchner (Bonn) kutatócsoportjával együttműködve molekuladinamikai és kvantumkémiai számítások segítségével sikerült kimutatni egy számottevő imidazólium kation - szén-dioxid kölcsönhatást, mely az oldódásban szerepet játszik.[K2]
4. ábra: A szén-dioxid beépülési lehetőségei
A szén-dioxid kémiai oldódása során vizsgáltam, hogy az imidazólium gyűrű 2-es vagy a gyűrű hátsó, 4-es, 5-ös helyzetéhez kötődik-e a szén-dioxid (4. ábra). A kísérleti munkát megelőző kvantumkémiai számítások megmutatták, hogy a két forma közt kicsi az energia különbség, akár mindkettő keletkezhet. Kísérleti munka során Dr. Székely Edit csoportjával együttműködve sikerült kimutatni mindkét formát, igazolva a modellezés eredményeit.[K3]
Tiamin – a kén szerepe [K4]
A tiamin esetében először a különböző karbének protonaffinitására koncentráltunk, hiszen a karbén képződés az első lépése a legtöbb organokatalitikus folyamatnak. Megállapítottuk, hogy a szintetikus szempontból legjelentősebb, öttagú két heteroatomot tartalmazó karbének esetében a protonaffinitás a N>S>O irányba csökken. További számítások során azt is megmutattuk, hogy a katalitikus folyamat kulcsintermediere a Breslow-intermedier nagyobb stabilitással rendelkezik a tiazol-2-ilidén (2. ábra) esetében, mint a többi analógnál. Ezenkívül a tiazol-2-ilidén gyűrű reverzibilisen fel is tud nyílni víz jelenlétében, aminek köszönhetőn a szervezeten belüli transzportja könnyebb. Mindezek indokolják, hogy a természet miért éppen ezt a karbént ”választotta” katalizátornak.
Oxazol-2-ilidén stabilitása, stabilizálhatósága [K5]
Megmutattam, hogy az eddig elő nem állított oxazol-2-ilidén nagyobb termodinamikai stabilitással rendelkezik több már eddig előállított karbénnél, azonban a termodinamikai stablilitás egy vegyület előállíthatóságának nem elégséges feltétele. Így például az oxazol-2-ilidén esetében felléphet egy cikloreverziós reakció (5. ábra).
5. ábra: Az oxazol-2-ilidén cikloreverzióval történő bomlási reakciója, pirossal egy általunk javasolt analóg, ami stabil e reakcióval szemben
E reakcióval szemben sikerült nem csak kinetikailag stabilizálni a vegyületet, hanem a benzokondenzált származék esetében (5.ábra) termodinamikailag is. Vizsgáltam az oxazol-2-ilidén vízzel való hidrolízisét is, amely során megállapítható, hogy kevés víz molekula jelenlétében – például ionos folyadékokban oldva – e reakcióval szemben is stabilizálható a molekula és mint új karbén ígéretes katalizátor lehet a jövőben.
Várható impakt, további kutatás
Munkám során megmutattam, hogy az EMIM-Ac, ionos folyadékban jelenlevő karbéneknek köszönhetően organokatalitikus aktivitással bír. Az e témában az Organic and Biomolecular Chemistryben megjelent közlemény [K1] két hónapon át a 10 legtöbbet megtekintett publikáció közt szerepelt és máig 12 hivatkozás érkezett rá, többek közt e ionos folyadék organokatalitikus aktivitását felhasználva biomassza hasznosításra is javaslatot tettek. [14] A többi témában eddig 4 közlemény [K2, K4, K5, K6] jelent meg rangos nemzetközi folyóiratokban. Jelenleg további 2 közlemény, egy Dr. Székely Edit csoportjával [K3], egy pedig Prof. Rainer Streubel (Bonn) csoportjával együtt működve [K7] van előkészületben.
Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény
Kapcsolódó saját publikációk listája:
[K1] Z. Kelemen, O. Hollóczki, J. Nagy, L. Nyulászi Org. Biomol. Chem., 2011, 9, 5362-5364.
[K2] O. Hollóczki, Z.Kelemen, L. Könczöl, D. Szieberth, L. Nyulászi, A. Stark, B. Kirchner, ChemPhysChem 2013, 14, 315-320
[K3] Z. Kelemen, B. Péter-Szabó, E. Székely, J. Nagy, L Nyulászi, közlésre előkészítve
[K4] O. Hollóczki, Z. Kelemen, L. Nyulászi, J. Org. Chem., 2012, 77, 6014–6022
[K5] Z. Kelemen, O. Hollóczki, J. Oláh, L. Nyulászi, RSC Advances, 2013, 3, 7970-7978
[K6] P. K. Majhi, G. Schnakenburg, Z. Kelemen, L. Nyulászi, D. Gates, R. Streubel Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201304431
[K7] Z. Kelemen, R. Streubel, L. Nyulászi közlésre előkészítve
Linkgyűjtemény:
Hivatkozások listája:
[1] (a) J. P. Hallett, T. Welton, Chem. Rev, 2011, 111, 3508-3576 (c) T. Welton, Chem. Rev, 1999, 99, 2071-2083. (c) P. Wasserscheid, T. Welton Ionic Liquids in Synthesis 2. Edition 2007, Wiley-VHC Verlag, Weinheim (d) Z. Finta, Z. Baán, I. Hermecz, Kémiai Újabb Eredményei 2007 98, Akadémiai kiadó, Budapest. (e) J. P. Hallett, T.Welton, Chem. Rev., 2011, 111, 3508-3576
[2] (a) D. R. MacFarlane, M. Forsyth, P. C. Howlett, J. M. Pringle, J. Sun, G. Annat, W. Neil, E. I. Izgorodina, Acc. Chem. Res. 2007, 40, 1165 (b) E. F. Borra, O.Seddiki, R. R. Angel, D. Eisenstein, P. Hickson, K. R. Seddon, S. P. Worden, Nature 2007, 447, 979. (c) X. Han, D. W. Armstrong, Acc. Chem. Res. 2007, 40, 1079. (d) R. P. Swatloski, S. K. Spear, J. D. Holbrey, R. D. Rogers, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 4974.
3] (a) D. R. Anderson, V. Lavallo, D. J. O’Leary, G. Bertrand, R. H. Grubbs, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 7262. (b) R. H. Crabtree, J. Organomet. Chem. 2005, 690. 5451. (c) S. Diez-González, N. Marion, S. P. Nolan, Chem. Rev. 2009, 109, 3612. (d) K. H. Dötz (Ed) Metal Carbenes in Organic Synthesis 2004 , 13 Springer, (e) R. H. Grubbs, Handbook of Metathesis 2003 Wiley-VCH, Germany,.
[4] (a) D. Bourissou, O. Guerret, F. P. Gabbai, G. Bertrand, Chem. Rev. 2000, 100, 39-92. (b) F. E. Hahn, M. C. Jahnke, Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 3122-3172 (c) A. J. Arduengo III, G. Bertrand, Chem. Rev. 2009, 109, 3209. (d) J. Vignolle, X. Cattoen, D. Bourissou, Chem. Rev. 2009, 109, 3333.
[5] T. P. Anastas, J. C. Warner: Green Chemistry: Theory and Practise, Oxford University Press, Oxford 1988
[6] D. Martin, M. Soleilhavoup, G. Bertrand, Chem. Sci. 2011 2, 389-399
[7] (a) J. H. Park, S. V. Bhilare, S.W. Youn, Org. Lett., 2011, 13, 2228; (b) J. H. Park, S. V. Bhilare S.W. Youn, Org. Lett., 2011, 13, 2228 (d) S. N. Riduan, Y. Zhang, J. Y. Ying, Angew. Chem., Int. Ed., 2009, 48, 3322. (e) P.-C. Chiang, J.W. Bode, Org. Lett., 2011, 13, 2422 - 2425 (f) M. Yoshida, Y. Katagiri, W.-B. Zhu, K. Shishido Org. Biomol. Chem., 2009, 7 , 4062 – 4066 (g) B. Maji, S. Vedachalan, X. Ge, S. Cai, X. Liu J. Org. Chem. 2011, 76, 3016–3023 (h) V. Nair, V. Varghese, R. R. Paul, A. Jose, C. R. Sinu, R. S. Menon, Org. Lett., 2010, 12, 2653. (i) L. Gu, Y. Zhang, J. Am. Chem. Soc., 2010, 132, 914.
[8] O. Hollóczki, D. Gerhard, K. Massonne, L. Szarvas, B. Németh, T. Veszprémi, L. Nyulászi, New. J. Chem. 2010, 34, 3004-09
[9] L. A. Blanchard, D. Hancu, E. J. Beckman, J. F. Brennecke, Nature 1999, 399, 28–29.
[10] A. J. Arduengo III., R. L. Harlow, M. Kline, J. Am. Chem. Soc. 1991, 113, 361
[11] (a) R. W. Alder, C. P. Butts and A. G. Orpen, J. Am. Chem. Soc., 1998, 120, 11526–11527; (b) N. Merceron Saffon, A. Baceiredo, H. Gornitzka and G. Bertrand, Science, 2003, 301, 1223.
[12] (a) H. Rodríguez, G. Gurau, J. D. Holbrey, R. D. Rogers, Chem. Commun., 2011, 47, 3222. (b) M. Yoshizawa-Fujita, K. Johansson, P. Newmann, D. R. MacFarlane, M. Forsyth, Tetrahedron Lett., 2006, 47, 2755. (c) C.-M. Jin, B. Twamley, J.M. Shreeve, Organometallics, 2005, 24, 3020.
[13] (a) B. L. Bhargava, S. Balasubramanian, Chem. Phys. Lett. 2007, 444, 242–246. (b)C. Cadena, J. L. Anthony, J. K. Shah, T. I. Morrow, J. F. Brennecke, E. J. Maginn, J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 5300 –5308.
[14] D. Liu, Y. Zhanga E.Y.-X. Chen Green Chem., 2012, 14, 2738