XXXVIII. KÉMIAI ELŐADÓI NAPOK

Magyar Kémikusok Egyesülete Csongrád Megyei Csoportja és a Magyar Kémikusok Egyesülete rendezvénye XXXVIII. KÉMIAI ELŐADÓI NAPOK Program és előadás-összefoglalók Szegedi Akadémiai Bizottság Székháza Szeged, 2015. október 26-28.

Szerkesztették: Bohner Bíborka SZTE TTIK Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszék Mesterházy Edit SZTE TTIK Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék ISBN 978-963-9970-64-9 2

A MAGYAR KÉMIKUSOK EGYESÜLETE ÁLTAL NÍVÓDÍJJAL KITÜNTETETT DIPLOMADOLGOZATOK A 2015. ÉVBEN 3

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM (BME) BALÁZS LÁSZLÓ BERTALAN: P-ligandummentes Pd- és Ni-kataliált P_C kapcsolási reakciók DRÁVAVÖLGYI GÁBOR: Folyamatos eljárásokkal előállított spironolakton tartalmú szilárd diszperziók bomlástermék-tartalmának vizsgálata HIRSCH EDIT: Diarilfoszfinsav egységet tartalmazó, lipofil, királis koronaéterek szintézise és szelektív transzportképességük vizsgálata MESTER DÁVID: Nemkonvencionális bázisfüggvények alkalmazása a kvantumkémiában DEBRECENI EGYETEM (DE) GYÖNGYÖSI TAMÁS: Heparin-analóg pentaszacharidok antitrombin-iii fehérjével való kölcsönhatásának összehasonlítása NMR spektroszkópiai módszerek és molekuladinamikai számítások segítségével KECSKEMÉTI ÁDÁM: Immobilizált tripszint tartalmazó mikroreaktor készítése gyors fehérjebontáshoz EÖTVÖS LORÁND TUDOMÁNYEGYETEM (ELTE) DÉNES NÓRA: Molecular energy levels and accurate high-temperature partition functions KELEMEN ORSOLYA: Felületaktív anyag kölcsönhatásának vizsgálata lipid modell membránokkal PANNON EGYETEM (PE) CSÁSZÁR ZSÓFIA: Sztereogén nitrogénatommal rendelkező foszfin-amin ligandumok koordinációs és katalitikus tulajdonságainak vizsgálata PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEM (PTE) FILOTÁS DÁNIEL: Development of single- and double-barrer microelectrodes and their application in corrosion research using scanning electrochemical microscopy and scannintg vibrating electrode technique PÁLINKÁS NOÉMI: Kinetikus reszolválás axiális kiralitás-elemet tartalmazó modellvegyületek aminokarbonilezési reakcióiban SZEGEDI TUDOMÁNYEGYETEM (SZTE) BUCHHOLCZ BALÁZS: Nitrogénnel adalékolt TiO 2 nanorészecskék alacsony hőmérsékletű előállítása titanát nanocsövekből RAUSCHER EVELIN: Áramlásvezérelt csapadékképződés a réz-foszfát és szilikát rendszerben 4

ÁTTEKINTŐ PROGRAM 5

2015. október 26. hétfő Helyszín: Szegedi Akadémiai Bizottság Székháza, díszterem 09.00 10.00 Regisztráció 10.00 10.30 Megnyitó Dr. Hannus István, emeritus professzor A Magyar Kémikusok Egyesülete Csongrád Megyei Csoportjának elnöke Nívódíjak átadása Dr. Wölfling János egyetemi tanár Magyar Kémikusok Egyesülete Felügyelőbizottsági tag 10.30 11.30 Plenáris előadás Előadó: Dr. Szabó Gábor akadémikus A Szegedi Tudományegyetem rektora 11.30 13.00 Szünet 13.00 14.15 Nívódíjas előadások szekciója I. Elnök: Dr. Wölfling János egyetemi tanár 14.15 14.30 Szünet 14.30 15.30 Nívódíjas előadások szekciója II. Elnök: Dr. Hannus István emeritus professzor 15.30 16.00 Szünet 16.00 17.30 Szerves kémia I. Elnök: Dr. Mastalír Ágnes egyetemi docens 19.00 Fogadás Helyszín: Roosevelt téri Halászcsárda, 6720 Szeged, Roosevelt tér 1. 6

2015. október 27. kedd Helyszín: Szegedi Akadémiai Bizottság Székháza, 110. terem 08.00 09.30 Szerves kémia II. Elnök: Dr. Szőllősi György tudományos főmunkatárs 09.30 09.45 Szünet 09.45 11.00 Analitikai kémia Elnök: Dr. Sipos Pál egyetemi tanár 11.00 12.00 Szünet 12.00 13.15 Anyagtudomány I. Elnök: Dr. Szabó Tamás egyetemi adjunktus 13.15 13.30 Szünet 13.30 14.45 Anyagtudomány II. Elnök: Dr. Kónya Zoltán egyetemi tanár 14.45 15.00 Szünet 15.00 16.30 Biokémia és Biotechnológia Elnök: Dr. Gajda Tamás egyetemi tanár 16.30 17.00 Szünet 17.00 18.00 ACS Hungary Section Elnök: Dr. Janáky Csaba egyetemi adjunktus 2015. október 28. szerda Helyszín: Szegedi Akadémiai Bizottság Székháza, 110. terem 08.00 09.00 Fizikai kémia I. Elnök: Dr. Endrődi Balázs egyetemi tanársegéd 09.00 09.15 Szünet 09.15 10.15 Fizikai kémia II. Elnök: Dr. Czakó Gábor egyetemi adjunktus 10.15 10.30 Szünet 10.30 12.00 Szerves kémia III. Elnök: Dr. Pálinkó István egyetemi tanár 12.00 13.00 Szünet 13.00 14.15 Katalízis Elnök: Dr. Sápi András egyetemi adjunktus 7

8 RÉSZLETES PROGRAM

2015. október 26. hétfő Helyszín: Szegedi Akadémiai Bizottság Székháza, díszterem 09.00 10.00 Regisztráció 10.00 10.30 Megnyitó Dr. Hannus István, emeritus professzor A Magyar Kémikusok Egyesülete Csongrád Megyei Csoportjának elnöke Nívódíjak átadása Dr. Wölfling János egyetemi tanár Magyar Kémikusok Egyesülete Felügyelőbizottsági tag 10.30 11.30 Atomok, molekulák, és egy különleges fényforrás - az ELI Előadó: Dr. Szabó Gábor akadémikus a Szegedi Tudományegyetem rektora 11.30 13.00 Szünet 13.00 14.15 Nívódíjas előadások szekciója I. Elnök: Dr. Wölfling János egyetemi tanár 13.00 13.15 P-ligandummentes Pd- és Ni-katalizált P-C kapcsolási reakciók Balázs László Bertalan 13.15 13.30 Nitrogénnel adalékolt TiO 2 nanorészecskék alacsony hőmérsékletű előállítása titanát nanocsövekből Buchholcz Balázs 13.30 13.45 13.45 14.00 14.00 14.15 Sztereogén nitrogénatommal rendelkező foszfin-amin ligandumok koordinációs és katalitikus tulajdonságainak vizsgálata Császár Zsófia Heparin-analóg pentaszacharidok antitrombin-iii fehérjével való kölcsönhatásának összehasonlítása NMR spektroszkópiai módszerek és molekuladinamikai számítások segítségével Gyöngyösi Tamás Immobilizált tripszint tartalmazó mikroreaktor készítése gyors fehérjebontáshoz Kecskeméti Ádám 9

14.15 14.30 Szünet 14.30 15.30 Nívódíjas előadások szekciója II. Elnök: Dr. Hannus István, emeritus professzor 14.30 14.45 14.45 15.00 15.00 15.15 15.15 15.30 Felületaktív anyag kölcsönhatásának vizsgálata lipid modell membránokkal Kelemen Orsolya Nemkonvencionális bázisfüggvények alkalmazása a kvantumkémiában Mester Dávid Kinetikus reszolválás axiális kiralitás-elemet tartalmazó modellvegyületek aminokarbonilezési reakcióiban Pálinkás Noémi Áramlásvezérelt csapadékképződés a réz-foszfát és szilikát rendszerben Rauscher Evelin 15.30 16.00 Szünet 16.00 17.30 Szerves kémia I. Elnök: Dr. Mastalír Ágnes egyetemi docens 16.00 16.15 16.15 16.30 Benzotiadiazinok előállítására alkalmas acetofenon-ketál származékok szintézise metallálási reakcióban N,N,N,N,N - pentametildietiléntriamin komplexképző jelenlétében Németh András György Új típusú fluoreszcens nukleotidszenzorok szintézise és spektroszkópiai vizsgálata Janzsó-Berend Péter Zoltán 16.30 16.45 Új tri- és tetraciklusos pirrolotriazepin-származékok előállítása Földesi Tamás 16.45 17.00 Az 1H,4H-Furo[2,3-c]piridazin-4-on származék első szintézise Szabó Balázs Péter 17.00 17.15 Az L-gulonátion protonálódása és laktonizációja Buckó Ákos 10

17.15 17.30 Izopropil- és izopentil-3-metil-3-foszfolén-1-oxid szintézise, reszolválása és hasznosítása szintézisekben Juhász Kinga 19.00 Fogadás Helyszín: Roosevelt téri Halászcsárda, 6720 Szeged, Roosevelt tér 1. 11

2015.október 27. kedd Helyszín: Szegedi Akadémiai Bizottság Székháza, 110. terem 08.00 09.30 Szerves kémia II. Elnök: Dr. Szőllősi György tudományos főmunkatárs 08.00 08.15 Diarilfoszfinsav egységet tartalmazó 18-korona-6-éterek előállítása és pka értékük meghatározása Szentjóbi Hajnalka 08.15 08.30 α-hidroxi-metilénbiszfoszfonsavak szintézisének vizsgálata Nagy Dávid Illés 08.30 08.45 08.45 09.00 Kabachnik Fields-reakciók szekunder foszfin-oxidokkal, a termékek hasznosíthatóságának vizsgálata Tripolszky Anna Új, várhatóan enantiomerszelektivitást mutató, akridin egységet tartalmazó 18-korona-6-éter és 21-korona-7-éter típusú királis makrociklusok szintézise Petró József Levente 09.00 09.15 Királis koronaéterek szintézise és alkalmazása enantioszelektív reakciókban Nemcsok Tamás 09.15 09.30 P-Heterociklusos foszfin-boránok és optikailag aktív foszfinoxidok előállítása foszfóniumsó intermedieren keresztül Herbay Réka 09.30 09.45 Szünet 09.45 11.00 Analitikai kémia Elnök: Dr. Sipos Pál egyetemi tanár 09.45 10.00 Kémiai biztonság a sportban- REACH Tamási Kinga 12

10.00 10.15 N-metilált tiramin származékok azonosítása és meghatározása Ginkgo biloba kivonatokban Rendes Kata 10.15 10.30 N,N-Dimetilanilin β-deutérium izotópeffektusának mechanisztikus vizsgálata fordított fázisú folyadékkromatográfiával Maszler Péter 10.30 10.45 Zsíroldékony antioxidánsok bioanalitikai vizsgálata humán szérumban Bajtai Attila 10.45 11.00 Kalcium- és nátrium-izoszacharinát előállítása és jellemzése Dudás Csilla 11.00 12.00 Szünet 12.00 13.15 Anyagtudomány I. Elnök: Dr. Szabó Tamás egyetemi adjunktus 12.00 12.15 12.15 12.30 12.30 12.45 Réteges kettős hidroxidok delaminációs és aggregációs tulajdonságai Muráth Szabolcs Baeyer-Villiger oxidációs reakció Ca(II)Sn(IV) réteges kettős hidroxidonon Czene Sándor Marcell Nikkel-aminosav komplexek interkalálása CaAl LDH rétegei közé Ziegenheim szilveszter 12.45 13.00 Cink-alumínium spinell újszerű előállítása Bús Csaba 13.00 13.15 Szén-dioxid füstgázból történő leválasztásának vizsgálata Stelén Gábor 13.15 13.30 Szünet 13

13.30 14.45 Anyagtudomány II. Elnök: Dr. Kónya Zoltán egyetemi tanár 13.30 13.45 13.45 14.00 14.00 14.15 14.15 14.30 Kémiai EOR célú tenzidek felhasználásával előállított kőolajvíz emulziók reológiai vizsgálata Elekes Andrea Pt nanorészecskékkel dekorált mezopórusos oxidok szintézise, karakterizálása, valamint felhasználása különböző felületkémiai reakciókban Dobó Dorina Gabriella Vas-volframát (FeWO4) nanolemezek előállítása hidrotermális eljárással Nagyné Kovács Teodóra Arany nanoszemcsékkel adalékolt hexagonális WO3 nanoszálak fotokatalitikus tulajdonságai Kéri Orsolya 14.30 14.45 Fotokatalitikus grafén-oxid (GO) nanokompozitok előállítása Justh Nóra 14.45 15.00 Szünet 15.00 16.30 Biokémia és biotechnológia Elnök: Dr. Gajda Tamás egyetemi tanár 15.00 15.15 Tojáshéj fertőtlenítésének lehetőségei Németh Csaba 15.15 15.30 Réz(I)ionok szelektív kimutatása a CueR fémszabályzó fehérje segítségével Balogh Ria Katalin 15.30 15.45 A humán dutpáz fehérje egy lehetséges kölcsönható partnere Kőhegyi Bianka Kitti 15.45 16.00 A BMEI0893 membránfehérje kötőzsebek bioinformatikai vizsgálata dokkolási kísérletekkel Tököli Attila 14

16.00 16.15 Mikrobiális üzemanyagcellák fejlesztése Sipos Róbert 16.15 16.30 Gyógyszermolekulák ciklodextrinekkel való komplexképzésének vizsgálata Dargó Gergő 16.30 17.00 Szünet 17.00 18.00 ACS Hungary Section Elnök: Dr. Janáky Csaba egyetemi adjunktus 17.00 17.15 Determination of diffusion coefficients of ions in hydrogels Gehér-Herczegh Tünde 17.15 17.30 Electrochemistry of Synthetic Flavins in Aqueous Media Kormányos Attila 17.30 17.45 17.45 18.00 Factor influencing Tylosin adsorption onto dehydrated wheat bran Sarrai Abd El Aziz Stereochemical discrimination int he synthesis of beta-peptide oligomers: origin of homochirality Nekkaa Imane 15

2015. október 28. szerda Helyszín: Szegedi Akadémiai Bizottság Székháza, 110. terem 08.00 09.00 Fizikai kémia I. Elnök: Dr. Endrődi Balázs egyetemi tanársegéd 08.00 08.15 A HOCl glicin reakció kinetikája és mechanizmusa Szabó Mária 08.15 08.30 Heteroaromás N-oxidok képződésének kinetikai vizsgálata Bellér Gábor 08.30 08.45 Adszorpciós reakciók kinetikája. Kalmár József 08.45 09.00 Triklórfenol oxidációja fotoérzékenyítővel Ditrói Tamás 09.00 9.15 Szünet 9.15 10.15 Fizikai Kémia II. Elnök: Dr. Czakó Gábor egyetemi adjunktus 09.15 09.30 9.30 9.45 Kemohidrodinamikai instabilitás vizsgálata mikrogravitációs környezetben Bába Péter Egy- és kétcsatornás mikroelektródok fejlesztése és alkalmazása korróziós vizsgálatokban Filotás Dániel 9.45 10.00 1,4-Benzokinonok és szulfition reakciójának vizsgálata Kiss Virág 10.00 10.15 Pontos termokémiai számítások fluorozott etilgyökökre Ganyecz Ádám 10.15 10.30 Szünet 16

10.30 12.00 Szerves kémia III. Elnök: Dr. Pálinkó István egyetemi tanár 10.30 10.45 A (+)-transz-dihidronarciklazin és trimetoxifenil analogonjának enantioszelektív szintézise Varró Gábor 10.45 11.00 A 7-dezoxi-transz-dihidronarciklazin analogonjai intermedierjeinek sztereoszelektív szintézise vanillinszármazékokból Pálchuber Péter 11.00 11.15 Vegyes aminofoszfonátok és aminometilén-biszfoszfonátok előállítása Tajti Ádám 11.15 11.30 Azido-nukleozidok előállítása és kapcsolása szteroidokhoz rézkatalizált alkin-azid klikk reakcióval Tétényi Eszter 11.30 11.45 Foszfin-oxidok redukciós és oxidációs reakciói Kovács Tamara 11.45 12.00 Glükofuranozid alapú koronaéterek szintézise és alkalmazása Kánya Nándor 12.00 13.00 Szünet 13.00 14.15 Katalízis Elnök: Dr. Sápi András egyetemi adjunktus 13.00 13.15 13.15 13.30 13.30 13.45 Szilárd hordozóhoz rögzíthető, cinkona alkaloid-alapú, aszimmetrikus, bifunkciós organokatalizátorok Cseri Levente Foszfit-foszforamidit típusú hibrid ligandumok előállítása és alkalmazása aszimmetrikus katalitikus reakciókban Faragó Judit Irányított felületi reakciók alkalmazása CO-toleráns anódoldali elektrokatalizátorainak fejlesztéséhez Gubán Dorottya 17

13.45 14.00 Ga 2O 3 katalizátorok szerkezeti átalakulása fotokatalitikus metanol reformálás alatt Vass Ádám 14.00 14.15 Biomasszából előállított optikailag aktív platform molekula stabilitásának és alkalmazásának vizsgálata Fridrich Bálint 18

ACS HUNGARY SECTION 19

DETERMINATION OF DIFFUSION COEFFICIENTS OF IONS IN HYDROGELS Tünde Gehér-Herczegh 1, Gábor Schuszter 1, Ágota Tóth 1, Dezső Horváth 2 1 1. University of Szeged, Department of Physical Chemistry and Materials Science. 2 2. University of Szeged, Department of Applied and Environmental Chemistry The aim of our research is to determine the diffusion coefficient of hydrogen ion in different polyelectrolytes. Our measurements and results are presented for 2%(w/v) agarose, 8%(w/v) gelatine and 1%(w/v) agar-agar hydrogels. We have also investigated our system by applying numerical calculations and auxiliary measurements. We are motivated by the widespread use of hydrogels in life sciences and material sciences resulting from their biocompatibility and well-adjustable physical properties. Moreover, reaction-diffusion driven chemical pattern formation in hydrogel media is also of interest where an autocatalytic reaction interacts with diffusion. In many cases hydrogen ion serves as the autocatalyst species, whereas pattern formation is primarily attributed to the different diffusion rates of the particles participating in the chemical reaction. Therefore the need for determining the diffusion coefficient of hydrogen ion under the given experimental conditions arises. For this purpose a combined experimental technique is developed, since no direct method is available. Via a conductivity method the effective diffusion coefficient of a binary strong electrolyte is measured which contains the diffusion coefficients for both the cation and the anion: The diffusion coefficient can be determined for individual ionic components as well by the pulsed field gradient spin echo NMR technique, however, hydrogen ion cannot be measured even by this method in hydrogels. The equation introduced above establishes the connection between the results obtained by the two methods: if via conductivity measurements an effective value for an electrolyte containing hydrogen ion as the cation is calculated, while the diffusion coefficient of the anion is known, using the equation above the final value for hydrogen ion can be given. HCl is an obvious choice for this electrolyte, however, chloride ion cannot be efficiently measured by PFGSE-NMR in this case. Therefore if sodium ion is measured instead, along with the conductivity measurements of NaCl and HCl, by applying the equation above twice for the data obtained, the final value of the diffusion coefficient for hydrogen ion can be determined through the common anion. 20

ELECTROCHEMISTRY OF SYNTHETIC FLAVINS IN AQUEOUS MEDIA Attila Kormányos 1,2, Mohammad S. Hossain 3, Frank W. Foss 3, Krishnan Rajeshwar 3, Csaba Janáky 1,2 1 Department of Physical Chemistry and Materials Science, University of Szeged, Szeged, 6720, Hungary 2 MTA-SZTE Lendület Photoelectrochemistry Research Group, Rerrich Square 1, 6720, Szeged, Hungary 3 Department of Chemistry and Biochemistry, University of Texas at Arlington, Arlington, Texas 76019 Flavins are biologically important yellow molecules with a common three-ring isoalloxazine structural motif, of which three natural analogs are well known: riboflavin (RF), flavin mononucleotide (FMN), and flavin adenine dinucleotide (FAD). The electroactive part of these molecules is the isoalloxazine motif (the N10 substituents aid in apoprotein-cofactor binding and specificity), and all the others have direct effects on stability, solubility, pk, and redox potential. With intelligent design, these properties can be tailored as needed for the specific application (for e.g. electrocatalyst in oxygen reduction reaction with a less negative onset potential, increased solubility in aqueous media, etc.). The aims of this study were to 1.) investigate the electrochemical behavior of a synthetic flavin in aqueous media (there are articles mostly on natural flavins), 2.) examine the substituent effects on the redox potential, 3.) test the electrocatalytic activity toward the electrochemical reduction of oxygen. The reductive electrochemical behavior of a synthetic flavin analog was examined in detail in aqueous solutions of varying ph in the range from 1 to 10. Both buffered and nonbuffered solutions were utilized for this purpose. Cyclic voltammetry, used in conjunction with hydrodynamic (rotating disk electrode) voltammetry, showed quasi-reversible behavior consistent with freely-diffusing molecules and an overall global 2e -, 2H + protoncoupled electron transfer (PCET) scheme. Conversely, UV-visible spectroelectrochemical data pinpointed a sequential 1e -, 1H +, 1e -, 1H + PCET mechanism. Substituent effects on the redox behavior of the test compound were compared with three other synthetic analogs. The flavin compounds in this study were disubstituted with polar substituents at the N1 and N3 positions (alloxazine) or at the N3 and N10 positions (isoalloxazines). The electrocatalytic activity of all four compounds was investigated with cyclic voltammetry in O 2 saturated solutions. In each cases an increased cathodic current was observed compared to the N 2 saturated solutions, which proves that our synthetic flavins can electrocatalytically reduce oxygen and can be potentially applied as electrocatalysts in such processes. 21

22 1. ábra: CV traces for a synthetic flavin derivative, at a GC electrode surface as a function of ph in buffered aqueous media.

FACTORS INFLUENCING TYLOSIN ADSORPTION ONTO DEHYDRATED WHEAT BRAN A. E. Sarrai* 1,2,3, S. Hanini 1, N. Kasbadji Merzouk 2, D. Tassalit 2, Tibor Szabó 3, László Nagy 3, M. Melinda 4 1 Laboratoire de Biomatériaux et Phénomènes de Transports LBMPT, Université Yahia Fares, Médéa, Algeria. 2 Unité de Développement des Equipements Solaires, UDES/Centre de Développement des Energies Renouvelables, CDER, Bou Ismail, 42415, W. Tipaza, Algérie. 3 Department of Medical Physics and Informatics, University of Szeged, Rerrich Béla tér 1., H-6701 Szeged, Hungary. 4 institute of Plant Biology, Biological Research Center, H.A.S, Szeged. *Sarrai_aziz@hotmail.com Abstract In this study, dehydrated wheat bran prepared from wheat bran, which is a natural product grows in the north of Algeria has been used as adsorbent for Tylosin removal from aqueous solution. The adsorption potential of this material for removing Tylosin from aqueous solution was investigated via the batch technique, and the adsorbent dosage, ph and initial Tylosin concentration were studied. Experimental data showed that the sorption of Tylosin increased with increasing the amount of adsorbent and the initial Tylosin concentration. The maximum Tylosin adsorption occurred in the ph range around 7. Keywords: adsorption, dehydrated wheat bran, Tylosin. 1. Introduction Antibiotics are among the most frequently prescribed medications since they are commonly used in human and veterinary medicine for the purpose of treating bacterial infections [1]. Antibiotics may escape conventional biological treatment and thus enter receiving environmental media either in their parent form or as transformation products. It appears from the literature that the greatest risk related to their presence in the environment is their potential to cause antibiotic resistance among bacteria [2, 3]. These chemicals may affect terrestrial and aquatic organisms [4], as well as play a role in the evolution of microbial population resistant to antibiotics [5]. The environmental exposure of antibiotics could increase the possibility of changes in the microbial populations to degrade contaminants such as pesticides [6] and have deleterious effect on important biogeochemical cycles such as nitrification and denitrification [7]. Adsorption method is one of the most efficient methods of removing pollutants from wastewater [8]. It is simple to design and operate; and it is relatively inexpensive and unaffected by the potential toxicity as for biologically based processes [9]. The objective of this work is to produce sustainable adsorbent due to the low-cost and the renewability of the precursor (agricultural residues) and the environmental friendly condition of its preparation, and to successfully use it as Tylosin adsorption from aqueous solution. The first part of the text is devoted to the production and the characterization of Dehydrated Wheat Bran (DWB) and the second part to the adsorption study. 23

2. Material and Methods 2.1. Preparation of dehydrated wheat bran The wheat bran provided by SIM Company located in Blida- Algeria; was mixed with sulfuric acid solution in the ratios of 1/1 (starting material/activating agent). The mixture was manually stirred at the beginning to contact wheat bran well with acid and left for 2 h. At the end of the dehydration process, sufficient distilled water was added,this process was repeated until the final ph of the filtrate was about 7. The dehydrated material rinsed with distilled water was dried for 24 h in oven at 80 C. Finally, the powdered sample was kept in a desiccator for future use. 2.2 Adsorption studies Tylosin degradation was evaluated by measuring the absorbance with a spectrophotometer UV-VISIBLE type Shimadzu UV1800. The UV absorption spectrum of Tylosin in aqueous solution is given in Fig.1. The maximum absorption band is located at 290 nm [10]. The adsorbed amount of Tylosin (antibiotic selected for study) at equilibrium q e (mg.g -1 ) and the percentage removal (R %) were calculated by the following equations: ( ) (1) ( ) (2) Here C 0 and C e are the initial and equilibrium concentrations (g.l -1 ), X (g) is the weight of dehydrated wheat bran in one liter and C is the pollutant concentration at the end of adsorption. The ph pzc value of the dehydrated wheat bran was determined by a mass titration method proposed by Noh and Schwarz [11], different amounts of dehydrated wheat bran were put in 10 ml of 0.1 mol/l NaCl solution. The bottles were sealed and shaken in a thermostat shaker overnight, the equilibrium ph values of the mixtures were measured and the limiting ph was taken as the ph pzc. 3. Results and Discussion 3.1 Characterization of the adsorbent Surface structure of dehydrated wheat bran before adsorption of Tylosin was analyzed by Scanning Electron Microscope (SEM). Fig. 1. Scanning Electron Microscope image of Dehydrated Wheat Bran 24

Fig. 1 enabled us to discern the following aspect. Highly developed porosity exists all over the entire sample surface with certain heterogeneity. This porosity can refer to the evaporation of sulfuric acid from the cavities previously occupied by the chemical agent. The presence of pores indicated that there was a good possibility that Tylosin could be trapped and adsorbed onto the surface of dehydrated wheat bran. 3.2. Effect of the operating parameters 3.2.1 Effect of adsorbent dosage To determine the effect of adsorbent dosage on the amount of adsorption, the adsorbent concentration was varied from 0.2 to 1 g/l, while initial Tylosin concentration and ph were held constant at 10 ppm and 7.0 successively. The results are presented in Fig 2. Figure 2 represents the effect of adsorbent dosage on the adsorption of Tylosin, it can be seen that percentage of Tylosin adsorption steeply increases with the biomass loading up to 0,8 g/l. This result can be explained by the fact that the DWB sites remain unsaturated during the sorption reaction [12]. Fig. 2. The percentage removal (R %) of Tylosin as a function of the incubation time at different concentration as indicated. 120 100 80 R(%) 60 40 20 0 C=0,2 mg/l C=0,5 mg/l C=0,8 mg/l C=1 mg/l 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 t(min) 3.2.1 Effect of initial Tylosin concentration To determine the effect of initial concentration on the amount of adsorption Tylosin concentration was varied from 2 to 60 ppm, while the ph and the amount of DWB were held constants at 7.0 and 1g/L, respectively. The results are presented in Fig. 3. Figure shows that the initial concentration has a clear influence on the amount of Tylosin absorbed on DWB. The sorption capacity of the adsorbent increased with increasing of initial Tylosin concentration. The initial concentration provided an important driving force to overcome all mass transfer resistance. The increase of loading capacity adsorbent with increasing initial Tylosin concentration may also be due to higher interaction between Tylosin and DWB. 25

Fig. 3. The amount of adsorbed Tylosin at the equilibrium, q e, as a function of the incubation time as a function of the initial concentration, as indicated. 30 qe(mg/g) 20 C=2ppm C=4ppm C=8ppm C=20ppm C=60ppm 10 0 0 20 40 60 80 100 120 140 t(min) 3.2.1 Effect of ph To determine the effect of ph on the percent of adsorption, the ph was varied from 2 to 12 while the amount of DWB and the initial Tylosin concentration were held constants at 1 g/l and 10 ppm respectively. The results are presented in Fig. 4. Fig.4 The percentage of the absorption of the Dehydrated Wheat Bran as a function of the ph of the incubation solution. The temperature was 303 K, the initial concentrations=10 mg/l. 100 80 60 R(%) 40 20 0 0 2 4 6 8 10 12 14 The effect of ph on Tylosin adsorption can be explained by the ionization of this molecule at different ph values. The points of zero charge of Dehydrated Wheat Bran (DWB) is found to be (4.0). At solution ph lower than the pkb (7.1) of (TYL) [10], the ph 26

positively charged (TYL+) are the dominant species in solution, in the solution ph range (2 4), the surface of dehydrated wheat would have a positive charge, which decrease the interaction with the positive species of Tylosin by greater repulsive forces. As the solution ph increased until the value close to pkb, DWB should have negative surface charge, which can strongly attracted the positive species of (TYL+). As the solution ph increased and passed the pkb, the relative concentration of TYL+ decreased and the neutral species of TYL became dominant. As a result, the electrostatic interactions between TYL+ and DWB weakened and the adsorbent percent decreased. 4. Conclusion The Dehydrated Wheat Bran (DWB) is an economical and an easily available adsorbent would certainly make an adsorption based process available alternative for the treatment of wastewater containing pollutants. The effectiveness of the treatment of Tylosin onto DWB depends not only on the properties of the adsorbent and adsorbate, but also on various conditions and variables used for the adsorption process such as the adsorbent amount, ph and initial adsorbate concentration. The experimental results indicated that Tylosin adsorption is favored for adsorbent dosage higher than 0.8 g/l, neutral ph solution and for high Tylosin concentration. References [1] Kümmerer. K, 2009. Antibiotics in the aquatic environment-a review-part I. Chemosphere 75, 417-434. [2] Akiyama. T, Savin. M.C, 2010. Populations of antibiotic-resistant coliform bacteria change rapidly in a wastewater effluent dominated stream. Science of the Total Environment 408, 6192-6201. [3] Novo. A, Manaia. C.M, 2010. Factors influencing antibiotic resistance burden in municipal wastewater treatment plants.applied Microbiology and Biotechnology. 87, 1157-1166. [4] Wollenberger. L, Halling-Sorensen. B, Kusk. K.O, 2000. Acute and chronic toxicity of veterinary antibiotic to Dahpnia magna. Chemosphere. 40 (7), 723 730. [5] Chee-Sanford. J.C, Aminov. R.I, Krapac. I.J, Garrigues-Jeanjean. N, Mackie. R.I., 2001. Occurrence and diversity of tetracycline resistance genes in lagoons and ground water underlying two swine production facilities. Appl. Evniron.Microbiol. 67, 1494 1502. [6] Boxall. A.B, Kolpin. D.W., Sorensen. B.H, Toll. J, 2003. Are veterinary medicines causing environmental risk. Environ. Sci. Technol. 37, 286 294. [7] Klaver. A.L, Matthews, R.A, 1994. Effects of oxytetracysline on nitrification in model aquatic system. Aquaculture. 123, 237 247. [8] G. Akkaya, I. Uzun, F. Güzel, 2009. Adsorption of some highly toxic dyestuffs from aqueous solution by chitin and its synthesized derivative, Desalination. 249, 1115 1123. [9] Mohd. R, Othman. S, Rokiah. H, Anees A, 2010, Adsorption of methylene blue on low cost adsorbents: A review, Journal of Hazardous Materials. 177, 70 80. [10] Qian. Z, Chen. Y, Weilin. H, Zhi. D, Xia. O, 2013. Sorption of tylosin on clay minerals. Chemosphere. 93, 2180 2186. [11] Noh J.S, Schwarz J.A, 1989. Estimation of the point of zero charge of simple oxides by mass titration. 1989. J. Colloid Interface Sci. 130, 157 164. [12] Vasudevan. P, Padmavathy. V, Dhingra S.C, 2002. Biosorption of monovalent and divalent ions on Bakers yeast, Bioresour. Technol. 82, 285 289. 27

STEREOCHEMICAL DISCRIMINATION IN THE SYNTHESIS OF ΒETA-PEPTIDE OLIGOMERS: ORIGIN OF HOMOCHIRALITY Imane Nekkaa, István Mándity, Ferenc Fülöp Institute of Pharmaceutical Chemistry, University of Szeged. H-6720 Szeged, Eötvös utca 6, Hungary. Unnatural oligomers with a strong tendency to adopt specific and predictable conformations in solution, the foldamers have been the subject of extensive investigation in recent years. β-amino acid oligomers, the β-peptides have been particularly well studied in this regard, β-peptides can adopt several distinct folding patterns if residue substitution patterns are chosen appropriately. [1] The rules concerning the fine-tuning of the secondary structure of β-peptides are well known and it has been stated, that the β-peptides fold into more stable helices compared to α-peptides. We wanted to investigate (i) whether this strong propensity for helix formation can be exploited in the stereochemically discriminated synthesis of β-peptides, and (ii) the origin of biological homochirality. For this purpose, we synthetized homooligomers of [1R,2R]-2- aminocyclohexanecarboxylic acid (ACHC), in a continuous-flow solid phase peptide synthesizer (CF-SPPS) using the Fmoc technique. The chaing-length of the oligomers varied between 3-6. On this homooligomers the coupling of racemic Boc protected trans- ACHC with the application of DIC/HOBt coupling agents was performed (Figure 1) and the diastereoselecitvity of the coupling reaction was investigated by means of HPLC-MS. Figure 1. Chain elongation of [1R,2R]-ACHC with racemic trans-achc and the possibly gained two diastereomers The preliminary results show, that there is a strong propensity for homooligomer formation, of which yields to a helical secondary structure. Importantly, the diastereoselecivity was chain-length dependent. Further experiments concerning different α- and β-peptides are in progress. [1] T. A. Martinek, F. Fülöp; Chemical Society Reviews, 2012 (41) 687-702. 28

ANALITIKAI KÉMIA 29

KÉMIAI BIZTONSÁG A SPORTBAN REACH Tamási Kinga Accell-Hunland Kft. 30

NÖVÉNYI HATÓANYAG KERESÉS VÉR-AGY GÁT SPECIFIKUS PERMEABILITÁS VIZSGÁLATTAL: N-METILÁLT TIRAMIN SZÁRMAZÉKOK AZONOSÍTÁSA ÉS MEGHATÁROZÁSA GINKGO BILOBA KIVONATOKBAN Rendes Kata 1, Könczöl Árpád 2, Balogh György Tibo 2 1 Budapesti Műszaki és Gazdaségtudományi Egyetem, Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar, Biomérnök MSc, 1111 Bp. Műegyetem rkp. 3. 2 Szintézistámogató Laboratórium, Richter Gedeon Nyrt., 1103 Bp. Gyömrői út 19-21. A népi gyógyászat egyik legfontosabb eszköze növényi kivonatok alkalmazása. Emellett a mai napig a gyógyszerkincs jelentős hányada (40-60%) természetes vagy természetes eredetű hatóanyag fejlesztéséből származik. Meg kell azonban jegyezni, hogy a komplex növényi kivonatok elemzése a gyógyszerkutatás korai fázisában elterjedt nagy áteresztőképességű (HTS) vizsgálatokban számos kihívásba ütközik [1]. A kémiai kiindulópont keresésre elterjedt módszerek közül kevés alkalmazható komplex kivonatok vizsgálatára. Azonban, elsősorban a különböző biológiai tesztekhez kapcsolható analitikai technikák nagyléptékű fejlődésének köszönhetően, a természetes forrásból kiinduló hatóanyag-keresési stratégia is egyre hatékonyabban megvalósítható [1-3]. A gyógyszerkutatás egyik kurrens területe a központi idegrendszeri (CNS) kórképekben alkalmazható hatóanyagok kutatása és fejlesztése. Ehhez kulcsfontosságú lépés az adott vegyület vér-agy gáton keresztüli transzportjának feltérképezése, mely jellemzően passzív diffúzióval valósul meg [4-8]. Mesterséges lipidmembránon keresztüli passzív diffúzió vizsgálatára szolgál a Kansy és munkatársai által kidolgozott in vitro nemsejtes tesztrendszer a PAMPA (Parallel Artificial Membrane Permeability Assay) [8]. E módszernek a vér-agy gát specifikus változata az általunk is használt permeabilitás vizsgálat, a PAMPA-BBB teszt (Parallel Artificial Membrane Permeability Assay for Blood- Brain Barrier) [2]. A PAMPA-BBB teszt előnye, hogy könnyen kapcsolható más analitikai technikákhoz (HPLC/MS, NMR) és nemcsak monokomponensek, hanem komplex növényi kivonatok (ható- és ballasztanyagok keverékei) elemzése során is megőrzi szelektivitását. Ily módon megvalósítható, a vér-agy gát transzport előrejelzésén alapuló növényi hatóanyag-keresés [2]. A legnagyobb forgalmú gyógynövények egyike, az elsődlegesen központi idegrendszeri (CNS) kórképekben alkalmazott Ginkgo biloba L. [9-12]. A G. biloba a Ginkgoceaee család egyetlen élő tagja, tradicionálisan a kínai és japán gyógyászatban alkalmazták [9]. Zöld, szárított levéléből készített standardizált kivonatát (EGb 761) számos gyógynövény-készítmény tartalmazza, melyek forgalma közel 26 millió US$/év [12]. A G. biloba nemcsak az egyik legnagyobb forgalmú, hanem az egyik legtöbbet tanulmányozott gyógynövény is [13-14]. A fitokémiai kutatások és klinikai vizsgálatok többsége a neurobiológiailag aktívnak vélt ubikviter flavonoid és unikális terpén vegyületcsaládokra, azaz a major komponensekre fókuszál [15-17]. A növény N-tartalmú másodlagos anyagcseretermékeiről, minor komponenseiről viszonylagosan kevés az ismeret [18]. Kutatásunk során, figyelembe véve a G. biloba központi idegrendszeri kórképekben történő alkalmazását, célul tűztik ki a G. biloba vér-agy gát permeábilis komponenseinek 31

azonosítását. Vizsgálatunk alapjául a PAMPA-BBB vezérelt hatóanyag-keresés szolgált, melyhez HPLC-MS/MS analitikai technikát kapcsoltunk. Munkánk során a G. biloba növény kereskedelmi forgalomban elérhető standard kivonatait (A standard, B standard), általunk előállított nyers kivonatokat (metanollal extrahált nyers kivonat), továbbá G. biloba kivonatot tartalmazó növényi-gyógyszereket (A-B Termék) és G. biloba étrend-kiegészítőket (C-G Termék) vizsgáltunk. A PAMPA- BBB/HPLC-MS/MS vizsgálatok során azonosítottunk a kivonatokban egy aminosav származékot. E komponens, a hordenin (3) meghatározott effektív permeabilitás értéke alapján a vér-agy gáton valószínűsíthetően jó hatékonysággal átjutó komponensek közé tartozott. A G. biloba kivonatokban általunk azonosított hordenin (tirozin származék) jelenléte arra ösztönzött minket, hogy megvizsgáljuk a tirozin enzimatikus átalakítási útjában (dekarboxilálás, metilálás) keletkező egyéb másodlagos anyagcseretermékeket is a növényben. Ezzel a vizsgálattal szerettünk volna hozzájárulni a minor komponenseket, aminosav származékokat leíró fitokémiai ismeretanyag bővítéséhez. Egy az irodalomból ismert, gyors és érzékeny ioncserés mechanizmusú HPLC- MS/MS módszerrel [19-20] a vizsgált kivonatok mindegyikében azonosítottunk négy, eddig a növényben még nem leírt minor komponenst. Ezek a tiramin (1), és annak metilált származékai: N-metil-tiramin (2), N,N-dimetil-tiramin (3) (hordenin) és az N,N,N-trimetiltiramin (4) (kandicin). 1. ábra Tiramin(1), N-metil-tiramin (2) N,N-dimetil-tiramin (3), N,N,N-trimetiltiramin (4) szerkezeti képlete A 4 komponens azonosítása retenciós idejük és tömegspektrumuk, míg meghatározásuk külső standard módszerrel történt. Az 1-4 adrenerg hatású aminosav származékok kivonatokban megtalálható összmennyisége széles tartományban mozgott, jellemzően a 2 és 3 komponenst tartalmazva legnagyobb mennyiségben. [1] D. G. I. Kingston; Journal of Natural Products, 2011 (74) 496-511 [2] Könczöl Á., Müller J., Földes E., Béni Z., Végh K., Kéry Á., Gy. T Balogh; Journal of Natural Products, 2013 (76) 655-663 [3] Balogh Gy.T., Könczöl Á.; Acta Pharmaceutica Hungarica, 2011 (81) 5-17 [4] F. L. Cardoso, D. Brites, M. A. Brito; Brain Researh Reviews, 2010 (64) 328-363 [5] P. Ballabh, A. Braun, M. Nedergaard; Neurobiology of Disease, 2004 (16) 1-13 32

[6] K. Sugano, M. Kansy, P. Artursson, A. Avdeef, S. Bendels, L. Di, G. F. Ecker, B. Faller, H. Fischer, G. Gerebtzoff, H. Lennernaes, F. Senner; Nature Reviews Drug Discovery, 2010 (9) 597-614 [7] L. Di, E. H. Kerns, K. Fan, O.J. McConnell, G. T. Carter; Europian Journal of Medicinal Chemistry, 2003 (38) 223-232 [8] M. Kansy, F. Senner, K. Gubernator; Journal of Medicinal Chemistry, 1998 (41) 1007-1010 [9] A. Hasler, T. A. van Beek (Ed.); Harwood Academic Publishers Inc., 2000 109 142. [10] B. Singh, P. Kaur, Gopichand, R. D. Singh, P. S. Ahuja; Fitoterapia, 2008 (79) 401 418. [11] T. A. van Beek, P. Montoro; Journal of Chromatography A, 2009 (1216) 2002 2032. [12] A. Lindstrom, C. Ooyen, M. E. Lynch, M. Blumenthal; Natural Channel. American Botanical Council, 2013 (99) 60-65. [13] K. Srǿmgraad, K. Nakamishi; Angewandte Chemie International Edition, 2004 (43) 1640-1658C. [14] P.-C. Chan, Q. Xia, P. P. Fu; Journal of Environmental Science and Health C, 2007 (25) 211-244. [13] L. Ude, A. Paulke, M. Nölder, M. Schubert-Zsilavecz, M. Wurglics; Planta Medica, 2011 (77) 259-264. [16] Rangel-Ordóňez, M. Nöldner, M. Schubert-Zsilavecz, M. Wurglics; Planta Medica, 2010 (76) 1683-1690. [17] Vamsi, L.M. Magdula, B. Avula, Y.-B. Yu, Y.-H. Wang, F. Tchantchou, S. Fisher, Y. Luo, I. A. Khan, S. I. Khan; Planta Medica, 2010 (76) 599-606. [18] B. Carrat U, C. Boniglia, D. Giammarioli, M. Mosca, E. Sanzini; Journal of Food Science C, 2008 (73) 323-328 [19] F. Pellati, S. Benvenuti; Journal of Chromatography A, 2007 (1165) 58 66. [20] K. Putzbach, C. A Rimmer, K. E. Sharpless, S. A. Wise, L. C. Sander, Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2007 (389) 197 205. 33

N,N-DIMETILANILIN Β-DEUTÉRIUM IZOTÓPEFFEKTUSÁNAK MECHANISZTIKUS VIZSGÁLATA FORDÍTOTT FÁZISÚ FOLYADÉKKROMATOGRÁFIÁVAL Maszler Péter 1, Kupai József 1, Balogh György Tibor 2, Könczöl Árpád 2 1 BME, Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar, Szerves Kémia és Technológia Tanszék, Budapest, Szent Gellért tér 4. 1111 2 Richter Gedeon Nyrt., Szintézistámogató Laboratórium, Budapest, Gyömrői út 19 21. 1103 Munkánk célja az N,N-dimetilanilin, illetve a metilcsoportjain egyszeresen, háromszorosan és hatszorosan deuterált izotopológjainak elválasztása volt RP-HPLC-vel, azaz a bázikus nitrogénatomhoz képest β-helyzetű deutérium izotópeffektusát igyekeztünk kromatográfiás módszerrel vizsgálni. A HPLC mérés során izokratikus elúciót alkalmazva különböző szerves tartalom, ionerősség, hőmérséklet, ph és áramlási sebesség mellett optimalizáltam az elválasztást, majd az így kapott optimumon más oszlopokat is teszteltem. Az ionerősség elválasztásra gyakorolt hatását 5, 10, 20 és 50 mm-os ammónium-acetát pufferekben vizsgáltam. A hőmérsékletet 5 60 C, míg az eluens ph-t 3,6 6,0 tartományban változtattam. Megállapítottam, hogy az elválasztás alapját (szelektivitás, felbontás) tisztán az izotopológok savi állandóinak (pk a értékeinek) rendkívül kis különbségei szolgáltatják. A kapott eredményeket grafikusan ábrázoltam és részletesen tanulmányoztam az egyes paraméterek retencióra, szelektivitásra, felbontásra és csúcsszimmetriára gyakorolt hatását. Ezen felül elvégeztem az elválasztás van t Hoffelemzését (lnk 1/T), amely révén sikerült kimutatnom, hogy csökkenő hőmérséklettel monoton növekszik a vizsgált izotópeffektus, azaz a kromatográfiás szelektivitás. 1. Bevezetés A kromatográfiás izotóp effektus (IE) kis molekulatömegű szerves vegyületek körében ismert, de relatív ritka jelenségnek tekinthető. Az izotopológok kromatográfiás viselkedésének különbségét a következő két paraméter fejezi ki (nem-deuterált és deuterált párok ebben a példában): Össz Izotópeffektus (Total Isotope Effect): TIE% = k H /k D (szelektivitás) Fajlagos Izotópeffektus (Single Isotope Effect): SIE% = 100[(k H /k D ) 1/n 1] ahol k H és k D a protonált és deuterált párok retenciós faktora és n pedig a H atomok D-ra való cserélésének a száma. Egy adott molekula egyetlen atomjának izotópjával való helyettesítése (pl.: H/D, 16 O/ 18 O, 14 N/ 15 N) folyadékkromatográfiás elválasztásban jellemzően nem nyilvánul meg, kifejeződéséhez extrém magas kinetikus hatékonyság (N 100000) szükséges. Az irodalomban közölt esetekben kevesebb, mint 1 SIE%-ot értek el hidrofóbitás különbségen alapuló elválasztásokban, 1 4 míg 2 7 SIE%-ot ionizáció kontrollált esetben néhány protondisszociábilis vegyületnél, kihasználva az izotopológok pk a különbségéből fakadó eltérő retenciós idejüket. 5 12 Munkánk kiindulópontját Béni és mtsai-nak közleménye adta: egy tisztaságvizsgálat céljára fejlesztett ionizáció kontrollált fordított fázisú folyadékkromatográfiás módszerrel sikerült a szerzőknek elválasztaniuk egy N,N-dimetilanilin egységet tartalmazó szteroid 34

hatóanyag, az uliprisztál-acetát mono-deuterált izotopológját. 13 Meglepő eredményük, miszerint az anilin nitrogénatomjához kapcsolódó metil csoport H atomjának D-ra történő cseréje kromatográfiásan mérhető effektussal bír (másodlagos β), felkeltette érdeklődésünket. Ennek értelmében célul tűztük ki, hogy HPLC-módszerüket reprodukáljuk és legfőbb termodinamikai és kinetikai paramétereit részletesen megvizsgáljuk és optimalizáljuk. 2. Anyagok és módszerek 2.1 Elválasztandó vegyületek és pk a értékeik A kísérletekben tesztelt 4 db N,N-dimetilanilin izotopológot (1. ábra) a Richter Gedeon Nyrt. Szteroid Szintetikus Laboratóriumban állították elő a megfelelő prekurzor vegyületekből kiindulva metil-jódiddal. 1. ábra.: A vizsgált N,N-dimetilanilin izotopológok szerkezeti képlete, pirossal kiemelve a D atomokat. Érdemes megjegyezni, hogy az elválasztandó vegyületek közül a D1/H izotopológ pár esetén csak egyetlen darab neutron a különbség a két molekula között. Perrin és mtsai kimutatták, hogy a β-helyzetű deutérium növeli az anilin nitrogénjének bázicitását (elektronsűrűségét), úgynevezett negatív hiperkonjugáció révén. 14 Ezt a jelenséget kísérletes úton a tesztvegyületeink UV ph titrálásával nekünk is sikerült igazolni (2. ábra). A 10% (v/v%) acetonitril (ACN) mellett végzett titrálás pedig rámutatott, hogy a szerves oldószer egységesen csökkenti a kérdéses savi állandókat. A D1/H pár esetén a nominálisan 0,02 pk a egység különbség azonban nem adódott szignifikánsnak. 2. ábra.: A vizsgált N,N-dimetilanilin izotopológok savi állandói vízben és 10% acetonitrilt (ACN) tartalmazó elegyben szobahőmérsékleten (n=6). 5,30 0% ACN, 10% ACN 5,20 pk a 5,10 5,00 5,26 5,19 5,22 5,13 5,19 5,11 5,18 5,07 D6 D3 D1 H 35

2.2 HPLC mérés paraméterei Minden mérést egy Agilent 1100 típusú HPLC berendezéssel végeztem, ami egy Agilent 1200-as biner pumpával és gázmentesítővel, valamint diódasoros detektorral (DAD) volt szerelve. Az elválasztás szerves módosító tartalma (10 18% ACN), ionerősség (5, 10, 20 és 50 mm), hőmérséklet (5 60 C) és ph (3,6 6,0) függését vizsgáltam. Ehhez egy Kinetex XB-C18 kolonnát (150x4,6 mm; 2,6 µm, Phenomenex) használtam. A 0,25 mg/ml-es koncentrációjú (minden komponensre nézve) ACN-ben oldott mintaoldatot 5 µl injektálási térfogat és 0,75 ml/perc áramlási sebesség mellett vizsgáltam. A kromatogramokat egységesen 248 ± 4 nm-es hullámhosszon rögzítettem. 3. Eredmények módszer optimalizálása 3.1 Gradiens mérés reprodukálása Elsőként egy, a kutatócsoportban ismert gradiens elúcióval végzett mérés reprodukálását végeztem el 5 C-on. Ehhez A eluensként 10 mm NH 4 Ac:ACN=9:1 (v/v) (1M NH 4 Ac ph=4,0) B eluensnek ACN:10 mm NH 4 Ac=9:1 (v/v) használtam 0 54 min 0 40% B gradiens elúcióval. Sikerült reprodukálnom a mérést, ezért ezután izokratikusan végeztem a méréseket. 3.2 Eluens acetonitril tartalmának optimalizálása A fent említett A és B eluenseket használtam változó B% mellett izokratikusan 5 C-on. Itt azt figyeltem meg, hogy a növekvő ACN tartalom hatására csökkent a retenciós faktor (k), magasabbak és keskenyebbek lettek a csúcsok, de romlott a felbontás (R s ). Ezért a következő méréseket 10% ACN tartalom mellett végeztem el. 3.3 Ionerősség optimalizálása A 10 mm-os NH 4 Ac eluens mellett 5, 20 és 50 mm-os töménységű pufferrel is végeztem kísérleteket. Azt tapasztaltam, hogy a növekvő puffer koncentrációval kissé csökkent a retenciós idő, javult a csúcsszimmetria, és a felbontás a 20 és 50 mm-os ionerősségnél volt a legjobb. Így a továbbiakban a ph- és hőmérsékletfüggés méréseknél 20 mm-os ionerősség mellett dolgoztam. Végeztem mérést 10 mm-os NH 4 HCOO oldattal is, de ez esetben deformált csúcsokat és rossz elválasztást kaptam. 3.4 ph Optimalizálása A ph hatásának vizsgálata során 0,2-es (magasabb ph-n 0,4-es) léptékekkel dolgoztam 3,6 6,0-os tartományban. A ph növekedésének hatására a csúcsok frontingosból tailingesbe hajlottak át, tehát javult a csúcsszimmetria és a ph=3,6 4,4 tartományban nőtt az R s értéke, afölötti ph-n azonban csökkent. A további méréseket így az optimumban, ph=4,4-en végeztem. 3.5 Hőmérséklet optimalizálása A hőmérséklet hatását széles tartományban, 5 10 60 C-ig 10 C-onként mértem minden ph-n. Az adatok ábrázolása és elemzése rámutatott, hogy alacsony ph-n a hőmérséklet emelkedésével az R s nő, magas ph-n viszont csökken, közötte pedig maximumot ad. A legjobb elválasztást 5 C-on 4,4-es ph-n értem el (R s =1,51), de a kolonna-temperálás nehézkes technikai kivitelezése miatt inkább a 10 C mellett döntöttem. 3.6 Áramlási sebesség hatása A használt oszlopdimenzió mellett az optimális áramlási sebesség tipikusan 1,0 1,5 ml/perc körül adódna, az alkalmazott alacsony hőmérséklet (5 10 C) és az eluens magas víztartalma (90%) miatt azonban nem tudtam 1,0 ml/perc áramlási sebesség feletti méréseket végezni a nagy nyomásesés miatt (~370 bar), holott a növekvő áramlási sebesség növekvő R s értékeket mutatott. 36

Abszorbancia 248 nm (mau) 3.7 Optimális paraméterek A legnagyobb R s értéknél alkalmazott és egyben jól reprodukálható paramétereket választottunk optimálisnak (1. táblázat és 3. ábra). A jövőben ezeken az értékeken tervezek különböző fordított fázisú kromatográfiás oszlopon méréseket végezni, hogy a kolonnák hatékonyságát összehasonlíthassam. 1. táblázat.: A HPLC elválasztás optimális paraméterei. Paraméter ACN (%) ionerősség (mm) ph Hőmérséklet ( C) Térfogatáram (ml/perc) Érték 10 20 4,4 10 1,0 100 3. ábra.: Az optimált elválasztás HPLC kromatogramja. D3 D6 D1 H 75 50 H/D1 R s =1,51 α=1,04 25 0 20 22 24 26 28 30 32 Retenciós idő (perc) 3.8 Van t Hoff elemzés Az lnk 1/T ph diagram igazolja az elméletet, miszerint a pk a -nál alacsonyabb ph értékeken (endoterm tartomány) kationként eluálódnak a vizsgált anilinek és jellemzően a mobilfázissal való kölcsönhatás eredményezi a retenciójukat, a pk a értékük körül (termoneutrális tartomány) a mozgó és az állófázissal is kölcsönhatnak, végül pk a értéküknél magasabb ph-n (exoterm tartomány) semleges állapotban eluálódnak és az állófázissal való kölcsönhatás válik dominánssá (4. ábra). Továbbá a mért pontokra egyenest illesztve és az R 2 értékek segítségével linearitásvizsgálatot végezve arra következtethetünk, hogy a termoneutrális tartományban egyszerre több retenciós mechanizmus szabja meg a visszatartást. Az illesztett egyenesek meredekségéből és tengelymetszetéből az elválasztás entalpiáját (ΔH 0 ) és entrópiáját (ΔS 0 ) is meg lehetett határozni. 37

4. ábra.: Van t Hoff elemzés összefoglaló ábrázolása. A szerzők köszönik a Richter Gedeon Nyrt. anyagi támogatását. 4. Irodalomjegyzék [1] M. Turowski, N. Yamakawa, J. Meller, K. Kimata, T. Ikegami, K. Hosoyo, N. Tanaka, E. R. Thornton; Journal of the American Chemical Society, 2003 (125) 13836 13849. [2] W. J. S. Lockley; Journal of Chromatography A, 1989 (483) 413 418. [3] A. Valleix, S. Carrat, C. Caussignac, E. Leonce, A. Tchapla; Journal of Chromatography A, 2006 (1116) 109 126. [4] N. Tanaka, E. Thornton; Journal of the American Chemical Society, 1976 (98) 1617 1619. [5] C. N. Filer, R. Fazio, D. G. Ahern; Journal of Organic Chemistry, 1981 (46) 3344 3346. [6] C.F. Masters, S. P. Markey, I. N. Mefford; Analitical Chemistry, 1988 (60) 2131 2134. [7] J. S. Rohrer, J. D. Olechno; Analitical Chemistry, 1992 (64) 1914 1916. [8] C. S. Yang, H. Ishizaki, M. Lee, D. Wade, A. Fadel; Chemical Research in Toxicology, 1991 (4) 408 413. [9] M. M. Bushey, J. W. Jorgenson; Analitical Chemistry, 1989 (61) 491 493. [10] N. Tanaka, M. J. Araki; Journal of the American Chemical Society, 1985 (107) 7780 7781. [11] N. Tanaka, A. Yamaguchi, M. J. Araki; Journal of the American Chemical Society, 1985 (107) 7781 7782. [12] N. Tanaka, K. Hosoya, K. Nomura, T. Yoshimura, T. Ohki, R. Yamaoka, K. Kimata, M. Araki; Nature, 1989 (341) 727 728. [13] Z. Béni, J. Orgoványi, J. Kóti, C. Sánta, J. Horváth, S. Mahó, C. Szántay Jr.; Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis, 2014 (98) 279 286. [14] C. L. Perrin, B. K. Ohta, J. Kuperman, J. Liberman, M. Erdélyi; Journal of the American Chemical Society, 2005 (127) 9641 9647. 38

ZSÍROLDÉKONY ANTIOXIDÁNSOK BIOANALITIKAI VIZSGÁLATA HUMÁN SZÉRUMBAN Bajtai Attila 1, Veres Gábor 1,3, Ilisz István 2, Szpisjak László 1, Vécsei László 1,3, Klivényi Péter 1, Zádori Dénes 1 1 Szegedi Tudományegyetem, Általános Orvostudományi Kar, Szent-Györgyi Albert Klinikai Központ, Neurológiai Klinika, Semmelweis u. 6, 6725 Szeged 2 Szegedi Tudományegyetem, Természettudományi és Informatikai Kar, Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék, Dóm tér 7, 6720 Szeged 3 MTA-SZTE Idegtudományi Kutatócsoport, Semmelweis u. 6, 6725 Szeged A természetben előforduló zsíroldékony antioxidánsok négy fő csoportját különböztethetjük meg: karotinoidok, ösztrogének, E-vitamin és koenzim Q10. Az E- vitamin nyolc zsíroldékony kromán gyűrűs homológot foglal magába: négy tokoferolt (α-, β-, γ-, δ-tokoferol) és négy tokotrienolt (α-, β-, γ-, δ-tokotrienol). A tokoferolok oldallánca telített és a kromán gyűrűn található metilcsoportok számában és elhelyezkedésében különböznek, míg a tokotrienolok esetében a szerkezetek csak az oldalláncon található három darab kettős kötésben (3,7,11 szénatom) különböznek a tokoferoloktól. A tokotrienolok felvétele és elosztása az emberi szervezetben nem túl hatékony, a plazmában mérhető koncentrációjuk általában 1 μm alatti. [1] Az E-vitamin egyetlen szerepének sok évig a sejtmembránok lipidjeinek és a lipoproteinek védelmét tartották a peroxidatív károsítások ellen. [2] Azonban e funkciója mellett számos egyéb fontos tulajdonsággal rendelkezik, többek között: gátolja a protein-kináz C enzim működését számos sejtben, részt vesz a kollagenáz génexpressziójában, valamint csökkentheti a sejtburjánzást. [3] Az antioxidáns hatás kifejtésében segítségére van az összetett antioxidáns rendszer, melynek fontos eleme többek között az aszkorbinsav és a koenzim Q10. A koenzim Q10, más néven ubikinon, az emberi szervezet minden sejtjében és membránjában megtalálható molekula. A légzési láncban betöltött funkciója miatt nélkülözhetetlen az emberi szervezet számára. Emellett ez az egyetlen endogén módon szintetizált zsíroldékony antioxidáns az emberi szervezetben. Mennyisége a szövetekben független az étrendtől és az antioxidáns hatását az E-vitamin hiánya esetén is képes hatásosan kifejteni. [4] 39

1. ábra: A koenzim Q10 és a tokoferolok szerkezeti képlete Neurológiai kórképek kialakulása és lefolyása során az antioxidáns rendszer elégtelen működése kóroki szereppel bírhat. Ilyen neurodegeneratív betegség az ataxia izolált E-vitamin hiánnyal (ataxia with vitamin E deficiency, AVED), melynél az α- tokoferol transzport zavart a májsejtekben, így a szervezetben kialakuló alacsony koncentrációja miatt nem képes a megfelelő antioxidáns védelem biztosítására. [5] Ezért e kórképek esetén a vérben található tokoferolok pontos mennyiségének ismerete az egyéb felszívódási zavarok kizárása esetén, például AVED vonatkozásában diagnosztikus szereppel bírhat. Munkánk elsődleges célja egy olyan bioanalitikai metodika kidolgozása és validálása volt, mely lehetővé teszi, belső standard alkalmazásával, bizonyos tokoferolok (α-, γ-, δ-tokoferol) koncentrációjának humán szérum mintából való mérését. A β-tokoferol retenciós ideje azonos a γ-tokoferoléval, azonban a β-tokoferol mennyisége a szérumban elhanyagolható a γ-tokoferoléhoz képest, így elfogadott a két komponens elválasztásának hiánya. [6] További célkitűzésünk volt a tokoferolok mellett humán szérum mintából koenzim Q10 mennyiségének a meghatározása. A tokoferolok és a koenzim Q10 kvantitatív meghatározására nagyhatékonyságú folyadékkromatográfiás módszert (high performance liquid cromatography, HPLC) alkalmaztunk. Az elválasztáshoz Alltech Prevail C18 (150x4,6 mm; 5 μm) oszlopot használtunk, Security Guard C18 (4x3 mm) előtét kolonnával. Az oszlopot 25 C-os 40

hőmérsékleten termosztáltuk. Az analitokat Agilent 1260 diódasoros detektorral detektáltuk. A mobilfázist 66,54 V/V% acetonitril, 21,40 V/V% tetrahidrofurán, 6,61 V/V% metanol, 2,72 V/V% ammónium-acetát 1 vegyes százalékos oldata, valamint 2,72 V/V% desztillált víz alkotta, áramlási sebessége 2,1 ml/perc volt. A mobilfázist az elkészítését követően kerámiaszűrőn elhelyezett 0,45 μm-es pórusméretű hidrofób PVDF membránszűrőn vízsugárszivattyú segítségével szűrtük. A humán szérum mintákat a mintaelőkészítés során butil-hidroxi-toluol és aszkorbinsav használatával stabilizáltuk. A stabilizált mintákat rac-tocol belsőstandardot tartalmazó hexánnal extraháltuk, a hexános fázist centrifugálás után elválasztottuk és N 2 gázárammal szárazra pároltuk. A visszamaradt komponenseket etanol, dioxán és acetonitril elegyében oldottuk fel és mintánként 50 μl-t injektáltunk. Metodikánk validálására az elválasztandó komponensek szelektivitását, a kalibrációs egyenes linearitását, a precizitást és a visszanyerhetőségét vizsgáltuk meg. Az α-, γ-, δ-tokoferol belső standard melletti kvantitatív meghatározására sikerült alkalmas mintaelőkészítést magába foglaló analitikai eljárást kidolgoznunk humán szérum minták esetén. A koenzim Q10 megfelelő méréséhez metodikánk további fejlesztése szükséges a precizitás és a kalibrációs egyenes korrelációs együttható értéke alapján. A szakirodalomban fellelhető adatok összhangban vannak az általunk mért eredményekkel. [7] Metodikánk a klinikai kutatások mellett a későbbiekben akár a mindennapi orvosi diagnosztikában is jól hasznosítható eredményekkel szolgálhat. A kutatást a Nemzeti Agykutatási Program - KTIA_13_NAP-a-III/9 és az MTA- SZTE Idegtudományi kutatócsoport támogatta. [1] D. O Byrne, S. Grundy, L. Packer, S. Devaraj, K. Baldenius, P. P. Hoppe, K. Kraemer, I. Jialal, M. G. Traber; Free Radical Biology & Medicine, 2000 (29) 834-845. [2] M. Hacquebard, Y. A. Carpentier; Current Opinion in Clinical Nutrition & Metabolic Care, 2005 (8) 133-138. [3] A. Azzi, R. Ricciarelli, J.-M. Zingg, FEBS Letters, 2002 (519) 8-10. [4] M. Bentinger, K. Brismar, G. Dallner; Mitochondrion, 2007 (7S) S41-S50. [5] E. Eggermont; European Journal of Pediatrics, 2006 (165) 429-434. [6] J. B. Thomas, D. L. Duewer, I. O. Mugenya, K. W. Phinney, L. C. Sander, K. E. Sharpless, L. T. Sniegoski, S. S. Tai, M. J. Welch, J. H. Yen, Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2012 (402) 749 762. [7] J. F. Lai, A. A. Franke; Journal of Chromatography B, 2013 (931) 23-41. 41

KALCIUM- ÉS NÁTRIUM-IZOSZACHARINÁT ELŐÁLLÍTÁSA ÉS JELLEMZÉSE Dudás Csilla 1, Kutus Bence 1, Böszörményi Éva 1, Medvegy Petronella 1, Orbán- Gyapai Orsolya 3, Pálinkó István 2, Sipos Pál 1 1 Szegedi Tudományegyetem, Szerves Kémiai Tanszék, 6720 Szeged, Dóm tér 8. 2 Szegedi Tudományegyetem, Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék, 6720 Szeged, Dóm tér 7. 3 Szegedi Tudományegyetem, Gyógyszerésztudományi Kar, Farmakognóziai Intézet, 6720 Szeged, Eötvös utca 6. Bevezetés A kis és közepes aktivitású radioaktív hulladékok hosszú távú tárolásának egyik lehetősége, hogy a radioaktív hulladékot betonba keverve egy mélyen a föld alatt levő tárolóban helyezik el (pl. kimerült bányákban). A beton pórusaiban jelenlévő vizes oldat ph-ja 12,0 és 13,3 között változhat, elsősorban a cement Ca(OH) 2 -taralma miatt. Ezek a körülmények a szerves anyagok, mint például a cellulóz melynek elsődleges forrása a hulladékként kezelt munkaruházat lebomlását eredményezik. A cellulóz lúgos közegű degradációjának fő terméke az izoszacharinát egy polihidroxi-karboxilát (1. ábra), ami lúgos közegben stabil komplexeket képez fémionokkal. Számos közlemény [1] számol be az izoszacharinát és különböző aktinoidák között kialakuló komplexekről, melyek csökkentik ezen fémionok szorpcióját a beton pórusaiban, így elősegítik a radioaktív magok geo- és bioszférába jutását. 1. ábra: Az α-izoszacharinát (a) és β-izoszacharinát (b) szerkezeti képlete (a) (b) A tárolók magas Ca-tartalma miatt a kalcium- és izoszacharinát-ion (ISA ) között kialakuló komplexek stabilitási állandóinak ismerete igen fontos, azonban a komplexek oldatbeli szerkezete, valamint a kalcium-izoszacharinát (Ca(ISA) 2 ) oldhatósága az irodalomban nem tisztázott. Kalcium-izoszacharinát előállítására alapvetően két módszer áll rendelkezésre: az egyik módszer [2] cellulóz, a másik módszer [3] laktóz lúgos közegben végbemenő átalakulásán alapul. Kalcium-izoszacharinátból nátriumsó előállítására többféle módszert is közöltek már: Chelex ioncserélő gyanta, [4] nátrium-oxalát, [5] nátrium-hidroxid, [6] nátriumkarbonát [7] segítségével is állítottak már elő nátrium-izoszacharinátot (NaISA). 42

Kísérleti rész Szilárd Ca(ISA) 2 -t Whistler és BeMiller eredeti receptje alapján, [1] kisebb-nagyobb módosításokkal állítottunk elő: 330 g D-laktóz-monohidrátot és 90 g Ca(OH) 2 -ot oldottunk 3 liter forralt vízben, majd három napig kevertettük a rendszert. A keletkezett szuszpenziót szűrtük, majd a szűrletet egy Büchi R-220 SE Rotavapor berendezés segítségével pároltuk be. A koncentrált oldatból kivált kalciumsót vízből kétszer átkristályosítottuk. NaISA-t Ca(ISA) 2 és Na 2 CO 3 reakciójával állítottunk elő: 50 ml, 5 g Ca(ISA) 2 -t tartalmazó vizes szuszpenzióhoz a sztöchiometrikus mennyiségnél kicsivel kevesebb Na 2 CO 3 -ot adtunk, a rendszert két napig kevertettük, majd az oldatot szűrtük, végül liofilizálással nyertünk kristályos NaISA-t. A kapott anyagokat porröntgen-diffraktometria (XRD), közép infravörös spektroszkópia (ATR-IR), mágneses magrezonancia spektroszkópia (NMR) és termogravimetria (TG) segítségével jellemeztük. Eredmények és értékelésük Whistler és BeMiller eredeti recepjtét [1] az alábbi pontokban módosítottuk, melyek elengedhetetlennek bizonyultak a nagy mennyiségű Ca(ISA) 2 előállítása során: az eredeti recept szerint a laktózt és Ca(OH) 2 -ot argonnal öblített vízben oldották, majd három napig állni hagyták. Az argonos öblítés helyett a víz forralása elegendőnek bizonyult a CO 2 eltávolítására. Emellett a három napos állás helyett elengedhetetlen volt a rendszer kevertetése, így lényegesen jobb hozamot tudtunk elérni, valamint az állás során keletkező szűrhetetlen, mézszerű szirup helyett így jól szűrhető elegyet kaptunk. A bepárlást követően kapott Ca(ISA) 2 röntgendiffraktogramját (2. ábra) és ATR-IR spektrumát (3. ábra) az első és második átkristályosítás után is felvettük. Jól látható, hogy a termék röntgendiffraktogramja és infravörös spektruma a két tisztítási lépést követően megegyezik, tehát megállapítható, hogy egyszeri átkristályosítás elegendő a termék tisztításához. A termék tisztaságát gravimetriásan ellenőriztük: 0,5195 g szilárd mintát 8 órán át 900 C-on izzítva 0,0731 g fehér színű anyagot kaptunk (CaO), ez alapján a kiindulási anyag 99,0 %- ban Ca(ISA) 2 -t tartalmazott (100 % tisztaság esetén a névleges tömeg 0,0724 g). Az infravörös spektrumon 3310 cm 1 -nél lévő sáv az O H rezgésekhez köthető, a 2965 cm 1 -nél megjelenő csúcsok pedig a C H rezgések. A karboxilátcsoportra jellemző aszimmetrikus és szimmetrikus vegyértékrezgés 1585 cm 1 -nél és 1387 cm 1 -nél jelenik meg. Az 1059 cm 1 -nél látható csúcs a C O nyújtórezgésnek tulajdonítható, míg a 841 cm 1 -nél és 706 cm 1 -nél jelentkező csúcsok a Ca OH vegyértékrezgésekhez tartoznak. 2. ábra: Egyszer és kétszer átkristályosított Ca(ISA) 2 röntgendiffraktogramja 43

Abszorbancia 3. ábra: Egyszer és kétszer átkristályosított Ca(ISA) 2 ATR-FTIR spektruma Kétszer átkristályosított CaISA 2 1585 1057 840 708 3310 2967 1385 1585 1059 841 706 Egyszer átkristályosított CaISA 2 3310 1387 2965 4000 3500 3000 1750 1500 1250 1000 750 500 Hullámszám (cm 1 ) Az előállított Ca(ISA) 2 -ról felvett 1 H NMR spektrum a 4. ábrán látható. A csúcscsoportok asszignálása a spektrum finomszerkezetének értelmezésével és a csatolási állandók kiszámításával történt. Az általunk felvett spektrum megegyezik az irodalomban fellelhető és a német kutatópartnereink (Karlsruhe Institute of Technology Institute for Nuclear Waste Disposal) által felvett spektrumokkal, a szintézis tehát sikeresnek mondható. Szennyeződésre utaló csúcsok nem jelentek meg a spektrumon. 4. ábra: Ca(ISA) 2 1 H NMR spektruma 44

A Ca(ISA) 2 nagy mennyiségű előállítása után a termék egy részét nátriumsóvá alakítottuk nátrium-karbonát segítségével. A NaISA-oldatról felvett 13 C NMR spektrum az 5. ábrán látható. A hat csúcs az izoszacharinát-ion hat szénatomjához rendelhető, szennyeződésre utaló csúcs nem jelent meg. A csúcsok azonosítása a 6. ábrán bemutatott 1 H 13 C HSQC NMR spektrum segítségével történt. 5. ábra: A NaISA 13 C NMR spektruma 6. ábra: A NaISA 1 H 13 C HSQC NMR spektruma Felvettük a szilárd NaISA ATR-IR spektrumát is, mely a 7. ábrán látható. Megfigyelhető, hogy a spektrum nagyon hasonlít a Ca(ISA) 2 spektrumára. A ujjlenyomat- 45

tartomány ugyan kevésbé strukturált, de itt is megjelennek az izoszacharinát-ionra jellemző O H, C H, karboxilát (aszimmetrikus és szimmetrikus), C O és fémion OH rezgések. 7. ábra: A NaISA ATR-IR spektruma a Ca(ISA) 2 színképével összehasonlítva Összefoglalás Az irodalomban található szintézismódszerek reprodukálásával, valamint különböző módosítások bevezetésével nagy mennyiségű, tiszta Ca(ISA) 2 -t állítottunk elő. XRD és ATR-IR mérések segítségével megállapítottuk, hogy egyszeri átkristályosítással megfelelő tisztaságú termék állítható elő, amit termogravimetriás és NMR-mérések segítségével támasztottunk alá. A Ca(ISA) 2 egy részét Na 2 CO 3 segítségével NaISA-vá alakítottuk. A NaISA-oldatról felvett 1 H, 13 C és 1 H 13 C HSQC NMR mérések segítségével azonosítottuk az egyes C-atomokhoz rendelhető csúcsokat. A NaISA IR spektrumát összehasonlítva a Ca(ISA) 2 színképével megállapítottuk, hogy ugyan az ujjlenyomat-tartomány a NaISA esetében kevésbé strukturált, a vegyületre jellemző rezgések megjelennek a spektrumon. Irodalomjegyzék [1] X. Gaona, V. Montoya, E. Colàs, M. Grivé, L. Duro, Journal of Contaminant Hydrology, 2008 (102) 217-227 [2] P.B. Shaw, G.F. Robinson, C.R. Rice, P.N. Humphreys, A.P. Laws, Carbohydrate Research,, 2012 (349) 6-11 [3] R.L. Whistler, J.N. BeMiller, in Methods of Carbohydrate Chemistry, Vol. 2. Reactions of Carbohydrates, Academic Press, New York, 1963 477-479. [4] L.R. Van Loon, M.A. Glaus, K. Vercammen, Acta Chemica Scandinavica, 1999 (53) 235-240. [5] R.P. Bontchev, R.C. Moore, Carbohydrate Research, 2004 (339) 2811-2816. 46

[6] H. Cho, D. Rai, N.J. Hess, Y. Xia, L. Rao, Journal of Solution Chemistry, 2003 (32) 691-702. [7] A. Allard, C. Ekberg, Journal of Solution Chemistry, 2006 (35) 1173-1186 47

48 ANYAGTUDOMÁNY

RÉTEGES KETTŐS HIDROXIDOK DELAMINÁCIÓS ÉS AGGREGÁCIÓS TULAJDONSÁGAI Muráth Szabolcs 1, Somosi Zoltán 1, Tóth Ildikó 2, Tombácz Etelka 2, Sipos Pál 3, Pálinkó István 1 1 SZTE Szerves Kémiai Tanszék, Szeged, 6720, Dóm tér 8 2 SZTE Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszék, Szeged, 6720, Aradi vértanúk tere 1 3 SZTE Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék, Szeged, 6720, Dóm tér 7 MgAl- és CaAl-réteges kettős hidroxidok delaminációs és aggregációs sajátságait tanulmányoztuk különféle polaritású oldószerekben. Az együttes lecsapás módszerével készített réteges kettős hidroxidokat sokfajta műszeres módszerrel jellemeztük. A delaminálási és az azt követő aggregációs folyamatokat dinamikus fényszórással követtük. A formamid és az N-metil-acetamid bizonyultak a leghatásosabb delaminálószernek. Bevezetés A réteges kettős hidroxidok (röviden csak LDH-k), mint potenciális katalizátorok, prekurzorok, hordozók avagy kompozitanyagok, sokféle alapkutatási téma támpontjaként szolgálnak a szervetlen kémiában és az anyagtudományban. [1-4] Leggyakoribb képviselőik szerkezete a Mg(OH) 2 -éból származtatható úgy, hogy a kétszeresen pozitív magnéziumionok egy hányadát háromszorosan pozitív fémionokkal helyettesítjük izomorf módon. (1. ábra) Az eredetileg fémionként csupán magnéziumot tartalmazó réteg ettől többlet pozitív töltést hordoz, amit a rétegek között elhelyezkedő, méretükben széles skálán variálható anionok kompenzálnak. Ezek az anionok többfajta módszerrel is cserélhetők, de ez sokszor, főként a nagyméretű ion esetén, nehézségekbe ütközhet. A réteges kettős hidroxidok leírására használt fő jellemző a rétegtávolság (basal spacing), ami alatt egy fémes réteg vastagságának és a rétegközi tér nagyságának összegét értjük. 1. ábra Egy réteges kettős hidroxid sematikus szerkezete [5] 49

A réteges kettős hidroxidok egyik érdekes sajátsága a memóriaeffektus. Ha hőkezeléssel a jellegzetes struktúrát összeomlasztjuk, akkor egy amorf keverékoxidot kapunk, amelyből rehidratálással újra kialakítható a kiindulási vegyület. A réteges szerkezet megszüntetésének egy másik módja az úgynevezett delamináció, melynek során a lamellák rendezett halmazát bontjuk meg, általában szerves oldószeres kezeléssel. Ezalatt maguk a rétegek egyben maradnak, de egymástól eltávolodnak és kolloid rendszer hozható létre. Mivel delaminálás utáni hidratálással megvalósítható a rétegek visszarendezése, ezért munkánk céljául azt tűztük ki, hogy feltérképezzük különféle szerves folyadék LDH rendszerek sajátságait, és ez alapján kiválasszunk olyanokat, melyekből a réteges szerkezet visszaépítésével párhuzamosan az interkalálni kívánt anion beépíthető a rétegek közé. Kísérleti munka A munka alapjaként szolgáló réteges kettős hidroxidokat az együttes lecsapás módszerével készítettük. A fémsókat [Mg(NO 3 ) 2 6H 2 O és Al(NO 3 ) 3 9H 2 O illetve Ca(NO 3 ) 2 4H 2 O és Al(NO 3 ) 3 9H 2 O] 2:1 anyagmennyiség-arányban tartalmazó oldat kémhatását NaOH-oldat segítségével ph= 13-ra állítottuk be, majd 3 napig kevertettük inert atmoszféra alatt. A légköri CO 2 nitrogénnel történő kizárására azért volt szükség, mert megkíséreltük a Mg 2 Al-LDH és a Ca 2 Al-LDH dodecil-benzol-szulfonátionnal (DBS) interkalált módosulatainak ioncserével történő előállítását is. Az ioncsere során elporított LDH-t adagoltam a Na-DBS tenzidsó ismert, szükség szerint beállított ph-jú oldatához, szintén nitrogénatmoszféra alatt. Az így kapott szuszpenziót 30 perc ultrahangos előkezelés után 4 napig kevertettük. A mintákat a szintézisidő lejárta után vákuumszivattyú segítségével szűrtük, ioncserélt vízzel mostuk és 60 C-on szárítottuk. Anyagaink jellemzésére az alábbi technikákat használtuk: porröntgen diffraktometria (XRD), pásztázó elektronmikoszkópia (SEM) és a mikroszkóphoz csatolt energiadiszperzív röntgenanalízis (SEM EDS), diffúz reflektancia üzemmódban működő infravörös (DRS-IR) és UV látható (UV Vis) spektroszkópiák, dinamikus fényszórásmérés (DLS), valamint számítógépes molekulamodellezés (ab initio 6-31 G** bázis). Eredmények Az alap Ca 2 Al- és Mg 2 Al-LDH, továbbá a DBS-ionnal módosított Mg 2 Al-LDH sikeres szintézisét röntgendiffraktometria segítségével bizonyítottuk. A szerves-szervetlen kompozitot a következő paraméterek alkalmazásával sikerült előállítani: ph= 7, DBS:LDH anyagmennyiség-arány 1:2. A diffraktogramon megjelenő első reflexióra alkalmazott Bragg-egyenletből számított rétegtávolság a magnéziumtartalmú réteges kettős hidroxidoknál 0,758 nm, míg az alap kalciumanalóg esetén 0,835 nm volt. Bár a két magnéziumot tartalmazó LDH röntgendiffratogramjai között nincs lényegi különbség, a DRS-IR spektrumuk jelentősen eltér. A dodecil-benzol-szulfonátionra, [6] valamint a réteges kettős hidroxidokra jellemző főbb karakterisztikus IR-sávokat az 1. táblázatban foglaltuk össze. Molekulamodellezési számításunk azt mutatta, hogy a DBS anion anélkül is képes elhelyezkedni a rétegközi térben, hogy a rétegtávolság megváltozzék, ugyanis az anion köré írható paralelepipedon legkisebb dimenziója (0,243 nm) kisebb, mint a kompozit LDH rétegtávolságának és egy réteg vastagságának különbsége (0,281 nm). 50

1. táblázat Mintáinkban megjelenő karakterisztikus IR-rezgések Hullámszám (1/cm) Asszignáció Minta 3600 3400 OH vegyértékrezgés minden LDH 3000 2850 CH 2 és CH 3 nyújtórezgés DBS Mg 2 Al-LDH 1650 H 2 O ollózó deformációs rezgés minden LDH 1174, 1035 SO 3 nyújtórezgés DBS Mg 2 Al-LDH 1008 aromás CH deformációs rezgés DBS Mg 2 Al-LDH UV látható spektroszkópiás mérés útján meghatároztuk a DBS megkötődésének hatékonyságát a Mg 2 Al-LDH-ban. Az ioncsere kísérlet végén az anyalúg egy részletét ultracentrifugásan ülepítettük, majd a folyadékot óvatosan lepipettáztuk és 260,9 nm hullámhosszon regisztráltuk az abszorbanciát. Kalibrációs sorozatot felvéve arra az eredményre jutottunk, hogy a szintézishez bemért tenzid közel 100 %-a megkötődött a rétegek között. A 2. ábrán a mintáinkról készült SEM felvételek láthatók. A Ca 2 Al-LDH esetén megfigyelhető a réteges kettős hidroxidokra jellemző kristálymorfológia, a magnéziumot tartalmazó LDH-k kevésbé szabályosan kristályosodtak. 2. ábra Ca 2 Al-LDH-ról (A), Mg 2 Al-LDH-ról és DBS Mg 2 Al-LDH-ról készült pásztázó elektronmikroszkópos felvételek A B C Az EDS detektorral felvett spektrumokon szennyező elem jele nem fedezhető fel; példaként a DBS-t tartalmazó LDH spektrumát ábrázoltuk a 3. ábrán. Megfigyelhető a szerves anionban jelen levő kén jele is. 51

3. ábra DBS Mg 2 Al-LDH-ról készült EDS spektrum A mintákat többféle szerves oldószerben (C 4 C 8 normál szénláncú primer alkoholok illetve 5 kis szénatomszámú savamid: formamid, N-metil-formamid, N,N-dimetilformamid, N-metil-acetamid és N,N-dimetil-acetamid) való kevertetés után fényszórásméréssel vizsgáltuk. A kapott átlagos szolvatált részecskeátmérők (Z átlag ) alapján az egyes rendszerekben alkalmazott oldószereket osztályozni tudtuk delaminációs képességük alapján. A főbb tapasztalatok az alábbiakban összegezhetők: a Ca 2 Al-LDH az összes szerves közegben gyenge delaminációs hajlamot mutat ultrahangos kezelés előtt és után is, bár a Ca 2 Al-LDH átlagos részecskeátmérője az ultrahangos kezelés után csökken, de a fellépő aggregáció általában gyors, a magnéziumtartalmú LDH-k a N-szubsztituálatlan és N-metilezett amidokban ultrahangos kezelés után 100 200 nm nagyságrendű Z átlag részecskemérettel rendelkeznek és stabilis kolloid rendszert képeznek, ugyanezen LDH-k N,N-dimetil-formamidban és N,N-dimetil-acetamidban nagy, de a kiindulásinál kisebb, átlagos részecskemérettel rendelkeznek ultrahangos behatás után is, és a részecskeméret fokozatosan növekszik (kivétel ez alól a DBS Mg 2 Al-LDH+N,Ndimetil-acetamid rendszer), a magnéziumtartalmú LDH-k alkoholokban a szénatomszám növekedésével egyre kisebb átlagos részecskeméretűek lesznek, amelyre nincs lényeges hatással az ultrahangos kezelés és a tenzidtartalom sem, a DBS-t tartalmazó réteges kettős hidroxidok+savamid rendszerekben az átlagos részecskeméret kisebb, mint a tenzid nélküli keverékekben. Az interkalálatlan Mg 2 Al-LDH viselkedése alapján az alábbi kölcsönhatások valószínűsíthetők: az alkoholok poláris hidroxilcsoportja erős kölcsönhatásban van a pozitívan töltött rétegekkel, míg az apoláris lánc a folyadék tömbfázisa felé mutat; így megmagyarázható, hogy az apolaritás növekedése miért segíti elő a delaminációt, 52

mivel a savamidok esetén a legpolárisabbak segítik elő leginkább az LDH delaminációját, valószínűsíthető, hogy az amidfunkció N-atomja van erős kölcsönhatásban a réteges kettős hidroxiddal. Egy LDH savamid rendszerben levő LDH részecskék időfüggő Z átlag részecskeméretét mutatja be a 4. ábra. Megjegyzendő, hogy a számértékek csak az egyes adatsorok egymással történő összehasonlításra alkalmasak, mivel a kiértékeléshez használt egyenletek gömbszimmetrikus, egyforma méretű részecskéket feltételeznek. 4. ábra A DBS Mg 2 Al-LDH átlagos részecskemérete N-metil-formamidban az ultrahangos kezelés után eltelt idő függvényében Összefoglalás Munkánk során vizsgáltuk a nitrátsókból, együttes lecsapással előállított Ca 2 Al- és Mg 2 Al-LDH, illetve utóbbi vegyület dodecil-benzol-szulfonátionnal interkalált módosulatának delaminációs tulajdonságait többféle alkoholban és savamidban. A magnéziumot tartalmazó LDH-k mindkét típusú szerves közegben kedvezőbb delaminációs készséget mutattak, tehát valószínűleg a réteges szerkezet megszüntetését követő regenerációs ioncsere reakció jó eséllyel elvégezhető velük. Irodalomjegyzék [1] A. Vaccari; Applied Clay Science, 1999 (14) 161-198. [2] D. Tichit, C. Gérardine, R. Durand, B. Coq; Topics in Catalysis, 2006 (39) 89-95. [3] F. Li, X. Duan; Structure and Bonding, 2006 (119) 193-223. [4] F. Reny Costa, M. Saphiannikova, U. Wagenknecht, G. Heinrich; Advances in Polymer Science, 2008 (210) 101-168. [5] J. Tronto, A. C. Bordonal, Z. Naal, J. Barros Valim; Materials Science Advanced Topics, 2013 (1) 3-33. [6] Z. P. Xu, P. S. Bratterman; Journal of Materials Chemistry, 2002 (13) 268-273. 53

BAEYER-VILLIGER OXIDÁCIÓS REAKCIÓ Ca(II)Sn(IV)- RÉTEGES KETTŐS HIDROXIDON Czene Marcell 1,3, Ferencz Zsolt 1,3, Pál Sipos 2,3 István Pálinkó 1,3 1 Szegedi Tudományegyetem, Szerves Kémiai Tanszék, 6720 Szeged, Dóm tér 8. 2 Szegedi Tudományegyetem, Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék, 6720 Szeged, Dóm tér 7. 2 Szegedi Tudományegyetem, Anyag- és Oldatszerkezeti Kutatócsoport, 6720 Szeged, Dóm tér 7-8. Ca(II)Sn(IV)-réteges kettős hidroxidot készítettünk szilárdtest kémiai módszerrel, száraz és nedves (vizes) őrlés kombinációjával. A kapott anyagot jellemeztük, és katalitikus aktivitását teszteltük a ciklohexanon Baeyer-Villiger oxidációjában H 2 O 2 -t alkalmazva oxidálószerként. A kettős hidroxid elősegítette a reakció lejátszódását, de többszöri felhasználása egyelőre sikertelennek bizonyult. Bevezetés A réteges kettős hidroxidok (layered double hydroxide LDH) első képviselőjét Svédországban fedezték fel 1842-ben. [1] Azóta sokféle természetes eredetű LDH-t azonosítottak, de kémiai és sok más egyéb hasznosításhoz általában szintetizálják ezeket az anyagokat. Az LDH-k réteges szerkezetű anyagok. [2] A rétegek pozitív töltésűek, amelyekben az általában két- és háromértékű kationokat, OH -ionok veszik körbe, többnyire oktaéderes elrendeződésben. A rétegközi térben töltéskompenzáló anionok találhatók, amelyek aránylag könnyen cserélhetők más, akár bonyolult szerkezetű szervetlen vagy szerves anionokra, így adva a vegyészek számára rengeteg lehetőséget az LDH-k módosítására. [3] A laboratóriumi körülmények között szintetizált réteges kettős hidroxidokat jellemzően a megfelelő sók beállított ph-jú hidrolízisével állítják elő. [4,5] Ritkábban használatosak, bár népszerűségük újabban egyre nő, a mechanokémiai módszerek. Ezek alapja az, hogy egy bizonyos mennyiségű mechanikai energia befektetését követően kémiai reakciók játszódhatnak le oldószerek használata nélkül. A LDH szerkezet kiépítéséhez szükséges víz lehet a kiindulási vegyületek kristályvíz-tartalma, de szóba jöhet egy kétlépéses mechanokémiai szintézismódszer is, melynek során a két- és háromértékű fémek hidroxidjainak mechanikai keverékét először szárazon összeőrlik, majd nagyon kis mennyiségű víz hozzáadása után az őrlést folytatják. Bár a legtöbb LDH-ban két- és háromértékű fémionok vannak, ritkábban ugyan, de előfodulnak olyanak is, amelyek a kétértékű fémion helyett egyértékűt, illetve a háromértékű helyett négyértékűt tartalmaznak. Ez utóbbira például szolgálnak az Sn(IV)-tartalmú réteges kettős hidroxidok, amelyek sikeres szintéziséről 1999-ben számoltak be Velu és munkatársai. [6] Később mások is beszámoltak sikeres szintézisekről, de gyorsan kiderült, hogy ezek nem igazi LDH-k voltak, ugyanis az Sn(IV) ion nem épült be rácsba. A csoport egy korábbi munkája során kiderítette, hogy lehetséges Sn(IV)-tartalmú LDH előállítása, de erre nem alkalmas a szokásos szintézismódszer, az együttes lecsapás, helyette egy mechanokémiai technikát, a száraz és nedves őrlés kombinációját kell alkalmazni. [7] Az így készült LDH katalitikus tesztelésével kapcsolatos eredményeket írjuk le a jelen munkában. 54

Sn(IV)-ionokat tartalmazó anyagok sikerrel alkalmazhatók voltak szerves oxidációs reakciók katalizátoraként, így például Sn(IV)-tartalmú zeolitok hatékonyan működtek Baeyer-Villiger reakciókban. [8] Mi is ezt a reakciótípust választottuk, mégpedig cikohexanon kaprolaktonná történető átalakulását tanulmányoztuk H 2 O 2 -t használva oxidálószerként. Kezdeti eredményeinkről olvashatnak a továbbiakban. Kísérleti rész A réteges kettős hidroxidok előállításához a vízmentes kalcium(ii)-hidroxidot (Ca(OH) 2 ) és az ón(iv)-klorid-hexahidrátot (SnCl 4 6H 2 O) a Sigma-Aldrich Kft.-től szereztük be. Az anyagokat további átalakítás, kezelés és tisztítás nélkül alkalmaztuk. A Ca(II)Sn(IV)-LDH-t egy Retsch MM 400-as golyósmalomban készítettük el. A szintézishez 50 cm 3 térfogatú rozsdamentes acéltégelyt és 20 mm átmérőjű rozsdamentes acélgolyót használtunk. A Ca(OH) 2 -ot és az SnCl 4 6H 2 O-ot úgy mértük be, hogy az megfeleljen a kívánt M(II):Sn(IV) aránynak, és az össztömeg 3 g legyen. A kétlépéses szintézis első lépése egy egyórás száraz őrlés volt, melyet a víz hozzáadása követett, majd a kétórás nedves őrlés következett. A kapott anyagot röntgendiffraktometriával jellemeztük. A diffraktogramok egy Rigaku MiniFlex II típusú Röntgen pordiffraktométerrel készült, 5 és 60 között (2Θ), 4 /perc szkennelési sebességgel, Cu Kα sugárzást (λ = 0.15418 nm) használva. A Baeyer-Villiger reakcióban használt 99%-os benzonitril, a hidrogén-peroxid (H 2 O 2 ) és a kaprolakton a Sigma-Aldrich Kft-től, a ciklohexanon a Molar Chemicals Kft-től érkezett. A reakcióban való felhasználás előtt semmilyen tisztítási, átalakítási eljárást nem végeztünk. A reakcióhoz egy Erlenmeyer lombikot használtunk, amelybe 1,2 ml ciklohexanont, 10 ml benzonitrilt és 0,25 g (illetve a katalizátormennyiség optimalizálása során változó mennyiségű) Ca(II)Sn(IV)-LDH-t mértünk be. Az elegyhez 3,1 ml hidrogénperoxidot adagoltunk, intenzív keverés közben. Meghatároztuk az optimális reakcióidőt, reakcióhőmérsékletet, és katalizátormennyiséget. Vizsgáltuk a katalizátor újrahasznosíthatóságát is. Megvizsgáltuk azt is, hogy van-e jobb oldószer, mint a benzonitril. Ehhez használtunk szén-tetrakloridot, vízmentes metanolt, n-butanolt és toluolt is. Az oldószerek mindegyike az Aldrich Kft. terméke volt. A szintézis sikerességének vizsgálatához gázkormatográfot használtunk. A kromatogramok felvételéhez egy HP 5890 gázkromatográf szolgált, egy 50 m 0,320 mmes, 1 μ belső átmérővel rendelkező DB-5 kolonnával szerelve (fázisösszetétel: 5% difenilés 95% dimetil-polisziloxán). A mennyiségi adatokat egy lángionizációs detektor segítségével nyertük, a vivőgáz pedig nitrogén volt. Az eredmények és tárgyalásuk A ciklohexanon Baeyer-Villiger oxidációja A reakció kaprolaktont eredményezett, az alábbi reakcióegyenlet szerint, ahol az oldószer benzonitril volt: 55

Az optimális reakcióidő meghatározása A fentiek szerint összeállított reakcióelegyben a kaprolakton képződésének előrehaladását gázkromatográfiásan követtük. A kapott konverziókat az 1. táblázatban foglaltuk össze. Az optimális reakcióidőnek a 2 órát választottuk, mert az ehhez tartozó konverzióértékhez képest nem jelentős a konverziónövekedés 24 óra elteltével sem. 1. táblázat A különböző reakcióidőkhöz tartozó konverzióértékek 30 o C-on. Reakcióidő (h) Konverzió (%) 0,5 5,1 1 6,6 2 9,4 5 9,6 24 11,9 Az ideális reakcióhőmérséklet meghatározása A szintéziseket 30 o C, 40 o C, 50 o C, 60 o C, 70 o C-on végeztük. A 2. táblázat tartalmazza a számolt konverzióértékeket. Láthatóan a 70 o C bizonyult a legjobb hozamot biztosító hőmérsékletnek. 2. táblázat A konverzió hőmérsékletfüggése Hőmérséklet ( o C) Konverzió (%) 30 9,4 40 7,5 50 10,7 60 11,0 70 14,9 Az oldószerváltoztatás hatása Az előbbiekben felsorolt oldószerekkel próbáltuk a benzonitrilt kiváltani, de a 3. táblázatból kitűnik, hogy az oldószerváltoztatás nem vezetett sikerre. 3. táblázat Konverzióértékek különféle oldószerekben Oldószer konverzió % Benzonitril 14,9 n-butanol 0 szén-tetraklorid 0 Metanol 0 Toluol 0 A katalizátormennyiség optimalizálása Az alapreakcióban 0,25 g katalizátort használtunk. Megvizsgáltuk, hogy mi történik akkor, ha katalizátor mennyiségét megnöveljük. A 4. táblázat adataiból jól látszik, hogy nagyobb mennyiségű katalizátor alkalmazásakor a konverzió jelentősen visszaesett. 56

Intenztás/a.u. 4. táblázat: Konverzióértékek a katalizátormennyiség függvényében Katalizátormennyiség (g) Konverzió (%) 0,15 13,22 0,25 14,89 0,35 1,50 0,45 1,29 0,55 0,24 A katalizátor újrahasznosíthatósága A katalizátort sajnos nem lehetett újra felhasználni. A konverzióértékek jelentős csökkenése (5. táblázat) valószínűleg az LDH szerkezetének szétesésére vezethető vissza. 5. táblázat Konverzióértékek újrafelhasználáskor Felhasználás Konverzió (%) Alap 14,9 1 1,06 2 0,27 3 0,07 Valóban, a röntgendiffraktogramok azt mutatják (1. ábra), hogy megszűnt az LDH réteges szerkezete az első reakció során. 1. ábra A Ca(II)Sn(IV)-LDH diffraktogramjai felhasználás előtt (A), egyszeri felhasználás után (B), és négyszeri felhasználás után (C) C Burtite (CaSn(OH) 6 ) Ca 4 Sn LDH B A 10 20 30 40 50 60 2 / o Kijelenthető tehát, hogy a reakció során a Ca(II)Sn(IV)-LDH réteges szerkezete megszűnik, ugyanakkor a reakció során az Sn(IV) nem mosódik ki a katalizátorból, azaz a konverziócsökkenés nem az Sn(IV) elvesztésének réteges szerkezet összeomlásának tulajdonítható. 57

Összefoglalás Kísérleti munkánk során mechanokémiai módszerrel készített Ca(II)Sn(IV)-LDH-t alkalmaztunk a ciklohexanon Baeyer-Villiger oxidációs reakciójában. Meghatároztuk a reakció optimális körülményeit, és megállapítottuk, hogy csak a réteges szerkezettel rendelkező anyag mutat elfogadható aktivitást. Irodalomjegyzék [1] H. Taylor, Mineralogical Magazine, 1969, 37, 338-342. [2] S. J. Molls, A. G. Christy, J.-M. R. Génin, T. Kameda, F. Colombo, Mineralogical Magazine, 2012, 76, 1289-1336. [3] N. Chubar,, V. Gerda, O. Megantari, M. Mičušík, M. Omastova, K. Heister, P. Man, J. Fraissard, Chemical Engineering Journal, 2013, 234, 284-299. [4] S. Miyata, Clays Clay Miner., 1975, 23, 369-375. [5] A. Inayat, M. Klumpp, W. Schwieger, Appl. Clay Sci., 2011, 51, 452-459. [6] S. Velu, K. Suzuki, T. Osaki, F. Ohashi, S. Tomura, Materials Research Bulletin, 1999, 34, 1707-1717. [7] Zs. Ferenc, M. Szabados, M. Á. Sipizki, Á. Kukovecz, Z. Kónya, P. Sipos, I. Pálinkó, Journal of Materials Science, 2014, 49, 8478-8486. [8] A. Corma, L. T. Németh, M. Renz, S. Valencia, Nature, 2001, 412, 423-425. 58

NI-AMINOSAV KOMPLEXEK INTERKALÁLÁSA CA 2 AL LDH RÉTEGEI KÖZÉ Ziegenheim Szilveszter 1, Varga Gábor 1, Sipos Pál 2, Pálinkó István 1 1 Szegedi Tudományegyetem, Szerves Kémiai Tanszék, 6720, Szeged, Dóm tér 8. 2 Szegedi Tudományegyetem, Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék, 6720, Szeged, Dóm tér 7. Bevezetés A réteges kettős hidroxidok (LDH-k) szervetlen agyagásványok. Rétegeiket két- és háromértékű fémionok alkotják, melyeket oktaéderes elrendeződésben OH - ionok vesznek körül. A háromértékű fémek jelenléte miatt a rétegek pozitív töltéssel rendelkeznek, ezeket kompenzálandó, a rétegek közé anionok épülnek be, melyek többféle módszerrel cserélhetők. [1,2] A rétegeket alkotó fémionok és a rétegek közé beépíthető anionok nagy változatossága miatt felhasználási lehetőségeik is igen sokszínűek. [3,4] Csoportunk egyik fő kutatási területe a különböző LDH-k előállítása, a rétegeik közti anionok cseréje, interkalálása és az így készült minták felhasználási lehetőségeinek feltérképezése. Munkánk során célunk az volt, hogy Ca 2 Al LDH rétegei közé sikeresen interkaláljunk különféle Ni-aminosav komplexeket, majd az így interkalált LDH-k katalitikus aktivitását vizsgáljuk. Kísérleti rész A kísérletek első szakaszában Ca 2 Al LDH-t állítottunk elő, a már korábban optimált recept alapján, az együttes lecsapás módszerével. [5] A fémsók anionjának könnyen cserélhető ionokat választottunk. Az LDH kialakulását, és a kísérletek során kapott szerkezetek stabilitását porröntgen-diffraktometriával (XRD), a minták morfológiáját pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) vizsgáltuk. A sikeresen előállított LDH rétegei közé két módszerrel próbáltuk a komplexeket beépíteni. Az első módszer során ez két lépésben történt. Az első lépésben az aminosavakat interkaláltuk, majd Ni(II)-iont tartalmazó vizes oldattal végrehajtott mosással próbáltuk meg a komplexeket létrehozni. A második módszer során a komplexeket külön állítottuk elő, majd ezután vittük be a rétegek közé a direkt anioncsere módszerével. A kísérletek során a második módszer hatékonyabbnak és gyorsabbnak bizonyult, így ezután ezt alkalmaztuk a célunk eléréshez. A komplexek ligandumanként az L-cisztein, az L-tirozin és az L-hisztidin aminosavakat használtuk. A komplexek létrehozása a következőképp történt: Ni(II)-nitrát és a megfelelő aminosav lúgos oldatát (Ni(II):ciszteinát = 1:4; Ni(II):tirozinát = 1:4; Ni(II):hisztidinát = 1:2) 1 órán át kevertettük, majd a rendszerhez adtuk a a rétegek közt nitrátiont tartalmazó LDH-t. Az így keletkezett szuszpenziót 24 órán át kevertettük, majd leszűrtük a szilárd anyagot szűrtük és szárítottuk. Mind a komplexek kialakítását, mind pedig azok interkalálását vizes etanolban végeztük, a ph-t 7,5-re állítva, nitrogénatmoszféra alatt. A komplexek szerkezetét röntgenabszorpciós spektroszkópiával vizsgáltuk. Az interkalálás sikerességét infravörös spektroszkópiával, többféle detektálási módot alkalmazva, bizonyítottuk. Diffúz reflektancia feltétet használva megállapíthattuk, hogy a 59

Intenzitás mintánk tartalmaz-e komplexeket, hiszen az LDH-ra jellemző ún. ujjlenyomat tartományban (1300 900 cm 1 ) az LDH gyakorlatilag nem rendelkezik elnyeléssel, míg az aminosavak igen. ATR feltét segítségével, valamint a fotoakusztikus (PA) detektálás módszerével információt nyerhettünk az interkalált molekulák helyzetéről. Kvantitatív adatokat energiadiszperzív röntgenanalízissel nyertünk. A sikeresen interkalált minták katalitikus aktivitását ciklohexén oxidációján, mint modellreakción vizsgáltuk, kétféle oxidálószert alkalmazva (perecetsav, illetve diacetoxijódbenzol). A reakcióelegy összetétele perecetsav oxidálószer esetén: 25 mg katalizátor; 10 cm 3 aceton; 5 mmol ciklohexén; 2,5 mmol perecetsav; a reakciókörülmények: szobahőmérséklet, 3 óra reakcióidő. A reakcióelegy összetétele diacetoxi-jódbenzol oxidálószerrel: 25 mg katalizátor; 10 cm 3 5/95 tf%-os víz/aceton elegy; 5 mmol ciklohexén; 2,5 mmol diacetoxi-jódbenzol; a reakciókörülmények: szobahőmérséklet, 3 óra reakcióidő. Eredmények és értékelésük A kísérletek során a fémek NO 3 iont ellenionként tartalmazó sóival előállított LDHk bizonyultak megfelelőnek aminosav-komplexek direkt anioncserével történő interkalációjához. A felvett diffraktogramok alapján megállapíthattuk, hogy a kívánt szerkezet kialakult, megtaláltuk 10 körül az LDH-ra jellemző (001), 20 körül pedig a (002) reflexiókat (1. ábra). Ezután létrehoztuk, majd interkaláltuk a komplexeket, az előbbiekben leírt módon. A Ni(II)-ciszteinát komplexszel interkalált LDH diffraktogramja az 1. ábrán látható (B diffraktogram); az LDH szerkezete és a rétegtávolság sem változott jelentősen. A másik két komplex interkalálása során is hasonlók voltak a tapasztalatok. 2. ábra. A Ca 2 Al-LDH (A) és a Ni(II)-ciszteinátot a rétegközi térben tartalmazó Ca 2 Al LDH (B) diffraktogramjai 001 002 B 001' 001 002 A 5 10 15 20 25 30 35 40 2 (fok) A mintákat ezután infravörös spektroszkópiával vizsgáltuk. A diffúz reflektancia spektrumokon az ujjlenyomat-tartományban megjelenő csúcsok a komplexek beépülésére utalnak. ATR technikával mintáink felszínét, míg PA detektálással a tömbi fázist tudtuk vizsgálni. Így eldönthető volt az, hogy a komplexek az LDH felületén is megkötődtek (az ATR spektrumon ekkor megjelennek az aminosavakra jellemző csúcsok), vagy kizárólag a rétegek közé épültek be (ekkor csak a PA spektrumokon jelennek meg az aminosavakra jellemző csúcsok). Ezen kívül a karboxilátcsoportra jellemző szimmetrikus (1560 cm 1 ) és aszimmetrikus (1410 cm 1 ) csúcsok megjelenése és eltolódása is a komplexek beépülésére 60

Intenzitás utal. A vizsgálatok során az interkalálatlan LDH spektrumán csupán a rá jellemző csúcsok voltak láthatók. A sikeresen interkalált mintán az ATR spektrumok nem, vagy csak nagyon kis intenzitású csúcsokat tartalmaztak, míg PA detektálás estén jól láthatóan megjelennek az aminosav anionokra jellemző csúcsok. Ezt mutatja be a 2. ábra. 3. ábra. A: Ca 2 Al-NO 3 LDH (A), a Ni(II)-hisztidinát Ca 2 Al LDH (B, ATR feltét), a Ni(II)-hisztidinát Ca 2 Al LDH (C, PA detektor) és a Ni(II)-hisztidinát Ca 2 Al LDH (D, DRS módszer) IR spektrumai 1592 1411 1365 D C 1503 1369 1514 1607 1350 B 1636 1350 790 A 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 Hullámszám (cm -1 ) A sikeresen előállított kompozitminták morfológiáját pásztázó elektronmikroszkópiával vizsgálva megállapíthattuk, hogy azt az interkaláció nem befolyásolta jelentősen. Az EDX vizsgálatok során a mintákban megjelenő Ni és annak egyenletes eloszlása, illetve a ciszteinát ligandum esetén a megjelenő kén, mind a sikeres interkalálásra utaló jelek. A komplexeket röntgenabszorpciós spektroszkópiával (3. ábra) vizsgálva megállapítottuk, hogy a ligandumok oktaéderes elrendeződésben koordinálódtak a központi fémionhoz. A mért spektrumok illesztésével a feltételezhető koordinációs környezetet is meg tudtunk adni (1. táblázat). Megállapítható volt, hogy akkor kaptuk a legtökéletesebb illesztést, ha két aminosav koordinációját és két vízmolekula koordinálódását feltételeztük. Azt találtuk, hogy a tirozinát az aminocsoprt nitrogénjével, valamint a karboxilát oxigénjeivel koordinálódik. A hisztidin, valamint a cisztein esetében az aminonitrogének nem játszanak szerepet, ugyanakkor a hisztidin esetében az imidazolátnitrogének, a cisztein esetében pedig a tiolátkén részt vesz a koordinációs szféra kialakításában. 1. táblázat: Az EXAFS spektrumokra illesztett paraméterek (N: koordinációs szám, R: kötéshossz, σ 2 : Debye Waller faktor, R faktor: az illesztés jósága) Ca 2 Al-LDH Ni(II) X N R(Å) σ 2 (Å 2 ) R faktor minta Ni(II)-tirozin N/O 4 2,02 0,0085 0,115 N/O 2 2,40 0,025 Ni(II)-cisztein N/O 2 2,03 0,0039 0,113 N/O 2 2,25 0,0679 S 2 2,66 0,0091 Ni(II)-hisztidin N/O 2 1,95 0,0039 0,068 N/O 4 2,22 0,0242 61

FT( (k) k 3 ) 3. ábra: A mért és az illesztett EXAFS spektrumok: A: Ni(II)-hisztidin Ca 2 Al-LDH, B: Ca 2 Al Ni(II)-tirozin LDH, C: Ni(II)-cisztein Ca 2 Al-LDH Mért görbe Illesztett görbe C B A 0 1 2 3 4 5 6 A sikeresen interkalált LDH-kat ezután katalizátorként alkalmaztuk ciklohexén oxidációs reakciójában, perecetsavat illetve vízaktivált diacetoxi-jódbenzolt alkalmazva oxidálószerként. A reakció sémáját a 4. ábra mutatja be. R (Å) 4. ábra. A ciklohexén oxidációs reakciója Az előbbiekben leírt körülmények között végzett kísérletek során a reakcióelegyben interkalálatlan Ca 2 Al-LDH-t alkalmazva katalizátorként nem tapasztaltunk jelentős változást a katalizátor nélküli reakcióhoz képest. A perecetsavval végzett reakciók során az interkalált LDH-kat alkalmazva katalizátorként a konverzió nem ér kimagasló értéket, azonban a reakció szelektívvé válik az epoxidra nézve (a ciszteinát- és a hisztidinátkomplexszel interkalált LDH-k esetében ez egyenesen 100%). Ezeket az eredményeket mutatja be az 2. táblázat. A katalizátorokat három ciklusban újrafelhasználva a reakció konverziója és szelektivitása sem változott meg jelentősen. 2. táblázat. Konverzió és szelektivitás a ciklohexén oxidációs reakciója során, perecetsav oxidálószer mellett (25 C, 3 h) Katalizátor Konverzió Epoxid 2-Chex-1-ol 2-Chex-1- Diol (%) (%) (%) (%) one (%) 21 64 4 2 30 Ni(II)-Tyr Ca 2 Al-LDH 30 84 0 0 16 Ni(II)-Cys Ca 2 Al-LDH 40 100 0 0 0 Mn(II)-His Ca 2 Al LDH 47 100 0 0 0 62

Ezt a reakciót vízzel aktivált diacetoxi-jódbenzol oxidálószerrel végrehajtva katalizátor nélkül, a korábbihoz hasonló eredményeket kapunk. A sikeresen interkalált LDH-kat alkalmazva katalizátorként azt tapasztaltuk, hogy a reakció diolszelektívvé vált. Ezeket az eredményeket mutatja a 3. táblázat. A korábbihoz hasonlóan itt sem változott jelentősen a szelektivitás és a konverzió a katalizátort háromszori újrafelhasználása során. 3. táblázat. Konverzió és szelektivitás a ciklohexén oxidációs reakciója során, vízzel aktivált diacetoxi-jódbenzol oxidálószer mellett (25 C, 3 h) Katalizátor Konverzió Epoxid 2-Chex-1-2-Chex-1- Diol (%) (%) (%) ol(%) one (%) 19 49 28 17 6 Ni(II)-Tyr Ca 2 Al-LDH 20 6 0 0 94 Ni(II)-Cys Ca 2 Al-LDH 53 0 0 0 100 Ni(II)-His Ca 2 Al LDH 41 11 0 0 89 Összefoglalás Összefoglalásként elmondhatjuk, hogy a Ni(II)-aminosav komplexeket sikeresen interkaláltuk az LDH rétegei közé, és ezt többféle vizsgálattal igazoltuk. Ezután a kész mintákat katalizátorként is sikeresen alkalmaztuk, mert bár a konverziók nem voltak kimagaslóan nagyok, a perecetsav oxidálószerrel végrehajtott reakció esetén epoxid-, míg a vízzel aktivált diacetoxi-jódbenzol oxidálószerrel végrehajtottak esetén igen magas diolszelektivitást tapasztaltunk. Irodalomjegyzék [1] A.E. Palomares, J.G. Prato, F. Rey, A. Corma, Journal of Catalysis, 2004, 221, 62-66. [2] N. Muksing, R. Magaraphan, S. Coiai, E. Passaglia, U.G. Akpan, B.H. Hameed, Express Polymer Letters, 2011, 5, 428-448. [3] P.J. Purohit, D.-Y. Wang, F. Emmerling, A.F. Thünemann, G. Heinrich, A. Schönhals, Polymer, 2012, 53, 2245-2254. [4] A.A.A. Ahmed, Z.A. Talib, M.Z. bin Hussein, Applied Clay Science, 2012, 56, 68-76. [5] M. Sipiczki, A. A. Ádám, T. Anitics, Z. Csendes, G. Peintler, Á. Kukovecz, Z. Kónya, P. Sipos, I. Pálinkó, Catalysis Today, 2015, 241, 231-236. 63

CINK-ALUMINÁT SPINEL ÚJSZERŰ ELŐÁLLÍTÁSA Bús Csaba 1, Szabados Márton 1, Sipos Pál 2, Pálinkó István 1 1 Szegedi Tudományegyetem, Szerves Kémiai Tanszék, 6720, Dóm tér 8 2 Szegedi Tudományegyetem, Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék, 6720, Dóm tér 7 Ultrahangos kezeléssel kiegészített száraz és nedves őrlés kombinációjával, majd az azt követő ammóniás mosással fázistiszta ZnAl-LDH-át állítottunk elő. Ez a minta jó kiindulási anyaga volt a fázistiszta ZnAl 2 O 4 spinel előállításának. Bevezetés Az elmúlt két évtizedben a réteges kettős hidroxidok, angol nevükből adódóan LDH-ák (layered double hydroxides) komoly kutatói érdeklődést keltettek széleskörű felhasználhatóságuk miatt. Az LDH-ák a természetben is előforduló ásványszerű anyagok, melyek a trigonális kristályrendszerű brucitból származtathatók úgy, hogy a kétértékű kationok (pl. Mg 2+ ) egy részét izomorf szubsztitúcióval háromértékű fémionra (pl. Al 3+ ) cseréljük. Az LDH-ák szerkezetét általánosan leíró képlet: [M(II) 1-x M(III) x (OH) 2 ] x+ [A m x/m nh 2 O)] x, 1>x>0, ahol M(II) és M(III) jelenti a két-, illetve háromértékű fémionokat, amelyekhez oktaéderesen koordinálódnak a hirdoxidionok, A m pedig a rétegek közt elhelyezkedő, a rétegek pozitív töltését kompenzáló aniont jelenti. A réteges kettős hidroxidok szerkezetét szemlélteti az 1. ábra. 1. ábra A réteges kettős hidroxidok szerkezete. Rétegközi tér Rétegtávolság A tiszta és módosított LDH-ák felhasználhatók többek között katalizátorként, szelektív adszorbensként, ioncsere eljárásokban, polimer adalékanyagként, nanorészecskék 64

szintézisének alapanyagaként (a mechanikai tulajdonságok javítása mellett vázként szolgálhatnak a szupramolekuláris szerkezetek felépüléséhez). A felsorolt alkalmazási területek többsége az LDH-ák anioncsere folyamatain alapul, ilyenkor nagyon fontos, hogy a pozitív töltést kompenzáló anion gyengébben kötődjék meg a rétegek közt, mint a bejuttatni kívánt anion. Az anioncsere izotermák alapján felállítottak egy, az anionok kötődésének erősségét bemutató liotróp sorrendet: CO 3 2- > SO 4 2- > OH - > F - > Br - > NO 3 - > I - A sorrend alapján látható, hogy a karbonátion kötődik meg legerősebben a rétegek között, az egyértékű anionok (pl. nitrát, jodid) gyengébben. A karbonátion megkötődése az esetek többségében nem kívánatos, ilyenkor a szintéziseket nitrogénatmoszféra alatt hajtják végre, a szén-dioxid kizárásával. A rétegek közti távolságot befolyásolja a ph, a kristályosodás hőmérséklete és az anion tulajdonságai (mérete, elrendeződés, stb). A réteges kettős hidroxidok szerkezeti módosításának egy praktikus módja a fémionok arányának változtatása is. [1] A réteges kettős hidroxiok egyik vizsgálati módszere a röntgendiffrkatometria (XRD), az LDH-ákra jellemző a (003), (006), (009) reflexók periodicitása. Infravörös spektroszkópiával (IR) információt nyerhetünk a rétegeket alkotó fémionokról, interkalált anionokról és vízről is. Pásztázó elektronmikroszkópiával (SEM) tanulmányozható a termék morfológiája, és az összehasonlítható a kiindulási anyagokéval. Az LDH-ák hevítés hatására három lépésben veszítik el víztartalmukat, ez termogravimetriás módszerrel (TG) követhető. A spinelek az ionos szilárd anyagok egy fontos csoportját alkotják. Erősen elektropozitív fémionokból és erősen elektronegatív nemfémes ionokból állnak. Ezek az anyagok általában szulfidként, oxidként vagy jodidként alakulnak ki, a többi ionos kötésű vegyülettől a kristályszerkezetük különbözteti meg őket. A spinelek összetétele különböző lehet: AB 2 X 4, A 2 BX 4, valamint A 3 X 4. Az első összetétel tekinthető a klasszikus spinelnek, ezt normál 2-3 spinelnek is nevezik. A jelképezi a kétértékű fémiont, B a háromértékű kationt, X pedig a kétszeresen negatív töltésű aniont. Ezeket az anyagokat köbös kristályrács jellemzi. A cink-aluminát spinel (ZnAl 2 O 4 ) a spinel-oxidok közé tartozik. Elterjedten alkalmazzák katalizátorként, illetve katalizált reakciók segédanyagaként, mert nagy a hőstabilitása és a felülete csak kismértékben hidrofób. Emellett fotoelektromos berendezésekben is megtalálható, mert széles a tiltott sávtartománya. A nanoszerkezetű anyagokat napjainkban intenzíven tanulmányozzák kiemelkedően előnyös optikai sajátságaik miatt. Lumineszcencia sajátságaikat a részecskék mérete, a kristályszerkezet, és a rácsszennyezők eloszlása határozza meg. [2] Kísérleti munkánk során célul tűztük ki a ZnAl-LDH előállítását egy újszerű módszerrel, ultrahang alkalmazásával, a szintézis optimalizálását, valamint a cink-aluminát spinel előállítását. Kísérleti rész A szintézisekhez a cink-és alumínium-hidroxid keverékekből minden esetben 0,6 g- ot mértünk ki, majd golyósmalommal előőrlést hajtottunk végre mechanokémiai aktiválás (hibahelyek előidézése) céljából. A Zn/Al mólarányt 1:1 és 5:1 közt változtattuk. Az előőrölt keverékből 0,5 g-ot mértünk Eppendorf csövekbe és 2 ml folyadék hozzáadása után hajtottuk végre a szintéziseket ultrahangos kád segítségével, 35 khz frekvenciával, 25 Con. Az optimalizáláshoz változtattuk az előőrlés idejét, az ultrahangos kezelés idejét, valamint a hozzáadott NaOH-oldat koncentrációját. Az előállított LDH-át, tisztítás 65

Intenzitás érdekében 20 ml 25%-os ammónia oldattal kevertettük össze, majd szűrtük, és desztillált vízzel mostuk a maradék szilárd mintát, végül 60 C-on szárítottuk. A spinel szerkezet előállításához az LDH mintákat 900 C-on kalcináltuk egy órán át izzító kemencében. Eredmények és értékelésük A kísérleti eredmények alapján az előőrlés idejének növelésével az LDH-ákra jellemző reflexiók intenzitása nőtt, az Al(OH) 3, Zn(OH) 2 és ZnO reflexiói csökkentek, az alumínium-hidroxid jele 90 perc után teljesen eltűnt. A réteges kettős hidroxidok egyik fő komponense a hidroxidion, így a NaOH-oldat alkalmazása jótékonyan befolyásolhatja a szintézist. Azonban a cink-és alumínium hidroxid is amfoter sajátságú, lúgfeleslegben képes feloldódni, emiatt 0,5 mol/dm 3 koncentrációjú oldatban nem keletkezhet LDH. Az ultrahangos kezelés időtartamának növelése során a 4 órás időtartam után nem tapasztaltunk számottevő változást. A kísérleti eredmények alapján a 90 perces előőrlést, 4 óra ultrahangos kezelést és 0,01 M koncentrációjú NaOH alkalmazását találtuk az optimális paramétereknek. A kísérletek eredményeit szemlélteti a 2. ábra. 2. ábra Az előőrlés és a lúg hatásának szemléltetése, valamint az optimális paraméterekkel előállított LDH röntgendiffraktogramja. (003) (006) Zn(OH) 2 Al(OH) 3 90 perc előőrlés, 0,01 M NaOH, 4 h ultrahang 90 perc előőrlés, deszt.víz, 4 h ultrahang 30 perc előőrlés, deszt.víz, 4 h ultrahang 10 20 30 40 50 60 2 / o A kísérletek az LDH tisztítására vonatkozóan is sikeresek voltak. A 25%-os ammóniaoldattal sikerült eltávolítani az elreagálatlan cink-hidroxidot vízoldható Zn(NH 3 ) 4 (OH) 2 komplex formájában, az LDH feloldását elkerülve. A tiszta LDH röntgendiffraktogramja látható a 3. ábrán. 66

Intenzitás 3. ábra Az optimális körülmények mellett készített (3:1 kiindulási Zn/Al mólarány, 90 perc előőrlés, 4 h ultrahangos kezelés, 2 ml 0,01 M NaOH oldat) és az ammóniaoldattal tisztított LDH-ák diffraktogramjai. (003) LDH Zn(OH) 2 ZnO (006) (101) (012) (015) (104) (107) (018) tisztított LDH nem tisztított LDH (1010) (0111) 10 20 30 40 50 60 2 ( o ) A tényleges Zn/Al arányt atomabszorpciós spektroszkópiával és EDX méréssel határoztuk meg, és 1:1-nek találtuk. A bemért fém-hidroxidok arányának változtatásával kapott LDH-ák összetételét az 1. Táblázat mutatja. 1. táblázat A Zn/Al mólarány változtatásának hatása Kiindulási Zn/Al mólarány Tényleges Zn/Al mólarány Nominális képlet 1:1 1:2 ZnAl 2 (OH) 6 CO 3 nh 2 O 2:1 1:2 ZnAl 2 (OH) 6 CO 3 nh 2 O 3:1 1:1 Zn 2 Al 2 (OH) 8 CO 3 nh 2 O 4:1 1:1 Zn 2 Al 2 (OH) 8 CO 3 nh 2 O 5:1 1:1 Zn 2 Al 2 (OH) 8 CO 3 nh 2 O A táblázatból jól látható, hogy abban az esetben, ha a Zn/Al arány nagyobb mint 3, akkor sem fog a tényleges Zn/Al mólarány növekedni, értéke 1 marad. Ha ez az érték 3-nál alacsonyabb, akkor a tényleges mólarány 1:2-nek adódik, és ugyancsak állandó marad. Ezek a tapasztalatok a gibbsit szubsztitúciós modelljével magyarázhatók: a Zn 2+ -ionok a 67

Intenzitás gibbsitszerű alumínium-hidroxid üres oktaéderes üregeibe épülnek be, és/vagy cserélődnek az Al 3+ ionokkal, és a réteges kettős hidroxid ebből a módosított gibbsit szerkezetből alakul ki. Érdemes megemlíteni, hogy az LDH-ák kialakulása során igen ritka, de ismert, hogy a kétértékű fémion épül be háromértékű fémion rácsába. [3] Az LDH-ák 2:1 és 1:1 kiindulási Zn/Al mólaránnyal potenciális prekurzorai a ZnAl 2 O 4 spinel előállításának, 500 C feletti hőmérsékleten történő kalcinálással. A ZnAl 2 - LDH 900 C feletti kalcinálása fázistiszta ZnAl 2 O 4 spinelt eredményez. Ha a kiindulási Zn/Al arány 2:1, akkor a keletkezett spinelnek különösen magas a kristályossági foka. Magasabb Zn/Al arányoknál a spinel ZnO fázist is tartalmaz. A spinelek röntgendiffraktogramjait mutatja a 4. ábra. 4. ábra A kalcinált LDH-ák röntgendiffraktogramjai különböző Zn/Al mólarányok esetén. ZnAl 2 O 4 ZnO kezdeti Zn/Al 5:1 mért 1:1 kezdeti Zn/Al 4:1 mért 1:1 kezdeti Zn/Al 3:1 mért 1:1 kezdeti Zn/Al 2:1 mért 1:2 kezdeti Zn/Al 1:1 mért 1:2 10 20 30 40 50 60 70 2 ( o ) Összefoglalás Összefoglalásként elmondható, hogy sikeresen megvalósítottuk a cink-aluminát spinel előállítását ZnAl-LDH prekurzor segítségével, melynek szintézisét mechanokémiai és szonokémiai módszer kombinálásával valósítottuk meg. A szintéziskörülményeket optimalizáltuk, és sikerült anyagunkat megtisztítani az elreagálatlan cink-hidroxidtól. Irodalomjegyzék [1] Inayat A., Klumpp M., Schweiger W., Applied Clay Science, 2011, 51, 452-459. [2] Tsai M. T., Chen Y.-X., Tsai P.-J., Wang Y.-K., Thin Solid Films, 2010, 518, 9-11 [3] Ma, S. L., Fan, C. H., Huang, G. L., Li, Y. M. Yang, X. J., Ooi, K. European Journal of Inorganic Chemistry 2010, 2079-2083. 68

SZÉN-DIOXID FÜSTGÁZBÓL TÖRTÉNŐ LEVÁLASZTÁSÁNAK VIZSGÁLATA Stelén Gábor 1, Nagy Tibor 1, Mizsey Péter 1 1 Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Napjaink társadalma jelentős mennyiségű energiát használ fel, melyet legjelentősebb mértékben fosszilis úton nyerünk. Emiatt kulcsfontosságú az üvegházhatást fokozó széndioxid gáz emissziójának csökkentése. Ennek mind a vegyiparban, mind az energiaszektorban nagy a jelentősége. A szén-dioxid kibocsátás többféleképpen is csökkenthető, az egyik leggyakoribb módszer az adott folyamat során keletkezett füstgázok utólagos tisztítása abszorpcióval. Többféle abszorbens alkalmazható, az egyik lehetőség aminok vizes oldatának használata. Munkánk során szén-dioxid ellenáramú, tányéros oszlopon végzett abszorpcióját modelleztük az Aspen Plus folyamatszimulátor segítségével. Abszorbensként monoetanolamin (MEA) 30 tömegszázalékos vizes oldatát alkalmaztunk. Különböző abszorbens betáplálási megoldásokat vizsgáltunk és hasonlítottunk össze. Vizsgáltuk a deszorber forralójának hőigénye és a betáplált abszorbens/gáz (L/G) arány közötti összefüggést a különböző abszorbens betáplálási helyek alkalmazása mellett. Célunk volt a deszorber hőigényének minimalizálása úgy, hogy közben a szén-dioxid leválasztási fok állandó maradjon. 1. ábra: A berendezés elvi vázlata. 69

KÉMIAI EOR CÉLÚ TENZIDEK FELHASZNÁLÁSÁVAL ELŐÁLLÍTOTT KŐOLAJ-VÍZ EMULZIÓK REOLÓGIAI VIZSGÁLATA Elekes Andrea 1, Nagy Roland 1, Bartha László 2, Vágó Árpád 3 1 Pannon Egyetem, Mérnöki Kar, MOL Ásványolaj- és Széntechnológiai Intézeti Tanszék, 8200 Veszprém, Egyetem u. 10., e-mail: elekesa@almos.uni-pannon.hu 2 Pannon Egyetem, Mérnöki Kar, Vegyipari Műveleti Intézeti Tanszék, 8200 Veszprém, Egyetem u. 10. 3 MOL Nyrt., Csoportszintű Kutatás és Üzletfejlesztés, 1117 Budapest, Október huszonharmadika u. 18. A kőolaj-kitermelés fokozására irányuló polimer-tenzides kémiai harmadlagos kitermelés (CEOR) során a vizes tenzidoldatok és a kőolaj keveredésekor különböző stabilitású emulziók alakulnak ki, melyek dinamikai viszkozitása és fázisszétválással szembeni stabilitása markánsan befolyásolja a tárolókőzet pórusaiban történő áramlási sebességüket. Kutatómunkánk során célunk az ülepedő kőolaj-víz emulziók reológiai és kolloidkémiai szempontból történő jellemzése volt. Megvizsgáltuk a CEOR célra fejlesztett tenzidkompozíciók emulgeáló kapacitását, valamint a képződött emulziók dinamikai viszkozitásának változását a folyadékoszlop magasságának függvényében. 60 perces ülepedést követően, az emulziós fázisból vett mintákat hígítási módszerrel és optikai mikroszkóppal is vizsgáltuk az emulziók típusának meghatározása céljából. Az eredmények alapján következtettünk a tenzidoldatok CEOR célú alkalmazhatóságára. 1. Bevezetés Napjainkig, elsődleges és másodlagos kőolaj kitermelési módszerrel a tároló réteg olajtartalmának csupán 30-50%-át hozták a felszínre [1]. A kitermelési hatásfok további növelése érdekében fejlesztették ki a kémiai kiszorításon alapuló harmadlagos (CEOR) eljárást. Kutatómunkánk során a kémiai azon belül is a polimer-tenzides harmadlagos kőolaj-kitermeléssel foglalkoztunk. Ezen eljárásnál a vizes oldatok és a kőolaj keveredésekor különböző stabilitású emulziók alakulnak ki, melyek tulajdonságai nagymértékben befolyásolják a kőolaj-kitermelés hatékonyságát [2,3]. A CEOR eljárás során alkalmazott felületaktív anyagok megfelelő arányával elősegítik az emulzió előállítását és lelassítják az elkerülhetetlen szeparációjukat [4]. Mivel felhasználás szempontjából a nagy stabilitású és kis viszkozitású emulziós fázis kialakulása a kedvező [5], így vizsgálataink során törekedtünk az általunk fejlesztett tenzidkompozíciók felhasználásával készített emulziók minél részletesebb megismerésére. 2. Felhasznált anyagok A vizsgálatokat az 1. és 2. táblázatban feltüntetett tulajdonságú, Magyarországon kitermelt algyői kőolaj és rétegvíz felhasználásával végeztük. 70

1. táblázat Alkalmazott kőolaj jellemzői Jellemző Érték Sűrűség, g/cm 3 (20 C) 0,8365 Dinamikai viszkozitás, mpas (50 C) 12,8 Savszám, mg KOH/g 0,41 Karakter Paraffinos 2. táblázat Alkalmazott rétegvíz jellemzői Jellemző Érték Fe vezetőképesség (20 C), ms/cm 3,38 ph-érték 8,4 Összes oldott sótartalom, mg/l 3860 Hidrogénkarbonát, mg/l 1620 Az olaj-víz határfelületi feszültségének csökkentése céljából a Pannon Egyetem Műszaki Kémiai Kutatóintézetében (MÜKKI) szintetizált anionos és a Pannon Egyetem MOL Ásványolaj- és Széntechnológiai Intézeti Tanszékén szintetizált nemionos tenzidek felhasználásával készült kompozíciókat (3. táblázat) használtunk. A tenzidkompozíciókat 1 g/dm 3 poliakrilát típusú folyásmódosító polimert tartalmazó rétegvízben oldottuk 15 g/dm 3 koncentrációban. Tenzidkompozíció jele 3. táblázat Felhasznált tenzidkompozíciók összetétele Anionos tenzid jele (komponens arány, m/m%) Nemionos tenzid jele (komponens arány, m/m%) Nemionos tenzid jele (komponens arány, m/m%) K-1 A-1 (60%) N-1 (40%) - K-2 A-1 (60%) N-2 (10%) N-3 (30%) K-3 A-1 (60%) N-2 (30%) N-3 (10%) 3. Alkalmazott mérési módszerek 3.1 Emulgeáló kapacitás vizsgálata Az emulgeáló hatás vizsgálata során 10 cm 3 emulgeátort tartalmazó rétegvizes oldatot és 10 cm 3 kőolajat egymás után egy mérőhengerbe mértük, majd a hengert dugóval lezárva 80 C hőmérsékletű termosztátba helyeztük, és 1 óra elteltével a fázisokat összeráztuk. Ezt követően azonnal, majd 1 órán keresztül 80 C-on történő hőntartás után, a fázisok (alsó, középső, felső) mennyiségét leolvastuk. A mérési adatokat a teljes térfogatra vonatkoztatott folyadék térfogat%-ában adtuk meg az alsó, középső és felső fázis esetében. 3.2 Dinamikai viszkozitás mérés a folyadékoszlop magasságának függvényében A kőolaj-víz emulziók készítése során 50 cm 3 össztérfogatban víz-emulgeátor elegyet készítettünk, majd azt 50 cm 3 előzetesen keveréssel homogenizált kőolajjal elegyítettük. Elegyítés során 30-szor történő 180 -os fordítással összerázást alkalmaztunk. A vizsgálatok során termosztálással biztosítottuk a tárolóban lévőhöz hasonló 80 C hőmérsékletet. A kialakuló emulziók vizsgálatára Brookfield DV-III digitális 71

programozható rotációs reoviszkozimétert használtunk. A műszer segítségével a vizsgált viszkozitás tartományban relatív összehasonlítást tudtunk megvalósítani. A fázisok viszkozitásának méréséhez az emulziót duplafalú termosztálható edénybe öntöttük, majd az ülepedő emulziónak azonnal megmértük a viszkozitását a folyadékoszlop magasságának függvényében. Ezt követően 80 C-on 1 órán keresztül nyugalmi állapotban termosztálást végeztünk, majd ezután újra megmértük az elkülönülő fázisok viszkozitását, majd felvettük a dinamikai viszkozitás-folyadékoszlop magasság összefüggést leíró görbét. 3.3 Emulziójellegének meghatározása hígítási módszerrel Annak érdekében, hogy a vizsgált emulziók jellegét meghatározzuk, hígítási módszert alkalmaztuk. A vizsgált tenzidkompozíciók felhasználásával készített emulziókból mintát vettünk, majd tárgylemezre cseppentettük. Csapvízzel és kőolajjal is elvégeztük a próbát. Minden emulzió azzal a folyadékkal hígítható, amelyik a diszpergáló közeget alkotja: a víz külső fázisú emulzió (O/V típusú) mintája vízzel tökéletesen elegyedik, kőolajjal viszont nem. Olaj közegű emulziók esetében fordított hatás figyelhető meg. A vizsgálatot 60 perces ülepedést követően is elvégeztük. Ekkor az emulziós fázis alsó, középső és felső részéből is vettünk mintát. 3.4 Emulzió típusának meghatározása mikroszkóppal Az emulziók jellegének meghatározását fénymikroszkópos vizsgálattal alátámasztottuk. A felvételek alapján lehetőségünk nyílt az emulziók típusán kívül a cseppek összetett jellegét is igazolni. A vizsgálatokhoz 10-100-szoros nagyítási tartományú Nikon Eclipse LV150 típusú fénymikroszkópot használtunk. 4. Eredmények bemutatása Az 1-3. ábrákon az egyes tenzidkompozíciókból készített emulziók vizsgálati eredményei láthatók. A dinamikai viszkozitást Brookfield-típusú rotációs viszkoziméterrel, a folyadékoszlop magasságának függvényében, minden esetben 16 mérési ponton mértük. 72

1. ábra K-1 jelű tenzidkompozíciót tartalmazó kőolaj-víz emulzió vizsgálati eredményei a.) dinamikai viszkozitás és fázismegoszlás változása 80 C-on a vizsgálat kezdetén b.) 60 perces ülepedést követően c.) az emulziós fázisból vett minta mikroszkópos felvétele A K-1 jelű tenzidkompozíció felhasználásával készített kőolaj-víz emulzió dinamikai viszkozitása 10-15 mpas nagyságú volt (1.a ábra). A 60 perces ülepedési időt követően, a viszkozitás a kezdeti értékekhez képest, a folyadékoszlop magasságától függően 5-10 mpas-ot emelkedett (1.b ábra). A 60. perces emulgeáló kapacitás vizsgálatkor olajos kiválást figyeltünk meg, melynek közelében jelentős (10 mpas) viszkozitás növekedés is látható. A mikroszkópos felvételek (1.c ábra) alapján megállapítottuk, hogy az ülepedést követően, az emulziós fázis középső és alsó részéből vett minta O/V típusú, míg az olajos fázishoz közel, nagyobb viszkozitású, olaj külső fázisú (V/O típusú) emulzió képződött. Ezt a hígítási vizsgálat is alátámasztotta. 2. ábra K-2 jelű tenzidkompozíciót tartalmazó kőolaj-víz emulzió vizsgálati eredményei a.) dinamikai viszkozitás és fázismegoszlás változása 80 C-on a vizsgálat kezdetén b.) 60 perces ülepedést követően c.) az emulziós fázisból vett minta mikroszkópos felvétele A K-2 jelű tenzidkompozíció vizsgálatának kezdetén vizuálisan homogén emulziós fázis látható (2.a ábra), azonban a folyadékoszlop magasságának függvényében mért dinamikai viszkozitás értékeknél jelentős változás látható. A tömbfázis felső 1/3-ad részén a fázisinverzió miatt fokozatosan csökkent a viszkozitás. 60 perces ülepedést követően a minta felszínén csak kis mértékű olaj kiválást tapasztaltunk és 18%-nyi vizes fázis 73

keletkezett (2.b ábra). A dinamikai viszkozitás a minta alsó részén a kezdeti 35 mpas-os értékről 8-10 mpas-ra csökkent. A fénymikroszkópos felvételek alapján (2.c ábra) megállapítottuk, hogy az emulziós fázis nagy viszkozitású tartományából vett minta összetett, O 1 /V/O 2 típusú emulzió, míg az emulziós fázis felső részén V/O, alsó részén pedig O/V típusú emulzió képződött. Az összetett emulzió kialakulása magyarázatot adhat a nagy viszkozitás létrejöttére. 3. ábra K-3 jelű tenzidkompozíciót tartalmazó kőolaj-víz emulzió vizsgálati eredményei a.) dinamikai viszkozitás és fázismegoszlás változása 80 C-on a vizsgálat kezdetén b.) 60 perces ülepedést követően c.) az emulziós fázisból vett minta mikroszkópos felvétele A 3.a ábrán látható, hogy a K-3 jelű tenzidkompozícióból előállított kőolaj-víz emulzió kezdetben homogén, közel 30 mpas dinamikai viszkozitás értékű volt. 60 perces ülepedést követően, az emulgeáló kapacitás vizsgálata során, 18 V/V% olajos és 21 V/V% vizes fázis kialakulását tapasztaltuk (3.b ábra). A dinamikai viszkozitás értékek, 15-40 mpas-os intervallumban, a folyadékoszlop felső része felé haladva fokozatosan növekedtek. Ülepítést követően, a hígítási vizsgálat és a mikroszkópos felvételek (3.c ábra) alapján megállapítottuk, hogy az emulziós fázis alsó része túlnyomó részt vizes vagy víz külső fázisú komponenseket tartalmazott. Az emulziós fázis középső részén O/V típusú emulzió volt jelen, a felső részén pedig kőolajban gazdag V/O fázis helyezkedett el. 5. Összegzés A kőolaj polimeres-tenzides kiszorítási technológia kutatásához az emulziók vizsgálati módszerét Brookfield-típusú rotációs viszkoziméter alkalmazásával az ülepített emulziók fázisviszkozitásainak mérésével, valamint az emulziók típusának meghatározásával egészítettük ki. A bemutatott módszer alkalmas a fejlesztett tenzidkompozíciók szelekciójára. A tenzidkompozíciók vizsgálati eredményei alapján megállapítottuk, hogy a tenzidkompozícióban lévő nemionos tenzidek típusa és aránya nagy mértékben befolyásolta a kialakult emulziós fázisok dinamikai viszkozitását, térfogatarányát, stabilitását és az emulzió típusát. A vizsgált három tenzidkompozíció közül, CEOR szempontjából kedvező, nagy stabilitású kis dinamikai viszkozitású emulziós fázist a K-1 jelű tenzidkompozícióval tudtunk létrehozni. 74

Irodalomjegyzék [1.] Lakatos I., Lakatos-Szabó J.: A nem konvencionális szénhidrogének jelentősége a XXI. században; Kőolaj és földgáz, 2008 (22) 1-19. [2.] William C. Lyons: Standard Handbook of Petroleum and Natural Gas Engineering: Volume 2, Gulf Professional Publishing, 1996, 319-343. [3.] Dílson C. Maia Filho, João B.V.S. Ramalho, Gloria M.S. Lucas, Elizabete F. Lucas: Aging of water-in-crude oil emulsions: Effect on rheological parameters; Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects, 2012 (405) 73 78. [4.] Laurier L. Schramm: Surfactants: Fundamentals and Applications in the Petroleum Industry, Cambridge Univerity Press, 2000, 203-250. [5.] Ronaldo Gonçalves dos Santos, Antonio Carlos Bannwart Watson Loh Phase segregation, shear thinning and rheological behavior of crude oil-in-water emulsions, Chemical Engineering Research and Design, 2014 (92) 1629 1636. [6.] Bernard P. Binks: Modern aspects of emulsion science; The Royal Society of chemistry, 1998. [7.] Paul Becher: Emulziók, Műszaki Könyvkiadó, Bp. 1965. Köszönetnyilvánítás A szerzők köszönetüket fejezik ki a MOL Nyrt., Csoportszintű Kutatás és Üzletfejlesztésnek a támogatásért. 75

PT NANORÉSZECSKÉKKEL DEKORÁLT MEZOPÓRUSOS OXIDOK SZINTÉZISE, KARAKTERIZÁLÁSA, VALAMINT FELHASZNÁLÁSA KÜLÖNBÖZŐ FELÜLETKÉMIAI REAKCIÓKBAN Dobó Dorina 1,2, Juhász Koppány 1, Szabó Mária 1, Sipos Dániel 1, Boda László 1, Lázár Enikő 1, Szamosvölgyi Ákos 1, Sápi András 1, Kukovecz Ákos 1,2, Kónya Zoltán 1,3 1 Szegedi Tudományegyetem, Alkalmazott és Környezeti Kémiai Tanszék, 2 MTA-SZTE Lendület Pórusos Nanokompozitok Kutatócsoport, 3 MTA-SZTE Reakciókinetikai és Felületkémiai Kutatócsoport A klasszikus kolloid- és felületkémiai tudomány szerint porózus anyagnak tekinthetünk minden olyan szilárd anyagot, melynek határfelülete háromdimenziós. Azt az anyagi csoportot, melyek pórusainak mérete 1-100 nm (egyes értelmezések szerint 1-1000) tartományba esik, nanopórusosnak nevezzük. Az IUPAC nevezéktan szerint a pórusos szilárd anyagok három csoportra oszthatóak: a mikropórusos 2 nm alatti, a mezopórusos 2-50 nm, a makropórusos anyagok pedig 50 nm feletti pórusátmérővel rendelkeznek. [1] A nanopórusos szilárd anyagok előállítása, jellemzése és alkalmazása egyre nagyobb jelentőséggel bír. Nagy fajlagos felületüknek köszönhetően adszorbensként, katalizátorként, katalizátor-hordozóként történő felhasználásuk igen elterjedt. Katalizátor-hordozók szintézise során soft és hard templátokat alkalmaztunk. Softtemplátok használata során szilika habot [2,3], SBA-15-öt, KIT-6-ot [4], MCF-17-et,TiO 2 - ot, valamint Al 2 O 3 állítottunk elő [5]. Különböző mezopórusos fém-oxidok szintézise során hard-templátokat alkalmaztunk. Ilyen fém-oxidok páldául a NiO, MnO 2, CeO 2, Co 3 O 4. [4] Napjainkban a hordozós, közel egyforma méretű fém-nanorészecskék szintézise, karakterizálása, valamint katalitikus tulajdonságainak vizsgálata nagyon elterjedt, ugyanis különleges, nagy szelektivitású katalizátorok előállítása válik lehetségessé, valamint segítségükkel a fémkatalízis mechanizmusának megértéséhez is közelebb jutunk. Munkánk során kontrollált méretű Pt-nanorészecskéket állítottunk elő, Somorjai éstársai által kifejlesztettszintézis segítségével, amellyel pontosankontrollálhatjuk a szintetizálandó fém részecskék méretét 1-12 nm között. A platina kristályokméretének szabályozását alkoholos szuszpenziókban való redukálássalvalósítjuk meg [6]. Katalizátorok fejlesztésekor és alkalmazásakor fontos, hogy olyan rendszereket hozzunk létre, amiben kizárólag a kívánt terméket tudjuk előállítani, melléktermékek és hulladék nélkül. Célunk volt a mezopórusos oxidok és a kontrollált méretű Pt nanorészecskék felületkémiai folyamatokra gyakorolt sajátos tulajdonságainak kiaknázása. Az 1. ábra néhány, az általunk előállított katalizátor Transzmissziós elektronmikroszkópos (TEM) képeit mutatja be. 76

1. ábra 10 nm Pt/MCF-17 (a), 1.6 nm Pt/SF (b), illetve 1.6 nm Pt/SBA-15 (c) minták TEM felvétele a b c Az álaltunk előállított mezopórusos oxidokat, Pt-nanorészecskéket, valamint katalizátorokat különböző mélységi-és felületi anyagvizsgáló módszerekkel vizsgáltuk meg, ilyen páldául az röntgen diffraktometria (XRD), TEM, illetve a N 2 -adszorpciós vizsgálati módszer. A katalizátorokat különböző felületkémiai folyamatokban (pl. hidroszililezés, fotoelektrokémia, szenzorika) teszteljük. [1] CsanádyA., Kálmán E., Konczos G., Bevezetés a nanoszerkezetű anyagok világába, 2009 [2] Bagshaw, S.A.; Kemmitt, T.; Milestone, N.B., Mesopor. Macropor. Mat., 1998 (22) 419-433 [3] Bagshaw, S. A.,Chem. Comm. 1999 767-768 [4] K. An, S. Alayoglu, N. Musselwhite, S. Plamthottam, G. Melaet, A. E. Lindeman, G. A. Somorjai, Journal of American Chemical Society, 2013 (135) 16689-16696 [5] K. An,N. Musselwhite, G. Kennedy. V. V. Pushkarev, L. R. Baker, G.A. Somorjai, Journal of Colloid and Interface Science 2013 (392) 122-128 [6] R. M. Rioux, H. Song, J. D. Hoefelmeyer, P. Yang, G. A. Somorjai, J. Phys. Chem.B 2005 (109) 2192-2202 77

VAS-VOLFRAMÁT (FEWO 4 ) NANOLEMEZEK ELŐÁLLÍTÁSA HIDROTERMÁLIS ELJÁRÁSSAL Kovács Teodóra 1, Dr. Szilágyi Imre Miklós 1, Dr. Lukács István 2 1 BME Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék 1111 Budapest, Műegyetem rkt 3. 2 MTA TTK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet 1121 Budapest, Konkoly ThegeM. út 29-33. A volfrám-oxidokat és fém-volframátokat elterjedten alkalmazzák katalizátorként, fotokatalizátorként, gázszenzorként, elektrokróm és fotolumineszcens eszközökben. Közülük kutatómunkám középpontjában a hexagonális (h-) WO 3, köbös (c-) WO 3 és a vasvolframát (FeWO 4 ) állt. Közös bennük, hogy gyakran alkalmazott előállítási módszerük a hidrotermális szintézis, mely nátrium-volframátból (Na 2 WO 4 ) és sósavból (HCl) indul ki. A reakció végeredményét befolyásolják a felhasznált prekurzorok, segédanyagok és hőmérséklet (jellemzően 180-200 C). A szakirodalom szerint a h-wo 3 előállításához Na 2 SO 4 vagy (NH 4 ) 2 SO 4 szükséges segédanyagként, c-wo 3 -hoz FeSO 4, FeWO 4 -hez pedig (NH 4 ) 2 Fe(SO 4 ) 2 6H 2 O vagy FeCl 3. Kutatómunkám célja annak vizsgálata volt, hogy miképpen befolyásolja a termékösszetételt a szulfát segédanyagban a kation minősége (Na +, NH + 4, Fe 2+, Fe 3+ ). A reakciótermékek kristályszerkezetét röntgen-pordiffrakcióval (XRD), morfológiáját pásztázó és transzmissziós elektronmikroszkópiával (SEM-EDX, TEM), az optikai tulajdonságaikat UV/VIS spketroszkópiával vizsgáltam. Végül pedig a termékek fotokatalitikus aktivitását mértem. Minden reakciót 180 és 200 C-on is elvégeztem. Először segédanyagként Na 2 SO 4 - ot alkalmaztam és a termék h-wo 3 lett nanorudas formában. Majd FeSO 4 -ot használtam adalékként, azonban itt termék a korábbiakkal ellentétben nem c-wo 3 lett, hanem FeWO 4, amit egyben elsőként sikerült nanolemezes formában előállítani. Ezt követően Fe 2+, Fe 3+ és NH + 4 tartalmú segédanyagok hatását tanulmányoztam. Mohr-só [(NH 4 ) 2 Fe(SO 4 ) 2 6H 2 O] és ammónium-vastimsó [(NH 4 )Fe(SO 4 ) 2 12H 2 O] alkalmazásakor a termék egy keverék lett, melyben megjelent a h-wo 3, és egyéb, Fe-ionokat tartalmazó vegyületek (pl. Na 0,24 (H 3 O) 0,76 Fe 3 (SO 4 ) 2 (OH) 6, Fe 2 (WO 4 ) 3. FeCl 3 használatával a termék Fe 2 (WO 4 ) 3 lett. Összefoglalva, a korábbiakkal ellentétben kizárólag FeSO 4 adalékanyag használata mellett kaptunk Fe(II)WO 4 -et. Minden más esetben vagy tiszta h-wo 3 keletkezett, vagy Fe(III) 2 (WO 4 ) 3, vagy pedig különböző fázisok keveréke. Kutatómunkám eredményeként elsőként sikerült az FeWO 4 -et nanolemezek formájában előállítani, melyek vastagsága 20-30 nm, hosszúsága és szélessége 0,5-10 µm. Mind a h-wo 3 nanorudak, mind az FeWO 4 nanolemezek fotokatalitikusan aktívak voltak. 78

ARANY NANOSZEMCSÉKKEL ADALÉKOLT HEXAGONÁLIS WO 3 NANOSZÁLAK FOTOKATALITIKUS TULAJDONSÁGAI Kéri Orsolya 1, Szilágyi Imre Miklós 1,2, Firkala Tamás 1, Gáber Fanni 1, Nagy Dávidné 3, Kócs Lenke 4, Hórvölgyi Zoltán 4 1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék, 1111 Budapest, Szent Gellért tér 4. 2 MTA-BME Műszaki Analitikai Kutatócsoport, 1111 Budapest, Szent Gellért tér 4. 3 Institute for Materials and Processes, School of Engineering, The University of Edinburgh, The King s Buildings, Mayfield Road, Edinburgh, EH9 3JL, United Kingdom 4 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszék, H-1521 Budapest, Budafoki út 6-8. Hexagonális WO 3 (h-wo 3 ) nanoszálakat (5-10 nm vastag, 10 μm hosszú) mikrohullámú hidrotermális szintézissel állítottunk elő Na 2 WO 4, (NH 4 ) 2 SO 4 és HCl vizes oldatából. Az előállított nanoszálakra 5-10 nm-es Au nanoszemcsékre vittünk fel, amiket impregnációval állítottunk elő HAuCl 4 és NH 4 OH oldatokból, majd ezt 350 C-os hőkezelés követte levegőben. Az előállított mintákat por-röntgendiffrakcióval (XRD), transzmissziós elektronmikroszkópiával (TEM), pásztázó elektronmikroszkópiával és energiadiszperzív röntgen spektroszkópiával (SEM-EDX), illetve diffúz reflexiós UV-Vis spektroszkópiával vizsgáltuk. Ezek a módszerek bizonyították az Au nanoszemcsék jelenlétét a h-wo 3 szálakon. Az előállított kompozitok fotokatalitikus aktivitását metil-narancs festék vizes közegben történő bomlását nyomon követve vizsgáltuk UV-Vis spektroszkópiával. 1. ábra h-wo 3 és h-wo 3 /Au TEM képe A 350 C-on történt hőkezelés nélkül előállított h-wo 3 /Au minta nem mutatott megemelkedett fotokatalitikus aktivitást a tiszta h-wo 3 nanoszálakhoz viszonyítva. A hőkezelés után nagyobb mennyiségű Au nanoszemcse volt megtalálható a mintákban, és az így készített h-wo 3 /Au kompozit fotokatalitikus teljesítménye a tiszta nanoszálakhoz képest 2,5-szer akkorára nőtt. A magasabb fotokatalitikus hatékonyságot a fényindukált elektronok h-wo 3 nanoszálak és Au nanoszemcsék közötti átmenete okozta, ami csökkentette az elektron-lyuk rekombinálódást. 79

FOTOKATALITIKUS GRAFÉN-OXID(GO) NANOKOMPOZITOK ELŐÁLLÍTÁSA Justh Nóra 1, Szilágyi Imre Miklós 1,2, László Krisztina 3, Berke Barbara 3 1 1. BME Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék, 1111 Budapest, Műegyetem rkp. 3. 2 2. MTA-BME Műszaki Analitikai Kémiai Kutatócsoport, 1111 Budapest, Műegyetem rkp. 3. 3 3. BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék, 1111 Budapest, Műegyetem rkp. 3. Nagy fajlagos felületüknek és jó elektromos tulajdonságaiknak köszönhetően a grafén és származékai, mint a grafén-oxid is, napjainkban igen széles körben kutatottak. A grafén-oxid (GO) alapú kompozitoknak számos és ígéretes felhasználási lehetősége nyílik az elektronika, az optika, energiatárolás, a szerves napelemek és a fotokatalízis területén. GO alapú kompozitok előállítására több módszer is megtalálható az irodalomban. Azonban az általam választott, gázfázisú, felületkontrollált módszert, az atomi rétegleválasztást (ALD) GO-n eddig csak egyszer végeztek. A szén nanoszerkezetek közül ALD csak szén nanocsövekre, utólag funkcionalizált grafénre, redukált grafén-oxidra(rgo) és fullerénre valósult meg eddig döntően (fullerénre nemrég általunk történt először ALD). Kutatómunkánk célja oxid nanorétegek növesztése volt GO-ra, és a nanokompozitok fotokatalitikus tulajdonságainak felderítése. Először a legelterjedtebb, módosított (improved) Hummers eljárással grafitból GO szuszpenziót állítottunk elő, melyből liofilizációval készítettünk szilárd GO mintákat az ALD-hez. A választás azért a GO-ra esett, mert a grafénhez és a redukált grafén-oxidhoz (rgo)-hoz képest ezen van a legtöbb funkciós csoport, melyek nukleációs helyekként szolgálnak az ALD-hez. Mivel az atomi réteg leválasztáshoz kritikusak a funkciós csoportok a hordozó nanoszerkezetek felületén, ezért kíváncsiak voltunk, hogy a módosított Hummers módszer lépései során hogyan alakulnak ki a funkciós csoportok. Ehhez a GO előállítás minden lépésénél mintát vettünk, és ezeket megmértük TG-DTA/MS, FTIR, XRD, SEM-EDX technikákkal. ALD-vel 3 félvezető fém-oxidot választottunk le a GO mintákra 80 C-on: TiO 2 -t, Al 2 O 3 -t és ZnO-t, amikhez titán-izopropoxid [Ti(OC 3 H 7 ) 4 ], trimetil-alumínium [(CH 3 ) 3 Al] valamint dietilcink [(CH 3 -CH 2 ) 2 Zn] és H 2 O prekurzorokat használtunk. Az alacsony ALD hőmérsékletre a funkciós csoportok hőérzékenysége miatt esett a választás. A kész kompozitokat és tulajdonságaikat TG-DTA/MS, FTIR, XRD, SEM-EDX és TEM módszerekkel vizsgáltuk. Fotokatalitikus aktivitásuk feltérképezéshez metil-narancs festék oldatába raktuk a kompozitokat, majd UV fényben figyeltük a festék bomlását. A módosított Hummers módszert termikus és fejlődőgáz-analitikai mérésekkel végigkövetve látható volt a funkciós csoportok kialakulása, módosulása a funkcionalizálási reakció és az azt követő mosási lépések során. Kimutattuk továbbá, hogy a hidroxil, epoxi és karboxil csoportok mellett szulfonsav csoportok is vannak a GO felültén. A GO fejlődőgáz-analitikai vizsgálata megmutatta azt, hogy melyik csoport mikor szakad le a hevítés során; már 100 C alatt kezdett eltávozni az OH funkciós csoportok egy része. A GO-ra történő ALD leválasztások sikerességét megerősítették a SEM-EDX és TEM mérések. A porröntgen-diffraktogramok kimutatták, hogy a ZnO már 80 C-on leválasztva is kristályos, míg a TiO 2 és Al 2 O 3 amorf volt. A GO önálló fotokatalitikus hatásán az amorf TiO 2 jelentősen javított, ami bizonyítja, hogy az ALD-vel leválasztott amorf TiO 2 -nak is 80

van fotokatalitikus hatása. A ZnO, mivel kristályos volt, a legjobb fotokatalizátornak bizonyult GO-val kompozitban. Az amorf Al 2 O 3 pedig referenciaként szolgált, hiszen mivel nincs önmagában fotokatalitikus hatása, blokkolta a GO felületének egy részét, és így csökkentette a GO hatékonyságát. 81

82 BIOKÉMIA ÉS BIOTECHNOLÓGIA

TOJÁSHÉJ FERTŐTLENÍTÉSÉNEK LEHETŐSÉGEI Németh Csaba 1, Tóth Adrienn 2, Láng Dávid 1, Szikoráné Nagy Diána 1, Zeke Ildikó 2, Friedrich László 2 1 Capriovus Kft. 2317 Szigetcsép, Dunasor 073/72 hrsz. 2 Budapesti Corvinus Egyetem, Élelmiszertudományi Kar, Hűtő- és Állatitermék Technológiai Tanszék, 1118 Budapest, Ménesi út 43. A tojások héján számos mikroba található, melyek gyakran fekáliás eredetűek és az ember egészségére kockázatot jelentenek (1. táblázat [1,2] ). Ezért ezen baktériumok elpusztítása céljából számos tojáshéj fertőtlenítő eljárást dolgozott ki az ipar, mint amilyen az UV-fénnyel, a fertőtlenítőszeres hideg köddel, ózonnal és mosással történő fertőtlenítés. Az ózonos fertőtlenítés elterjedését a viszonylag kis kapacitású alkalmazhatósága, valamint a környezetvédelmi és munkabiztonsági kérdések hátráltatják. A mosás pedig a tojás természetes, baktériumok bejutását gátló védőréteget távolítja el [3]. Így vizsgálatunkban a két legelterjedtebb kezelési technológiát hasonlítottuk össze: az UVfénnyel történő kezelést és a hidegködös technológiát. 1. táblázat A baromfitojás héján előforduló mikrobák Mikroba Előfordulás gyakorisága Streptococcus ± Staphylococcus + Micrococcus ++ Sarcina ± Arthrobacter + Bacillus + Pseudomonas + Acinetobacter + Alcaligenes + Flavobakterium + Cytophage + Escherichia + Aerobacter + Aeromonas ± Proteus ± Serratia ± ± esetenként előfordul + a legtöbb esetben kis mennyiségben előfordul ++ mindig nagy mennyiségben jelen van A tojótelepről friss tojásokat külön-külön mesterségesen fertőztünk Listeria monocytogenes, Salmonella Enteritidis és Escherichia coli 24 órás friss tenyészetével úgy, hogy a tojások felületén ezen baktériumok élő csíraszáma 10 8-10 9 CFU/ml körüli legyen. 83

Ezt követően az iparban alkalmazott eljárásokat próbáltuk modellezni mind UV-fénnyel, mind hidegködös eljárással történő kezelésre. Eredményeinkből kiderült, hogy az ipar által alkalmazott kezelési idő az UV-fénnyel történő fertőtlenítés esetében minden vizsgált baktérium esetében elégtelen. 5 perces kezeléssel a kívánt 10 5-10 6 nagyságrendű csíraszám csökkenést meg sem tudtuk közelíteni (1-2. ábra). Ugyanakkor a hideg ködös eljárással a jelenleg elterjedt felhasználási paraméterekkel fertőtlenített tojások héja, amellett, hogy tartósítószer maradványt sem tartalmazott, a vizsgált mikrobák számát a kimutathatósági szint alá csökkentette. Eredményeink és az irodalmi adatok alapján elmondható, hogy 10 5-10 6 nagyságrendű csíraszám csökkenés az iparban használatos kezelési idők és egyéb paraméterek mellett kizárólag a hidegködös technológiával érhető el (3. ábra). 1. ábra Escherichia coli élőcsíraszámának változása az UV-kezelés időtartalmának függvényében 2. ábra Listeria monocytogenes élőcsíraszámának változása a kezelés időtartalmának függvényében 84

3. ábra Az iparban használt különböző eljárások Salmonella Enteritidis szám csökkentő hatása Összességében elmondható, hogy amennyiben módunkban áll, érdemes a hidegködös eljárással fertőtlenítő szerrel fertőtlenített héjú tojást választanunk. Továbbá az UV-fénnyel fertőtlenítő üzemeknek érdemes lenne a technológiájukat úgy módosítani, hogy a jelenleginél jóval hosszabb kezelési időt alkalmazzanak. [1] W.A. Moats; Applied and Environmental Microbiology, 1980 (40) 710-714. [2] A.A.S. Bahobail1, S.A. Hassan, B.A. El-Deeb; African Journal of Microbiology Research, 2012 (6) 3337-3342. [3] Samiullah, K.K. Chousalkar, J.R. Roberts, M. Sexton, D. May, A. Kiermeier; International Journal of Food Microbiology, 2013 (165) 77-83. 85

RÉZ(I)IONOK SZELEKTÍV KIMUTATÁSA A CUER FÉMSZABÁLYZÓ FEHÉRJE SEGÍTSÉGÉVEL Balogh Ria Katalin 1, Mesterházy Edit 1, Gyurcsik Béla 1, Jancsó Attila 1, Hans E.M. Christensen 2, Masamitsu N. Asaka 3, Kohsuke Kato 3, Kyosuke Nagata 3 1 Department of Inorganic and Analytical Chemistry, MTA-SzTE Bioinorganic Chemistry Research Group, University of Szeged, Dóm tér 7, 6720 Szeged, Hungary. 2 Department of Chemistry, Technical University of Denmark, Kemitorvet, Building 207, 2800 Kgs. Lyngby, Denmark. 3 Nagata Special Laboratory, Faculty of Medicine, University of Tsukuba, Tsukuba 305-8575, Japan. Napjaink egyik legjelentősebb problémája a toxikus átmenetifém-ionok felhalmozódása a környezetben. Számos kutatás folyik olyan módszerek kifejlesztésére, amelyekkel a káros hatású fémionok kis koncentrációban történő kimutatása, valamint szelektív megkötése és ezáltal eltávolítása lehetséges. A fémionokat szelektíven megkötő molekulák tervezését a bakteriális fémion-szabályzó mechanizmusok jobb megértése segítheti. A baktériumokban a fémionok optimális koncentrációját a transzkripció szintjén működő ún. metalloregulátor fehérjék szabályozzák. Egy ilyen fehérje a rézionok kiáramlását befolyásoló CueR is. A szabályzás lényege, hogy a CueR fehérje fémionkoordinációja aktiválja az RNS polimeráz enzim működét, ami a feleslegben lévő fémionokat eltávolító fehérjék termelődéséhez vezet. A CueR fehérje ilyen transzkripciós választ kizárólag egyértékű átmenetifém-ionok (Cu I, Ag I és Au I ) hatására ad. [1] A szelektivitás oka lehet a különböző fémionok eltérő koordinációja vagy a megkötődésük hatására bekövetkező eltérő konformáció-változás. Rekombináns DNS-technológia segítségével olyan baktériumokat alakítottunk ki, melyekben a CueR fehérje szabályzási mechanizmusát kihasználva, a megfelelő fémion jelenlétében zöld fluoreszcens fehérje fejeződik ki. Ez az összetett rendszer lehetőséget teremt a fémionok érzékeny és szelektív kimutatására, továbbá alkalmas a fehérje biológiai funkciójának tanulmányozására. A CueR fémion-kötő sajátságainak alaposabb megismerése céljából a fehérje megfelelő tisztaságban történő előállítása szükséges, ehhez optimalizáltuk a tisztítását. A fehérje tisztaságát SDS-poliakril-amid gélelektroforézissel és MS módszerrel igazoltuk. A fehérje oldatbeli másodlagos szerkezetét és fémkötő tulajdonságait CD spektroszkópiával vizsgáltuk, és kísérleteket kezdtünk a fehérje kristályosítása céljából is. [1] A. Changela, K. Chen, Y. Xue, J. Holschen, C. E. Outten, T. V. O Halloran, A. Mondrago; Science; 2003 (301) 1383-1387. 86

A HUMÁN dutpáz FEHÉRJE EGY LEHETSÉGES KÖLCSÖNHATÓ PARTNERE Kőhegyi Bianka Kitti 1,2, Nyíri Kinga 1,2, Vértessy G. Beáta 1,2 1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék 2 Magyar Tudományos Akadémia, Természettudományi Kutatóközpont, Enzimológiai Intézet A genomi integritás megőrzése alapvetően fontos minden élőlény számára, így az esetlegesen megjelenő hibák eliminációjára számos mechanizmus alakult ki. Az uracil jellemzően hibaként jelenik meg a DNS-ben, mely egyrészt beépülhet a timin helyett, mivel a legtöbb DNS-polimeráz nem képes megkülönböztetni ezt a két nukleotidot. Másrészt a citozin dezaminálásaként is keletkezhet, mely azonban hibás bázispárosodást eredményez. Ennek megelőzésére egyfelől az uracil-dns-glikoziláz kivágja az uracilt a DNS-ből, másfelől pedig a dutpáz enzim elhidrolizálja a dutp-t, így megakadályozza annak beépülését, illetve az enzimreakció egyik terméke, a dump, a timin szintézis egyik kiinduló vegyülete. Mivel a dutpáz meghatározó szerepet játszik a genetikai információ megőrzésében, fontos gyógyászati célpont. [1] Az egyes fehérjék egymáshoz való kötődése befolyásolhatja többek között azok lokalizációját vagy működését, és előfordulhat, hogy egy-egy ilyen kölcsönhatás felderítésekor a fehérje újabb, másodlagos funkcióját ismerjük meg. A közelmúltban a S. aureus mobilis genetikiai elemeinek vizsgálata során azonosítottak egy olyan életciklus szabályozó mechanizmust, mely során a Φ11 bakteriofág dutpáza egy, a genetikai elem kifejeződését gátló, represszor fehérjevel (Stl) kölcsönhatásba lép és ennek hatására megindul a horizontáls géntranszfer. [2] A képződött komplexben a fágeredetű dutpáz enzimatikus aktivitása gátolt. [2-3] Az Stl fehérjéről csoportunk bizonyította, hogy más fajokból származó dutpáz fehérjék inhibíciójára is alkalmas. [4] Ennek alapján elképzelhető, hogy a humán sejtekben is megtalálható egy olyan fehérje, mely befolyásolja a dutpáz enzim aktivitását. Az irodalom alapján a patkány eredetű dutpáz képes kötődni egy magi receptorhoz, gátolva annak működését. Ez a receptorfehérje a peroxiszóma proliferátor-aktivált receptor α, röviden PPARα, melynek elsősorban a zsíranyagcserében van jelentős szerepe. [5] Feltételezték, hogy ez az interakció csak a patkányból származó fehérjék között figyelhető meg, azonban ezt kísérletekkel nem igazolták. [5] A megfelelő humán és a patkány fehérjék nagymértékű hasonlósága miatt (1. ábra) azonban érdemesnek találtuk megvizsgálni ezt a kölcsönhatást a humán fehérjék esetében. 1. ábra 87

Emellett egyelőre az is megválaszolatlan kérdés, hogy a PPARα befolyásolja-e a dutpáz enzimatikus működését akár patkány, akár humán fehérjék esetében. A PPARα előállításának optimalizálása után különböző, egymástól független módszer alkalmazásával kíséreltünk meg választ találni erre a kérdésre. A dutpáz enzimaktivitás mérése mellett natív gélelektroforetikus illetve tömegspektometriás vizsgálatokat is végeztünk. A kölcsönhatás sejtbéli igazolására és élettani szerepének felderítésére további kísérleteket tervezünk. [1] K. Saito, H. Nagashima, and K. Noguchi; Cancer Chemother Pharmacol, 2014 (73) 577-583 [2] M. Á. Tormo-Más, I. Mir, A. Shrestha, S. M. Tallent, S. Campoy, Í. Lasa, J. Barbé, R. P. Novick, G. E. Christie, J. R. Penadés; Nature, 2010 (465) 779-782 [3] J. E. Szabó, V. Németh, V. Papp-Kádár, K. Nyíri, I. Leveles, A. Á. Bendes, I. Zagyva, G. Róna, H. L. Pálinkás, B. Besztercei, O. Ozohanics, K. Vékey, K. Liliom, J. Tóth, B. G. Vértessy; Nucleic Acids Research, 2014 (42) 11912 11920 [4] R. Hírmondó, J. E. Szabó, K. Nyíri, S. Tarjányi, P. Dobrotka, J. Tóth, B. G. Vértessy; DNA Repair, 2015 (30) 21-27 [5] R. Chu, Y. Lin, M. S. Rao, J. K. Reddy; The Journal of Biological Chemistry, 1996 (271) 27670-27676 88

BMEI0893 KÖTŐZSEBEINEK BIOINFORMATIKAI VIZSGÁLATA PONTMUTÁCIÓS ÉS DOKKOLÁSI KÍSÉRLETEKKEL dr. Tököli Attila 1, dr. Szűcs Henriett Diána 1, Dr. Szakonyi Gerda 1 1. Szegedi Tudományegyetem Gyógyszerésztudományi Kar, Gyógyszeranalitikai Intézet, 6720, Szeged, Somogyi u 4. Bevezetés: A Brucella fajok túlnyomóan a mediterrán régiókban okoznak fertőzéseket. A Brucella melitensis baktérium esetén tapasztalt egyre nagyobb mértékű antibiotikum rezisztencia jelentős terhet ró az egészségügyön túl az agrárgazdaságra is. [1] A probléma feltérképezéséhez közelebb kerülhetünk a Brucella melitensis BMEI0893 multidrog rezisztens fehérjéjének vizsgálatával. Munkánk során a BMEI0893 jelű, 110 kd nagyságú fehérje homológia modelljeit készítettük el, templátként használva az AcrB multidrogrezisztens membránfehérje röntgen szerkezeteit. Célfehérjénk aktív centrumában a szakirodalom egy disztális és egy proximális régiót különböztet meg, melyeket egy a fehérje működésében fontos szerepet játszó loop választ el. Elkészítettük továbbá célfehérjénk funkcionális részeinek pontmutált modelljeit, ezt követően a modellek működését ligandum-dokkolási számításokkal elemeztük. Módszerek: A homológia modellezéshez a MODELLER 9.11-es verzióját, a modellek validálásához PROCHECK algoritmust használtunk. A kapott modelleket felhasználva különböző, az AcrB esetében már megismert, antibiotikumok és egy inhibitor segítségével dokkolási kísérleteket végeztünk AutoDock Vina programcsomag segítségével. Az eredmények kiértékelésére Chimera 9.10 vizualizációs programmal került sor. Eredmények: A modelleket RMSD (root mean square deviation az egymásnak megfelelő atomok közötti távolságok négyzetes közepe) értékek ami két szerkezet hasonlóságának mértéke alapján minősítettük. Az RMSD értékek a viszonylag gyenge (33,1%-os) szekvenciális homológia ellenére átlagosan 90% fölötti értéket mutattak az α- szénatomokat illetően. A dokkolási kísérletek azt mutatták, hogy terápiában is használatos antibiotikumok mindegyike lehetséges szubsztrátja a vizsgált fehérjénknek. Így feltételezhető, hogy a BMEI0893 szerepet játszik a rezisztencia kialakulásában. Megbeszélés: A kísérletek során azonosítottuk a működéséhez elengedhetetlen aminosavakat, melyek párhuzamba vonhatók az AcrB fehérje esetében ismert aminosavakkal, alátámasztva ezzel is a feltételezett homológiát. Eredményeink a későbbiekben molekula dinamikai, illetve fragmens dokkolási és fehérje alapú ligand tervezési vizsgálatok kiindulópontját képezik. [1] European Commission, SANCO C.2/AH /R23/2001, HEALTH & CONSUMER PROTECTION DIRECTORATE-GENERAL, July 2001, http://ec.europa.eu/food/fs/sc/scah/out59_en.pdf 89

MIKROBIÁLIS ÜZEMANYAGCELLÁK FEJLESZTÉSE Sipos Róbert 1, Dr. Kesserű Péter 1, Antal Péter 1 1 Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Közhasznú Nonprofit Kft. Biotechnológiai Intézet, H- 6726 Szeged, Derkovits fasor 2. A legújabb biotechnológiai kutatások egyre nagyobb figyelmet fordítanak a mikrobiológiai üzemanyagcellák (MÜC) fejlesztésére. Ez a technológia új lehetőséggel szolgál a megújuló elektromos energia előállítására. A baktériumok egy speciális csoportja, az exoelektrogén baktériumok a szervesanyag lebontása során felszabadult elektronokat képesek közvetlenül egy szilárd vezetőre, mint elektron akceptor felületére transzportálni. Ezekből a baktériumokból kialakított biofilm közreműködésével a MÜC-ból közvetlen úton szervesanyag lebontásából elektromos áram nyerhető ki. A mikrobiális üzemanyagcella technológia, mint önálló áramtermelő rendszer, kis fogyasztású eszközök üzemeltetésére [1], akkumulátorok töltésére is alkalmazható, emellett számos felhasználási lehetőséggel rendelkezik a biodegradáció, szennyvíztisztisztítás területein [2]. 1. ábra: Saját készítésű MÜC sematikus és valós képe Mikrobiális üzemanyagcellák működése A mikrobiális üzemanyagcella szerkezetileg egy galvánelemhez hasonló felépítésű és működésű. A MÜC egy anód és egy katód térből a benne elhelyezett elektródokból, illetve a kettőt összekötő áramkörből áll (1. ábra). Az anód térben történik a mikrobiális áramtermelés, melyhez anaerob és egyéb elektron akceptor mentes környezetre valamint exoelektrogén baktériumokra van szükség. Az exoelektrogén baktériumok képesek a szervesanyag oxidációja során felszabadult elektronokat valamilyen külső akceptornak átadni, ami üzemanyagcellák esetében az anód elektródot fogja jelenteni. A szintén az anód térben képződő protonok diffúzióval jutnak át a katód térbe, ahol részt vesznek az O 2 90

redukciójában, melyhez szükséges az anód és katód tér közötti diffúzió biztosítása. A szerves anyagok anaerob oxidációja megfelelő körülmények mellett nagyrészt CO 2 képződéséig megy végbe, mely a természetes C-körforgás részét képezi. A katód térben a mikrobák által termelt elektronok használódnak fel. Levegő katód esetében a katód felületén szintén bakteriális biofilm jön létre, elősegítve az O 2 vízzé történő redukcióját az anód térből származó protonok és elektronok felhasználása mellett. Mikrobiális üzemanyagcella konstrukciók összehasonlítása Kísérleteink során megvizsgáltuk milyen szerkezetbeli módosításokkal érhetünk el nagyobb teljesítményt egykamrás, membrán nélküli mikrobiális üzemanyagcellákban. Mindezek kiderítésére megvizsgáltuk a mikrobiológiai üzemanyagcellákban lévő elektródok egymáshoz viszonyított különböző távolságának áramtermelésre gyakorolt hatását. Továbbá megfigyeltük, milyen hatást gyakorol a MÜC anód és katód teret elválasztó üveggyapot, mint proton szelektív anyag, különböző vastagsága a kimeneti teljesítményre. Munkáink során 3 különböző elektród távolság (10cm, 5cm, 1,5/0,8cm), illetve három különböző üveggyapot rétegvastagság (normál: 1,5cm, felezett: 0,8cm, nélkül: 0cm) cellákra gyakorolt hatását vizsgáltuk. 10 nap stabil áramtermelést követően 3 kω-os ellenállást építettünk be a rendszerek áramköreibe, majd a cellák által termel áramerősséget mértük. A cellákban 40,5 cm 2 felületű elektródokat alkalmaztunk, melyet egységesen 1 m 2 -re számoltunk át. 2. ábra: normál vastagságú üveggyapottal ellátott rendszerek összehasonlítása Az eredmények alapján az ellenállás beiktatását követő stabil áramtermelés után az üzemanyagcellák teljesítménye javuló tendenciát mutatott. A normál 5cm-es konstrukció esetében a 8-15. napot követően, míg a normál 10cm-es konstrukció esetében a 23. nap után jelentkezett a teljesítmény növekedése (2. ábra). Ez nagy valószínűséggel összefügg a protonok katód elérési idejével, amelyre hat a fegyverzetek távolsága. A stabil értékek beállását követően a normál 5cm és normál 10cm-es rendszerek maximális teljesítménybeli 91

lényeges különbség nem volt kimutatható. Mindkét konstrukció stabilan 50mW/m 2 körüli maximális teljesítményt tudott produkálni. 3. ábra: felezett üveggyapottal ellátott rendszerek összehasonlítása Felezett mennyiségű üveggyapot alkalmazásakor, a felezett 10cm és felezett 5cm-es konstrukciók esetén, a teljesítmény felfutása már a 3. napon megindult (3. ábra). Ez valószínűsíthetően összefügg a protonok csökkentett szigetelésen való könnyebb átjutásával. Hasonlóképpen a normál szigeteléssel ellátott konstrukciókhoz képest, a maximális teljesítmény 50mW/m 2 körüli értéket eredményezett. 4.ábra: üveggyapot nélküli konstrukciók összehasonlítása Üveggyapot alkalmazásának hiányában kizárólag az 5cm-es elektródtávolságú üzemanyagcella konstrukciók tudták elérni az üveggyapottal ellátott cellák 50mW/m 2 -es 92

kimeneti teljesítményét (4.ábra). A legközelebbi elektród elhelyezés (normál 1,5cm, ½ 0,8cm, nélkül 1,5cm), egyik esetben sem eredményezte a 10 és 5 cm-es elektródtávolságú üzemanyagcella konstrukciók által elért elektromos áram mennyiségét. Későbbi, ezeken a cellákon végzett vizsgálataink feltárták, hogy a teljesítmény hirtelen csökkenését, az általunk alkalmazott, szénszövethez képest hatékonyabb vezető képességű rozsdamentes acél drót elkorrodálása eredményezte. Elektród felület növelésének vizsgálata Nagyobb elektródfelület több baktériumsejt kitapadását eredményezi az elektród felületén. Mindez elméletben nagyobb kimeneti teljesítményt jelentene. Ennek megállapítására 640 cm 2 elektródfelületű üzemanyagcellák teljesítményét hasonlítottuk össze 121 cm 2 elektródfelületű rendszerekkel (5. ábra). 5. ábra: elektród felület összehasonlítása Az eredmények alapján (5. ábra), mindannak ellenére, hogy 5,2X nagyobb elektród felületet alkalmaztunk a 121 cm 2 elektródfelületű MÜC-höz képest, a kinyert teljesítmény 1m 2 -re átszámolva nagyságrendekkel elmaradt a kisebb elektródfelületű cellák eredményeihez viszonyítva. Következtetésképp, több kisebb cella sorba illetve párhuzamos kapcsolásával, nagyobb áramerősséget és feszültséget tudunk elérni, mint amit egyetlen nagyobb elektródfelületű üzemanyagcella előállítani képes. Bakteriális biofilm nyomon követése Másik kísérletünk célja a MÜC-k működésének alapját képező exoelektrogén baktériumok alaposabb megismerése. Olyan eljárást dolgoztunk ki mellyel nyomon tudjuk követni az anód elektród felületén kialakuló bakteriális biofilm változását. Kísérletünkben, a korábbi kutatásaink során hatékony exoelektrogén baktériumnak bizonyult Pseudomonas aeruginosa 785 nyomonkövetésével vizsgáltuk a bakteriális biofilm változását az anód felszínén. Az eredmények alapján (6. ábra), az általunk inokulált Pseudomonas aeruginosa 785 biofilmet képzett az anód felszínén és jelenléte mindvégig kimutatható volt a kísérlet időtartama alatt. Azonban annak ellenére, hogy egy hatékony áramtermelő baktériumtörzsel 93

oltottuk be az anód felszínét, más baktérium törzsek is szelektálódtak az anód teret feltöltő virágföldből, melyek szintén biofilmet alakítottak ki az elektród felületén és hozzájárultak a bakteriális áram előállításához. Az eredményekből következtethetjük, hogy a különböző szelekciós körülményekhez alkalmazkodva, az elektród felszínét benépesítő baktériumpopuláció összetétele folyamatosan változik. 6. ábra: biomassza nyomonkövetésének DGGE eredményei. Ahol M: marker, K: kontrol (P. aeruginosa 785) 1.nap 2.nap 3.nap 6.nap 7.nap 8.nap M K 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 1 2. Eredmények összefoglalása Az általunk vizsgált üzemanyagcella típus esetében, az 5cm-es elektródtávolság elegendőnek bizonyult a hatékony működéshez. Ez alapján, kisebb térfogatú cellák készíthetők a 10cm elektródtávolságú üzemanyagcellákhoz képest. Az általunk alkalmazot üveggyapot, mint protonszelektív anyag használata alkalmasnak bizonyult az anód és katód térrész elválasztására. A csökkentett szigetelés a teljesítmény hamarabbi felfutását eredményezte. Az elektródfelület nagyságnak vizsgálatai alapján kimondható, hogy a nagyobb elektródfelület alkalmazása nem eredményez nagyobb kimeneti teljesítményt. Több kisebb cella összekapcsolásával nagyobb áramsűrűséget érhetünk el. Molekuláris biológiai módszerek alkalmazásával bebizonyosodott, hogy a bakteriális biofilm kialakulásában több különböző baktériumtörzs is részt vesz, melyek együttesen járulnak hozzá a cellákból kinyert elektromos áram előállitásához. [1] Davis F, Higson SPJ. Biofuel cells recent advances and applications. Biosens Bioelectron 2007;22:1224 35 [2] Min B, Cheng S, Logan BE. Electricity generation using membrane and salt bridge microbial fuel cells. Water Res 2005a;39:1675 86. 94

GYÓGYSZERMOLEKULA-CIKLODEXTRIN KOMPLEXEK VIZSGÁLATA AUTOMATIZÁLT ANALITIKAI MÓDSZEREK SEGÍTSÉGÉVEL Dargó Gergő 1, Müller Judit 1, Dr. Balogh György Tibor 2 1 1. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, 1111 Budapest, Műegyetem rkp.3 2 2. Richter Gedeon Nyrt., 1103 Budapest, Gyömrői út 19-21. A szervezetbe kerülő, a gasztrointesztinális rendszeren áthaladó gyógyszerek esetében a biohasznosulást nagymértékben befolyásolja a vegyületek felszívódása, ami fizikai-kémiai értelemben elsősorban ezek oldhatóságától, és permeabilitásuktól függ [1]. Ennek megfelelően a rossz oldhatóságú és/vagy gyenge penetrációs képességű vegyületek körében rendre alacsony biohasznosulású vegyületekkel találkozhatunk, így a hatóanyag formulálásakor a biohasznosulás és így ezen fizikai-kémiai sajátságok javítására van szükség. Az ily módon fejlesztett, az alapmolekulánál fokozottabb biohasznosulást mutató készítményből kisebb dózis bevétele is elegendő, ami szervezetünket is kevésbé terheli. Ciklodextrinek [2], mint formulációs segédanyagok alkalmazásával a vegyületek oldhatósága, illetve permeabilitása is növelhető. A jó víz oldhatóságú ciklodextrinek komplexképzés során segítik a gyógyszermolekulák oldatban tartását a gasztrointesztinális rendszer vizes közegében, elősegítik azok átjutását a biológiai membránokon keresztül. Figyelembe kell vennünk azonban, hogy az egyes molekulák nem mindegyik ciklodextrin származékkal képesek komplexképzésre, illetve a komplexképzésre képes ciklodextrinek is eltérő erősségű, sztöchiometriai viszonyú zárvány-komplexeket fognak létrehozni. Formuláció során pedig azt a ciklodextrint érdemes a vegyülethez választani, amellyel stabil komplex kialakítására képes. 1. ábra ß-ciklodextrin [3] Ezek alapján célul tűztük ki egy olyan automatizált módszer kialakítását a komplexképzés vizsgálatával, melynek segítségével a különböző gyógyszerjelölt vegyületek esetében ki lehet választani azt a ciklodextrin származékot, amellyel a legstabilabb komplexet képezi. Az így választott ciklodextrinnel történő formuláció során 95

kapott készítmény várhatóan kedvező biohasznosulású lesz. Munkánk során a komplexstabilitást vizsgáló módszerek közül a gyógyszervegyület, illetve a ciklodextrinnel képzett komplexének fizikai-kémiai sajátságainak megváltozásán alapuló módszereket használtuk. [1] T. Loftsson, M. E. Brewster and M. Másson; American Journal of Drug Delivery, 2004 (2) 1-15. [2] R. Challa, A. Ahuja, J. Ali, R.K. Khar, A. J. Heeger; AAPS PharmSciTech, 2005 (6) E329-E357. [3] T. Loftsson, M. E. Brewster, Journal of Pharmaceutical Sciences, 1996 (85) 1017-1025. 96

FIZIKAI KÉMIA 97

AZ N-KLÓRGLICIN BOMLÁSA LÚGOS KÖZEGBEN Szabó Mária, Fábián István Debreceni Egyetem, Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék 4032 Debrecen, Egyetem tér 1. A klóraminok kémiája több területen is kiemelkedő jelentőségű. Környezetkémiai szempontból fontos, hogy a vízkezelési eljárások során könnyen képződnek ezek a vegyületek a vízben lévő ammóniából, illetve szerves aminokból és másodlagos fertőtlenítőszerként alkalmasak baktériumok elpusztítására. A klóraminoknak biológiai szempontból is meghatározó szerepe van. A szervezetben HOCl és aminosavak reakciójával képződő klóraminok képesek a sejtfalon áthatolni és ott oxidatív stresszt kiváltani. Egyes irodalmi adatok szerint az N-klórglicin (MCG) áthatolóképessége a legnagyobb. Ezen okok miatt a klóraminok bomlásmechanizmusának ismerete rendkívül fontos. Erősen lúgos közegben részletesen tanulmányoztuk az MCG bomlását. A 228 nm-en mért kinetikai görbék két konszekutív elsőrendű folyamattal írhatók le. A k 1obs pszeudoelsőrendű sebességi együttható lineáris [OH ] függést mutat, amely egy karbanion képződésével magyarázható, amit a kloridion kihasadása követ. Ez a folyamat egy egyensúlyi (K OH ) és egy irreverzibilis (k 1 ) lépést foglal magában: k 1obs = K OH k 1 = (6,4 ± 0,1) 10-2 M -1 s -1. A második elsőrendű reakció az N-oxalilglicin bomlásával értelmezhető, ami köztitermékként jelenik meg a reakciórendszerben: k 2obs = (1,2 ± 0,1) 10-3 s -1. Szisztematikus 1 H és 13 C NMR módszerek segítségével azonosítottuk az intermediert és a termékeket. Eredményeink alapján megállapítható, hogy az MCG bomlása glioxilsav képződésén keresztül az N-formilglicin kialakulásához vezet. A termék a vizsgált időtartományban stabilnak bizonyult, ám igazoltuk, hogy néhány nap alatt az N-formilglicin formiátionná és glicinné hidrolizál. [1] Szabó, M. Baranyai, Zs. Somsák, L. Fábian, I. Chemical Research in Toxicology, 2015 (28), 1282 1291. 98

HETEROAROMÁS N-OXIDOK KÉPZŐDÉSÉNEK KINETIKAI VIZSGÁLATA Bellér Gábor, Lente Gábor, Fábián István Debreceni Egyetem, Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék Kutatócsoportunkban régóta futó projekt a peroxomonoszulfát-ion (HSO 5 ) oxidációs reakcióinak kinetikai vizsgálata. A peroxomonoszulfát-ion a Caro-sav (peroxomonokénsav, H 2 SO 5 ) savmaradékionja, a kereskedelemben oxon néven kapható összetett káliumsója formájában (2KHSO 5 KHSO 4 K 2 SO 4 ). Erélyes oxidálószer, rendkívül hatékony fertőtlenítő- és fehérítőszer, használják színtelenítésre, szagtalanításra, mikroelektronikában fémmaratásra, polimerek gyártása során iniciátorként. Elterjedten alkalmazzák a szerves preparatív kémiában; számos vegyülettípus egyszerű, gyors és hatékony oxidációjára sikerült eljárást kidolgozni. Az oxon alkalmazása elsősorban azért népszerű, mert stabil, könnyen kezelhető, a belőle képződő termék jellemzően szulfátion nem toxikus, változatos oxidációkra nyújt lehetőséget és olcsó. Csoportunkban a közelmúltban reakcióit többféle redukálószerrel tanulmányozták: fémionokkal (Fe 2+, Ce 3+, VO 2+ ), [1] halogenidekkel (Cl, Br, I ), [1] egyszerűbb biomolekulákkal (triptofán és származékai, dopamin és származékai), gyógyszermolekulákkal (izoniazid, etambutol, pirazinamid), környezetkémiai szempontból releváns vegyületekkel (klórfenolok, triklóretilén) és koordinatívan telített Fe(II)-komplexekkel (Fe(phen) 2+ 3, Fe(bipy) 2+ 3, Fe(tpy) 2+ 2 ). [2] A szerves szubsztrátok és a HSO 5 reakcióinak független kísérletekben való vizsgálatát az ihlette, hogy az előkísérletek során kiderült, hogy a komplexek reakciója során a koordinált ligandum is oxidálódhat, melyen jelentős hatással lehet a komplex oxidációjára is. A ligandumok és HSO 5 közötti reakciók vizsgálata önmagában is komoly érdeklődésre tarthat számot, ugyanis az N-heteroaromás vegyületek peroxoszármazékokkal (hidrogén-peroxid, meta-klórperbenzoesav, perecetsav, peroxomonoszulfát-ion stb.) N-oxidokat képeznek, amelyeket széles körben alkalmaznak szerves szintézisek oxidálószereként és védőcsoportjaként, fémkomplexek ligandumaként, biokémiai reakciók modellvegyületeként. A jelen munkában a HSO 5 reakcióit tanulmányoztuk nitrogéntartalmú heteroaromás vegyületekkel: 1,10-fenantrolinnal (phen) és három származékával (4-metil-1,10- fenantrolinnal, 5-metil-1,10-fenantrolinnal és 3,4,7,8-tetrametil-1,10-fenantrolinnal), valamint két rokonvegyületével (2,2 -bipiridin; bipy és 2,2 :6,2 -terpiridin; tpy). A részletes kinetikai információk fő forrása UV-látható spektrofotometria volt, kiegészítő módszerként elsősorban 1 H-NMR-spektroszkópiát, ESI-tömegspektrometriát, valamint ph-potenciometriát alkalmaztunk. A vizsgált rendszereknek közös jellemzője, hogy az oxidáció során primer termékként a szerves szubsztrát mono-n-oxid származéka képződik, mely a közeg ph-jától (és az oxidálószer mennyiségétől) függően tovább is oxidálódhat di- illetve tri-n-oxidot (tpy esetében) eredményezve (1. ábra). A termékek azonosítása 1 H-NMR és ESI-MS módszerekkel történt. 99

1. ábra. Tipikus kinetikai görbe a HSO 5 és phen közötti reakcióban, semleges közegben (folytonos vonal: illesztett görbe). [HSO 5 - ] 0 = 9,8 mm; [phen] 0 = 0,045 mm; [foszfát] tot = 100 mm; ph = 6,7; T = 25,0 C; = 243 nm. A reakciókat széles ph-tartományban vizsgáltuk és azonosítottuk a redoxireakció lehetséges útjait (2. ábra). Mivel a kiindulási vegyületek nitrogénatomján történik az oxidáció, amely egyúttal protonálódásra is alkalmas, minden esetben a H + és az oxidálószer közötti kompetícióval kell számolni. Elsősorban ez okozza a reakciók sebességének ph-függését: savas közegben a szubsztrát protonálódik és intramolekuláris H-kötés révén gátolt az oxidatív támadás, míg semleges közegben gyakran nagyságrendekkel gyorsabb az N-oxidáció. A ph-t növelve protont veszít az oxidálószer (HSO 5 ), mely ismét lassítja a folyamatot, így a primer reakciók sebessége maximumgörbe szerint változik a ph-val. Független (klasszikus ph-potenciometriás és UV-látható spektroszkópiával kombinált ph-potenciometriás) módszerekkel is meghatároztuk az egyes részecskék protonálódási állandóit, melyek jó egyezést mutattak a kinetikai mérésekből nyert értékekkel. 2. ábra. A HSO 5 és a phen közötti reakció látszólagos sebességi állandójának (k app, M 1 s 1 ) ph-függése (folytonos vonal: illesztett görbe). [HSO 5 - ] 0 = 5,0 mm; [phen] 0 = 0,250 mm; [puffer] tot = 50,0 mm; I = 1,00 M; T = 25,0 C; = 375 nm. 100

Széles hőmérséklettartományban vizsgálva a reakciókat meghatároztuk a mono-n-oxidok képződésének aktiválási paramétereit, melyek az irodalmi előzményekkel összhangban, az N-oxidációt megerősítő oxigénatom-transzferre utalnak. [1] A vizsgálatok célja annak felderítése, hogy a kiindulási vegyületek szerkezete (szubsztituensek, konjugáció, flexibilitás stb.) hogyan befolyásolja az oxidáció kinetikai paramétereit (pl. sebességi állandók, aktiválási paraméterek). [1] G. Lente, J. Kalmár, Z. Baranyai, A. Kun, I. Kék, D. Bajusz, M. Takács, L. Veres, I. Fábián; Inorganic Chemistry, 2009 (48) 1763-1773. [2] G. Bellér, G. Bátki, G. Lente, I. Fábián; Journal of Coordination Chemistry, 2010 (63) 2586-2597. 101

KINETICS AND MECHANISM OF SELECTED ADSORPTION PROCESSES József Kalmár 1, Mónika Kéri 2, Zsolt Erdei 3, István Bányai 2, István Lázár 3, Gábor Lente 3, István Fábián 3 1 MTA-DE Homogeneous Catalysis and Reaction Mechanisms Research Group, University of Debrecen, 4032 Egyetem tér 1, Debrecen, Hungary 2 Department of Colloid and Environmental Chemistry, University of Debrecen, 4032 Egyetem tér 1, Debrecen, Hungary 3 Department of Inorganic and Analytical Chemistry, University of Debrecen, 4032 Egyetem tér 1, Debrecen, Hungary First, we describe a convenient method to follow fast adsorption processes on suspended adsorbents occurring on short timescales (seconds). The adsorption of methylene blue (MB), as a model compound, was studied on mesoporous silica aerogel particles of ca. 5 µm in diameter suspended in aqueous phosphate buffer at ph 7. The pores in the suspended aerogel particles are spherical and their diameter is 18 20 nm, as measured by NMR cryoporometry. The diffusion of water was found to be hindered inside the pores of the aerogel by NMR diffusiometry. However, bulk water and pore water exchange rapidly on the millisecond timescale in the suspension indicating a highly interconnected pore network. The adsorption kinetics of MB was followed by on-line UV-Vis spectrophotometry after injecting the dye into the aerogel suspension. Biphasic kinetics was observed with the first process complete in ca. 80 s and the second in ca. 600 s. A detailed kinetic model was developed for the interpretation of the results. As seen in Scheme 1, this model postulates a relatively fast adsorption process with Langmuir-type kinetics, [1-3] and the aggregation of aerogel particles covered by the dye on the longer timescale. The aggregates are involved in a reversible sedimentation process which actually remove MB from the suspension. As the second case study, we report a convenient UV-Vis spectrophotometry based method to study the fast kinetics of an archetypical surface process: the adsorption of MB on quartz. The test object was a commercial quartz cuvette. About 3.3% of the dye was adsorbed from a 34 µm solution at ph 7 in 10 min. Biphasic kinetics was observed for the depletion of MB under continuous stirring at 1000 rpm. A kinetic model was postulated for the interpretation of time resolved spectral changes. As seen in Scheme 2, this model assumes the reversible adsorption of MB on the surface which is followed by the isomerization of the binding mode. The overall process is kinetically first order with respect to MB, thus dimer formation, which was previously proposed to be favored on quartz, can be ruled out. The experimental adsorption isotherm is consistent with the formation of an adsorption monolayer from single molecules. The UV-vis absorbance spectrum of adsorbed MB does not show any blue shift. [4] With the simplest experimental setup, it is shown that the dimerization of MB is not exceptionally favored on quartz surface. 102

R1) MB + S SMB k 1 = (1.09 ± 0.03) 10 3 M 1 s 1 R2) SMB MB + S k 2 = (2.0 ± 0.1) 10 2 s 1 R3) 2 SMB aggregate k 3 = (1.4 ± 0.1) 10 2 M 1 s 1 R4) aggregate 2 SMB k 4 = (3.1 ± 0.1) 10 3 s 1 Scheme 1. Kinetic model detailing the adsorption of methylene blue (MB) on aerogel particles. A free adsorption site on the aerogel is symbolized by S, and an occupied site by SMB. The first process (R1 and R2) is the reversible adsorption of the dye, and the second process (R3 and R4) is the reversible aggregation of those aerogel particles which are covered by MB. The time-dependent concentrations of dissolved MB, free and covered aerogel particles and aggregates are [MB], [S], [SMB] and [aggr], respectively. The initial (total) concentrations of MB and the aerogel are c MB and c gel, respectively. Time-dependent surface coverage is θ. The adsorptive capacity of the aerogel is s. 103

R1) MB + S SMB k 1 = (1.36 ± 0.03) 10 3 µm 1 s 1 R2) SMB MB + S k 2 = (1.29 ± 0.03) 10 1 s 1 R3) SMB SMB I k 3 = (5.3 ± 0.4) 10 3 s 1 R4) SMB I SMB k 4 = (1.46 ± 0.06) 10 2 s 1 Scheme 2. Kinetic model detailing the adsorption of a methylene blue molecule to a surface site on quartz. The first process (reactions R1 and R2) is the reversible monolayer adsorption of the dye, and the second process (reactions R3 and R4) is an isomerization in the mode of binding on the surface. Square brackets indicate timedependent actual concentrations, and k i represent rate constants. θ is time-dependent surface coverage. [1] S. Azizian, H. Bashiri, Langmuir 2008 (24) 11669-11676. [2] Y. Liu, L. Shen, Langmuir 2008 (24) 11625-11630. [3] W. Rudzinski, T. Panczyk, Adsorption 2002 (8) 23-34. [4] K. I. Tsunoda, T. Umemura, H. Ueno, E. Okuno, H. Akaiwa, Applied Spectroscopy 2003 (57) 1273-1277. 104

TRIKLÓRFENOL OXIDÁCIÓJA FOTOÉRZÉKENYÍTŐVEL Ditrói Tamás, Lente Gábor, Fábián István 1 Debreceni Egyetem, 4032 Debrecen, Egyetem tér 1 A különböző klórfenolok az utóbbi évtizedekben gyakori szennyezőkké váltak néhány ipari folyamat miatt. Az alapvetően gomba-, rovar és növényirtó hatású klórfenolokat fertőtlenítésre, gyomirtásra és tartósításra használják, emellett azonban káros melléktermékként jelenik meg a papíripar hulladékaként is. Mivel a Nemzetközi Rákkutató Ügynökség által a valószínűleg emberi rákkeltő anyagok közé sorolandók (B2), ezért az utóbbi időben jelentős figyelmet fordítanak a klórfenolok által okozott vízszennyezés megszüntetésére. A helyzetet súlyosbítja, hogy a papírfehérítés folyamatán túl a klóros víztisztítás során is keletkeznek klórfenolok melléktermékként, amelyekre ráadásul a szokványos víztisztítási eljárások nincsenek hatással. Ezen indokok miatt is fontos foglalkoznunk ezen szennyezők eltávolításának lehetőségével. Megsemmisítésükre több megoldás is létezik, irodalomban is nagy számban találhatók oxidációs eljárások: hidrogén-peroxid megfelelő vas-komplexszel kombinálva [1], ózon [2], Fenton-reakció [3], peroxidáz enzimek [4] is felhasználhatók ilyen folyamatokban. A legtöbb klórfenol azonban fényérzékeny, így lehetőségünk van akár fotolitikusan is elbontani azokat, ennek hatásfoka pedig növelhető is fotokatalizátor használatával, ami lehet például TiO 2 [5]. A közvetlen fotolízissel ellentétben saját kísérleteinkben az érzékenyített reakciót tanulmányoztunk. Fotoérézkenyítőként a trisz(2,2'-bipiridil)ruténium(ii)-komplexet használtuk, amelynek ilyen jellegű felhasználásai már előfordulnak szakirodalomban. Az említett komplex fotokémiai és fotofizikai tulajdonságai is nagyon jól ismertek, számtalan reakciót vizsgáltak már vele. Számunkra fontos előnyt jelentett, hogy szemben a klórfenolokkal a látható tartományban gerjeszthető, így UV fény nélkül is lehetséges a reakció iniciálása. Hogy a reakciót az oxidatív lebontás irányába tereljük, segédanyagként kálium-peroxodiszulfátot alkalmaztunk, amely a fotoérzékenyítés lépését követően oxidálta a komplexünket, hogy az a számunkra fontos oxidációs állapotba kerüljön. A reakciót hajtó körfolyamatot az 1. ábrán látható modellel lehet leírni. 1. ábra Fotoérzékenyítő gerjesztésekor lejátszódó körfolyamat 105

A Ru 2+ -komplex foton segítségével *Ru 2+ gerjesztett állapotba kerül, amely triklórfenollal (TCP) reagálva Ru 1+, míg peroxodiszulfát-ionnal Ru 3+ komplexszé alakul. A Ru 1+ és Ru 3+ forma találkozása zárhatja a körfolyamatok, vagy az oxidált Ru 3+ komplex léphet reakcióba egy klórfenollal: mindkét lépés a kiindulási Ru 2+ keletkezésével jár. Klórfenolok közül modellként a 2,4,6-triklórfenolt választottuk, mivel ez kellően gyakori, tulajdonságai ismertek, oxidációját, közvetlen és közvetett fotokémiai lebontását is vizsgálták már [5,6]. A kísérleti munkához egy fotoreaktor építésére is sor került, amelyben kis mennyiségű minta besugárzására és a folyamat fotometriás követésére nyílt lehetőségünk időben folyamatosan, párhuzamosan a teljes UV-látható spektrumon. A reakció iniciálásához egy lézergerjesztett xenon lámpát használtunk, a fotometriás detektálás egy CCD-detektor segítségével történt, az 1,00 1,00 cm optikai úthosszú fluoreszcens küvettába töltött oldatokat minden mérés alatt kevertettük és termosztáltuk. Végeztünk ezen túl HPLC analízist is, hogy azonosítsuk a folyamat során keletkező köztitermékeket. A koncentrációk, térfogatok és a besugárzási hullámhossz-tartomány befolyásolásával vizsgáltuk a reakció lefolyását, meghatároztuk az egyes reaktánsok kezdeti lépésekre gyakorolt hatását, fotonáramtól való függését, valamint azonosítottunk több a reakció során keletkező köztiterméket is. [1] A. Sorokin, B. Meunier, J. L. Séris, Science, 1995 (268) 1163-1166. [2] F.J. Benitez, J. Beltrán-Heredia, J.L. Acero, F.J. Rubio, Journal of Hazardous. Materials 2000 (79) 271-285. [3] F.J. Benítez, J. Beltrán Heredia, J.L. Acero, F.J. Rubio, Industrial & Engineering Chemistry. Research, 1999 (38) 1341-1349. [4] B. E. Sturgeon, B. J. Battenburg, B. J. Lyon, S. Franzen, Chemical Research in Toxicology, 2011 (24) 1862-1868. [5] E. Pino, M. V. Encinas, Journal of Photochemistry and Photobiology A., 2012 (242) 20-27. [6]. M. Hu, Y. Wang, Z. Xiong, D. Bi, Y. Zhang, Y. Xu, Environmental Science & Technology,. 2012 (46) 9005-9011 106

1,4-BENZOKINONOK ÉS SZULFITION REAKCIÓJÁNAK VIZSGÁLATA Kiss Virág 1, Dr. Ősz Katalin 1 1 Debreceni Egyetem, Fizikai Kémiai Tanszék, Debrecen, Egyetem tér 1. 4032 A halogéneket tartalmazó környezetszennyező szerves anyagok halogénmentesítése fontos ipari probléma. A halobenzokinonok a víztisztítás melléktermékei. Érdekesség, hogy koncentrációjuk csővezetékekben kisebb, míg az uszoda vizében nagyobb, ahol a napvédő testápolók és krémek prekurzorokként elősegítik a képződésüket. Eltávolításukat UVfénnyel való megvilágítással és ozonizálással kísérelték meg. [1-2] Vizes közegben a kinonszármazékok fény hatására diszproporcióval hidrokinonná és hidroxi-kinonná alakulnak át. Egy másik reakcióúton oxigén felszabadulása közben hidrokinonná redukálódhatnak. Ezek a reakciók spektrofotometriásan jól követhetők, mivel a kiindulási kinon és a termékek abszorpciós spektruma eltérő. A diódasoros spektrofotométer lámpájának fénye elég intenzív ahhoz, hogy fotoreakció indukálódjon. [3-4] Munkám során a 2,5-diklór-1,4-benzokinon Na 2 SO 3 -tal lejátszódó reakcióját vizsgálom. Célom az egymás mellett lejátszódó fotoreakció és a redukciós, valamint egyéb folyamatok elkülönítése, illetve a kinetikájuknak tanulmányozása. A feltételezett keton-biszulfit reakció olyan gyors, hogy spektrofotometriásan nem lehetett követni, ezért gyorskinetikai méréseket végeztem el. Stopped-flow technikával a reakció sztöchimetriájának meghatározását kíséreltem meg. Kloridion-szelektív elektródos mérések azt igazolták, hogy a kinongyűrűről egy ekvivalens klór disszociál, mivel az oldatban lévő kloridionok koncentrációja megnőtt, azaz reduktív dehalogénezés történt. ESI-MS-mérések segítségével a 2,5-diklór-1,4-benzokinon és szulfition reakcióját vizsgálva két összetételnek megfelelő szerkezetet írtunk le, amiket a számolt izotópeloszlások igazoltak. DFT-számítások alátámasztották, hogy van egy olyan addukt, amelynek képződése során a klór helyére lép be a szulfocsoport. 107

1. ábra A 2,5-diklór-1,4-benzokinon nátrium-szulfittal lejátszódó reakciójában mérhető spektrális változások kinon koncentrációtól való függése [1] Y. Qian, W. Wang, J.M. Boyd, M. Wu, S.E. Hrudey, X.F. Li; Environmental Science and Technology, 2013 (47) 4426-4433. [2] W. Wang, Y. Qian, J.M. Boyd, M. Wu, S.E. Hrudey, X.F. Li; Environmental Science and Technology, 2013 (47) 3275-3282. [3] I. Fábián, G. Lente; Pure and Applied Chemistry, 2010 (82) 1957-1973. [4] G. Lente, J.H. Espenson; Journal of Photochemisry and Photobiology A: Chemistry, 2004 (63) 249-258. 108

EGY- ÉS KÉTCSATORNÁS MIKROELEKTRÓDOK FEJLESZTÉSE ÉS ALKALMAZÁSA KORRÓZIÓS VIZSGÁLATOKBAN Filotás Dániel 1, Bibiana María Fernández-Pérez 2, Nagy Lívia 3, Ricardo M. Souto 2, Nagy Géza 1,3 1 Általános és Fizikai Kémiai Tanszék, Pécsi Tudománzegyetem,7624 Péc, Ifjúság útja 6. 2 Kémia Intézet, La Laguna Egyetem, P.O. Boksz 456, E-38200 La Laguna, Tenerife, Kanári szigetek, Spanyolország 3 Szentágothai János Kutatóközpont, Pécsi Tudományegyetem, 7624 Pécs, Ifjúság útja 20 Bár a korrózió jelensége régóta ismert, a probléma kezelése még napjainkban is jelentős gazdasági befolyással bír. A különböző rendszerek korróziós mechanizmusainak vizsgálata, korrózióvédelemben használt bevonatok vizsgálata ezért különösen nagy fontosságú. Az előadás a Pécsi Tudományegyetem Természettudományi Kar, Általános Fizikai Kémia Tanszékén, illetve a spanyolországi La Laguna Egyetem Fizikai Kémiai Intézetében végzett kísérleti munkát foglalja össze. A kutatás célja olyan potenciometriás és amperometriás mikroelektródok készítése, fejlesztése, amelyeket pásztázó elektrokémiai mikroszkópiás technikában mérőcsúcsként alkalmazva lehetővé válik korróziós rendszerek mikroméretű változásainak lokális detektálása. A kísérletek során két felületi vizsgálati módszert, a pásztázó elektrokémiai mikroszkópiás (SECM), és lokális áramsűrűségek követésére lehetőséget nyújtó, pásztázó rezgőelektródos technikát (SVET) alkalmaztam. A felületi pásztázásokat egy modell, illetve az építőiparban széleskörűen alkalmazott komplex céltárgy felett végeztem. Az előbbi egy réz- és vashuzal polimer mátrixba ágyazásával készült, korróziós sajátságai jól ismertek, gyakran alkalmazzák modellként korróziós kutatásokban [1]. Az utóbbi több védőréteggel ellátott festett-galvanizált acéllemez vágott felületét modellező céltárgy. A 400 m átmérőjű acéllemezt két oldalról vékony 20-30 m vastag cinkréteggel, stroncium-kromát inhibitort tartalmazó poliészter festékréteggel és egy oldalról TiO 2 festékkel vonják be (1. ábra). Az acéllemez feldolgozáskor karcolódhat, vágott felületek jöhetnek létre, amik szabaddá teszik acélfelület egy részét a környezeti hatásoknak. A céltárgy korróziós viselkedését a kutatócsoport korábbi munkájában már vizsgálta [2]. Jelen munkában a rétegek eltávolításával, a rétegek összetett védelemben betöltött szerepét vizsgáltam. 1. ábra Festett galvanizált acéllemez keresztmetszetének képe. 109

A SECM vizsgálatokhoz a ph változás lokális és időbeli követésére alkalmas antimon mikorelektródokat készítettem. A kísérletek 1 mmol/dm 3 koncentrációjú NaCl oldatban történtek. A 2. ábrán a ph felületi eloszlását bemutató felvétel látható a céltárgy hozzávetőleges helyének megjelölésével. 2. ábra Festett galvanizált acéllemez keresztmetszetéből készült céltárgy feletti ph eloszlás 1 mmol/dm 3 NaCl oldatban A festett-galvanizált acél céltárgy áldozati cink anód védőrétege környezetében a cink(ii)-ion koncentráció változását cink(ii)- ionszelektív mikroelektróddal (ISME) követtem nyomon. A cink ISME laboratóriumunk korábbi receptúrája alapján készült [3]. A korrózióval foglalkozó kutatások során konkrét igény merült fel több paraméter egyidejű lokális detektálására. Ezért új, antimon ph érzékeny és cink ISME-ot tartalmazó két csatornás mikroelektródokat készítettem (3. ábra), melyekkel a ph változás és a cink(ii)-ion koncentráció változása szimultán detektálható. A kezdeti mérések során a fő kérdés volt, hogy az új, kétcsatornás elrendezésben az egyes mikroelektródok viselkedése szimultán kísérletekben a hagyományos mikroionszelektív elektródokhoz hasonló-e. A kalibrációk széles koncentrációtartományban mutattak Nernst-i viselkedést. A kapott potenciáltérképek az egycsatornás elektródokkal kapott eredményekkel jól összefüggnek, azokat új információkkal egészítik ki. Új, amperometriás üzemmódban működő platina és potenciometriás üzemmódban működő antimon kétcsatornás mikroelektródot fejlesztettem, melyet a vas-réz modellrendszerben alkalmaztam kvázi-szimultán mérések során.. Alkalmaztam laboratóriumunkban nemrégiben kifejlesztett adatfeldolgozási módszert, mellyel a lassabb pásztázások, illetve a potenciometriás elektródok lassabb válaszidejéből adódó esetleges torzulások minimalizálhatók [4]. Kísérleteim alapján az eszköz kvázi-szimultán mérések elvégzésére alkalmas, a két csatorna gyors egymásutánban használható minden zavaró hatás nélkül. 110

3. ábra Kétcsatornás ionszelektív mikroelektród vázlatos képe Pásztázó rezgő elektródos technikával végeztem méréseket a festett galvanizált céltárgy felett pásztázva. Az összetett védelemmel ellátott céltárgy variánsait készítettem el az egyes védőrétegek eltávolításával. A SVET felvételek jól kiegészítik a korábbi mérések alapján levont következtetéseket. A katódos és anódos aktív pontok helyét és aktivitásuk időbeli változását az kapott eredmények jól tükrözik (4. ábra). 4. ábra SVET felvételek A) 15 perccel B) 150 perccel a céltárgy NaCl oldatba merítése után [1] J. Izquierdo, L. Nagy, J. J. Santana, G. Nagy, R. M. Souto. Electrochimica Acta, 2011, 58, 707 716. [2] B. M. Fernández-Pérez, J. Izquierdo, S. González, R. M. Souto. Journal of Solid State Electrochemistry, 2014, 18, 2983-2992. [3] J. Izquierdo, L. Nagy, A. Varga, I. Bitter, G. Nagy, R. M. Souto Electrochimica Acta 2012, 59, 398-403. [4] A. Kiss, G. Nagy. Electrochimica Acta, 2015, 163, 303 309. 111

KEMOHIDRODINAMIKAI INSTABILITÁS VIZSGÁLATA MIKROGRAVITÁCIÓS KÖRNYEZETBEN Bába Péter 1, Horváth Dezső 2, Tóth Ágota 1 1 Szegedi Tudományegyetem, Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszék 2 Szegedi Tudományegyetem, Alkalmazott és Környezeti Kémiai Tanszék Kémiai reakciók térben lejátszatva közegmozgást eredményezhetnek megváltoztatva a folyadékok fizikai tulajdonságait, mint például a sűrűséget, a viszkozitást és a felületi feszültséget. A kialakuló hidrodinamikai instabilitások befolyásolhatják a határfelületeken történő anyagátadások hatékonyságát és ennek következtében a reakcióhozamot. A gyógyszer- és az olajiparban a kémiai reakciók és a hidrodinamika kölcsönhatása bonyolult kemohidrodinamikai mintázatokat eredményez. Célunk, hogy egy modellreakcióban kísérletileg tanulmányozzuk a létrejövő instabilitásokat és azonosítsuk az egyes erők hatását. Homogén oldatrétegben az autokatalitikus reakciók egy állandó sebességgel és alakkal jellemezhető éles határvonal mentén játszódnak le, melyet kémiai frontnak nevezünk. A reakció és az anyag transzportja közötti kölcsönhatás eredményeként a reaktánsokat és a termékeket elválasztó front mentén kialakuló koncentráció- és hőmérsékletgradiens hatására a termék és a reaktánsok között fellépő sűrűségkülönbség miatt a függőleges orientációjú síkfront instabillá válik az indukált konvektív áramlások hatására, melyek nemcsak a front alakját, hanem a sebességét is nagyban befolyásolják. Modellreakciónkban, a jodát és arzénessav autokatalitikus reakciójában, a reaktánsok és a termékek közötti sűrűségkülönbség mellett a képződő felületaktív jód miatt felületi feszültségbeli különbség is kialakul. Ez által két olyan konvektív áramokat indukáló gradiens van a rendszerben, melyek együttesen befolyásolják a front tulajdonságait [1]. 112

A két jelenségnek a front jellemzőire gyakorolt hatását úgy lehetséges vizsgálni, hogy megpróbáljuk elkülöníteni a két instabilitást okozó tényezőt. Földi körülmények 4. ábra A gravitációs gyorsulás értékének profilja egy parabola során között mind a felhajtóerő által vezérelt, mind pedig a felületi feszültségbeli változás miatti Marangoni áramlás hat a szabad felszínnel rendelkező oldatrétegben haladó frontra, míg zárt edényben kizárólag a sűrűségkülönbség miatt kialakuló áramlások befolyásolják a front haladását. A pusztán felületi-feszültség különbség által indukált közegmozgás hatásának vizsgálatára csak gravitációs erőtér mentes körülmények között elvégzett kísérletek során van lehetőség. Ehhez az Európai Űrügynökség 56. parabolarepülési kampányában mértük a front terjedési sebességének, valamint az alakjának változását nyitott és zárt rendszerben. A parabolarepülések során a gravitációs erőtér periodikusan változik: két hipergravitációs szakasz közé egy mikrogravitációs szakasz ékelődik, melyek során mért gyorsulási erő nagyságát az 1. ábra mutatja. A front alakját és helyzetét a kísérletek során a keletkező trijodidion miatt bekövetkező színváltozás segítségével tudtuk követni. Egy CCD kamerával folyamatosan képfelvételeket készítettünk, melyek kiértékelését saját szoftverekkel végeztük. A jodát-arzénessav reakciójában a keletkező termék sűrűsége kisebb, mint a reaktánsokat tartalmazó oldaté, más szóval a reakció lejátszódása során az eredő sűrűségváltozás negatív. Ebből adódóan gravitációs erőtérben a folyadék-gáz határréteggel nem rendelkező zárt cellában vízszintesen haladó front esetén a keletkező termék a nagyobb sűrűségű reaktáns oldatrész fölé áramlik egy konvekciós gyűrűt létrehozva. A reakciófront tetején az oldat előrefelé, míg az alján visszafelé áramlik, így a front a haladás irányában dől meg a 2. ábrán látható módon. A front terjedési sebessége a közegmozgás révén bekövetkező helyi keveredés miatt nagyobb lesz, mint a tisztán reakció-diffúzió rendszerekben mért terjedési sebesség. 113

5. ábra A front alakja zárt cellában három különböző g z /g 0 értéknél (egy kép 5,8 1,0 cm-es területet fed le) g z /g 0 = 1,7 g z /g 0 = 1,0 g z /g 0 = 0,01 A harmadik ábrán a zárt cellában azonos időközönként meghatározott frontpozíció látható a felső 3 mm-es szakaszon, egy parabola alatt. Amint a repülőgép mikrogravitációs szakaszba lép a front sebessége a reakció-diffúzió front sebességére jellemző értékre csökken az alak torzulását eredményezve. A hipergravitációs szakaszba visszalépve a sebessége jelentősen megnő és mivel a sűrűségkülönbség miatti közegmozgás hatása jelentősebbé válik és a front újra megdől. 6. ábra A front helyzetének és alakjának változása zárt reakciócellában egy parabola során Nyitott cella esetén hasonló frontalakot tapasztalunk mind mikro- mind pedig hipergravitációs repülési fázisokban a front sebességének változása azonban nem olyan mértékű, mint zárt cella esetén. A mikrogravitációs szakaszban a front sebessége nagyobb, mint a tisztán reakció-diffúzió vezérelt front sebessége zárt cellában. A front mentén a felületaktív jód koncentrációgradiense egy olyan előrehaladó áramlást indukál, amelyet a gravitációs gyorsulás értékének változása nem befolyásol. Mivel az iránya megegyezik a gravitáció hatására bekövetkező dőlés irányával, hatását csak a mikrogravitációs fázisokban 114

lehet kimutatni a front terjedési sebességében. Pontos mennyiségi jellemzés azonban a rövid időtartamok miatt nem lehetséges. Összefoglalásként elmondható, hogy mikrogravitációs kísérletekben valóban elkülöníthető a felületi feszültség különbség miatt kialakuló Marangoni instabilitás és a sűrűségkülönbség miatt kialakuló instabilitás hatása a reakciófront alakjára és terjedési sebességére. A parabolarepülés során végzett kísérletek [2] jó kvalitatív információt szolgáltattak a két jelenség reakciófrontra gyakorolt hatásáról és hasznos előkísérleteknek tekinthetők a hosszabb mikrogravitációs periódust biztosító MASER-13 rakéta fedélzetén elvégezhető kísérletekhez, melyek indítása 2015 novemberében lesz esedékes. [1] Pópity-Tóth Éva; Diffúzív és konvektív instabilitás tanulmányozása autokatalitikus reakciófrontokban, doktori értekezés, SZTE, 2012. [2] D.Horváth, M.A.Budroni, P.Bába, L.Rongy, A.De Wit, K.Eckert, M.J.B.Hauser, Á.Tóth; Convective dynamics of traveling autocatalytic fronts in a modulated gravity field; Physical Chemistry Chemical Physics 2014 (16) 26279-26287. 115

PONTOS TERMOKÉMIAI SZÁMÍTÁSOK FLUOROZOTT ETILGYÖKÖKRE Ganyecz Ádám 1, Csontos József 1, Kállay Mihály 1 1 1. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar, Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék, 1111 Bp. Műegyetem rkpt. 3-9. Az 1990-es évek óta a fluorozott szénhidrogéneket széles körben használják hűtőközegként, habosítószerként és hajtógázként az ózonkárosító klórozott származékok helyettesítőjeként. Azonban ezeknek az anyagoknak nagy az élettartamuk és jelentős mértékben hozzájárulnak az üvegházhatáshoz. [1] Ezen molekulák termodinamikai adatainak pontos ismerete többek között szükséges ahhoz, hogy az úgynevezett légköri modellek minél megbízhatóbb előrejelzésket szolgáltassanak a Föld éghajlatának alakulásáról. Munkánk során a fluorozott etilgyököket vizsgáltuk, ezenbelül is a CH 3 -CHF, CH 2 F-CH 2 és CHF 2 -CH 2 molekulákat. A számításokhoz csatolt-klaszter (CC) módszereket használtunk. A geometriát CCSD(T) módszerrel cc-pvqz báziskészlettel határoztuk meg. A teljes energia kiszámításához a különböző járulékok additivitását feltételeztük a következő egyenlet alapján: E TOT =E HF+ E CCSD(T)+ E CCSDT + E CCSDT(Q) + E mag+ E ZPE + E DBOC + E Rel. Az első tag (E HF) a teljes bázisra extrapolált Hartree-Fock energia, amit aug-cc-pcvxz (X=T,Q,5) bázisokon számolt eredményekből kaptunk. E CCSD(T) a teljes bázisra extrapolált CCSD(T) energia, amit aug-cc-pcvxz (X=Q,5) bázissal kapott eredményekből határoztunk meg. E CCSDT és E CCSDT(Q) jelöli a CCSDT és CCSDT(Q) járulékokat, amiket cc-pvtz, illetve cc-pvdz bázisokon számoltunk. E mag a mag korrelációs járulék, amit az összes elektronnal számolt és a fagyott mag közelítéssel számolt CCSD(T) energiák különbségeként definiáltunk. Ez is teljes bázisra lett extrapolálva a cc-pcvtz és ccpcvqz bázisokon kapott eredményekből. A zérusponti rezgési energiát ( E ZPE ) harmonikus oszcillátor közelítést alkalmazva CCSD(T) módszerrel cc-pvqz bázissal határoztuk meg. E DBOC a diagonális Born-Oppenheimer korrekció, amit CCSD módszerrel cc-pcvtz bázissal vizsgáltuk. E rel pedig a skalár relativisztikus hatások járuléka. A képződéshőket a molekulákból az elemekből való képződési reakciójuk alapján határoztuk meg. Az eredmények az irodalomban található korábbi eredményekkel együtt az 1. táblázatban láthatóak. Az eredményeket összevetve a korábbi adatokkal megállapítható, hogy ezek CH 3 - CHF esetében 0 és 298 K-en is jól egyeznek az eddigi tapasztalatokkal. Ugyanez mondható el a CHF 2 -CH 2 molekuláról is, bár lényegesen kevesebb adat található róla. Fontos megjegyezni, hogy mindkét esetben az általunk számolt képződéshő értékek a legpontosabbak. CH 2 F-CH 2 molekulánál a kapott eredményünk 5-10 kj/mol-al eltér az eddigi adatoktól, a különbség oka további vizsgálatokat ígényel. 116

1. táblázat: Az egyes molekulák irodalomban fellelhető standard képződéshői, kiegészítve az általunk számolt értékekkel Molekula f H 0 (kj/mol) f H 298 (kj/mol) forrás -70.3±8.4 [2] -78.2±6.7 [3] -74.1±4.6 [4] -62.3-72.4 [5] -60.3 [6] CH 3 -CHF -68.87-79.41 [7] [-69.9-78.2] [8] -70.6 [9] -74.1 [9] -74.1±8.4 [10] -75.6±4.9 [11] -62.4±2.8-73.2±4.8 Saját eredmény -59.4±8.4 [2] -34.3-44.6 [12] -43.5 [6] CH 2 F-CH 2 [-55.2-63.6] [8] -58.0 [9] -61.1±8.4 [10] -56.2±5.8 [11] 117

-55.2±0.8 [13] -54.8±2.8-64.7±5.8 Saját eredmény -267.9-277.2 [12] [-279.5-290.8] [8] CHF 2 -CH 2-280.9±6.4 [11] -270.5±2.8-279.6±4.8 Saját eredmény [1] H. Zhang, J. Wu, P. Lu; Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 2011 (112) 220 229. [2] K. Miyokawa, S. Ozaki, T. Yano; Bulletin of the Chemical Society of Japan 1996, (69) 869 873. [3] J.-P. Martin, G. Paraskevopoulos; Canadian Journal of Chemistry 1983 (61) 861 865. [4] E. Tschuikow-Roux, D. Salomon; Journal of Physical Chemistry 1987 (91) 699 702. [5] Y. Chen, A. Rauk, E. Tschuikow-Roux; The Journal of Chemical Physics 1990 (93) 1187 1195. [6] S. Sekušak, H. Güsten, A. Sabljic; The Journal of Physical Chemistry 1996 (100) 6212 6224. [7] X.-M. Zhang; The Journal of Organic Chemistry 1998 (63) 3590 3594. [8] N. L. Haworth, M. H. Smith, G.B. Bacskay, J. C. Mackie; The Journal of Physical Chemistry A 2000 (104) 7600 7611. [9] Y. G. Lazarou, V. C. Papadimitriou, A. V. Prosmitis, P. Papagiannakopoulos; The Journal of Physical Chemistry A 2002 (106) 11502 11517. [10] A. Burcat, B. Ruscic Third Millennium Ideal Gas and Condensed PhaseThermochemical Database for Combustion with updates from Active Thermochemical Tables, ANL-05/20 and TAE 960, Technion-IIT, Aerospace Engineering, and Argonne National Laboratory, Chemistry Division, September 2005. ftp://ftp.technion.ac.il/pub/supported/aetdd/thermodynamics mirrored at http://garfield.chem.elte.hu/burcat/burcat.html (accessed in June 2015). [11] M. R. Zachariah, P. R. Westmorel, D. R. Burgess Jr., W. Tsang, C. F. Melius; The Journal of Chemical Physics 1996 (100) 8737. [12] Y. Chen, A. Rauk, E. Tschuikow-Roux; The Journal of chemical physics 1990 (93) 6620 6629. [13] H. Feng, W. D. Allen; The Journal of chemical physics 2010 (132) 094304. 118

KATALÍZIS 119

SZILÁRD HORDOZÓHOZ RÖGZÍTHETŐ, CINKONA ALKALOID- ALAPÚ, ASZIMMETRIKUS, BIFUNKCIÓS ORGANOKATALIZÁTOROK SZINTÉZISE Cseri Levente 1, Szabó Luca 1, Kupai József 1, Huszthy Péter 1, Székely György 2 1 BME, Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar, Szerves Kémia és Technológia Tanszék, Budapest, Szent Gellért tér 4. 1111 2 The University of Manchester, School of Chemical Engineering and Analytical Science, The Mill, Sackville Street, Manchester, United Kingdom M13 9PL Munkánk célja szilárd hordozóhoz rögzíthető cinkona alkaloid-alapú aszimmetrikus, bifunkciós organokatalizátorok szintézise volt. A későbbiekben terveztük a katalizátorokat visszaforgatás, újrahasznosítás céljából szilárd hordozóhoz rögzíteni, továbbá a távtartó hosszának katalitikus aktivitásra gyakorolt hatását vizsgálni. Az előállított katalizátor intermediereket és a hordozós organokatalizátor céltermékeket pentán-2,4-dion és β- nitrosztirol aszimmetrikus Michael-addíciós reakciójában kívántuk tesztelni. [1, 2] Az organokatalízis témaköre a 2000-es évek elején került a kutatások előterébe. Néhány évvel később kerültek a figyelem középpontjába a cinkona alkaloid egységet tartalmazó bifunkciós szerkezetek. [3] A választás nem véletlen, hiszen a kinin esetén egy olcsó, könnyen beszerezhető vegyületről van szó, mely nagyfokú királis információt hordoz köszönhetően a benne található négy sztereocentrumnak. A kinin származékokat az irodalom az ún. privilegizált szerkezetek között tartja számon, [4] mivel többféle aszimmetrikus reakcióban is sikerrel alkalmazhatóak katalizátorként. A cinkona alkaloidalapú bifunkciós organokatalizátorokban a bázikus egységet a kinuklidin váz tercier nitrogénje adja, míg a hidrogénhíd-donor egységként az irodalomban kialakítottak szulfonamid, karbamid, tiokarbamid, szkvaramid egységeket is. Ezek közül legutóbbi bizonyult a leghatékonyabbnak az általunk vizsgálni kívánt próbareakcióban. [5] Az 1a-c jelű szkvaramid egységet tartalmazó organokatalizátorokat (1. ábra) az irodalomban kiváló termelés és enantiomerfelesleg mellett alkalmazták aszimmetrikus Michael-addícióban. [5-6] Ilyen alapvázú molekulát (2) sikerrel rögzítettek szilikagél hordozóhoz (1. ábra), és alkalmazták a fenti reakcióban katalizátorként magas katalitikus aktivitás és jó visszaforgathatóság mellett. [7] Kutatócsoportunk a 3 és 4 (1. ábra) szilikagélhez rögzíthető organokatalizátorok szintézisét kívánta megvalósítani, majd rögzítés után ezeken keresztül kívántuk vizsgálni a tetraetilénglikol egységnek, mint távtartónak katalitikus aktivitásra gyakorolt hatását. 1. ábra: Irodalomban ismert szkvaramid egységet tartalmazó, cinkona alkaloid-alapú organokatalizátorok 120

A szintéziseket az 2. ábrán bemutatott A úton terveztük megvalósítani, kiindulási anyagként a kereskedelmi forgalomban kapható hidrokinint használva. 2. ábra: A szilikagélhez rögzíthető célvegyületek tervezett előállítása az A szintézisúton A szintézis első lépéseként a cinkona váz 9-es helyzetében lévő, szekunder hidroxilcsoportját cseréltük amino-csoportra a kiralitáscentrum teljes inverziója mellett. Ennek megvalósítására két út is kínálkozott (3. ábra). Az A1 úton, irodalmi analógia szerint a hidroxil-csoportot először mezileztük metánszulfonil-kloriddal, savkötő jelenlétében az 5 mezilátot kapva. A mezilát funkciót S N 2-típusú reakcióban aziddá alakítottuk, ami a 6 intermediert eredményezte. Végül katalitikus hidrogénezéssel nyertük a 7 amint. [8] Az irodalmi A2 út szerint egy egyedényes reakcióban először Mitsunobu-reakcióval alakítottuk ki a hidrokininen az azid funkciót, majd ezt Staudinger-reakcióval redukáltuk a 7 aminná. [9] 3. ábra: Különböző szintézisutak hidoxil amin cserére a hidrokinin 9-es helyzetében (DIAD: diizopropil-azodikarboxilát, DPPA: difenil-foszforilazid) Mindkét reakcióutat sikeresen megvalósítottuk. Elmondható, hogy az A2 úton rövidebb idő alatt, jobb termeléssel jutottunk el a 7 aminhoz, de az A1 út robosztusabb, a termelés kevésbé érzékeny a reakcióparaméterek esetleges változásaira. A szkvaramid egység beviteléhez először irodalmi módszerrel előállítottuk a 8 szkvaramid származékot, [10] majd a 7 aminnal szubsztitúciós reakcióban reagáltatva a 9 cinkona-szkvaramidot nyertük (4. ábra). 121

4. ábra: A 9 cinkona-szkvaramid származék előállítása Az így kapott 9 intermediert katalizátorként alkalmaztuk pentán-2,4-dion és β- nitrosztirol aszimmetrikus Michael-addíciós reakciójában (1. táblázat). Referenciaként vizsgáltuk egy akirális bázis (DBU) katalitikus aktivitását ugyanebben a reakcióban, valamint az oldószer hatását. A reakciókban jó termelésekkel sikerült a kívánt adduktot előállítani, melyhez a 9 katalizátor alkalmazásakor kiváló enantiomerfelesleg is társult. 1. táblázat: DBU és 9 intermedier alkalmazása katalizátorként Michael-addícióban (DBU: 1,8-diazabiciklo[5.4.0]undeka-7-én; MTBE: metil-terc-butil-éter) Kísérlet Katalizátor 1 Oldószer Idő (óra) Termelés 2 (%) ee. 3 (%) 1 DBU DKM 5 78-2 DBU THF 3 77-3 DBU DEÉ 3 80-4 DBU MTBE 3 79-5 DBU ACN 3 74-6 DBU toluol 3 72-7 DBU EtOAc 3 80-8 DBU dioxán 3 80-9 9 DKM 8 80 >99,5 (S) 10 9 MTBE 1 90 99,1 (S) ( 1 Az első 1 8 kísérleteknél 2%, 9 10 esetén 1 mól% bázist használtunk; 2 A termelés értékek bepárlás, majd egyszeri átkristályosítás (CH 2Cl 2/hexán) után kinyert anyagra vonatkoznak. 3 Az ee. értékeket királis HPLC-vel határoztuk meg, míg az abszolút konfigurációt optikai forgatóképesség méréssel, irodalmi adatok alapján.) Ahogy a fentiekben láthattuk a 9 organokatalizátor hatékonyan alkalmazható Michael-addíciós reakciókban. Ezért érdemes szilárd hordozóhoz rögzíteni, ami lehetővé teszi a visszaforgatását. A 9 cinkona-szkvaramid származékot az izokinolin gyűrűhöz kapcsolodó metoxi-csoporton demetilezéssel kívántuk továbbalakítani (2. ábra). Demetilező reagensként a bór-tribromidot és a nátrium-etántiolátot is teszteltük, ugyanakkor a kívánt terméket nem sikerült előállítanunk ezen utak egyikén sem. Ennek oka valószínűsíthetően a molekula sztérikus zsúfoltsága. 122

Az A szintézisút sikertelensége miatt két új úton terveztünk eljutni a kívánt termékekig. A B úton (5. ábra) a 7 amin demetilezésével alakítottuk ki sikeresen a fenolos hidroxilcsoportot a 10 vegyületet kapva, [11] és csak ezt követően építettük be a szkvaramid egységet. Így eljutottunk a 3 és a 4 céltermékek szintézisének egyik kulcsintermedierjéhez (11). Ezt 3-(trietoxiszilil)propil-izocianáttal reagáltatva sikeresen állítottuk elő a 3 szilikagélhez rögzíthető szkvaramid-cinkona származékot. 5. ábra: A 10 kulcsintermedier, illetve a 3 céltermék előállítása a B szintézisúton A szilárd hordozóhoz rögzítésnél a távtartó szerepének tanulmányozása céljából a C úton (6. ábra) a hidrokinin demetilezésével nyert hidrokupreinen terveztük kialakítani a tetraetilénglikol egységet, majd a korábban leírtak alapján a 4 szilikagélhez rögzíthető célvegyülethez juthatunk. 6. ábra: A 4 célvegyület előállítása a C szintézisúton A C szintézisút első lépésében a hidrokinint bór-tribromiddal demetilezve nyertük a 12 hidrokupreint. Ennek fenolos hidroxilcsoportját a tetraetilénglikolból monotozilezéssel, majd tritilezéssel előállított 13 toziláttal reagáltatva nyertük a 14 védőcsoportot tartalmazó, távtartóval szubsztituált cinkona származékot (7. ábra). [12] 7. ábra: Módszerünk a távtartónak a hidrokinin vázra történő bevitelére 123

A tetraetilénglikol egységet tartalmazó 14 intermediert ezután az A1 szintézisútnak megfelelően alakítottuk tovább a 15 és 16 köztitermékeken keresztül a megfelelő 17 epiamino intermedierig (8. ábra). A 17 védőcsoporttal ellátott, távtartóval szubsztituált cinkona alkaloid amin-származékot a továbbiakban szkvaramiddá (18) tervezzük alakítani, majd a tritil védőcsoport eltávolítása után egy lépésben a 4 szilikagélhez rögzíthető organokatalizátorhoz juthatunk. 8. ábra: A 17 védőcsoporttal ellátott távtartóval szubsztituált cinkona alkaloid amin-származék szintézise i) MsCl, TEA, THF; ii) NaN 3, DMF, 60 C; iii) H 2 /Pd/C, MeOH Munkánk során tehát sikerült a 9 cinkona-szkvaramid származékot előállítanunk, amelyet sikeresen alkalmaztunk (90% termelés, 99,5% ee, ld. 1. táblázat) Michaeladdícióban. A 9 organokatalizátort a 3 szilikagélhez rögzíthető származékká alakítottuk. Továbbá a távtartónak a katalitikus aktivitásra gyakorolt hatásának tanulmányozására alkalmas 4 szilikagélhez rögzíthető cinkona-származék 17 kulcsintermedierjéhez jutottunk. A szerzők köszönik az OTKA (nyilvántartási szám: OTKA PD-108462) anyagi támogatását. Irodalmi hivatkozások: [1] B. List, R. A. Lerner, C. F. Barbas; Journal of American Chemical Society, 2000 (122) 2395-2396. [2] W. S. Jen, J. J. M. Wiener, D. W. C. MacMillan; Journal of American Chemical Society, 2000 (122) 9874-9875. [3] B. Vakulya, S. Varga, A. Csámpai, T. Soós; Organic Letters, 2005 (7) 1967-1969. [4] P. T. Yoon, E. N. Jacobsen; Science, 2003 (299) 1691-1693. [5] H. Y. Bae, S. Some, J. H. Lee, J. Y. Kim, M. J. Song, S. Lee, Y. J. Zhang, E. C. Song; Advanced Synthesis & Catalysis, 2011 (353) 3196-3202. [6 ]W. Yang, D. M. Du; Organic Letters, 2015 (12) 5450-5453. [7] X. Xu, T. Cheng, X. Liu, J. Xu, R. Jin, G. Liu; ACS Catalysis, 2014 (4) 2137 2142. [8] R. Porta, M. Benaglia, F, Coccia, F. Cozzi, A. Puglisi; Advanced Synthesis & Catalysis, 2015 (357) 377-383. [9] S. H. McCooey, S. J. Connon; Organic Letters, 2007 (9) 599-602. [10] Y. Qian, G. Ma, H. L. Zhu, J. Zhao, V. H. Rawal; Chemical Communications, 2010 (46) 3004-3006. [11] A. R. Choudhury, S. Mukherjee; Organic & Biomolecular Chemistry, 2012 (10) 7313 7320. [12] Y. Li, Q. Guo, X. Li, H. Zhang, F. Yu, W. Yu, G. Xia, M. Fu, Z. Yang, Z. X. Jiang; Tetrahedron Letters, 2014 (55) 2110-2113. 124

FOSZFIT-FOSZFORAMIDIT TÍPUSÚ HIBRID LIGANDUMOK ELŐÁLLÍTÁSA ÉS ALKALMAZÁSA ASZIMMETRIKUS KATALITIKUS REAKCIÓKBAN Faragó Judit, Farkas Gergely, Bakos József Pannon Egyetem, Szerves Kémia Intézeti Tanszék, 8200 Veszprém, Egyetem u. 10. A biológiailag aktív vegyületek (pl. gyógyszer és növényvédő szer hatóanyagok, stb.) jelentős része optikailag is aktív. E vegyületek szintézise során a reakció enantioszelektivitása nagy jelentőségű, mivel az enantiomerek biológiai hatása eltérő lehet, sőt a kívánt biológiai aktivitással gyakran csak az egyik enantiomer rendelkezik. A másik izomer olykor szennyezőanyag, mely nemkívánatos hatásokat okozhat, terhelheti a szervezetet és a környezetet, így törekedni kell keletkezésének csökkentésére. Az 1950-es években forgalmazott Contergan nevű nyugtató katasztrófája hívta fel elsőként a figyelmet a sztereokémia és az enantioszelektív szintézisek jelentőségére. [1] Az optikailag tiszta vegyületek előállítására három módszer ismeretes. [1] A racemátokból történő előállítás (a) során a keletkező racém elegyet alkotó komponensek három lehetséges módon különíthetők el: preferált kristályosítás, kinetikai rezolválás, vagy diasztereomer kristályosítás segítségével. [2] Optikailag tiszta vegyületek továbbá előállíthatók prokirális szubsztrátumokból kiindulva (b) aszimmetrikus szintézis segítségével, biokatalitikus vagy kemokatalitikus úton, illetve természetes, optikailag tiszta kiindulási anyagokból (c), szintézissel. A c módszer hátránya, hogy természetes, optikailag tiszta anyagok csak korlátozott mértékben állnak rendelkezésre, így a szintézis nagyobb mennyiségben csak ritkán kivitelezhető. Az a és b módszerek között a legmeghatározóbb különbség az, hogy a klasszikus a megoldásnál egy mól királis segédanyaggal optimális esetben egy mól optikailag tiszta végterméket lehet kinyerni. Ezzel szemben az enantioszelektív katalízissel (b) kis mennyiségű királis katalizátor használatával, nagy mennyiségű királis termék állítható elő. [3-4] Az aszimmetrikus katalitikus reakciókat meg lehet valósítani homogén átmenetifém-komplexekkel, heterogén katalizátorokkal, immobilizált komplexekkel és enzimekkel egyaránt. [5-6] A királis kelátképző ligandumok katalitikus alkalmazása aszimmetrikus allilhelyzetű szubsztitúciós reakciókban rendkívül hatékony módszer optikailag tiszta vegyületek előállítására. Az aszimmetrikus allil-helyzetű szubsztitúció (Trost-féle AAA reakció) olyan szerves kémiai reakció, mely alkalmas szén-szén és szén-heteroatom (leggyakrabban O, N és S) σ-kötés enantioszelektív kialakítására. [7-8] Az utóbbi néhány év folyamán kifejlesztett királis hibrid ligandumokkal módosított átmenetifém-komplexek az aszimmetrikus reakciók rendkívül hatékony katalizátorainak bizonyultak. [9-12] A kétfogú kelátképző ligandumok között, a foszfit-foszforamidit típusú vegyületek különleges helyet foglalnak el egyedülálló katalitikus tulajdonságaiknak és egyszerű előállításuknak köszönhetően. Munkánk során egy egyszerű eljárással, öt új axiális kiralitású binaftil-egységet tartalmazó foszfit-foszforamidit ligandumot állítottunk elő (1. ábra) a megfelelő aminoalkoholok és klór-foszfitok bázis jelenlétében lejátszódó reakciójában. Az előállított ligandumok közül az 1 és 2 vegyületek homológ sort alkotnak, mivel egymástól csupán egyetlen metiléncsoportban különböznek. Amennyiben az 1 és 2 ligandumok kelátképző 125

vegyületeknek tekinthetők, akkor segítségükkel vizsgálható a kelátgyűrű tagszámának hatása. Az 1 és 3 vegyület egymástól a biaril-csoportok telítettségében térnek el. A H 8 - biarilcsoport részleges telítettsége folytán jobb elektronküldő tulajdonságú, ugyanakkor nagyobb sztérikus igényű, mint H 0 -analógja. A 4 és 5 ligandumok a nitrogénatomhoz kapcsolódó izopropil-, illetve ciklohexil-csoportokban különböznek az 1 vegyülettől, így segítségükkel vizsgálható az N-szubsztituensek hatása a reakció aktivitására és szelektivitására. 1. ábra Az előállított foszfit-foszforamidit ligandumok 1 2 3 4 5 Az 1-5 ligandumok koordinációs sajátságainak jellemzése érdekében [Pd(η 3 - C 3 H 3 )(1-5)]BF 4 összegképletű allil-pd-komplexeiket NMR spektroszkópiával tanulmányoztuk. A vizsgálatok alapján megállapítottuk, hogy az 1-5 ligandumok kelátképző tulajdonságúak. A vegyületek katalitikus tulajdonságait elsőként az (E)-1,3-difenilallil-3-acetát és dimetil-malonát (DIMEM) enantioszelektív allil-helyzetű szubsztitúciós reakciójában vizsgáltuk (2. ábra, X = H). A katalizátort a [Pd(η 3 -C 3 H 5 )Cl] 2 -dimer komplex és a királis ligandum reakciójában in situ állítottuk elő a reakcióelegyben. 126

2. ábra Aszimmetrikus allil-helyzetű szubsztitúció Megfigyelhető, hogy az aszimmetrikus allil-helyzetű szubsztitúciós reakciók aktivitása és szelektivitása különösen érzékeny az alkalmazott ligandum/fém mólarány értékére. A különbségek oka valószínűleg az, hogy különböző mólarány értékeknél másmás katalitikusan aktív komplexek alakulnak ki, amelyek szelektivitása (és aktivitása is) eltérő lehet. Nagyobb mólarány esetén az eltérő koordinációs sajátságú foszforatomoknak köszönhetően a ligandum elvben egyfogú vegyületként is koordinálódhat. A katalitikus rendszer, az irodalmi vizsgálatoktól eltérően, az 1/1 ligandum/palládium mólarány alkalmazása esetén biztosította a legjobb szelektivitást és aktivitást. Vizsgáltuk a ligandum szerkezetének hatását is a katalitikus reakció aktivitására és szelektivitására. Meglepő módon a 7-tagú kelátgyűrű kialakítására képes 1 ligandummal az (R)-termék (84% ee), míg a 8-tagú gyűrűt képző 2 ligandummal az (S)-termék (43% ee) képződött feleslegben. Érdemes felfigyelni arra, hogy a két vegyület egymástól csupán egyetlen metilén-csoportban különbözik, mégis óriási szelektivitásbeli különbség figyelhető meg. A jelenség feltételezhetően a kelátgyűrű konformációs viszonyainak megváltozásával magyarázható. A nagyobb gyűrű kialakítására képes ligandum esetében a gyűrű konformációs labilitása sokkal nagyobb. Ennek köszönhetően a terminális helyzetű binaftilcsoportok más pozícióba kerülhetnek, mint az 1 ligandum komplexében. A szubsztrátumligandum kölcsönhatás a két komplexben így más és más, ami az eltérő szelektivitást eredményezheti. A továbbiakban a reakciót különböző szerkezetű szubsztrátumokkal (2. ábra, X = Br, OMe) is elvégeztük, a 3 és 4 ligandumok felhasználásával. A szubsztrátumok közötti eltérés a para-helyzetű szubsztituenseikben, illetve ezek elektronikus sajátságaiban van. Míg a metoxicsoport erősen elektronküldő sajátságú, addig a Br-atom csökkenti az aromás gyűrű és így a kialakuló allil-intermedier elektronsűrűségét is. Megjegyzendő, hogy a metoxicsoporttal szubsztituált és a para-helyzetű szubsztituenst nem tartalmazó szubsztrátum esetében azonos, 84%-os enantioszelektivitást értünk el a vizsgált allilszubsztitúciós reakciókban. Ezzel szemben a para-helyzetben Br-atommal rendelkező szubsztrátumot már szobahőmérsékleten is igen jó, 90%-os enantioszelektivitással alakítottuk át. Érdekes ugyanakkor, hogy a szubsztrátum elektronikus sajátságainak befolyásolása nem változtatta meg számottevően a katalitikus reakció aktivitását. A vizsgált reakciók teljes konverzióval lejátszódtak mindössze egy órás reakcióidő mellett. Későbbi vizsgálataink során megállapítottuk, hogy a biaril-csoportok telítettsége, valamint a N-atomhoz kapcsolódó alkilcsoportok minősége nem befolyásolták jelentősen 127

mértékben a katalitikus aktivitást és szelektivitást. A legjobb enantioszelektivitást (86% ee) szobahőmérsékleten az N-izopropil szubsztituenst tartalmazó 4 ligandummal értük el. A hőmérséklet hatásának tanulmányozása során megállapítottuk, hogy a 3 ligandum alkalmazásával, 0 C-on, igen jó szelektivitással (90% ee) állítható elő a katalitikus reakció terméke. Az előállított ligandumokkal elért ~90%-os enantioszelektivitás értékek figyelemreméltóak. A szakirodalmi adatok alapján megállapítottuk, hogy hasonlóan jó eredmények foszfit-foszforamidit ligandumokkal csak a vázban két aszimmetriacentrumot is tartalmazó vegyületekkel érhetők el. [13-14] Érdemes megjegyezni, hogy az ilyen típusú ligandumok csak sokkal értékesebb és nehezebben hozzáférhető kiindulási vegyületekből állíthatók elő, míg a mi esetünkben egyszerű és olcsó vegyületekkel is megvalósítható a szintézis. Ligandumaink további figyelemre méltó tulajdonsága az, hogy a katalitikus rendszer aktivitása is kiemelkedően jó, ugyanis 1 óra alatt teljes konverziót értünk el S/C = 100 szubsztrátum/katalizátor mólarány mellett. A továbbiakban tervezzük új, etilén-vázzal rendelkező, eltérő terminális biarilegységet tartalmazó foszfit-foszforamidit ligandumok szintézisét és katalitikus alkalmazását allil-helyzetű szubsztitúciós reakciókban. Köszönetnyilvánítás A kutatás a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal NKFIH, K 115539 azonosítószámú projektje támogatásával és részben a TÁMOP-4.2.2.B-15/1/KONV-2015-0004 pályázat segítségével valósult meg. Köszönet illeti Édes Béla vegyésztechnikust a munkánkhoz nyújtott segítségéért. [1] Farkas Gergely, PhD Értekezés, Foszfin-foszfit típusú királis ligandumok előállítása és alkalmazása enantioszelektív katalitikus szintézisekben, 2013. [2] Wilen, S. H. Topics in Stereochem. 1971, 6, 107. [3] Noyori, R. Asymmertic Catalysis in Organic Synthesis Wiley, NEW York 1994. [4] Jima, I. Catalytic Asymmetric Synthesis, Ed.; VCH: New York 1999. [5] Brunner, H.: Zettlmeier, W. Handbook of Enantioselective Catalysis Eds.; VCH: New York 1993. [6] Jacobsen, E. N.; Pfaltz, A.; Yamamoto, H. Comprehensive Asymmetric Catalysis Eds.; Springer; Berlin 1999. [7] Trost, B. M.; Fullerton, T. J. J. Am. Chem. Soc. 1973, 95, 292. [8] Trost, B. M.; Van Vranken, D. L. Chem. Rev., 1996, 96, 395. [9] Bell, S.; Wustenberg, B.; Kaiser, S.; Menges, F.; Netscher, T.; Pfaltz, A. Science 2006, 311, 642. [10] Cabrera, S.; Arrayas, R. G.; Alonso, I.; Carretero, J. C. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 17938. [11] Cui, X. H.; Ogle, J. W.; Burgess, K. Chem. Commun. 2005, 672. [12] Gade, L. H.; César, V.; Bellemin-Laponnaz, S. Angew. Chem. 2004, 116, 1036. [13] Pámies, O.; Diéguez, M. Chem. Eur. J. 2008, 14, 944. [14] Cramer, N.; Laschat, S.; Baro, A. Organometallics 2006, 25, 2284. 128

IRÁNYÍTOTT FELÜLETI REAKCIÓK ALKALMAZÁSA PEM TÜZELŐANYAG-ELEMEK CO- TOLERÁNS ANÓDOLDALI ELEKTROKATALIZÁTORAINAK FEJLESZTÉSÉHEZ Gubán Dorottya, Borbáth Irina, Pászti Zoltán, Bálint Szabolcs, Németh Péter, Gajdos Gergely, Tompos András MTA Természettudományi Kutatóközpont, Anyag- és Környezetkémiai Intézet, 1117 Budapest, Magyar tudósok körútja 2. Bevezetés. Korunk egyik legnagyobb kihívása a világ egyre növekvő energiaszükségletének kielégítése, lehetőség szerint minél nagyobb arányban tiszta és megújuló energiaforrások felhasználásával. A tüzelőanyag-elemek képesek a hidrogén vagy alkoholok kémiai energiáját elektromos energiává átalakítani légszennyező anyagok kibocsátása nélkül, így minden bizonnyal fontos szerepet fognak játszani a jövő energiagazdaságában. A hordozható alkalmazások számára ideális polimer elektrolit membrános (PEM) tüzelőanyag-elemek anód- és katódoldalán nagy mennyiségű (40 m/m%) platinát tartalmazó elektrokatalizátorok segítik elő az oxidációs és redukciós folyamatokat, azonban ezek a katalizátorok költségesek és nem eléggé hatékonyak. Az üzemanyagként szolgáló hidrogén általában tartalmaz néhány ppm szénmonoxidot, ami kedvezőtlenül befolyásolja a tüzelőanyag-elemek működését. Alkoholok üzemanyagként való alkalmazásánál az oxidációs reakció közti termékeként mindig keletkezik CO. Ezért a jelenlegi tüzelőanyag-elem katalizátor kutatások középpontjában a stabil, csökkentett platina tartalmú, szénmonoxid-toleráns anód elektrokatalizátorok fejlesztése áll. Leggyakrabban a Pt mellett egy második, oxofil fémet (például Ru, Mo, vagy Sn) alkalmaznak, ami a víz aktiválása révén a tiszta Pt-hoz képest kevésbé pozitív potenciálon képes biztosítani a CO oxidációjához szükséges felületi OH ad csoportokat, illetve az elektronszerkezeti hatás által növeli a CO-toleranciát. Az eddigi munkáink azt támasztják alá, hogy az Sn-Pt ötvözet alapú rendszerek közül a lapcentrált köbös (fcc) Pt 3 Sn fázist tartalmazó katalizátorok a legstabilabbak és a legaktívabbak CO és alkoholok elektrooxidációjában. [1,2] Ugyanakkor a Pt 3 Sn ötvözet kizárólagos képződése tiszta formában ritkán fordul elő, megjelenése erősen függ a szintézismódszertől. Az irányított felületi reakció (IFR) kutatócsoportunkban kifejlesztett módszerével különböző hordozós kétfémes E x -M y (E= Sn, Ge; M= Pt, Pd, Rh, Ru) katalizátorok állíthatók elő, amelyekben még nagy E/M arány esetében is kizárólagosan fém-fém (E-M) kapcsolatok fordulnak elő. [3,4] Az alapvető felületi reakciók, amelyek a hordozós Pt katalizátor ón-tetraalkillel (SnR 4 ) történő módosításában szerepet játszanak, az alábbi egyenletekkel írhatók le: [3] PtH ad + SnR 4 Pt-SnR (4-x) + x RH (1) Pt-SnR (4-x) + (4-x)/2 H 2 Pt-Sn + (4-x) RH (2) A fenti kétlépéses IFR módszer garantálja, hogy az ón csak a platinához kössön, azaz kiküszöbölhető a nem kívánt ón-hordozó kölcsönhatás. A Pt-Sn rendszerek esetében még nagy Sn/Pt arány esetében is (Sn/Pt s = 2,05, ahol az Sn/Pt s az egy felületi Pt atomra eső rögzített Sn mennyisége) elérhető az Pt-Sn ötvözet fázis kizárólagos keletkezése. [4] Kutatócsoportunk IFR alkalmazásával korábbi munkái során már előállított ónnal módosított 40 m/m% Pt/C elektrokatalizátorokat. [1,2,5] A CO oxidáció kezdeti potenciálja 129

0,62 V-ról 0,21 V-ra, az etanol oxidáció kezdeti potenciálja 0,31 V-ról 0,1 V-ra csökkent, ha a Pt/C katalizátor helyett Pt/Sn = 4 platina-ón arányú kétfémes katalizátort alkalmaztunk. [1] Kimutattuk, [1] hogy a Pt-Sn/C katalizátorok aktivitása megnő az etanol elektrooxidáció korai szakaszában az fcc Pt 3 Sn fázis mennyiségének növekedésével. Egyértelműen sikerült igazolni, [2,5] hogy elektrokatalitikus szempontból mind a CO oxidációban, mind a metanol oxidációjában az fcc Pt 3 Sn fázis előnyösebb a hexagonális szoros illeszkedésű (hcp) PtSn ötvözet fázisnál. A Pt-Sn/C katalizátorok fejlesztése során célunk az IFR optimális szintézisparamétereinek megtalálása volt, melyek kizárólagosan az Pt 3 Sn fázis kialakításához vezetnek. Emellett megkíséreltük olyan stabil, 20 m/m%-ra csökkentett Pt tartalmú Pt-Sn/C katalizátorok létrehozását, amelyek nemcsak a CO oxidációs reakcióban, hanem a metanol elektrooxidációjában is megfelelő aktivitást mutatnak, így hozzájárulhatnak olcsóbb tüzelőanyag-elemek kifejlesztéséhez. Kísérleti rész. A Pt-Sn/C katalizátorok (Pt/Sn = 3,0) előállítása során 40 m/m% platina tartalmú Pt/C (Quintech, 40Pt/C) és saját készítésű 20 m/m%-os Pt/C katalizátort (20Pt/C) módosítottunk ón-tetraetillel (SnEt 4 ) IFR módszer alkalmazásával. A 20 m/m% platina felvitele a tiszta aktív szénre (Black Pearls 2000) etilénglikolos közegben NaBH 4 - des redukciós módszerrel történt. [6] A nagy óntartalommal rendelkező Pt-Sn/C katalizátorok több ón beadagolási lépésből álló előállítási eljárását IFR módszerrel korábban már bemutattuk. [5] Röviden, egy autoklávban a kiindulási Pt/C katalizátort n-dekánban szuszpendáltuk, 5 bar hidrogén túlnyomás beállítása után 170 C-ra fűtöttük, majd intenzív keverés mellett beadagoltuk az első adag dekánban oldott SnEt 4 -t. Az adagolási lépések egy óránként követték egymást, három konszekutív ónfelviteli lépést alkalmaztunk, a teljes reakcióidő 3 óra volt. A módosítás után a katalizátort centrifugáltuk, többször mostuk, szárítószekrényben 60 C-on 1 óráig szárítottuk, végül hőmérsékletprogramozott redukcióval (TPR) aktiváltuk, melynek végső hőmérséklete (T red ) 250 vagy 350 C volt, ahol 2 órán át tartottuk a mintát. A szerkezeti és az összetétellel kapcsolatos tulajdonságokat XRD, TEM és XPS mérésekkel határoztuk meg; a CO toleranciát és a metanol elektrooxidációjában mutatott katalitikus tulajdonságokat ciklikus voltammetriás mérésekkel vizsgáltuk. Eredmények és értékelésük. Kutatócsoportunk korábban már sikeresen kidolgozott egy módszert, amellyel növelni lehet a módosítandó fémmel kölcsönhatásba lépő ón mennyiségét. Bemutattuk, [7] hogy a reakcióelegy túlzottan magas SnEt 4 koncentrációját ajánlott elkerülni, mivel az a megkötött módosító koncentrációgradienséhez vezet. Az egymás utáni reakciólépések alkalmazása segít elkerülni (i) a hordozó felületi csoportjai és az ón prekurzor közti nem kívánt reakciót és (ii) a módosító inhomogén eloszlását a módosítandó fémszemcséken. [1,5] Kimutattuk, [1,2,5] hogy az IFR paramétereinek módosításával jól kontrollálható a Pt-Sn/C elektrokatalizátorok szerkezete. Az így előállított katalizátorok kizárólag Pt-Sn ötvözetfázisokat tartalmaznak nagy fcc Pt 3 Sn tartalommal. A szintézis második lépése során alkalmazott redukció végső hőmérsékletének (T red ) hatását vizsgáltuk (i) a kialakult kétfémes fázisok összetételére, (ii) az Sn és a Pt kémiai állapotára és (iii) a módosítatlan Pt, valamint SnO x fázisok jelenlétére vagy hiányára. A 40Pt-Sn/C és a 20Pt-Sn/C elektrokatalizátoron végzett XRD- és TEM mérések eredményét az 1. táblázat foglalja össze. Az XRD mérések kimutatták, hogy a kívánt Pt/Sn = 3 aránnyal rendelkező elektrokatalizátorok közel sztöchiometrikus fcc Pt 3 Sn ötvözetfázist (50-76 %) és bizonyos mennyiségű, Pt-ban dús Pt (1-x) Sn x szilárdoldat fázist tartalmaznak. Az XRD analízis nem mutatott ki SnO 2 fázist a mintákban, tehát ón nem 130

került a hordozóra, csak a platinával van kölcsönhatásban. Az XRD mérések tanulsága szerint az elektrokatalizátorokban az fcc Pt 3 Sn fázis mennyisége és diszperzitása függ a TPR lépésben alkalmazott hidrogénes kezelés végső hőmérsékletétől (T red ). 1. táblázat Az ónnal módosított Pt/C katalizátor rácsparamétere és átlagos krisztallitmérete. Minta T red, Rácsparaméter, Å Átlagos szemcseméret c), nm o C (Fázis, %) XRD TEM a) fcc Pt 1-x Sn x fcc Pt 3 Sn b) Pt 1-x Sn x Pt 3 Sn 20Pt-Sn/C 250 a:3,933 (50) a:3,975 (50) 6,2 5,9 2,7 ± 2,1 20Pt-Sn/C 350 a:3,933 (33) a:3,975 (67) 9,1 6,7 11,7 ± 4,4 40Pt-Sn/C 250 a:3,933 (29) a:3,980 (71) 9,1 7,7 6,5 ± 2,5 40Pt-Sn/C 350 a:3,933 (24) a:3,975 (76) 15,0 7,7 7,0 ± 5,1 a) Pt rácsparamétere: a = 3,917 Å; b) fcc Pt 3 Sn rácsparaméter: a = 4,0015 Å; c) a kiindulási katalizátor szemcsemérete: 40Pt/C: (4,1 ± 1,6) nm, 20Pt/C: (2,0 ± 1,1) nm. 1. ábra A redukció végső hőmérsékletének (T red ) hatása a 40Pt-Sn/C és a 20Pt-Sn/C katalizátorok mikroszerkezetére. Felső sor: 40Pt/C kiindulási katalizátor (A), 40Pt- Sn/C 250 C-os (B) és 350 C-os (C) redukció után. Alsó sor: 20Pt/C kiindulási katalizátor (E), 20Pt-Sn/C 250 C-os (F) és 350 C-os (G) redukció után. A B C D E F A 40Pt-Sn/C mintában a 250- és 350 o C-on történő hidrogénes kezelés hatására keletkező Pt 3 Sn fázis mennyisége alig különbözik (71-76 %). A TEM felvételek (1. ábra) alapján az ón beépülése csak kismértékben változtatta a kiindulási 20Pt/C katalizátor szemcseméretét, viszont a T red = 350 C-os kezelés után a kétfémes részecskék átlagos szemcsemérete nőni kezd. Az XRD és TEM eredmények alapján (1. táblázat) a Pt-Sn/C katalizátor kétfémes részecskéi a T red = 250 C-os kezelés hatására kisebbek, mint a 350 C-os kezelés után kapottak. Figyelembe véve a tényt, hogy a Pt 3 Sn fázis relatív 131

Intenzitás (tetsz. egys.) mennyisége a 40Pt-Sn/C mintában közel azonos a 250- és 350 C végzett hőkezelés után, az IFR reakció második lépése során a 250 C-os hőmérséklet alkalmazása javasolt. Mivel SnO x fázis nem mutatható ki sem röntgendiffrakcióval, sem energiadiszperzív röntgen-spektrometriával (EDS), az ón a várakozásoknak megfelelően nem került az aktívszén hordozóra. Az EDS mérés során a 40Pt-Sn/C mintán az elektronsugárnak az ónnal módosított platina részecskékre történő fókuszálásával kimutattuk, [5] hogy az Sn mennyisége (25 at.%) megfelel a várt Pt 3 Sn összetételnek. 2. ábra A 40Pt-Sn/C minta Sn 3d vegyértéksáv spektruma a szintézis utáni állapotban, 350 C-on hidrogénben történő redukció után, majd újraoxidálás után. szintézis utáni állapot Sn 3d adatok fémes Sn SnO 2 redukált visszaoxidált 505 500 495 490 485 480 Kötési energia (ev) Az XPS eredmények alapján (2. ábra) a levegőn tárolt 40Pt-Sn/C katalizátor SnO 2 és fémes Sn fázisokat tartalmazott. Az elektrospektrométer preparációs kamrájában H 2 -ben végzett 350 C-os in situ redukció során az ón teljes mennyisége fémes állapotúvá redukálódott (2. ábra), egy napos fellevegőzés után azonban az ón egy része visszaalakult SnO 2 -dá. Csoportunk korábbi tanulmányai igazolták az ón feldúsulását az ötvözettípusú PtSn katalizátor felületi rétegeiben és feltárták, hogy O 2 és H 2 jelenlétében a reverzibilis PtSn Sn 4+ + Pt átalakulás már szobahőmérsékleten is könnyedén végbemegy. [8] Így az ón könnyű redukálhatósága alátámasztja a kizárólagos Sn-Pt kölcsönhatás megvalósulását. A CO- és metanol elektrooxidációs mérések egyértelmű kapcsolatot mutatnak a TPR lépésben alkalmazott hidrogénes kezelés végső hőmérséklete (T red ) és az elektrokatalitikus aktivitás között (3. ábra). A mérések alapján arra következtethetünk, hogy az alacsonyabb kezelési hőmérséklet (T red = 250 C) előnyösebb elektrokatalitikus tulajdonságokat eredményezett. A Pt-Sn katalizátorok esetében a CO-oxidációs reakció kezdeti potenciálja 500 mv-tal kevésbé pozitív irányba tolódott a Pt/C-en mérhetőhöz képest. A metanol oxidációs reakcióban a 250 C-on történő hidrogénes kezelés hatására mindkét Pt-Sn/C katalizátor esetében növekedett a katalitikus aktivitás a Pt/C-en mérhetőhöz képest. A 40Pt/C katalizátor CO oxidációból meghatározott katalitikusan aktív felülete (ECSA) csak kis mértékben volt magasabb, mint a saját készítésű 20Pt/C mintáé (ECSA 20Pt/C / ECSA 40Pt/C = 0,8). A kapott eredmények alátámasztják, hogy az Sn mindkét, különösen a metanol oxidációs reakcióban jó promoter a Pt-alapú katalizátorokban. 132

3. ábra CO (A-C) és metanol (D-F) oxidáció a módosítatlan Pt/C, továbbá a 250 C-on és a 350 C-on redukált Pt-Sn/C katalizátorokon. Elektrolit: 0,5 M H 2 SO 4, 1 M metanol, polarizációsebesség: 10 mv s -1. j / ma cm -2 1,3 1,0 0,7 0,4 0,1-0,2 1,3 1,3 A B C 20Pt/C 1,0 20Pt/C 1,0 40Pt/C -0,5 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 E vs. RHE / V j / ma cm -2 0,7 0,4 0,1-0,2 20PtSn/C-250 20PtSn/C-350-0,5 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 E vs. RHE / V j / ma cm -2 0,7 0,4 0,1-0,2 40Pt/C 40PtSn/C-250 40PtSn/C-350-0,5 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 E vs. RHE / V j / ma cm -2 6 5 4 3 2 1 0 D 6 6 5 E 5 F 4 4 20PtSn/C-250 20Pt/C 40Pt/C 3 20PtSn/C-350 3 2 20Pt/C 2-1 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 E vs. RHE / V j / ma cm -2 1 0-1 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 E vs. RHE / V -1 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Összefoglalás. Ónnal módosított platina katalizátorokat hoztunk létre az IFR módszerrel, amelyek igen kedvező viselkedést mutatnak PEM tüzelőanyag-cellák COtoleráns anód elektrokatalizátoraként. A kívánt Pt/Sn = 3 aránnyal rendelkező katalizátorok közel sztöchiometrikus összetételű, elektrokatalitikusan aktív fcc Pt 3 Sn ötvözetfázist és bizonyos mennyiségű, platinában dús Pt (1-x) Sn x szilárdoldat fázist tartalmaznak. Eredményeink bizonyítják, hogy a Pt 3 Sn fázis mennyisége és diszperzitása is szabályozható. A megnövekedett aktivitás oka mindkét oxidációs reakcióban (i) a Pt 3 Sn fázis jelenléte és (ii) a kis részecskeméret. A kiindulási katalizátor platinatartalmának megfelezésével is jól használható elektrokatalizátorokat kaptunk. A szerzők köszönetüket fejezik ki az anyagi támogatásért a Nemzeti Fejlesztési Ügynökségnek ( : KTIA_AIK_12-1-2012-0014), és az Országos Tudományos Kutatási Alapprogramoknak (OTKA, K100793 és K77720) a kutatások anyagi támogatásáért. [1] S. García-Rodríguez, F. Somodi, I. Borbáth, J.L. Margitfalvi, M.A. Peña, J.L.G. Fierro, S. Rojas; Applied Catalysis B: Envoronmental, 2009 (91) 83-91. [2] T. Herranz, S. García, M.V. Martínez-Huerta, M.A. Peña, J.L.G. Fierro, F. Somodi, I. Borbáth, K. Majrik, A. Tompos, S. Rojas; International Journal of Hydrogen Energy, 2012 (37) 7109-7118. [3] J.L. Margitfalvi, I. Borbáth, E. Tfirst, A. Tompos; Catalysis Today, 1998 (43) 29-49. [4] J.L. Margitfalvi, I. Borbáth, M. Hegedűs, E. Tfirst, S. Gőbölös, K. Lázár; Journal of Catalysis, 2000 (196) 200-204. [5] I. Borbáth, D. Gubán, Z. Pászti, I.E. Sajó, E. Drotár, J.L.G. de la Fuente, T. Herranz, S. Rojas, A. Tompos; Topics in Catalysis, 2013 (56) 1033-1046. [6] P. Kim, J.B. Joo, W. Kim, J. Kim, I.K. Song, J. Yi; Journal of Power Sources, 2006 (160) 978-990. [7] J.L. Margitfalvi, I. Borbáth, M. Hegedűs, S. Gőbölös; Applied Catalysis A: General, 2001 (219) 171-182. [8] J.L. Margitfalvi, I. Borbáth, K. Lázár, E. Tfirst, Á. Szegedi, M. Hegedűs, S. Gőbölös; Journal of Catalysis, 2001 (203) 94-103. j / ma cm -2 1 0 40Pt-Sn/C-350 40Pt-Sn/C-250 40Pt/C E vs. RHE / V 133

Ga 2 O 3 KATALIZÁTOROK SZERKEZETI ÁTALAKULÁSA FOTOKATALITIKUS METANOL REFORMÁLÁS ALATT Vass Ádám, Pászti Zoltán, Tálas Emília, Bálint Szabolcs, Németh Péter, Tompos András MTA Természettudományi Kutatóközpont, Anyag- és Környezetkémiai Intézet, 1117 Budapest, Magyar tudósok körútja 2. A Ga 2 O 3 optikai és elektromos tulajdonságai miatt sok szempontból ígéretes anyag. Mivel széles tiltott sávú félvezető (~4,6 ev), az UV sugárzás tartományában jó fotokatalizátor lehet. Aktivitását gyakran tesztelik szennyező komponensek oxidációs lebontásában vizes fázisban (például rodamin B, [1] szalicilsav [2] ). A Ga 2 O 3 -ot alkalmazták illékony aromás vegyületek (benzol, toluol, etilbenzol) fotokatalitikus elbontására száraz levegő áramban is. [3] A degradációs reakciók mellett a Ga 2 O 3 aktív metán nem-oxidatív kapcsolási reakciójában, [4] metán fotokatalitikus gőz reformálásában, [5] és fotokatalitikus vízbontásban. [6] Ez utóbbi két reakció célterméke a H 2, amely ígéretes új energiahordozó. Ismeretes, hogy a felületi fémoxid vagy nemesfém nanorészecskék növelik a fotokatalizátor hatékonyságát azáltal, hogy sikeresen megakadályozzák a besugárzás hatására kialakult elektron-lyuk pár rekombinációját. [7] Emellett a kokatalizátornak van egy kevésbé hangsúlyozott, ám fontos szerepe, katalizálhatja azokat az elemi reakciólépéseket is, amelyek nem kapcsolódnak közvetlenül a besugárzáshoz, a töltés szeparációhoz. [8] A fotokatalitikus hidrogéntermelést tekintve a Pt nemcsak az elektroncsapdázáshoz a legjobb kokatalizátor, hanem kiváló katalitikus aktivitást mutat a H + redukciójában, és elősegíti a felületi adszorbeált H atomok egyesülését molekuláris hidrogénné. A H 2 fejlődésre a legalacsonyabb aktiválási energiát a platinán mérték. [8] Munkánkban Pt/Ga 2 O 3 fotokatalizátor rendszert hoztunk létre. Célunk volt a Pt kokatalizátor szerepének vizsgálata, a katalizátorok jellemzése anyagvizsgálati módszerekkel a fotokatalitikus reakció előtt és után. Modell reakcióként a metanol fotokatalitikus reformálását (1) választottuk. (1) Kiindulási anyagként kereskedelmi -Ga 2 O 3 -ot (Aldrich) használtunk. Felületére 1 m/m% Pt-t vittünk fel Pt(NH 3 ) 4 (NO 3 ) 2 vizes oldatával történő impregnálással. Ezután a mintát 90 C-on szárítottuk (12 h), majd 300 C-on kalcináltuk (1 h). A metanol fotokatalitikus reformálását a gáztér analizálására átalakított belső megvilágítású fotoreaktorban (UV-Consultig Peschl UV-Reactor System 1, TQ 150 Z2 (150 W) Hg lámpa) vizsgáltuk 30-35 C hőmérsékleten, 6 V/V %-os metanol oldat (370 cm 3 ) és 50-300 mg katalizátor felhasználásával 4 órán át. A reaktoron N 2 áramlott keresztül, a H 2 fejlődést gázkromatográfiával követtük SUPELCO Carboxen 1010 kolonna, hővezető képességi detektor és argon belső standard használatával. A fotokatalitikus reakció után a használt fotokatalizátor mintákat visszanyertük a metanolos oldatból. A kiindulási Ga 2 O 3 -ot, az impregnálást követő kalcinálással előállított Pt/Ga 2 O 3 -t, valamint a használt Ga 2 O 3 -ot és a használt, Pt tartalmú katalizátort röntgendiffrakcióval (XRD), 134

transzmissziós elektronmikroszkópiával (TEM) és röntgen fotoelektron spektroszkópiával (XPS) jellemeztük. Az 1. ábrán látható, hogy a kokatalizátor jelenlétében mintegy négyszeresére növekedett a H 2 termelés. A görbe felfutó szakasza egyrészt abból adódhatott, hogy a szilárd-folyadék-gáztér rendszerben a H 2 -nek egyensúlyba kellett kerülnie, másrészt a jelenség utalhat a katalitikusan aktív helyek in situ kialakulására is. 1. ábra. Fotokatalitikus hidrogénfejlődés. : Ga 2 O 3 : Pt/Ga 2 O 3 Az XRD eredmények (2. ábra) szerint a kalcinálással történő Pt felvitel nem változtatta meg a tömbi Ga 2 O 3 -ot. A használt Ga 2 O 3 katalizátor szerkezete nem tér el a kiindulási Ga 2 O 3 -étól, azonban a Pt-t tartalmazó használt katalizátor szerkezete alapvető különbséget mutat. A Ga 2 O 3 helyett egy új fázis, a GaOOH jelent meg. [9] A Ga 2 O 3 alapú minták TEM képei (3. ábra) összhangban vannak az XRD eredményekkel. A 2A-C ábrán látható minták megjelenése egymáshoz hasonló, m tartományba eső rudakból épülnek fel. Az erősebb nagyítású felvételeken megfigyelhető, hogy már a Pt bevitel hatására kisebb változás lépett fel. A Pt-t tartalmazó használt katalizátor (2. D ábra) azonban az előzőektől teljesen eltérő képet adott. A diffrakciós kép (2. D ábra) szintén bizonyítja, hogy a Pt/Ga 2 O 3 minta a fotokatalitikus reakció során átalakult, a használt katalizátor csak GaOOH-ot tartalmazott. Az 1. táblázat a minták XPS vizsgálata során kapott legfontosabb eredményeket foglalja össze. 1. táblázat. A Ga 2 O 3 alapú minták XPS vizsgálata Ga 2 O 3 Használt Impregnált Kalcinált Használt Ga 2 O 3 Pt/Ga 2 O 3 Pt/Ga 2 O 3 Pt/Ga 2 O 3 72,3 71,2 70,8 Pt 4f -- -- 72,6 72.4 73,7 Ga 3d 20,5 20,2 20,3 20,4 20,2 O 1s 531,4 531,3 531,4 531,4 531,2 533,1 532,9 533,1 533,0 532,6 Ga/O arány 0,75 0,65 0,71 0,70 0,53 135

2. ábra. A Ga 2 O 3 alapú minták XRD felvételei. A: Ga 2 O 3 használat előtt, B: Ga 2 O 3 használat után, C: Pt/Ga 2 O 3 használat előtt; D: Pt tartalmú használt katalizátor A kiindulási Ga 2 O 3 minta 20,5 ev-os Ga 3d kötési energiája a várakozásokkal összhangban a teljesen oxidált galliumnak felel meg. [10] Az O 1s sáv minden vizsgált minta esetében két komponensre bontható. Az 531,2-531,4 ev körüli kötési energiájú erősebb csúcs Ga 2 O 3 -hoz rendelhető, [11] míg az 533 ev körüli kötési energiájú gyengébb komponens felületi OH csoportoktól származtatható. [12] A fotokatalitikus kísérlet után vizsgált Ga 2 O 3 minta esetében a Ga 3d csúcs néhány tized elektronvolttal eltolódik kisebb kötési energiák felé, miközben kismértékben szélesebbé válik. A Ga 3d csúcs kötési energiájának és a Ga L 3 M 45 M 45 Auger-elektroncsúcs kinetikus energiájának összegeként számított Auger-paraméter értéke ugyanakkor a Ga 2 O 3 -ra jellemző 1082,6-1082,7 ev marad, jelezve, hogy a Ga továbbra is megőrizte a 3 + ionizációs állapotát. A Ga 3d csúcs kötési energiájának és alakjának változása tehát arra utal, hogy a használt Ga 2 O 3 katalizátorok felületén az oxidréteg jellegében más, mint a kiinduló állapotban, bár továbbra is Ga 3+ ionokat tartalmaz. A szerkezeti vizsgálatok és a későbbiek tükrében valószínűsíthető, hogy a katalizátorrészecskék felületén GaOOH képződésére került sor. Az irodalomban rendelkezésre álló kisszámú adat alapján, [13-14] a GaOOH-ban a Ga 3d csúcs kötési energiája 20,0-20,1 ev körül van. A csökkenő Ga/O arány (növő oxigéntartalom) és az O 1s spektrum növekvő OH-eredetű komponense (4. A ábra) szintén alátámasztja a katalitikus folyamat során végbemenő Ga 2 O 3 GaOOH átalakulásra vonatkozó feltevést. A kvantitatív kiértékelés szerint a Pt/Ga 2 O 3 fotokatalizátorok Pt tartalma megfelel a tervezett értéknek (1-2 m/m %). A Pt kokatalizátor aktiválása során felvett, és a használt fotokatalizátoron mért Pt 4f spektrumok a 4B ábrán láthatók. A Pt-só felvitelét követő állapotban (impregnált katalizátor) a Pt 4f spektrum széles 4f 7/2-4f 5/2 dublettje 72,3 ev 136

kötési energiánál található 4f 7/2 komponenssel Pt 2+ ionok jelenlétét mutatja. [11,15] Az impregnált mintában fémes platinára utaló jel (Pt 4f 7/2 csúcs 71,2 ev kötési energia körül [11] ) nem található. Az impregnált Pt/Ga 2 O 3 Ga 3d csúcsa a kiindulási porban mértnél kicsit kisebb kötési energiánál található. A Ga Auger-paraméter értéke megfelel a Ga 3+ ionállapotnak, az O 1s spektrum pedig megegyezik a kezeletlen Ga 2 O 3 poréval. 3. ábra A Ga 2 O 3 alapú minták TEM felvételei A: Ga 2 O 3 használat előtt, B: Ga 2 O 3 használat után, C: Pt/Ga 2 O 3 használat előtt; D: Pt tartalmú használt katalizátor A kalcinálás a Pt részleges redukcióját eredményezi: bár a Pt 4f spektrum legerősebb járuléka továbbra is a Pt 2+ ionállapothoz rendelhető (Pt 4f 7/2 kötési energia: 72,6 ev), de szintén erős a fémes platinától származó jel (71,2 ev). A harmadik gyenge csúcspár 73,6 ev-nál Pt 4+ ionoktól (pl. PtO 2 ) származik. [15] A Ga 3d kötési energia és a Ga Augerparaméter alapján a kalcinált fotokatalizátor gyakorlatilag teljesen Ga 2 O 3 -ból áll. A használt Pt/Ga 2 O 3 fotokatalizátor Ga 3d kötési energiája a Pt-mentes használt katalizátoréhoz hasonlóan kisebb értékek felé tolódott; ezzel párhuzamosan az oxigén tartalom és a hidroxil eredetű O 1s komponens (4. A ábra) is jelentősen növekedett. A szerkezetvizsgálati módszerek a használt mintában a Ga 2 O 3 részleges GaOOH-dá alakulását igazolták, így az XPS-el megfigyelt változásokat biztonsággal tulajdoníthatjuk az oxihidroxid fázis megjelenésének. A fotokatalitikus reakció során a platina további redukciójára került sor (4. B ábra). A Pt 4f spektrumban még mindig megtalálható a Pt 2+ ionok járuléka (72,4 ev), de az erősebb komponens fémes platinától származik, amelynek kötési energiája ráadásul szokatlanul kicsi (70,8 ev). 137

Az XPS adatok a szerkezetvizsgálati eredményekkel összhangban azt jelzik, hogy a metanol fotokatalitikus reformálási reakciója (besugárzás/in situ hidrogénfejlődés) során a Ga 2 O 3 legalább részben GaOOH-dá alakul, ezzel párhuzamosan a Pt fokozatosan redukálódik, így a katalitikusan aktív rendszer a reakciókörülmények között alakul ki. A fémes Pt komponens szokatlanul kicsi Pt 4f 7/2 kötési energiája a Pt szemcsék elektrondús környezetére utal, ami a kokatalizátor szerepének megfelelően a Ga-oxid/oxihidroxid felől a Pt felé irányuló elektronátadás eredménye. A kokatalizátor fontosságát mutatja a jelenlétében megnövekedett hidrogéntermelés is. 4. ábra XPS eredmények. A: O 1s spektrumok, B: Pt 4f spektrumok A szerzők köszönik az anyagi támogatást a Nemzeti Fejlesztési Ügynökségnek (KTIA_AIK_12-1-2012-0014) és az Országos Tudományos Kutatási Alapprogramoknak (OTKA K77720 (Tompos András); OTKA K100793 (Pászti Zoltán)). [ 1 ] K. Girija, S. Thirumalairajan, A. K. Patra, D. Mangalaraj, N. Ponpandian, C. Viswanathan; Current Applied Physics 2013 (13) 652-658. [ 2 ] Y. Hou, J. Zhang, Z. Ding, L. Wu; Powder Technology 2010 (203) 440-446. [ 3 ] Y. Hou, L. Wu, X. Wang, Z. Ding, Z. Li, X.Fu; Journal of Catalysis 2007 (250) 12-18. [ 4 ] L. Yuliati, T. Hattori, H. Itoh, H. Yoshida; Journal of Catalysis 2008 (257) 396-402. [ 5 ] K. Shimura, et al.; Journal of Physical Chemistry C 2010 (114) 1146-11474. [ 6 ] Y. Sakata, Y. Matsuda, T. Yanagida, et al.; Catalysis Letters 2008 (125) 22-26. [ 7 ] A. L. Linsebigler, G. Lu, T. Yates; Chemical Reviews 1995 (95) 735-758. [ 8 ] J. Yang, D. Wang, H. Han, C. Li; Account of Chemical Research 2013 (46) 1900-9. [9] M. Muruganandham et al.; Journal of Physical Chemistry C 2012 (116) 44-53. [ 1 0] C.C. Surdu-Bob, S.O. Saied, J. Sullivan, Applied Surface Science 2001 (183) 126-136 [ 1 1] C.D. Wagner, et al.; NIST X-ray Photoelectron Spectroscopy Database, Version 3.4, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD 2003; http://srdata.nist.gov/xps/ [ 1 2] K. Maeda et al.; Journal of Physical Chemistry. B 2005 (109) 20504-20510. [ 1 3] J.M. Epp, J.G. Dillard, Chemistry of Materials 1989 (1) 325-330. [ 1 4] X. Zhang, S. Ptasinska, Journal of Physical Chemistry C 2014 (118) 4259-4266. [ 1 5] V. Matolín et al; Langmuir 2010 (26) 12824-12831. 138

BIOMASSZÁBÓL ELŐÁLLITOTT OPTIKAILAG AKTÍV PLATFORM MOLEKULA STABILITÁSÁNAK ÉS ALKALMAZÁSÁNAK VIZSGÁLATA Fridrich Bálint 1, Tukacs József Márk 1, Mika László Tamás 1 1 1. BME Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék 1111 Budapest, Budafoki út 8. A földgáz, a kőolaj, illetve a kőszén, azaz a fosszilis energiahordozók felhasználása az emelkedő népességszámmal, illetve a rohamosan növekvő emberi igényekkel látszólag megállíthatatlanul emelkedik. Mivel az energiahordozók kitermelése egyre nagyobb költséget jelent, amely egyben emelkedő alapanyagárat is jelent a vegyiparnak, a megújuló források nyersanyagként történő alkalmazási lehetőségének kutatása egyre sürgetőbb. Kutatómunkám során megvizsgáltam a biomassza eredetű hulladékok optikailag aktív gamma-valerolaktonná, mint javasolt királis platform molekulává történő átalakításának lehetőségét és az előállított termék kiralitáscentrumának stabilitását. Kísérleteim igazolták, hogy a korábban kidolgozott eljárások alapján D-fruktózból savkatalizált dehidratációval előállított levulinsavból 100%-os konverzióval, kemoszelektivitással és 78%-os enantiomertöbblettel (ee) sikerült (S)-gamma-valerolaktont (GVL) előállítani, azaz a levulinsavban található esetleges szennyezők nem befolyásolják az alkalmazott katalizátor aktivitását és szelektivitását. További kísérlettel igazoltam, hogy nem ehető mezőgazdasági hulladékból (búzaszalma, napraforgóhéj stb. keveréke), azonos technológiával előállított majd vákuumdesztillációval tisztított levulinsavat szintén 100%- os kemoszelektivitással és 80%-os enantiomertöbblettel (ee) lehetett (S)-gammavalerolaktonná redukálni. [1] 1. ábra (S)-GVL előállítása fruktózból illetve biomassza hulladékból Az optikailag aktív GVL további felhasználása (gyűrűnyítás/zárás) szempontjából kulcskérdés a molekula királitáscentrumának stabilitása. Az előbbiként előállított (S)-GVL sztereo centrumának stabilitását 1-13-mas ph- és 25-100 C hőmérséklet tartományban 139

vizsgáltam. A GVL gyűrű felnyílását majd visszazáródását 18O izotópjelzéses technika segítségével igazoltam. Eredményeim szerint a vizsgált tartományban a GVL királis szénatomjának abszolút konfigurációja nem változott meg. A stabilitásvizsgálat után az optikailag aktív GVL felhasználásával előállítottam további két optikailag aktív vegyületet, amelyeknek szerkezetét NMR-el és/vagy királis állófázisú gázkromatográf segítségével igazoltam. A preparált ionos folyadék (tetrabutilammonium-(s)-4-hidroxivalerát [TBA](S)- [4HV]) királis reakció-közegként használható, míg a GVL további redukciójával nyert optikailag aktív 1,4-pentándiol (1,4-PDO) építőkőként kerülhet felhasználásra további szerves kémiai szintézis sémákban. Továbbá bemutatom az optikailag aktív 1,4-PDO általunk alkalmazott szintézisének zöldkémiai szempontok alapján elvégzett elemzését. Egy korábbi értékelés adta az ötletet, amelyben a racém GVL transzferhidrogénezéssel történő előállítását értékelte ki a szerző. [2] [1] J. M. Tukacs, B. Fridrich, G. Dibó, E. Székely, L. T. Mika, Green Chemistry, 2015 DOI: 10.1039/C5GC01099C [2] I. T.Horvath; Chimica Oggi - Chemistry Today - 2014, 32 (5), 76-79 140

NÍVÓDÍJAS ELŐADÁSOK SZEKCIÓJA 141

P-LIGANDUMMENTES PD- ÉS NI-KATALIZÁLT P-C KAPCSOLÁSI REAKCIÓK Balázs László Bertalan, Jablonkai Erzsébet, Keglevich György Szerves Kémia és Technológia Tanszék, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, 1521 Budapest 1980-ban Hirao valósította meg az első P-C kapcsolási reakciót, mely során vinil- és aril-halogenideket reagáltatott dialkil-foszfitokkal tetrakisz(trifenilfoszfin) palládium katalizátor és trietil-amin jelenlétében. [1] Az elmúlt 30 évben számos alternatív eljárást dolgoztak ki, melyek között találhatunk fázistranszfer katalitikus, illetve mikrohullámú (MW) körülmények között megvalósított kapcsolási reakciókat is. [2] Aril-bromidok és >P(O)H-funkciót tartalmazó vegyületek (dialkil-foszfit és fenil-hfoszfinátok) reakcióját vizsgáltuk átmeneti fém katalizátor (Pd(OAc) 2 és NiCl 2 ) jelenlétében P-ligandummentes MW körülmények között. [3-6] Különböző szubsztituált arilbromidok és >P(O)H-funkciót tartalmazó vegyületek kapcsolási reakcióit vizsgálva általános következtetéseket vontunk le a kiindulási anyagok reakciókészségére vonatkozóan. Az optimális reakcióparamétereket a hőmérséklet, a reakcióidő és az alkalmazott katalizátor mennyiség változtatásával határoztuk meg. Tanulmányoztuk az aril-bromidok és a dietil-foszfit hozzáadott ligandum nélkül végzett Pd-katalizált P C kapcsolási reakcióját trietil-amin bázis jelenlétében oldószermentes MW körülmények között. Célunk volt az aril-gyűrűn para-, illetve metahelyzetben megjelenő elektronküldő és elektronszívó szubsztituensek hatásának vizsgálata, mely során megállapítottuk, hogy a szubsztituált származékok minden esetben kisebb reakcióképességűek, mint a brómbenzol. Továbbá ezzel bizonyítani kívántuk az új eljárásunk széles alkalmazhatóságát is az aril-bromidok tekintetében. 1. ábra Pd-katalizált P-C kapcsolási reakciók Munkánk második részében megvalósítottuk az aril-bromidok és dialkil-foszfitok, illetve alkil-fenil-h-foszfinátok Ni-katalizált P-C kapcsolási reakcióját K 2 CO 3 bázis jelenlétében acetonitril oldószerben. A Pd-katalizált reakciókhoz hasonlóan a NiCl 2 alkalmazása esetén is vizsgálni kívántuk a kapcsolás kiterjeszthetőségét. Eredményeink alapján elmondható, hogy a Ni-katalizált eljárás kiválóan alkalmazható számos >P(O)Hfunkciót tartalmazó vegyület átalakítására. Ezzel szemben a szubsztituált aril-bromidok esetén inkább a Pd-katalizált P C kapcsolási reakciókat találtuk hatékonyabbnak. 142

2. ábra Ni-katalizált P-C kapcsolási reakciók Az általunk kidolgozott eljárás egy gyors és hatékony P-C kapcsolási reakciót tett lehetővé, melyet sikeresen kiterjesztettünk különböző aril-bromidok és >P(O)H-funkciót tartalmazó vegyületek átalakítására. [1] T. Hirao, T. Masugana, Y. Ohshiro, T. Agawa; Tetrahedron Letters, 1980 (21) 3595-3598. [2] E. Jablonkai, Gy. Keglevich; Current Organic Synthesis, 2014 (11) 429-453. [3] E. Jablonkai, Gy. Keglevich; Tetrahedron Letters, 2013 (54) 4185-4188. [4] Gy. Keglevich, E. Jablonkai, L. B. Balázs; RSC Advances, 2014 (4) 22808-22816. [5] E. Jablonkai, L. B. Balázs; Gy, Keglevich; Current Organic Chemistry, 2015 (19) 197-202. [6] E. Jablonkai, L. B. Balázs; Gy, Keglevich; Phosporus, Sulfur and Silicon and the Related Elements, 2015 (190) 660-663. 143

NITROGÉNNEL ADALÉKOLT TIO 2 NANORÉSZECSKÉK ALACSONY HŐMÉRSÉKLETŰ ELŐÁLLÍTÁSA TITANÁT NANOCSÖVEKBŐL Buchholcz Balázs 1, Haspel Henrik 1, Kukovecz Ákos 1,2, Kónya Zoltán 1,3 1 Szegedi Tudományegyetem, Alkalmazott és Környezeti Kémiai Tanszék, H-6720 Szeged, Rerrich Béla tér 1. 2 MTA-SZTE Lendület Pórusos Nanokompozitok Kutatócsoport, H-6720 Szeged, Rerrich Béla tér 1. 3 MTA-SZTE Reakciókinetikai és Felületkémiai Kutatócsoport, H-6720 Szeged, Rerrich Béla tér 1. Az elmúlt két évtizedben a nanocsövek váltak a gyorsan fejlődő új kutatási terület, a nanotechnológia, szimbólumává. Trititanát szerkezetű nanocsöveket (Na x H 2-x Ti 3 O 7 ) először Kasuga és munkatársai állítottak elő. [1] Nagy fajlagos felületű TiO 2 -ot szerettek volna előállítani, így javítva annak fotokatalitikus tulajdonságait. Az általuk alkalmazott alkáli lúgos kezelés hatására azonban morfológiai változást tapasztaltak, és ~8 nm átmérőjű, ~100 nm hosszúságú csőszerű képződmények jelentek meg a mintában. Napjainkban számos felhasználási lehetőségük ismert: nagy fajlagos felületű mezopórusos katalizátor-hordozók, adszorbensek, ioncserélők, alkalmazzák lítium-ionos akkumulátorok fejlesztéséhez, az orvosbiológiában, valamint ígéretes fotokatalizátorok. [2] Munkánk során hidrotermális eljárással titanát nanocsöveket állítottunk elő, amelyeket protonálás után nitrogénnel adalékoltunk. Nitrogénforrásként karbamid hőbontásával fejlesztett ammóniagázt használtunk, ami a későbbiekben az eddig ismert gázfázisú eljárások olcsó és alacsony hőmérsékletű alternatíváját jelentheti. 1. ábra A titanát nanocsövek TEM és SAED felvétele a 24 órás adalékolás előtt, ill. után 144

Az adalékolás idejének változtatásával előállított mintasorozat egyes tagjait különböző hőmérsékleteken kalcináltuk, és az anyag morfológiájában, valamint fázisában bekövetkező változásokat tanulmányoztuk. Vizsgálatainkhoz transzmissziós és pásztázó elektronmikroszkópiát (TEM, SEM), energiadiszperzív röntgenspektrometriát (EDS), valamint röntgen-, és határolt területű elektrondiffrakciós (XRD, SAED) méréseket alkalmaztunk. A nitrogéntartalom növekedésével, illetve a kalcinálás hőmérsékletének emelkedésével a titanát nanocsövek méret-, és alakbeli változást szenvedtek, továbbá fázisösszetételük is módosult. A nanocsövek az alkalmazott hőkezelés hatására fokozatosan előbb anatáz, majd rutil fázisú TiO 2 -dá alakultak át. Ezzel párhuzamosan a kezdeti csöves morfológia felbomlott: az alacsonyabb hőmérsékletekre jellemző rúdszerű formából szabályos alakú, nitrogénnel adalékolt nanorészecskék alakultak ki. [3] 2. ábra A nitrogénnel adalékolt titán-oxidok morfológiájának és kristályszerkezetének változása az adalékolási idővel, valamint a hőkezelés hőmérsékletével. [1] T. Kasuga, M. Hiramatsu, A. Hoson, T. Sekino, K. Niihara; Langmuir, 1998 (4) 3160-3163. [2] D. V. Bavykin; Titanate and titania nanotubes: synthesis, properties and applications, Royal Society of Chemistry, 2010. [3] B. Buchholcz, H. Haspel, A. Kukovecz, Z. Kónya; CrystEngComm, 2014 (32) 7486-7492. 145

SZTEREOGÉN NITROGÉNATOMMAL RENDELKEZŐ FOSZFIN- AMIN LIGANDUMOK KOORDINÁCIÓS ÉS KATALITIKUS TULAJDONSÁGAINAK VIZSGÁLATA Császár Zsófia, Farkas Gergely, Bakos József Pannon Egyetem, Szerves Kémia Intézeti Tanszék, 8200 Veszprém, Egyetem u.10. Az aszimmetrikus szintetikus módszerek a zöld kémia fontos területét jelentik, hiszen a finomkémiai eljárásokban minden sikeres aszimmetrikus katalitikus lépéssel csökkenthető a szintézisben felhasznált anyag mennyisége. Az enantioszelektív katalitikus reakciók további előnye, hogy a királis információt kis mennyiségű katalizátor képes átadni nagy mennyiségű terméknek. A királis információ átvitele megvalósítható homogén átmenetifém-komplexekkel, heterogén katalizátorokkal, immobilizált komplexekkel és enzimekkel egyaránt. Az átmenetifém-katalizált enantioszelektív szintézisek körében előtérbe került a királis, kelátképző ligandumok alkalmazása, melyek számos aszimmetrikus reakció hatékony katalizátorainak bizonyultak. E vegyületek között kiemelkedő jelentőségűek a C 1 - szimmetriájú, kelátképző heterodonor ligandumok, melyek nem csak sztérikus, de elektronikus aszimmetriával is rendelkeznek. A ligandumok nagy családjában különleges helyet foglalnak el a foszfor és nitrogén donoratomokkal rendelkező foszfin-amin (P,N) típusú kelátképző vegyületek. A P,N-ligandumok kiváló katalitikus jellemzői elsősorban eltérő elektronikus tulajdonságú donoratomjaiknak köszönhetők: a nitrogén- és foszforatom különböző σ-donor és π-akceptor sajátságú. A foszfin-amin típusú ligandumok különleges csoportját képezik azon vegyületek, melyekben a nitrogénatomon a koordináció során kiralitáscentrum alakul ki, mely tovább növelheti a reakció enantioszelektivitását. Munkám során sztereogén nitrogénatommal rendelkező, királis foszfin-amin típusú ligandumokat állítottam elő (1. ábra). [1] A ligandumok koordinációs tulajdonságait röntgendiffrakciós, spektroszkópiai és kvantumkémiai módszerekkel tanulmányoztam, továbbá vizsgáltam a vegyületeket palládium-katalizált aszimmetrikus allil-helyzetű szubsztitúciós reakciókban. 1.ábra Királis P,N-típusú ligandumok Az (S,S)-pentán-2,4-diil-vázat tartalmazó vegyületek szintézise egyszerűen, két lépésben megvalósítható (2. ábra). Először az optikailag tiszta ciklikus szulfátot és a megfelelő primer amint reagáltatjuk THF-ban vagy oldószer nélkül. Az így képződött ikerionos szerkezetű aminoalkil-szulfáthoz három ekvivalens LiPPh 2 -ot adva a kívánt aminoalkil-foszfin keletkezik. Fontos megjegyezni, hogy mindkét lépés a pentán-2,4-diil vázban lévő aszimmetriacentrumokon inverzióval játszódik le, a reakció teljes sztereoszelektivitással megy végbe, tehát (R,R)-szulfátból kiindulva (S,S)-aminoalkilfoszfint kapunk. 146

2. ábra P,N-ligandumok előállítása ciklikus szulfát-észter sztereoszelektív gyűrűnyitásával Az előállított ligandumok koordinációs tulajdonságait palládium-komplexeik felhasználásával tanulmányoztam. A fémkomplexek egyszerűen előállíthatók [Pd(COD)Cl 2 ] és a megfelelő ligandum reakciójával (3. ábra). 3. ábra Foszfin-amin ligandumok Pd-komplexeinek előállítása A komplexképzés során hattagú kelátgyűrű alakul ki, mely többféle konformációt is felvehet. A ciklohexán konformációs állapotai alapján a szék, kád és csavart kád formákat kell figyelembe venni. Ezen állapotok közül a szék konformer a legstabilabb, a magas energiatartalmú kád forma képződésétől eltekinthetünk. A lehetséges konformerek szerkezetének jellemzéséhez ugyanakkor figyelembe kell vennünk a nitrogénatom piramidális inverzióját. Abban az esetben, amikor a nitrogénatomhoz három különböző atom vagy atomcsoport kapcsolódik, tehát a nitrogénatom kiralitáscentrum, a piramidális inverzió egyben konfiguráció-változással is jár. Ezen vegyületek enantiomerjei csak abban az esetben választhatók el egymástól, ha a nitrogénatom inverziója gátolt. A nitrogénatom konfigurációja rögzíthető oly módon, hogy a N-atom nemkötő elektronpárját egy fémhez történő koordináció segítségével blokkoljuk, ekkor az egyes izomerek elvben szétválaszthatók. Az említett megfontolások alapján az előállított ligandumok Pd-komplexeinek keletkezésekor a nitrogénatom illetve a gyűrű inverziójának következtében négyféle székformát (4. ábra) és 12 különböző csavart kád szerkezetet különböztethetünk meg. A kelát-komplexek térszerkezetének meghatározására IR és NMR spektroszkópiai, röntgendiffrakciós és kvantumkémiai módszereket alkalmaztam. 147

4. ábra A kelát-komplexek lehetséges szék konformerei A spektroszkópiai vizsgálatok során bizonyítottam, hogy a nitrogénatom központi atomhoz történő koordinációja sztereoszelektíven játszódik le. A koordináció sztereoszelektivitása jelentős mértékben függ a nitrogénhez kapcsolódó szubsztituens minőségétől: az i-pr- és t-bu-csoportot tartalmazó ligandum teljes sztereoszelektivitással koordinálódik, míg a Me-szubsztituenst tartalmazó vegyület esetében a komplexképzés során izomerek elegye keletkezik. A Pd-komplexek oldatfázisbeli konformációjának vizsgálata érdekében a vegyületekről 1 H- 1 H COSY spektrumokat készítettünk és a Karplusegyenlet segítségével konformáció-analízist végeztünk. A megfelelő csatolási állandók ismeretében az egyenlettel meghatározott torziós szögek felhasználásával megállapítottuk, hogy a kelátgyűrű szék konformációban stabilizálódik, ahol a vázban lévő metilcsoportok a foszforatomtól a nitrogénatom felé haladva ekvatoriális illetve axiális pozícióban (ea) helyezkednek el. A nitrogénen metilcsoportot tartalmazó komplex esetében azonban a kisebb mennyiségben jelenlévő izomer ae konformációt vesz fel. Az i-pr-csoportot tartalmazó ligandummal képzett fémkomplex acetonos oldatából bepárlással növesztett egykristályról röntgendiffrakciós felvétel is készült, mely alátámasztja a 1 H NMR spektrum alapján meghatározott térszerkezetet, vagyis az energetikailag kedvező szék konformer kialakulását és a kelátgyűrű metilcsoportjainak ea elrendeződését. Az előállított Pd-komplexek térszerkezetét kvantumkémiai számításokkal (DFT) is igazoltam, de tekintettel a korábbi vizsgálatok eredményeire csak a négy lehetséges szék konformációjú komplexet vizsgáltam. A nagy térkitöltésű N-szubsztituenseket tartalmazó komplexek esetén az eaa pozíciójú szubsztituenseket tartalmazó komplexek bizonyultak a legalacsonyabb entalpiájú konformereknek (az N-szubsztituens axiális helyzetű), míg az N- Me-csoportot tartalmazó ligandum esetében az aea konformer entalpiája közel azonosnak adódott az eaa konformerével. A látszólag kedvezőbb ekvatoriális pozíció helyett axiális helyzetbe kerülő N-szubsztituensek orientációja feltehetően sztérikus okokra vezethető vissza. A Me-csoportottal rendelkező ligandum esetében a közel egyenlő entalpiájú 148

állapotok kialakulására valószínűleg azért kerül sor, mert az N-metilcsoport kisebb méretének köszönhetően a vázban lévő metil-szubsztituens ekvatoriális pozícióban is stabilizálódhat. A nagy térkitöltésű i-pr- és t-bu-csoportokat tartalmazó ligandumok kelátkomplexeinél azonban ez az elrendeződés magas entalpiájú szerkezetet eredményezne. Az előállított ligandumok katalitikus tulajdonságait (E)-1,3-difenilallil-3-acetát és dimetil-malonát Pd-katalizált aszimmetrikus allil-szubsztitúciós reakciójában vizsgáltam (5. ábra). A legjobb optikai hozamot (94% ee) a nitrogénen i-pr-csoportot tartalmazó ligandum szolgáltatta. 5. ábra A vizsgált aszimmetrikus allil-helyzetű szubsztitúció A vizsgált ligandumokban a nitrogénhez kapcsolódó eltérő szubsztituensek katalitikus rendszerre gyakorolt hatását különböző ligandum/palládium mólarány mellett is tanulmányoztam. A metilcsoporttal rendelkező ligandum esetében az eltérő mólarányok mellett közel azonos enantioszelektivitás értékeket értem el, míg a nagy térkitöltésű N- szubsztituenseket tartalmazó vegyületek alkalmazásakor a mólarány növelésével a reakció optikai hozama jelentősen csökkent. A jelenség feltételezhetően azzal magyarázható, hogy a L/Pd mólarány növelésével a kelát-komplex mellett nő a két, foszforatomjával koordinálódó ligandumot tartalmazó nem-kelát-komplexek aránya, melyek rosszabb enantioszelektivitást nyújtanak a katalitikus reakcióban. A vizsgálatok során a legjobb eredményeket szolgáltató i-pr-csoportot tartalmazó ligandummal módosított katalizátor-komplex tulajdonságait többféle C-nukleofil reaktáns felhasználásával is tanulmányoztam. Megállapítottam, hogy az alkalmazott ligandum mindegyik esetben kiemelkedően jó aktivitással (1 órás reakcióidő után teljes konverzió) és szelektivitással (96% ee) szolgáltatja a kívánt terméket, mely feltehetően a sztereoszelektív komplexképződés következménye. [2] Az elért katalitikus eredmények alapján elmondható, hogy az előállított katalizátormódosító ligandumok hatékony katalizátorainak bizonyultak a vizsgált enantioszelektív allil-szubsztitúciós reakciónak. Köszönetnyilvánítás: A kutatás a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal NKFIH, K 115539 azonosítószámú projektje támogatásával és részben a TÁMOP-4.2.2.B- 15/1/KONV-2015-0004 pályázat segítségével valósult meg. A kutatás további támogatója a TÁMOP 4.2.4.A/2-11-1-2012-0001 Nemzeti Kiválóság Program elnevezésű projekt. [1] (a) G. Farkas, Zs. Császár, Sz. Balogh, I. Tóth, J. Bakos, Tetrahedron Letters, 2014 (55) 4120-4122. (b) Sz. Balogh, G. Farkas, J. Madarász, Á. Szöllősy, J. Kovács, F. Darvas, L. Ürge, J. Bakos, Green Chemistry, 2012 (14) 1146-1151. [2] Z. Császár, G. Farkas, A. Bényei, G. Lendvay, I. Tóth, J. Bakos, Dalton Transactions, 2015 (44) 16352 16360. 149

HEPARIN-ANALÓG PENTASZACHARIDOK ANTITROMBIN-III FEHÉRJÉVEL VALÓ KÖLCSÖNHATÁSÁNAK ÖSSZEHASONLÍTÁSA NMR SPEKTROSZKÓPIAI MÓDSZEREK ÉS MOLEKULADINAMIKAI SZÁMÍTÁSOK SEGÍTSÉGÉVEL Gyöngyösi Tamás 1, Komáromi István 2, E. Kövér Katalin 1 1 Debreceni Egyetem Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék,4032 Debrecen, Egyetem tér 1. 2 Debreceni Egyetem Klinikai Laboratóriumi Kutató Tanszék, 4032 Debrecen, Nagyerdei krt. 98. A jelenkori orvoslás egyik legnagyobb kihívása a szív- és érrendszerrel kapcsolatos, azaz kardiovaszkuláris kórképek és elváltozások gyógyítása. Ezen betegségcsoporton belül is kiemelkedő jelentőséggel bír a véralvadási rendszer zavara, melynek egyik súlyos következménye a tromboembólia. Hasonlóan a nyugati országokhoz, hazánkban is komoly népegészségügyi terhet jelent a vénás tromboembóliás betegek egyre növekvő száma. A fentiek alapján egyértelmű, hogy fontos farmakológiai kihívás egyre hatásosabb, olcsóbb és biztonságosabb véralvadásgátló gyógyszerek kifejlesztése. A heparint a véralvadási folyamat farmakológiai befolyásolására már 1937-től kezdve alkalmazzák a klinikumban. Napjainkban nagy intenzitással folynak a heparinnál jobb farmakológiai tulajdonsággal rendelkező heparin-analóg pentaszacharidok előállítását célzó kutatások, valamint hatásukat igazoló klinikai vizsgálatok. A kutatások alapjául az addigi legnagyobb hatékonysággal bíró szintetikus heparin-analóg származék, az idraparinux szolgált. Ezt a gyógyszerhatóanyagot sikerült új szintetikus utakon előállítaniuk, majd további heparin-analóg molekulák szintézisét is megvalósították. Az új származékok előállítása során az irányvonal a következő volt: az idraparinux adott cukoregységeinekn C-6-os pozícióban levő farmakofór szulfátészter-csoportokat (-OSO 3 - ) bioizoszter metánszulfonsav-csoporttal (-CH 2 SO 3 - ) helyettesítették, majd vizsgálták ezen származékok biológiai aktivitását. [1] 150

1. ábra Az általunk vizsgált idraparinux (1), pentaszacharid-diszulfonsav (2) és pentaszacharid-triszulfonsav (3) származék kémiai szerkezete Az elmúlt években kutatócsoportunkban elvégezték két ilyen heparin-analóg pentaszacharid NMR spektroszkópiai módszereken alapuló szerkezetvizsgálatát, valamint tanulmányozták antitrombin-iii fehérjével való kölcsönhatásukat. Kutatómunkám fókuszában az azóta előállított harmadik, ún. triszulfonsav-származék áll. Bár a három származék kémiai szerkezete csak nagyon csekély különbséget mutat, a biológiai aktivitás vizsgálatok eredményei azt jelezték, hogy a mono- illetve diszulfonsav-származék közel azonos anti-xa faktor aktivitással rendelkezik, míg a triszulfonsav-származék ennél jóval gyengébb biológiai aktivitást mutat. Célul tűztük ki - az eddig általunk még nem vizsgált - triszulfonsav-származék NMR spektroszkópiai módszereken alapuló jellemzését, térszerkezetének vizsgálatát a molekulában lévő hidrogénatomok térbeli távolságának meghatározásával. Ezen túlmenően mindhárom származék esetében terveztünk mind a szabad, mind az antitrombin-iii fehérjéhez kötött formára vonatkozó számítógépes molekuladinamikai szimulációkat. Megállapítható, hogy az NMR adatok alapján végzett 1 H- 1 H távolságbecslés kiváló egyezést mutat a molekuladinamikai szimulációk eredményeként kapott távolságértékekkel. A számítógépes szimulációs vizsgálatok során meghatároztunk további jellemző - és a térszerkezetet nagyban befolyásoló - kötésszög értékeket is. Összefoglalásként megállapíthatjuk, hogy sikeresen elvégeztük a három származék szabad és kötött formájának molekuladinamikai vizsgálatát, mely alapján a triszulfonsavszármazék esetében feltételezünk egy - a másik két származékra nem jellemző - térszerkezetet, melynek megléte magyarázatul szolgálhat ezen származék biológiai aktivitásának csökkent értékére. [1] M. Herczeg, L. Lázár, Zs. Bereczky, K. E. Kövér, I. Timári, J. Kappelmayer, A. Lipták, S. Antus, A. Borbás; Chemistry - A European Journal 2012. (18) 10643-10652 151

IMMOBILIZÁLT TRIPSZINT TARTALMAZÓ MIKROREAKTOR KÉSZÍTÉSE GYORS FEHÉRJEBONTÁSHOZ Kecskeméti Ádám 1, Gáspár Attila 1 1 1. Debreceni Egyetem, Természettudományi és Technológiai Kar, Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék, 4032, Debrecen, Egyetem tér 1. A peptidtérkép vizsgálat fehérjék összehasonlításon alapuló kvalitatív meghatározását teszi lehetővé. A klasszikus eljárás szerint a fehérjéket először valamilyen kémiai reagenssel vagy enzimmel (pl. tripszinnel) peptid fragmensekre hasítjuk. Az általunk is használt tripszin egy olyan proteolitikus enzim, mely a fehérjéket a bennük található lizin és arginin aminosavaknál specifikusan hasítja. Az ehhez szükséges reakcióidő 2-30 óra, aminek oka, hogy a tripszint csak alacsony koncentrációban lehet alkalmazni, ugyanis nagyobb koncentrációban számolni kell önemésztéssel. A keletkező peptidelegyből elkészítjük a peptidtérképet. Erre leggyakrabban tömegspektrometriát (MS) vagy kapilláris elektroforézist (CE) használunk. A peptidtérképek az emésztett fehérjét ujjlenyomatszerűen jellemzik, így összehasonlítás után azonosíthatjuk a mintát. [1] A szükséges reakcióidőt az enzim immobilizálásával csökkenthetjük. Immobilizálás során a tripszint valamilyen szilárd felületen rögzítjük. A felületen megkötött tripszint nagy felületi koncentrációban használhatjuk anélkül, hogy önemésztés játszódna le. Kutatómunkám célja egy olyan reaktor kifejlesztése volt, amely segítségével a peptidtérkép vizsgálatok emésztését jelentősen gyorsabbá lehet tenni úgy, hogy az eljárás hatékonysága ne csökkenjen. Erre a célra immobilizált enzimreaktort fejlesztettem ki, úgy, hogy az emésztést végző tripszint kovalensen rögzítettem aminocsoportokat tartalmazó szilika részecskéken. [2] Ezekből a részecskékből alakítottam ki ezt követően töltetes mikroreaktort mikrofluidikai csipben, [3] a reaktor hatékonyságát különböző fehérjék emésztésével vizsgáltam (lizozim, citokróm C, albumin, mioglobin, β-glükozidáz). A kovalensen immobilizált tripszines reaktor előnye, hogy aktivitását több mint 50 napig megőrzi megfelelő körülmények között tárolva, ez idő alatt a reaktor többször felhasználható fehérjék emésztésére. Az emésztésekből származó peptidtérképek jobb reprodukálhatóságának érdekében benzamidinnel védtem a tripszin aktív centrumát az immobilizálási reakcióban. Az ilyen módon elkészített reaktorok reprodukálható peptidtérképeket szolgáltattak. A reaktor hatékonyságát mutatja, hogy még a meglehetősen nagyméretű fehérjéket is teljesen megemésztette. Az általam kifejlesztett reaktorban a reakcióidő ~10 mp szemben az oldatban emésztésnél szokásos 16 órával. [1] European Pharmacopoeia, 2.2.55. [2] Krenková, J., Klepárník, K., Foret, F.; J. Chromatogr. A 2007, (1159) 110-118. [3] Gáspár, A., Nagy, A., Lázár, I.; J. Chromatogr. A 2011, (1218), 7, 1011-1015. 152

FELÜLETAKTÍV ANYAG KÖLCSÖNHATÁSÁNAK VIZSGÁLATA LIPID MODELL MEMBRÁNOKKAL Kelemen Orsolya 1, Keszthelyi Tamás 2, Kiss Éva 1 1 ELTE Fizikai Kémiai Tanszék, Pázmány Péter sétány 1/A., Budapest 1117 2 MTA TTK Anyag és Környezetkémiai Intézet, Magyar tudósok körútja 2., Budapest 1117 A transzportfolyamatok és a biológia folyamatok jelentős része határfelületeken zajlik. A határfelület minősége befolyásolja, hogy milyen természetű anyagok képesek kölcsönhatásba lépni, adszorbeálódni, áthatolni rajta. A sejtmembránon való áthatolást számos tényező befolyásolja, akár csak azok kísérleti modelljei esetében. Ezen alapszik az egyes anyagoknak a membránnal való kölcsönhatásának vizsgálata. Munkám célja kationos tenzid membránaffinitásának jellemezése volt különböző lipid modellek segítségével. A kísérletekhez Langmuir-filmmérleges technikát és összegfrekvencia-keltési spektroszkópiát (SFG) alkalmaztam. A lipid mono- és kettősrétegeket foszfolipidekből állítottam elő. Penetrációs modell anyagként az alkilammóniumsók családjába tartozó dodecil-trimetil-ammónium-bromidot (DTAB), mint amfipatikus molekulát választottam. A Langmuir-filmmérleges technikát arra használtam, hogy a vízfelszínen létrehozott lipid réteg és a vízben oldott anyag (tenzid) közötti molekuláris kölcsönhatás mértékét az oldalnyomás változásából meghatározzam. Az SFG egy másodrendű nem-lineáris optikai spektroszkópia, amely információt szolgáltat a határfelületi molekulák orientációjáról, dinamikájáról. A kölcsönhatás vizsgálatakor a spektrumok egy az EKSPLA cég által gyártott SFG készülékkel [4], ssp polarizációban lettek felvéve, szobahőmérsékleten. DTAB kationos tenzid egyszerű monomolekuláris DPPC (dipalmitoil-foszfatidilkolin) lipid modell membránnal való kölcsönhatásának vizsgálatához penetrációs és kváziegyensúlyi izoterma méréseket végeztem Langmuir-filmmérlegben. A lipid monoréteget a víz/levegő határfelületen a lipid szerves oldószeres oldatának terítésével, majd a filmmérleghez tartozó gáttal történő komprimálással hoztam létre. A monoréteg kialakítása után a DTAB különböző koncentrációjú oldatait injektáltam a szubfázisba. A filmmérleghez tartozó erőmérő segítségével detektáltam a tenzid hatására bekövetkező oldalnyomás-változást. A DPPC-d62/DSPC (láncban perdeuterált dipalmitoil-foszfatidil-kolin/disztearilfoszfatidil-kolin) lipid kettősréteget a Langmuir-Blodgett és a Langmuir-Schaefer [2][3] technika segítségével hoztam létre egy kvarc prizma felületén. A kettősréteggel való mérések során a szubfázis tiszta víz és különböző koncentrációjú tenzid oldatok voltak. A DTAB amfipatikus, felületaktív molekula a víz/levegő határfelületen való orientált adszorpciójával csökkenti a tiszta víz felületi feszültségét. A kationos tenzid felületaktivitásának meghatározását tenziometrikus módszerrel végeztem. A mért felületi feszültség értékekből a felületi többletkoncentrációkat a Gibbs egyenlet segítségével számítottam ki. Meghatároztam a maximális felületi többletkoncentrációt ( ) és a hozzá tartozó, egy molekulára eső területet. A DTAB lipid monoréteghez való membránaffinitásának vizsgálatakor az adott oldalnyomásig (10, 15, 20, 25 mn/m) komprimált lipid monorétegbe történő penetráció során bekövetkező oldalnyomás-változást követtem nyomon. A penetráció során kialakuló 153

végleges oldalnyomás értékekben (π S ) a tenzid koncentrációtól (m S ) és a lipid film kezdeti oldalnyomásától való függés figyelhető meg (1. ábra). A szubfázisbeli tenzid koncentráció növekedésével a penetrációs oldalnyomás értékek nőnek egy adott kezdeti lipid oldalnyomás érték esetében, míg adott tenzid koncentráció esetében a kezdetben tömörebb lipid filmbe kisebb mértékű a penetráció. 1. ábra: A kevert lipid-tenzid réteg oldalnyomása ( )a tömbfázisbeli tenzidkoncentráció (m S ) függvényében a lipid film növekvő komprimáltságával 24 22 s / mn m -1 20 18 16 14 12 10-5,4-5,3-5,2-5,1-4,0-3,5 ln m s / mol kg -1 0,60 nm 2 mol. -1 0,57 nm 2 mol. -1 0,55 nm 2 mol. -1 0,53 nm 2 mol. -1 A Gibbs egyenlet 2 komponensű rendszerre is alkalmazható. Az egyenlet átalakításával több termodinamikai és izoterma modell [6][7][8][9][10] is felírható, amelyek segítségével kiszámítottam a tenzid penetrációs felületi többletkoncentrációját (2. ábra). A tenzid koncentrációját a kritikus micellaképződési koncentráció többszöröseként adtam meg (cmc: 4,6 g/dm 3 23 C-on [1] ). 2. ábra: A Pethica termodinamikai modell alapján számolt felületi tenzid koncentráció értékek ( ) a lipid molekuláris területigény ( ) függvényében különböző tenzidkoncentrációk esetén s / molekula nm -2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0,00 penetráció 0,00025 cmc penetráció 0,0005 cmc penetráció 0,005 cmc penetráció 0,01 cmc penetráció 0,02 cmc 0,52 0,53 0,54 0,55 0,56 0,57 0,58 0,59 0,60 0,61 A M / nm 2 molekula -1 154

I Az így számított koncentráció értékeket összevetettem a felületaktivitás mérésnél kapott értékekkel. A számítások segítségével, melyek becslést adnak a felületi réteg összetételére, annak tenzid koncentrációtól, illetve lipid film tömörségtől való függésére, értelmeztem a DTAB tenzid penetrációs viselkedését DPPC lipid monorétegben. Az adott rendszerben a lipid film jelenléte a felületaktivitásnál nagyobb mértékű felületi felhalmozódást okoz, ami a lipid-tenzid elektrosztatikus kölcsönhatással magyarázható. A DTAB lipid monoréteggel való kölcsönhatásának molekuláris szintű vizsgálatára az SFG spektroszkópiát alkalmaztam (3. ábra). A penetráció során megfigyeltem, hogy a DTAB-val való kölcsönhatás következtében intenzitásnövekedés következik be a metil és metilén szimmetrikus rezgésekben, a tiszta lipid filmhez képest. A megnövekedett intenzitás a határfelületi rétegben megjelenő molekuláris többlethez köthető, amelyet a tenzid jelenléte okoz. A különböző szimmetrikus rezgések intenzitásarányának (I metilén szimm. / I metil szimm. ) változásából következtetni lehet a réteg molekuláris rendezettségére. A tiszta lipid esetében a szimmetrikus csúcsok intenzitásaránya a DPPC lipid 14,7 mn/m kompressziója mellett a kondenzált film állapot rendezettséget mutatja. Az injektálást követő 10-40 percben mind a két szimmetrikus csúcs intenzitása megnő, ezzel jelezve, hogy a tenzid megjelent a határfelületi rétegben. Az intenzitásarányokban a tiszta lipid réteg és a penetráció 10-40 perce esetében nincs nagy különbség. Az idő haladásával (70-100 perc) azonban, a metilén szimmetrikus csúcs intenzitása csökken, míg a metil szimmetrikus csúcs intenzitás nő, amely további tenzid adszorpcióra utal. Az intenzitás arány értéke ebben az esetben csökken, vagyis a réteg jobban rendeződik. A felvett spektrumokból kiderül, hogy a rendszer végleges állapotát hosszabb időskálán éri el. Az SFG mérés alapján megállapítható, hogy a penetráció során bekövetkező oldalnyomásváltozás nem pusztán a tenzid jelenlétének köszönhető, hanem a tenzid-lipid molekulák közötti kölcsönhatásnak is, amelynek jellege a penetráció során az időben változik, és a kevert réteg alkil láncainak nagyobb rendezettségéhez vezet. 3. ábra: DPPC monoréteg SFG spektruma a penetráció előtt ( ) valamint a DTAB penetrációja után 10-40 perccel ( ), és 70-100 perccel ( ) 2,0 1,5 metil szim. metilén szim. DPPC monoréteg, =14.7 mn m -1 ~10-40 perc DTAB penetráció ~70-100 perc DTAB penetráció c DTAB = 0,02 cmc Fermi rezon. metil antiszim. 1,0 metilén antiszim. 0,5 0,0 2800 2850 2900 2950 3000 / cm -1 155

Láncban perdeuterált lipiddel végzett penetrációs méréseknek megfelelő spektrumok metilén és metil szimmetrikus rezgéseihez tartozó intenzitásarányok vizsgálatából kiderült, hogy a tenzid a kevert rétegben nagyobb rendezettséget mutatatott. Nagyobb rendezettség azért alakulhatott ki, mert a lipid-tenzid fejcsoportok között vonzó kölcsönhatás lép fel, amely a tenzid molekulák töltését kompenzálja egy adott felületi tenzid koncentrációértékig, ezzel elősegítve a tenzid-tenzid alkil láncok közötti vonzó kölcsönhatást és a lipid-tenzid alkil láncok közötti vonzó kölcsönhatást is. Mindezek alapján a kölcsönhatás összetett folyamat eredménye, amelyre a következő háromlépcsős modellt állítottam: 1. A tenzid határfelületi adszorpciója, a lipid elektrosztatikus kompenzálása mellett 2. A kritikus tenzid felületi koncentráció elérése a határfelületi rétegben, a kompenzáció megszűnése 3. A tenzid-tenzid taszító kölcsönhatás megjelenése, és a lipid-lipid, lipid-tenzid vonzás erősödése. A tenzid felületi koncentrációjának meghatározásához korábban kvázi-egyensúlyi izotermákat vettek fel [6][7]. Ilyen izotermákat én is meghatároztam a DPPC-DTAB rendszerben. Ezeknél a méréseknél az oldalnyomás várt koncentrációfüggése nem észlelhető, de minden kevert réteg izotermája elkülönül a tiszta DPPC kvázi-egyensúlyi izotermájától. A DTAB különböző koncentrációjú vizes oldatainak lipid kettősrétegre gyakorolt hatásának vizsgálatához nem-időfüggő és időfüggő SFG spektroszkópiát alkalmaztam. A spektrumban jellegzetes változások figyelhetőek meg, úgy, mint a CH csúcsok intenzitáscsökkenése és az OH intenzitás növekedése, az első tiszta lipid kettősréteg spektrumához képest. Az illesztett spektrumokból kapott metil szimmetrikus rezgés csúcsainak intenzitását az idő függvényében ábrázoltam (4. ábra), az egyes koncentrációk és a tiszta víz szubfázis esetében is. 4. ábra: Lipid kettősréteg flip-flop effektusának változása a DTAB különböző koncentrációjú oldatainak hatására 1,0 ICH 3 / I max 0,8 0,6 0,4 H 2 O 0,01 cmc 0,05 cmc 0,1 cmc 0,2 cmc 0,5 cmc 0,2 0,0 0 5000 10000 15000 20000 t /sec. A lipid flip-flop effektusának vizsgálatához a következő egyenlet szerinti exponenciálist illesztettem, amely illesztéssel minden görbe esetében megkapjuk az adott koncentrációhoz tartozó transzlokációs folyamat sebességi állandóját [11] : 156

( ) ahol k a sebességi állandó, míg I 0 a jelintenzitás időbeli lefutásának minimuma (a minimális intenzitással mérhető SFG jel háttérrel korrigálva). Az intenzitás-idő görbékre illesztett exponenciális jól illeszkedik az adatpontokra, így arra következtettem, hogy a DTAB tenzid határfelületen történő felhalmozódása a kettősréteg flip-flop effektusát váltja ki. Az időfüggés vizsgálatából az is kiderül, hogy a vízhez képest a tenzid oldatban a transzlokáció jóval gyorsabb és koncentrációfüggést mutat, a DTAB koncentráció növekedésével nő az effektus sebessége. Az időfüggő spektroszkópiai vizsgálat alapján a tenzid lipid kettősréteggel való kölcsönhatásának jellegét a lipid transzlokációs mozgására (flip-flop) gyakorolt gyorsító hatásaként azonosítottam. Irodalomjegyzék: [1]: R. Zana, Ionization of cationic micelles: Effect of the detergent structure, Journal of Colloid and Interface Science Volume 78, Issue 2, 1980, 330 337 [2]: Osvaldo N. Oliveira Jr., Langmuir-Blodgett films properties and applications, Brazilian Juornal of Physics 22, 1992, 60-69 [3]: Kiss É.: Langmuir-Blodgett filmek, A kémia újabb eredményei 95. kötet, Akadémiai Kiadó, Budapest 2005. ISBN:963-05-8287-2 [4]: http://www.ekspla.com/en/p/sfg-spectrometer [5]: T. Gilányi, I. Varga, C Stubenrauch, R. Mészáros 2008., Adsorption of alkyl trimethylammonium bromides at the air/water interface, Journal of Colloid and Interface Science 317, 395-401 [6]: B.A. Pethica, Trans. Faraday Soc. 51, 1955, 1402-1411 [7]: D.M. Alexander and G.T. Barnes, J. Chem. Soc. Faraday Trans. I 76, 1980, 118-125 [8]: K. Motomura Y. Hayami M. Aratono R. Matuura J. Colloid Interface Sci. 87, 1982, 333-338 [9]: N. S. Santos Magalhaes S. Benita A. Baszkin Colloid surfaces 52, 1991, 195-206 [10]: Sundaram, K. J. Stebe, Equations for the equilibrum surface pressure increase on the penetration of an insoluble monolayer by a soluble surfactant,langmuir 12, 1996, 2028-2034 [11]: Krystal L. Brown, John C. Conboy, Lipid flip-flop in binary membranes composed of phosphatidylserine and phosphatidylcholine, The Journal of Physical Chemistry, 2013, 15041-15050 157

I Pd-P * P CO, Et 3 N NH NH O O NH 2 NH 2 NEMKONVENCIONÁLIS BÁZISFÜGGVÉNYEK ALKALMAZÁSA A KVANTUMKÉMIÁBAN Mester Dávid 1, Csontos József 1, Kállay Mihály 1 1 MTA-BME Lendület Kvantumkémiai Kutatócsoport, Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, P.F. 91, Budapest 1521 A kvantumkémiában leggyakrabban használatos determináns alakú hullámfüggvényeket a molekulapályák antiszimmetrikus szorzatából képezhetjük. A gyakorlatban ezek a molekulapályák egy ismert, véges függvényhalmazon vett sorfejtésként állnak elő, amely halmaz elemei az atomi bázisfüggvények. A számítások során az egyes függvényekből felépülő báziskészleteknek döntő szerepe van a pontosság és a számítási idő szempontjából. A kémiai kötések leírásának javítására elterjedten használt polarizációs függvények (PF) nagymértékben növelik a báziskészletekben található függvények, így a kiszámítandó molekuláris integrálok számát is. A PF-ek kiváltására számos közlemény jelent meg egészen az 1980-as évekig, azonban a kezdeti pozitív eredmények ellenére a téma iránti érdeklődés alábbhagyott napjainkra. Munkánk alapjaként feltételeztük, hogy ha az atommagokon elhelyezett PF-eket a kötések mentén centrált nemkonvencionális bázisfüggvényekkel helyettesítjük, akkor a polarizált molekuláris környezet leírásának javulásával egy időben a számításokhoz felhasznált függvények számának csökkentését érhetjük el. [1] Első lépésként egy polarizációs függvényeket nem tartalmazó atomi bázisfüggvények által felépített készletet (6-31G) egészítettünk ki NH 2 + NH 2 + R/S S R alakú egyszerű Gauss-típusú függvényekkel (Gaussian type function, GTO), amelyek esetén r=(x,y,z) az elektronok koordinátáját, A=(A x,a y,a z ) a függvények centrumát tartalmazó oszlopvektor, l=(i,j,k) az impulzusmomentumot reprezentáló számhármas, α pedig a pályaexponens. Az egyes kötés-függvényeket (bond function, BF) a szerves molekulákat felépítő kötések mentén centráltuk, és az egyes függvények változtatható paramétereit (pozíció, pályaexponens) a többi függvénytől függetlenül, szimplex-eljárással optimáltuk, majd a kiválasztott készlettel tesztszámításokat végeztünk számos vegyületre. Eredményként megállapítható, hogy a kötés-függvényekkel kiegészített készletek használatával a szénhidrogének esetén a teljes energiák átlagos eltérése egy referenciakészlettől (cc-pvtz) 33%-kal csökkent a polarizációs függvényeket is tartalmazó 6-31G** bázisszettel összehasonlítva, míg a számításokhoz felhasznált függvények száma átlagosan 6%-kal volt alacsonyabb. Megemlítendő, hogy a magasabb mellékkvantumszámú függvények számát nagymértékben redukáltuk, számolásainkhoz d-típusú függvényeket egyáltalán nem használtunk, míg a p-függvények száma átlagosan 32%-kal volt kevesebb. Heteroatomot (nitrogén, oxigén) is tartalmazó rendszerek esetén hasonló eredményeket értünk el, 12 különböző funkciós csoportot tartalmazó készletet vizsgálva az átlagos eltérés a referenciaértékektől 43%-kal csökkent a kötés-függvények alkalmazásával, míg a számításokhoz használt összes függvények száma 9%-kal volt alacsonyabb. A szénhidrogénekhez hasonlóan ebben az esetben sem használtunk p-típusú függvénynél magasabb mellékkvantumszámút, illetve ezen függvények számát is jelentősen csökkentettük. 158

Következő lépésként a BF-ként kizárólag s-típusú egyszerű Gauss-függvényeket tartalmazó készleteket terjesztettük ki a kötések mentén centrált általános alakú elliptikus Gauss-függvényekké. Az általunk elsőként bevezetett i j ( ralα )( )( )( ) x y z k()(),,, xayazae raαra alakú általános elliptikus Gauss-típusú bázisok kötés-függvényként való alkalmazása lehetőséget nyújthat a polarizált molekuláris környezet pontosabb leírására, mivel ebben az esetben α egy 3x3-as pozitív definit, szimmetrikus mátrix. Munkánk során az elliptikus függvényekhez tartozó, mátrixalgebrai formalizmuson alapuló egy-, illetve kételektronintegrálokat a kutatócsoportunk által írt és fejlesztett MRCC ab initio és sűrűségfunkcionál kvantumkémiai programban implementáltuk. Az egyes egyelektron-integrálokat egy sűrűségfunkcionál számításokhoz használt integráló-rácson számítottuk, míg a kételektronintegrálok nagy száma miatt azok analitikus formuláit vezettük le. Kialakítottuk az elliptikus függvények tárolására és használatára alkalmas környezetet, valamint optimáltuk az egyes kötés-típusokhoz tartozó paramétereket (pozíció, pályaexponens, ellipticitás). A kapott készletek felhasználásával számos molekulára végeztük tesztszámításokat, amelyek alapján igazoltuk, hogy az elliptikus függvények bevezetésével a kiegészítésként azonos számú s-típusú egyszerű GTO-t tartalmazó készletekkel szemben a számítások eredményei további 15%-ot javultak, azonban megjegyzendő, hogy még ez sem elegendő a p-típusú kötés-függvények kiváltásához kizárólag s-típusú függvényekkel. Eredményeinkkel bizonyítottuk az elliptikus függvények alkalmazásában rejlő lehetőségeket a kvantumkémiai számítások során, azok használatát érdemes lehet a jövőben p-típusú függvényekre is kiterjeszteni. [1] D. Mester, J. Csontos, M. Kállay, Theoretical Chemistry Accounts, 2015 (134), 74:86. 159

KINETIKUS RESZOLVÁLÁS AXIÁLIS KIRALITÁS- ELEMET TARTALMAZÓ MODELLVEGYÜLETEK AMINOKARBONILEZÉSI REAKCIÓIBAN Pálinkás Noémi 1 1 Pécsi Tudományegyetem Természettudományi Kar, Szervetlen Kémia Tanszék 7624 Pécs, Ifjúság útja 6. Az aril/alkenil-halogenidek/triflátok palládium-katalizált aminokarbonilezése fontos szerepet tölt be az aromás karbonsavszármazékok szintézisében. Elsősorban a nagy szelektivitás, az enyhe körülmények és a jó konverzió teszi ezen reakciókat a szerves (fémorganikus) kémiai szintézisek jelentős eszközévé. [1-4] A homogénkatalitikus reakciók egyik jelentős csoportját képviselik a sztereoszelektív szintézisek. Ennek során lehetőség nyílik jó hozammal olyan optikailag aktív vegyületek szintézisére, melyeket korábban csak racém elegyből reszolválással tudtak előállítani. Ez azért nagy jelentőségű, mert a gyógyszermolekulák nagy része rendelkezik sztereogén-centrummal/centrumokkal. Előfordulhat, hogy csak az egyik enantiomernek van pozitív farmakológiai hatása, a másiknak egyáltalán nincs, vagy egészségkárosító hatással is rendelkezhet. A nagy enantioszelektivitású reakciók 'zöldkémiai' szempontból is jelentősek, ugyanis elérhető, hogy itt a számunkra szükségtelen enantiomer nem is keletkezik, így csökkenthető a melléktermék képződés mértéke. Diplomamunkám készítése során a kinetikus reszolválás lehetőségét vizsgáltam binaftil-vázas modellvegyületeken palládium-katalizált homogénkatalitikus karbonilezési reakcióban. I NH 2 NH 2 + Pd-P * P CO, Et 3 N NH NH O O + NH 2 NH 2 R/S S R Ennek során 1,1'-binaftil-2,2'-diaminból kiindulva sikeresen előállítottam a megfelelő 2,2'-diazóniumsót, melynek további homogénkatalitikus átalakítása megvalósítható palládium-katalizátorok jelenlétében. Ezt követően palládium-katalizált karbonilezési reakcióban a fenti kiindulási vegyületből mono- és dikarbonsavamidok szintézisét végeztem el, trifenil-foszfin (mint ligandum) jelenlétében. Különböző, optikailag aktív ditercier foszfinok segítségével eltérő szubsztrátum-amin arányok mellett vizsgáltam az aminokarbonilezést. Ennek során sikerült dikarbonsavamidok esetében kismértékű kinetikus reszolválást elérni BDPP és BINAP ligandumok jelenlétében. 160

Végül 1,8-dijód-naftalint reagáltatva 1,1'-binaftil-2,2'-diaminnal három különböző mólarány mellett előállítottam a megfelelő 2,2'-diimid származékot. A termékeket minden esetben izoláltam, és szerkezetüket részletes analitikai vizsgálatokkal azonosítottam. Elméleti kémiai számításokkal sikerült javaslatot tennem az aminokarbonilezési reakció mechanizmusának lépéseire, megtörtént az intermedierek számított szerkezetének felírása; az aktív katalizátorrendszer meghatározása szén-monoxid atmoszférában. Meghatároztuk a szelektivitást meghatározó kulcsintermediert is. Elvégeztük az oxidatív addíció részletes vizsgálatát is különböző para-szubsztituált jódbenzolok használatával, és megállapítottuk, hogy a részlépés aktiválási szabadentalpiája független a Hammett-konstans értékétől. [1] R. Skoda-Földes, L. Kollár; Curr. Org. Chem. 2002 (12) 1097. [2] R. Skoda-Földes, L. Kollár; Chem. Rev. 2003 (103) 4095. [3] E. Rossi, Palladium-Assisted Synthesis of Heterocycles via Carbonylation Reactions (Chapter 13) in Modern Carbonylation Methods (Ed. L: Kollár), Wiley-VCH, Weinheim, 2008, pp. 223-250. [4] A. Brennführer, H. Neumann, M. Beller, Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 4114. 161

ÁRAMLÁSVEZÉRELT CSAPADÉKKÉPZŐDÉS A RÉZ- FOSZFÁT ÉS SZILIKÁT RENDSZERBEN Rauscher Evelin 1, Bohner Bíborka 1, Schuszter Gábor 1, Tóth Ágota 1 1 1. Szegedi Tudományegyetem, Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszék, 6720 Szeged, Rerrich Béla tér 1. Munkám során az áramlásos közegben kialakuló, függőlegesen növekvő réz-foszfát és réz-szilikát csapadékok mintázatát tanulmányoztam. Kísérleteim során a csapadékképződést különböző koncentrációarányoknál (sűrűségkülönbségeknél), illetve áramlási sebességeknél vizsgáltam. Meghatároztam egy adott áramlási sebesség esetén a réz-foszfát rendszer fázisdiagramját, mely az 1. ábrán látható. 1. ábra: A réz-foszfát rendszer fázisdiagramja: - periodikusan kilövelő csőtípus, - egyenletesen növekvő csőtípus, - nincs csőképződés. Megállapítottam, hogy a reaktánsoldat térfogatáramlási sebességének növelésével a képződött csövek szerkezete egyre lazább lett, átmérőjük egyenletesen növekedett. A csövek lineáris növekedési sebessége a beáramoltatott reaktánsoldat mennyiségétől független volt. Elmondhatjuk, hogy nagyobb lineáris növekedési sebesség esetén keskenyebb mintázatok képződtek, míg kisebb sebesség esetén nagyobb átmérőjűek a csapadékok. A szállított anyag térfogatnövekedési sebessége kb. kétszer nagyobb volt a beáramoltatáshoz képest, amit azzal magyaráztunk, hogy a csövek fala átjárható a külső elektrolit és/vagy az oldószer számára. Megfigyeltük, hogy a közegmozgás fő hajtóereje az ozmózis nyomás és az oldatok közötti sűrűségkülönbség együttes hatása, mivel a sűrűségkülönbség növelésével növekedtek a lineáris képződési sebességek, miközben a csövek átmérője csökkent. Fordított kísérleti körülmények között, miközben nátrium- 162

foszfát-oldatot áramoltattam egyenletesen réz-szulfát-oldatba nem figyeltem meg egyenletes csőképződést. Ezen kísérleteket két különböző geometriájú reakcióedényben is elvégeztem és megállapítottam, hogy a reakció kezdeti szakaszára nem volt hatással az edény geometriája, de a későbbi szakaszaira igen. Megfigyeléseink alapján elmondhatjuk, hogy a ph jelentősen befolyásolja a csapadék struktúráját. Kísérleteimet 12,64-es ph-n végeztem, a ph-t egy egységgel csökkentve azonban már nem tapasztaltam csőképződést, illetve ph = 4,19 esetén már csapadékleválást sem. A szilikátcsöveket a 0,3 mol/dm 3 koncentrációjú nátrium-foszfát és 0,5 mol/dm 3 koncentrációjú réz-szulfát-oldat reakciójából képződött csapadékokkal hasonlítottam össze, mivel ebben az esetben voltak egymáshoz legközelebb az oldatok sűrűségkülönbségei. Megfigyeltük, hogy nagyobb áramlási sebesség esetén az eredményeinknek egyre nagyobb a szórása. Ezt azzal magyaráztuk, hogy a csapadékcsövek típusa az egyenletesen növekvőből a periodikusan kilövelő csőtípus csoportjába tért át. A keletkezett réz-szilikát csövek átmérője kisebb volt, mint a réz-foszfátoké, de az áramlási sebesség növelésével azok növekedtek. A csövek lineáris növekedési sebessége a különböző áramlási sebességeknél közel azonosak, viszont kis mértékben nagyobbak voltak a réz-foszfát rendszerben tapasztaltaknál. A keletkezett csapadékok stabilak voltak, állás közben nem oldódtak vissza, amely lehetővé tette a minták további vizsgálatát. Pásztázó elektronmikroszkópiás felvételek alapján megállapítottuk, hogy a kialakult csövek külső és belső felülete jelentősen különbözik, illetve mikroszerkezetük az áramlási sebesség változtatásával eltérő. A csövek külső oldala általában sima, míg a minták belsejében nanovirágokat, kisebb gömböket és hengeres formákat találtunk. A nanovirágok előállítása korábban csak speciális adalékok hozzáadásával volt lehetséges. Az új mintázatok felületnövekedése a katalizált reakciók sebességnövekedését eredményezheti, megfelelő katalizátor jelenlétében. 163

164 SZERVES KÉMIA

BENZOTIADIAZINOK ELŐÁLLÍTÁSÁRA ALKALMAS ACETOFENON-KETÁL SZÁRMAZÉKOK SZINTÉZISE METALLÁLÁSI REAKCIÓBAN N,N,N,N,N - PENTAMETILDIETILÉNTRIAMIN KOMPLEXKÉPZŐ JELENLÉTÉBEN Németh András 1,2, Nyulasi Bálint 1, Porcs-Makkay Márta 1, Simig Gyula 1, Volk Balázs 1, Kupai József 2 1 EGIS Gyógyszergyár Zrt, Hatóanyagfejlesztési Igazgatóság, Budapest, Keresztúri út 30-38. 1106 2 BME, Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar, Szerves Kémia és Technológia Tanszék, Budapest, Szent Gellért tér 4. 1111 Munkánk célja acetofenon ketálok metallálási reakcióban történő aromás származékképzése volt N,N,N,N,N -pentametildietiléntriamin (PMDTA) komplexképző jelenlétében. Míg butil-lítiummal (BuLi), komplexképző nélkül a dioxolán csoport melletti, orto-helyzetben lítiálódik a molekula [1,2,3], addig PMDTA komplexképzővel ettől eltérő, az egyéb szubsztituensek melletti pozícióba sikerült metallálni a modellvegyületeket (1. ábra). Az aril-lítium származékokat szárazjégre öntve, a kapott karbonsavakat preparálva és karakterizálva vizsgáltuk a metallálás regioszelektívitását. 1. ábra.: PMDTA komplexképző jelenlétében karboxil-csoporttal szubsztituált védett acetofenon származékok 1 R 1 R 2 R 3 R 4 a Cl COOH H H b Cl Cl COOH H c 1 Cl COOH H Cl c 2 Cl H COOH Cl d Cl Cl COOH Me e OMe COOH H H f OMe OMe COOH H g H OMe COOH H 165

A termékeket a potenciálisan biológiailag aktív benzo[1,2,3]tiadiazin-1,1-dioxid származékok előállítására tervezzük alkalmazni (2. ábra). A vegyületcsalád egyes képviselői biológiai aktivitást mutató, a központi idegrendszerre ható, elsősorban szorongásoldó hatású vegyületek [4]. 2. ábra.: A 2H-benzo[1,2,3]tiadiazin-1,1-dioxid származékok általános képlete Benzo[1,2,3]tiadiazinok szintézise a dioxolánok ketál csoport melletti, komplexképző nélküli orto-lítiálásval, több lépésben valósítható meg [5]. PMDTA alkalmazásával az aromás gyűrűt a ketál orto-pozíciótól eltérő helyzetekben funkcionálhatjuk [6,7]. Az így kapott származékokból változatos szubsztitúciós mintázatú benzotiadiazin származékok állíthatók elő. 3. ábra.: A ketálképzéshez felhasznált acetofenonok szubsztituensei Modellvegyület R 1 R 2 R 3 R 4 a Cl H H H b OMe H H H c 1 Cl H H Cl 2 c 2 Cl H H Cl d Cl Cl H Me e Cl Cl H H f Ome Ome H H 6 H Ome H H A kereskedelemből beszerzett acetofenonok (3. ábra) oxo-csoportját ketál képzéssel védtük. Három eljárást alkalmaztunk: az A eljárást halogénezett acetofenonok esetében használtuk (2a, illetve 2c e). A halogénezett oxovegyületeket Marcusson-feltéttel felszerelt lombikban etilénglikol és katalitikus mennyiségű p-toluolszulfonsav (PTSA) jelenlétében, toluolban forralva jutottunk a 3a, illetve 3c-e dioxolán-származékhoz (3. ábra) [8,9]. A tisztán metoxi szubsztituenst tartalmazó acetofenonok hőre érzékeny, bomlékony vegyületek. Szintézisüket a B eljárással valósítottuk meg. A 2b,f metoxi-acetofenont, etilénglikol, trimetil-ortoformiát és metil-terc-butil-éter (MTBE) elegyében, katalitikus mennyiségű PTSA mellett reagáltatva 3b,f ketállá alakítottuk (3. ábra) [10,11]. A 4. ábrán a 3-mal jegyzett vegyületek szubsztituensei megegyeznek a 2-vel jelölt vegyületek szubsztituenseivel. 166

4. ábra.: Acetofenonok ketálképzése (A és B eljárás) Különösen erős instabilitása miatt a 4-metoxiacetofenon-ketál a fenti két eljárással nem volt előállítható, ezért a következő módszert alkalmaztuk. A p-brómacetofenont az A eljárásban ismertetett módszerrel ketáloztuk, majd a 4 dioxolán bróm atomját BuLimal lítium atomra cserélve, illetve a kapott lítium vegyületet triizopropil-boráttal és hidrogén-peroxiddal reagáltatva az 5 fenol-származékhoz jutottunk. Az 5 p- hidroxiacetofenon-ketált metil-jodiddal, kálium-terc-butilát jelenlétében metilezve megkaptuk a 4-metoxiacetofenon védett formáját (6) (5. ábra). 5. ábra.: A 4-metoxiacetofenon-ketál szintézise Az acetofenon-ketálok termelését és tisztasági jellemzőit a 6. ábrán foglaltuk össze. Modellvegyület Termelés [%] 3 6. ábra.: Dioxolán képzések termelése Tisztaság [mol% NMR alapján] Kiindulási acetofenon [mol% NMR alapján] a 93 91 9 b 78 94 6 c 96 < 99 > 1 d 83 < 99 > 1 e 98 97 3 f 97 92 8 6 36 - - 167

A PMDTA-s lítiálásoknál alapvetően két módszert alkalmaztunk. A halogén szubsztituenssel rendelkező 3a és 3c-e dioxolánokat -75 o C-on tetrahidrofuránban (THF) lítiáltuk, jellemzően 20 30 perces reakcióidővel. Az alacsony hőmérséklettel és a viszonylag rövid reakcióidővel csökkentettük a kompetitív klór lítium cserével járó mellékreakciót (7. ábra). A másik módszernél 0 o C-on végeztük el a reakciót, mivel a 3b,f, illetve 6 metoxi-származékok -75 o C-on nem reagálnak a BuLi PMDTA komplexszel [12]. A BuLi 0 o C-on tetrahidrofuránnal reakcióba lép, ezért oldószerként dietil-étert (Et 2 O) használtunk (7. ábra). A 7 aromás lítiumvegyületet mind a két esetben szárazjégre öntéssel felszabadítva alakítottuk az 1a-g karbonsavvá. Bizonyos esetekben a reakciók szelektívek voltak, míg más esetekben izomer-elegyek keletkeztek. Egyes klórozott származékok esetén lítium-klór cserét is tapasztaltunk. A 6. ábrán a 7-el jegyzett vegyületek szubsztituensei megegyeznek a 3. ábrán jelölt szubsztituensekkel. 7. ábra.: Aromás karbonsavak szintézise BuLi PMDTA jelenlétében A 3,4-diklóracetofenon-ketál modellvegyületből (3e) kiindulva előállítottunk egy benzotiadiazin-származékot (7.ábra) [5]. A szintézisút első lépése a kiindulási acetofenon ketálozása (ld. A eljárás). A 3e dioxolán vegyületet BuLi-mal aktiválva a 2-es helyzetben, majd kén-dioxiddal reagáltatva, a szulfinsav lítium sóját kaptuk (9). Ezt a következő lépésben szulfuril-klorid segítségével a 10 ketál-szulfonsavklorid származékká oxidáltuk. A védőcsoportot savas hidrolízissel eltávolítva a 11 acetofenon származékhoz jutottunk. A 11 acetofenon szulfonsavklorid-származékot hidrazin-hidráttal forralva tetrahidrofuránban, a gyűrűzárás eredményeként kaptuk a 12 benzotiadiazint (8.ábra). A kapott termék várhatóan biológiai aktivitást mutató, a központi idegrendszerre ható vegyület. 168

8. ábra.: A 7,8-diklór-2H-benzo[1,2,3]tiadiazin-1,1-dioxid szintézisútja A szerzők köszönik az EGIS Gyógyszergyár Zrt. és az OTKA (nyilvántartási szám: OTKA PD-108462) anyagi támogatását. Irodalmi hivatkozások 1. E. Napolitano, E. Giannone, R. Fiaschi, A. Marsili; The Journal of Organic Chemistry, 1983 (48) 3653 3657. 2. Gy. Lukács, M. Porcs-Makkay, Gy. Simig; Tetrahedron Letters, 2003 (44) 3211 3214. 3. Gy. Lukács, M. Porcs-Makkay, Gy. Simig; European. Journal of Organic Chemistry, 2004 4130 4140. 4. EGIS Pharm., Ltd.; Patent, 2008 WO2008/20255 A1. 5. M. Porcs-Makkay, Gy. Lukács, A. Pandur, Gy. Simig, B. Volk; Tetrahedron Letters, 2014 (70) 286 293. 6. M. Porcs-Makkay, A. Komáromi, Gy. Lukács, Gy. Simig; Tetrahedron, 2008 (64) 1029 1033. 7. M. Porcs-Makkay, Gy. Simig; Arkivoc, 2009 167 173. 8. R. A. Daignault, E. L. Eliel, J. R. Edman, B. C. McKusick; Organic. Synthesis, 1967 (47) 37. 9. Gy. Lukács, M. Porcs-Makkay, A. Komáromi, Gy. Simig; Arkivoc, 2008 17 24. 10. Eisai Co., Ltd.; Patent, 2007 US2007/10542 A1. 11. F. A. J. Meskens; Synthesis, 1981 (7) 501 522. 12. A. Komáromi; Diplomamunka, 2007. 169

ÚJ TÍPUSÚ FLUORESZCENS NUKLEOTIDSZENZOROK SZINTÉZISE ÉS SPEKTROSZKÓPIAI VIZSGÁLATA Janzsó-Berend Péter Zoltán 1, Bojtár Márton 1, Hessz Dóra 2, Kubinyi Miklós 2, Bitter István 1 1 BME Szerves Kémiai és Technológia Tanszék, 1111 Budapest, Budafoki út8. 2 MTA Természettudományi Kutatóközpont, 1117 Budapest, Magyar tudósok körútja 2. A 3-hidroxikromonok a gerjesztett állapotú belső protonátadás (excited state internal proton transfer, ESIPT) jelenségét mutatják, mely két emissziós sávot hoz létre (N* és T*) a spektrumban. Ennek a tulajdonságnak köszönhetően hasznosnak bizonyulhatnak a fluoreszcenciás érzékelésben és leképezésben. Továbbá némely származékuk jelentős fluoreszcencia-választ mutat ATP (adenozin-5 -trifoszfát) hatására. [1] A szenzor a legtágabb értelemben véve egy olyan eszköz, ami a környezet változását képes detektálni és egy mérhető jellé alakítani. Az analitikai kémiában a környezet valamiféle mérendő tulajdonság vagy anyag (analit). A szupramolekuláris kémiában a szenzorra úgy tekintünk, mint egy receptorra (gazdamolekula), ami valamiféle kölcsönhatásba lép az analittal (vendégmolekula), és így mérhető változást hoz létre egy, a szenzor által keltett jelben. Kutatásunkban olyan új típusú nukleotid kemoszenzorokat terveztünk, melyekben egy fluoreszcens 3-hidroxikromon egységhez egy nukleinbázist kapcsoltunk, hogy kihasználva a komplementer bázispárok [2] elvét, növeljük a vegyület szelektivitását és a komplexképzés erősségét. Előállítottuk az uracilt tartalmazó I és II molekulát az 5- aziodometiluracil (1a) és a megfelelő propargiloxi-hidroxikromon vegyület (1b), valamint az N-propargiluracil (2a) és az azidobutil-hidroxikromon (2b) click -reakciójával (1. ábra). 1. ábra: A tervezett I és II szenzor előállítása click -reakcióval 170

Spektroszkópiai vizsgálataink alapján I és II turn-on fluoreszcencia választ ad ATP és kisebb mértékben ADP (adenozin-5 -difoszfát) jelenlétében, míg GTP (guanozin- 5 -trifoszfát), AMP (adenozin-5 -monofoszfát) és Ade (adenozin) hatására nem észleltünk számottevő változást a spektrumban (2. ábra). A II szenzorjelölt vegyületet jól oldódott DMSO-víz 1:9 arányú elegyében, míg I-t rossz oldhatósága miatt 100-szoros feleslegű γ- ciklodextrin mellett vizsgáltuk. 2. ábra: I szenzor fluoreszcenciás válasza különböző nukleotidok jelenlétében A szenzorok ATP-vel alkotott komplexének jellemzésére szupramolekuláris titrálást is végeztünk, amiből kvantitatív következtetések vonhatók le. A gerjesztési spektrumokon egy új sáv megjelenése tapasztalható (3. ábra). Ez a kutatócsoportunkban vizsgált 4 - dietilamino-3-hidroxikromon analógiájából kiindulva [3] valószínűleg a szenzorok deprotonált formájához tartozik. Az új sáv intenzitása növekvő nukleotidkoncentráció esetén egyre nő, és mivel a gerjesztési maximum értéke kisebb mértékben változik, a két intenzitás aránya nem állandó, mely a vegyületek arányméréses alkalmazását lehetővé teszi. 3. ábra: I szenzor gerjesztési spektruma növekvő ATP-koncentráció esetén 171

Az uracilcsoport hatásának vizsgálatára összehasonlításokat végeztem 1b és I vegyület nukleotidokra adott válaszai között (4. ábra), az eredmények azt mutatták, hogy ADP-re és ATP-re hasonlóan reagált a két hidroxikromon, de I fluoreszcenciája kisebb mértékben növekedett. 4. ábra: 1b és I relatív fluoreszcencia intenzitásának változása különböző nukleotidok jelenlétében [1] D. A. Yushchenko, O. B. Vadzyuk, S. O. Kosterin, G. Duportail, Y. Mély, V. G. Pivovarenko, Analytical Biochemistry, 2007 (369) 218-225. [2] J. D. Watson, F. H. C Crick, Nature, 1953 (171) 737-738. [3] D. Hessz, I. Bitter, M. Bojtár, M. Kállay, D. Mester, M. Kubinyi, kézirat előkészület alatt 172

ÚJ TRI- ÉS TETRACIKLUSOS PIRROLOTRIAZEPIN- SZÁRMAZÉKOK ELŐÁLLÍTÁSA Földesi Tamás, Dancsó András, Simig Gyula, Volk Balázs, Milen Mátyás 1, 1 Egis Gyógyszergyár ZRt Az 1-aril-2,3-benzodiazepin alapvázat tartalmazó triciklusos vegyületek igen nagy gyógyszerkémiai jelentőséggel bírnak, e csoportban antikovulzáns hatású triazol- és tetrazolszármazékok [1,2] éppúgy megtalálhatóak, mint az AMPA antagonista és Parkinsonellenes hatású imidazolszármazékok. [3] A kinazolon szerkezeti egység szintén számos természetes és mesterséges anyagban megtalálható, ebbe a struktúrkörbe idegrendszerre ható, malária, stb. ellenes anyagok is tartoznak. Szintéziseink kiindulási anyagai a már korábban bemutatott [4] 1-aril-3H-pirrolo[2,1- d][1,2,5]triazepin-4(5h)-on vegyületek voltak, amelyekből imidazollal, triazollal, triazolonnal, valamint tetrazollal kondenzált új gyűrűrendszereket állítottunk elő. [5] A kinazolon szerkezeti elemet a megfelelő S-metil származékok és antranilsavak segítségével alakítottuk ki. [6] [1] M. Zappala, R. Gitto, F. Bevacqua, S. Quartarone, A. Chimirri, M. Rizzo, G. De Sarro, A. De Sarro; Journal of Medicinal Chemistry, 2000 (43) 4834 4839 [2] R. Gitto, M. Zappala, G. De Sarro, A. Chimirri; Il Farmaco, 2002 (57) 129 134 [3] G. Ábrahám, S. Sólyom, E. Csuzdi, P. Berzsenyi, I. Ling, I. Tarnawa, T. Hámori, I. Pallagi, K. Horváth, F. Andrási, G. Kapus, L. G. Hársing Jr., I. Király, M. Patthy, G. Horváth; Bioorganic and Medicinal Chemistry, 2000 (8) 2127 2143 [4] M. Milen, P. Ábrányi-Balogh, A. Dancsó, Gy. Simig, B. Volk; Tetrahedron 2014 (70) 465 476 [5] M. Milen;, T. Földesi, A. Dancsó, Gy. Simig, B. Volk; Synlett 2015, nyomdában [6] T. Földesi, A. Dancsó, Gy. Simig, B. Volk, M. Milen; Tetrahedron, 2015 (71) 6759 6763 173

A FURO[2,3-C]PIRIDAZIN-4(1H)-ON GYŰRŰVÁZ SZÁRMAZÉKAINAK ELSŐ SZINTÉZISE Szabó Balázs Péter, Kelemen Ádám Andor, Kovács Péter, Keserű György Miklós Magyar Tudományos Akadémia Gyógyszerkémiai Kutatócsoport 1117 Budapest, Magyar tudósok körútja 2. 1519 Budapest, Pf. 286. 1. Bevezetés A heterociklusos gyűrűrendszerek fontos építőkövét képezik a kismolekulás gyógyszereknek és jó kiindulási pontjai a fragmens alapú gyógyszerkutatásnak. [1] Az ismert gyógyszereknek a fele csak 32 fajta gyűrűrendszerből épül fel, ami az elérhető heterociklusos kémiai térnek csak kis szegmensét képezi. [2] Az alábbi tanulmány rávilágított a heterociklusos kémia kiaknázatlan lehetőségeire, mindamellett felkínált egy lehetőséget olyan innovatív heterociklusok felfedezésére, melyek potenciális találatok és fragmensek lehetnek a gyógyszerkutatás korai szakaszában. [3] Pitt és kollégái összegyűjtötték az összes lehetséges C,N,O,S és H atomokat tartalmazó heteromono- és biciklust egy 25000 gyűrűrendszert magába foglaló virtuális könyvtárba, melyek csak exociklikus karbonil csoportot tartalmaznak. [3] Ezekből kiválasztottak 22 olyan alacsony komplexitású származékot, melyeknek szintetizálhatóságát prediktálták. A javasolt heterociklusokat gyógyszerkémiai megfontolások figyelembevételével válaszották ki. A kutatócsoportunk célul tűzte ki egy - a fent említett cikkből kiválasztott - heterociklus előállítását. A közölt 22 új gyűrűrendszer közül a 1H,4H-furo[2,3-c]piridazin-4-on gyűrűrendszert választottuk. A 1,2-piridazin-4-on gyűrűváz több gyógyszermolekula alapvázaként is előfordul, mint például a cinnolin-4(1h)-on típusú antibakteriális gyógyszer, a Cinoxacin (1). [4-5] Ennek ellenére a furánnal és tiofénnel kondenzált analógjai limitáltan fordulnak elő a gyógyszerkémiai publikációkban. Néhány példaként a furánkondenzált származék, melyet PDE inhibitorként neurológiai szerként használnak (2), [6] és a 2-es tiofén-analóg (3), melyet vírusellenes (humán herpesz) szerként alkalmaznak a gyógyászatban (1.ábra). [7] 1.ábra Példák kondenzált piridazin-4-on gyűrűrendszert tartalmazó bioaktív vegyületekre. 1 2 3 A szintézis megtervezése előtt megvizsgáltuk a furán és tiofén kondenzált piridazin- 4(1H)-on származékok szintézisét az irodalomban. A legkivitelezhetőbb stratégia az N- heterociklusos gyűrűnek az öt tagú gyűrűre történő ciklizálása egy β-oxo-észterre 174

kondenzált alifás, vagy aromás hidrazon köztiterméken keresztül. Erre a következtetésre a lehetséges gyűrűzárási stratégiák irodalmi vizsgálata alapján jutottunk. A 2.ábrán a furo[2,3-c]piridazin-4(1h)-on céltermék két reális retroszintetikus szétkapcsolását mutatjuk be. 2.ábra A furo[2,3-c]piridazin-4(1h)-on gyűrűrendszer retroszintetikus szétkapcsolási lehetőségei. 4 Az a stratégiánál a C-N kötés mentén történik a hasítás (4), ennél fogva a ciklizáció kulcsintermediereként egy furán származékra van szükség. Schnute kollégái kidolgozták a furán kondenzált piridin-4(1h)-on gyűrűrendszer szintézisét (3.ábra). [8] A szintézis egy intramolekuláris S NAr ciklizációs lépést tartalmaz. A szintézis kulcsintermedierje egy etoxi-akrilát származék, melyből a gyűrűzárási lépést kálium tertbutoxid reagenssel valósították meg. 3.ábra A furo[2,3-b]piridin-4(7h)-on származékok szintézis útja. (a) (EtO) 3 CH, Ac 2 O, 135 C; (b) RNH 2, THF, 25 C; (c) t-buok, 30-40 C; R = CH 3 (Termelés: 67 %), C 2 H 5 (Termelés: 50 %), Ph (Termelés: 34 %). 5 6 7 Egy másik példában a C-N ciklizáción (4) keresztüli piridazine-4(1h)-on gyűrűrendszer kiépítését Mustafa és csoportja dolgozta ki (4.ábra). [9] 4.ábra A tieno[2,3c]piridazin-4-(1h)-on származékok szintézis útja. (a) NaH, THF, 15 C, R = H (Termelés: 55 %), Cl (Termelés: 60%), OCH 3 (Termelés: 52%). 8 9 Az 5.ábrán a b szintézis stratégiára (5) látható irodalmi példa. Shalaby és kollégái publikációjukban az etil 5-amino-3,4-difenilfuro[2,3c]piridazin-6-karboxilát és a tiofén származék előállítása során tapasztalt nem várt gyűrűzárási mechanizmusáról írnak. [10] 175

5.ábra Az etil 5-amino-3,4-difenilfuro és tieno[2,3-c]piridazin-6-karboxilátok C-C ciklizációs lépésen keresztüli szintézis stratégiája. (a) NaOEt, BrCH 2 COOEt, 3h, reflux, X = O (Termelés: 70 %), X = S (Termelés: 55 %). 10 11 12 A fentebb tárgyalt irodalmi példák vizsgálatára alapozva az a stratégiát választottuk szintetikusan kivitelezhető útnak. Döntésünket alátámasztotta még, hogy a furán származékok kereskedelmileg könnyen hozzáférhetők és széles körben használtak szerves szintézisek kiindulási anyagaként. A hidrazon és aminoakriláton keresztüli S NAr típusú ciklizációs lépés jól karakterizált mind a cinnolonok szintéziséből ismert metodikában, mind az imént említett furo- és tieno-kondenzált példákban is. 2. Eredmények és értékelésük Jelen munkánkban beszámolunk az új heterociklusos furo[2,3-c]piridazin-4(1h)-on gyűrűrendszer és annak néhány 1-fenil-3-karbonsav származékának első sikeres szintéziséről. A kész szintézis utat a 6.ábrán foglaljuk össze. 6.ábra Az 1-fenil-1H,4H-furo[2,3-c]piridazin-4-on származékok szintézis útja. (a) LDA, C 2 Cl 6, THF, 4h, -78 C-tól RT, Termelés: 14, 45 %, (b) SOCl 2, DKM, kat. DMF, reflux, 12ó, 15 (c) LiHMDS, EtOAc, 45 perc, -78 C-tól RT, Termelés: 16, 79 %, (d) arildiazónium só, NaOAc, EtOH, 1ó, RT, Termelés: 17a, R = H, 51 %, 17b, R = OCH 3, 59 %, (e) NaH, THF, 12ó, 50 C, Termelés: 18a, R = H, 24%, 18b, R = OCH 3, 32 %, (f) LDA, THF, 12ó, -78 C-tól RT, Termelés: 18a, R = H, 78 %, 18b, R = OCH 3, 74 %, (g) CH 2 N 2, DKM, 2ó, RT, Termelés: 19a, R = H, 93 %, (h) DBU, MeI, MeCN, 3ó, RT, Termelés: 19a, R = H, 95 %, 19b, R = OCH 3, 92 %. 13 14 15 16 17a,b 18a,b 19a,b A mi elképzelésünk szerint a kulcslépés a hidrazon származékok (17a,b) lítium-diizopropilamid vagy nátrium-hidrid bázissal történő gyűrűzárása, melyhez szükséges a halogén helyettesítő jelenléte a furán váz α-helyzetében. Ezért a kereskedelemben könnyen hozzáférhető furán-3-karbonsavat (13) választottuk az ötlépéses eljárás kiindulási 176

anyagának. A furán-3-karbonsav (13) α-helyzetű lítiálását lítium diizopropil-amiddal végeztük THF-ben, ezt követően hexaklóretánt adtunk a reakcióelegyhez, [9] mellyel így jó termeléssel kaptuk meg a 2-klór származékot (14). A savklorid előállítás kezdeti reakció körülményénél refluxáltatott oxalil-kloridot alkalmaztunk. Magas hőmérsékletű oldószerek használata, mint a toluol, a furán váz bomlását eredményezte a feldolgozás során. Mindazonáltal amikor diklórmetánt használtunk oldószernek, [11] az elreagálatlan oxalilkloridot nem tudtuk desztillációs úton maradéktalanul eltávolítani. Az optimális savklorid (15) képzést tionil-klorid reagenssel, refluxáltatott diklórmetán oldószerben és dimetilformamid katalizátor alkalmazásával értük el. A következő lépésben változtatásokat végeztünk a szintézis stratégiánkban a 3.ábrán bemutatotthoz képest. Azt a módszert alkalmaztuk, melyet Hughes és kollégái ketoészterek szintéziseit taglaló munkájában használ. [12] Mustafa és csoportjának szintézisstratégiájában a 2,5-diklorotiofén acilezését agresszív körülményeket alkalmazó Friedel-Crafts acilezéssel hajtja végre. A fenti reakció kiváltása érdekében az etil 3-(2-klórfurán-3-il)-3-oxopropanoátot (16) a furanil-klorid és a frissen előállított, α-szénen lítiált etil-acetát reakciójával nyertük. Ezt a CH-savas vegyületet fenil- és p-metoxifenildiazónium sóval reagáltattuk, hogy megkapjuk a fenilhidrazinilidén származékokat (17a,b). A fenildiazónium-kloriddal alacsony termelést értünk el a diazónium-klorid só alacsony stabilitása miatt. A diazónium reagens stabilitását tetrafluoroborát só használatával tudtuk növelni. A metoxi származék előállításánál, elengedhetetlen a p-anizidin prekurzor átkristályosítása a jó termeléshez. A gyűrűzárási lépést a 2-klór-p-metoxi és p-szubsztituálatlan fenilhidrazin kulcsintermedierrel (17a,b) is elvégeztük. A ciklizáció fő lépése a negatív töltésű, vagy parciálisan negatív hidrazin-nitrogén támadása a furán elektronhiányos α-helyzetű szenére. A nátrium-hidrid alkalmazása jól ismert a cinnolinok és egyéb piridazin-kondenzált gyűrűrendszerek ciklizációs reakcióiban. [5] Azt tapasztaltuk, hogy a feldolgozási folyamat során a gyűrűzárt észter hidrolízist szenved, így a 18a,b savszármazékokat kaptuk alacsony, 32 %-os termeléssel. A termelés növelése érdekében lítium-diizopropil-amin bázist használtunk alternatív reagensként. Feltételezésünk szerint a protonált nitrogénen bekövetkező lítiálás hatására elektronban gazdag cetrum alakul ki, mely képes betámadni a furán váz elektronszívó atomokkal szomszédos (klór, furán oxigén) α-helyzetű szenére (7.ábra). A lítiált köztiterméken keresztüli gyűrűzárás nagyobb kitermelést eredményezett, azonban az előző módszerrel azonos módon hidrolízis következett be. Ezért a sikeres gyűrűzárási lépéssel előállított hidrolizált észtert karboxilát sóként kaptuk, melyet a vizes fázis ph-jának savanyításával csapadék formájában izoláltunk. 7.ábra A lítiált köztiterméken keresztüli ciklizációs reakció feltételezett mechanizmusa Ezt követően a fenil csoport eltávolítását Bertha Ferenc laboratóriumának kutatásaira alapozva kíséreltük meg, [13] mely szerint a p-metoxifenil csoportot tartalmazó vegyületek 177

defenilezését cérium(iv)-ammónium-nitrát (CAN) reagenssel lehet végrehajtani. Ezzel a módszerrel azonban nem sikerült a célvegyület előállítása, így ez a jövőben további kísérleteket igényel. 7.ábra A CAN-nal történő defenilezés mechanizmusa. (a) CAN MeCN:H 2 O=5:1, (b) víz A gyűrűzárt termék szerkezetét a megfelelő metilészter származék előállításával igazoltuk. Az észteresítést két alternatív eljárással is elvégeztük, az egyiket diazometán reagens alkalmazásával, [14] a másikat 1,8-diazabicikloundec-7-én (DBU) bázis és metiljodid reagensek alkalmazásával. [15] Eredményeink összefoglalása képpen tehát sikeresen szintetizáltuk az új heterociklusos gyűrűrendszer négy alábbi származékát, melyek a 4-oxo-1-fenil-1H,4Hfuro[2,3-c]piridazin-3-karbonsav (18a), metil 4-oxo-1-fenil-1H,4H-furo[2,3-c]piridazin-3- karboxilát (19a), 1-(4-metoxifenil)-4-oxo-1H,4H-furo[2,3-c]piridazin-3-karbonsav (18b), metil 1-(4-metoxifenil)-4-oxo-1H,4H-furo[2,3-c]piridazin-3-karboxilát (19b). A jövőben tervezzük az új heterociklusos gyűrűrendszerek további származékainak előállítását, mely lehetővé teszi gyógyszerkutatási projektekben való kiaknázásukat. 3 Hivatkozásjegyzék [1] Daniel A. Erlanson, Top. Curr. Chem., 2012 (317) 1-32. [2] Guy W. Bemis, Mark A. Murcko, J. Med. Chem., 1996 (39) 2887-2893. [3] William R. Pitt, David M. Parry, Benjamin G. Perry, Colin R. Groom, J. Med. Chem., 2009 (52) 2952-296. [4] K. S. Israel, H. R. Black, R. L. Nelson, M. K. Brunson, J. P. Nash, G. L. Brier, J. D. Wolney, J. Clin. Pharm., 1978, 18 (10) 491-499. [5] Miyamoto, Matsumoto, Chem. Pharm Bull., 1990, 38 (12) 3359-3365. [6] Taniguchi Takaiho, Suzuki Shinkichi, Yoshikawa Masato, Hasui Tomoaki, Fushimi Makoto, Kunimoto Jun, Takeda Pharmaceutical Company Limited, Patent no. WO2012/20780, 2012. [7] Gordon L. Bundy et al., US2002/25960 A1, 2002 [8] Mark E. Schnute et al., Bioorg. Med. Chem. Lett., 2008 (18) 3856-3859. [9] Mustafa M. El-Abadelah, Adv. Synth. Catal./J. Prakt. Chem./Chem Z., 1997 (339) 284-287. [10] Alyaa A. Shalaby, J. Prakt. Chem., 1990, 332 (1) 104-108. [11] Shoji Kishimoto et al., Takeda, Patent no. 5164410, 1992. [12] Mark J. Hughes; Eric J. Thomas, J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1, Org. Bio-Org. Chem., 1993 (13) 1493-1506. [13] Ferenc Bertha, Le Thanh Giang, József Fetter, Mária Kajtár-Peredy, Károly Lempert, Gábor Czira, Journal of Chemical Research-Synopses, 2003 (12) 759-760. [14] Subhendu Bhowmik, Garima Pandey, Sanjay Batra, Chem. Eur. J., 2013 (19) 10487-10491. [15] John E. Starrett, Jr., David R. Tortolani, Muzammil M. Mansuri, Nicholas A. Meanwell, Bristol-Myers Squibb Co., Patent no. US5559248 A1, 1996. 178

AZ L-GULONÁTION PROTONÁLÓDÁSÁNAK ÉS LAKTONIZÁCIÓJÁNAK VIZSGÁLATA Buckó Ákos, 1,4 Kutus Bence, 1,4 Peintler Gábor, 2,4 Pálinkó István, 3,4 Sipos Pál 1,4 1 Szegedi Tudományegyetem, Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszék, 6720 Szeged, Dóm tér 7. 2 Szegedi Tudományegyetem, Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszék, 6720 Szeged, Aradi Vértanúk tere 1. 3 Szegedi Tudományegyetem, Szerves Kémia Tanszék, 6720 Szeged, Dóm tér 8. 4 Anyag- és Oldatszerkezeti Kutatócsoport, Szegedi Tudományegyetem, 6720 Szeged, Dóm tér 7-8 1. Bevezetés A szénhidrátok/szénhidrátszármazékok különböző fémionok közötti kölcsönhatások feltárása az utóbbi évgekben-évtizedekben kiemelt jelentőségű területté vált, köszönhetően számos biológiai folyamat és ipari alkalmazás során betöltött kulcsfontosságú szerepüknek. Ebbe a vegyületcsoportba sorolhatók az aldonsavak, melyek széleskörű gyakorlati felhasználásra tettek szert (gyógyszer- és élelmiszeripar, papír- és textilgyártás, stb.) Az általunk vizsgált L-gulonátion (L-Gul, 1.(b) ábra) az L-aszkorbinsav (Cvitamin) bioszintézise során a D-glükuronsavból keletkező intermedier. A savas közegben protonálódó anion (HGul) intramolekuláris észterképzéssel L-gulonsav-γ-laktont (Gul-L) eredményez. [1] Egy korai tanulmány szerint ez az öttagú gyűrűs észter a stabilisabb, míg a hattagú δ-lakton gyorsabban képződik. [2] Megállapították, hogy a laktonizáció jóval lassabb folyamat mint a protonálódás. 7. ábra: A D-glükonátion (a) és L-gulonátion (b) (a) (b) Az L-gulonátion diasztereomerpárja a széleskörűen használt D-glükonátion (D- Gluc, 1.(a) ábra); a két vegyület csak a 2-es és 5-ös szénatom konfigurációjában tér el egymástól, amiből azonban nem következik, hogy kémiai tulajdonságaik teljesen megegyeznek. A glükonát protonálódási és laktonizációs egyensúlyait Zhang és munkatársai vizsgálták. [3] A protonálódási állandó értéke (T = 25 C, I = 1 M): lgk p = 3,30 ± 0,02, míg a képződő öttagú (γ) és hattagú (δ) gyűrűs lakton közül az utóbbi a stabilisabb, lgk L,δ = 0,54 ± 0,04 képződési állandóval. A gulonátion protonálódási állandóját már meghatározták, [4] a laktonizációs állandóra azonban nincs irodalmi adat. Jelen munka célja ennek megfeleleően az L-Gul savas közegben lejátszódó reakcióinak egyensúlyi leírása volt. 179

2. Kísérleti rész A felhasznált L-gulonsav-γ-lakton (Sigma-Aldrich termék, 95%-os tisztaság) minőségét forgatóképesség-méréssel (Optech PL1 körpolariméter, 2 dm optikai úthossz) ellenőriztük. A meghatározott fajlagos forgatóképesség megegyezett a gyártó által megadott adattalal. A gulonátion protonálódási és laktonizációs egyensúlyának meghatározásához szükséges NaGul-tartalmú oldatokat úgy készítettük, hogy a kiindulási L-gulonsav-γlaktont ekvivalens mennyiségű NaOH-oldattal semlegesítettük. Az egyes oldatokban az anion teljes koncentrációja ([Gul ] T ) 0,2000 M volt minden esetben. Az ionerősséget 1 M- ra állítottuk be NaCl-oldat segítségével. Az oldatsorozatban a sósav koncentrációját 0 és 0,2001 M között változtattuk. A mérések előtt irodalmi adatok alapján [3] négy napot vártunk az egyensúly beállására. A ph-mérés során egy Mettler Toledo S20 Seven Easy berendezést használtunk. Az üvegelektród kalibrációja 3 pufferoldat és 4 pontos hígítással készített sósavoldat segítségével történt. A méréseket minden esetben szobahőmérsékleten végeztük. A 1 H és 13 C NMR-spektrumokat egy Bruker Avance 500 MHz-es NMR-spektrométerrel vettük fel (25 ± 1) C hőmérsékleten, vízjel elnyomás mellett. A gulonátion 1 H- és 13 C-csúcsait kutatócsoportunkban korábban már azonosították. 3. Eredmények bemutatása és értékelése A deprotonált és protonált forma H-atomjai egymással gyors cserében vannak, így a protonálódás eredményeként a kémiai eltolódás fokozatos változása látható. [3] A nagymértékben különböző szerkezetű γ- és δ-lakton lassú cserében van mind a nyílt láncú formákkal, mind egymással; emellett ezek a protonálódási folyamatokban nem vesznek részt, így csúcsaik könnyen azonosíthatók, és mindig adott kémiai eltolódásnál találhatók. Az L-Gul esetén semleges és savas közegben felvett spektrumok a 2. ábrán láthatók. 180

8. ábra: A 13 C NMR spektrumok változása a ph függvényében A Gul 1 H és 13 C NMR jelei jelentősen eltolódnak a csökkenő ph hatására, ami egyértelműen a protonálódás eredménye. A legnagyobb változás a karboxilátion C1 jele mellett a C2 (valamint 1 H NMR esetén a H2) jelnél látható, mivel a protonálódás helyéhez ez helyezkedik el a legközelebb. Savas közegben tíz új jel látható a spektrumon, ami a laktonképződést jelzi. A nagyobb intenzitású öt jel a γ-laktonhoz tartozik, mivel egyensúlyban ez a forma stabilisabb. A kis intenzitású C1 jele mellett várható hatodik laktonjel egyik esetben sem látható, ennek oka a viszonylag rövid mérési idő. A már említett gyors csere miatt a mért kémiai eltolódás (δ) a két részecske határeltolódásának móltörtekkel súlyozott átlagaként adódik. Gul HGul Gul HGul Gul HGul Gul HGul (1) A K p protonálódási állandóra felírható összefüggés: K p HGul + H Gul (2) Ezt behelyettesítve a kémiai eltolódás fenti egyenletébe, δ kifejezhető [H + ] függvényeként. K p H 1 K p H Gul HGul (3) 181

A protonálódási állandó így, a laktonizációtól függetlenül, nemlineáris illesztéssel számítható. Az egyes jelekre kapott értékek 1 H és 13 C NMR esetén (a legnagyobb hibát tekintve átlagos hibának): lgk p = 3,18 ± 0,05 és 3,18 ± 0,01. Az illesztések eredménye a 13 C NMR spektrumok esetén a 3. ábrán látható. Az adatokat együttesen is illesztettük a ZITA program [5] segítségével; az így kapott eredmény 3,24 ± 0,03. Megállapítható, hogy a két NMR módszer esetén kapott érték jól egyezik. Az L-gulonátra meghatározott irodalmi érték lgk p = 3,48 ± 0,02; [4] a különbség valószínűleg a jóval kisebb ionerősség (0,1 M) következménye. A D-Gluc esetén lgk p értéke 3,30 ± 0,02 (I = 0,1 M), ami alapján kijelenthető, hogy a két vegyület protonálódás szempontjából hasonlóan viselkedik. A protonálódás, valamint laktonizáció bruttó egyenlete a következő: H + + Gul HGul Gul-L + H 2 O (4) Amennyiben a HCl kezdeti koncentrációja ([HCl] T ) és K p értéke ismert, a ph kiszámítható. Laktonképződés során a HGul koncentrációja csökken, ami az első reakciót a felső nyíl irányába tolja, így az egyensúlyi H + -koncentráció szintén csökken, tehát a ph nőni fog. A mért és számított ph közti különbség tehát a laktonizáció következménye, vagyis erre a folyamatra közvetlen és egyszerűen mérhető kémiai információt szolgáltat. Figyelembe véve a laktonizációs állandó kifejezését és az anyagmérleg-egyenleteket, K L értéke adott mért ph esetén az alábbi összefüggés szerint számítható: K L + HCl T H ( T ) Gul-L 1 HGul K H Gul HCl + H + + p T (5) lgk L értékére 0,41 ± 0,05 adódott, ami hasonló a D-glükonátra kapott értékhez ( 0,54 ± 0,04) [3], bár utóbbi esetén a hattagú izomer a stabilisabb. A ZITA programmal végzett számítások alapján lgk L = 0,42 ± 0,06. Az egyes részecskék eloszlási diagramja a 4. ábrán látható. 182

3. ábra: Az L-gulonátion kémiai eltolódásának változása savas közegben (T = 25 C, I = 1 M). A szimbólumok a mért, míg a vonalak a számolt értékeket jelölik. Az adatokat minden esetben a gulonátion adataira normalizáltuk a jobb ábrázolhatóság érdekében. Az így meghatározott állandó makroállandó, ugyanis egyaránt jellemzi a γ- és δ-lakton képződését. Az anyagmérleg egyenletek felhasználásával K L a két mikroállandó összegeként fejezhető ki. Mivel a mikroállandók aránya megegyezik a két lakton koncentrációarányával, ezért ezt a hányadost a 13 C jelterületek segítségével lehet becsülni. γ-gul-l + δ-gul-l HGul K K K (6) L L,γ L,δ T T γ-gul-l K (7) δ-gul-l K L,γ L,γ L,δ L,δ A fenti közelítést használva, a mikroállandók értékeire lgk L,γ = 0,5 és lgk L,δ = 1,1 adódott. A továbbiakban a rendszer forgatóképesség-változását kívánjuk részletesen vizsgálni polarimetria segítségével. A már megmért részecskeeloszlási diagramot a 4. ábra mutatja. 183

4. ábra: Részecskeeloszlási diagram a Gul HGul Gul-L rendszerben [1] C. Bublitz, A. L. Lehninger; Biochimica et Biophysica Acta 1961, 47, 288-297. [2] P. A. Levene, H. S. Simms; Journal of Biological Chemistry 1925, 65, 31-47. [3] Z. Zhang, P. Gibson, S. B. Clark, G. Tian, P. L. Zanonato, L. Rao; Journal of Solution Chemistry 2007, 36, 1187-1200. [4] T. Gajda, B. Gyurcsik, T. Jakusch, K. Burger, B. Henry, J.-J. Delpuech; Inorganica Chimica Acta 1998, 275 276, 130-140. [5] G. Peintler; ZITA, A comprehensive program package for fitting parameters of chemical reaction mechanisms, Versions 2.1 5.0, 1989-2012, Department of Physical Chemistry, University of Szeged, Szeged, Hungary. 184

IZOPROPIL- ÉS IZOPENTIL-3-METIL-3-FOSZFOLÉN-1-OXID SZINTÉZISE, RESZOLVÁLÁSA ÉS HASZNOSÍTÁSA SZINTÉZISEKBEN Juhász Kinga 1, Bagi Péter 1 1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Szerves Kémia és Technológia Tanszék, 1111 Budapest, Műegyetem rkp. 3. A királis foszfinok jelentős vegyületcsaládot alkotnak, ugyanis átmenetifém komplexeik enantioszelektív katalizátorok lehetnek homogén katalitikus reakciókban, többek között hidrogénezésben és hidroformilezésben. [1] A P-aszimmetria-centrumot tartalmazó heterociklusos foszfin-ligandumok átmenetifém komplexeinek előállítása és alkalmazása még számos kihívást rejt magában. [2] Munkánk során az 1-izopropil- és 1-izopentil-3-metil-3-foszfolén-1-oxid (1a és 1b) szintézisét és reszolválását tűztük ki célul. Részletesen vizsgálni kívántuk, hogy a rokonszerkezetű racém vegyületek esetében hogyan függ a reszolválás eredményessége az alkillánc hosszától. Emellett a racém és optikailag aktív 1-izopropil-3-metil-3-foszfolénborán- és platina-komplexeket (2 és 3) is elő kívántuk állítani. A reszolválást a kutatócsoportunkban korábban kidolgozott eljárást követve [3-6] TADDOL-származékokkal (2a és 2b), illetve ( )-O,O -dibenzoil- és ( )-O,O -di-p-toluoilborkősav savanyú Ca 2+ -sóival (3a és 3b) kíséreltük meg különböző oldószerekben (1. ábra). Megfigyeltük, hogy mind a reszolválószer, mind az oldószer jelentősen befolyásolta a reszolválás eredményességét. Emellett 1-izopropil-3-metil-3-foszfolén-1-oxid (1a) esetében kidolgoztunk egy eljárást, amellyel a foszfolén-oxid (1a) mindkét enantiomerje előállítható volt, a megfelelő racém vegyületből kiindulva. 185

1. ábra: 1-Izopropil- és 1-izopentil-3-metil-3-foszfolén-1-oxidok (1a és 1b) reszolválása A kutatócsoportban korábban kidolgozott eljárás alapján, [7-9] racém és optikailag aktív 1-izopropil-3-metil-3-foszfolén-borán és platina-komplexek (5 és 6) szintézisét is megvalósítottuk (2. ábra). A racém vagy optikailag aktív 1-izopropil-3-metil-3-foszfolén- 1-oxidot (1a) első lépésben triklórszilánnal deoxigéneztük, majd az így kapott foszfolént (4) borán-dimetilszulfiddal vagy diklór-dibenzonitril-platina(ii)-vel reagáltatva kaptuk a megfelelő borán- vagy platina komplexeket (5 és 6). 2. ábra: 1-Izopropil-3-metil-3-foszfolén-borán és platina-komplexek (2 és 3) 186

Az előállított optikailag aktív 1-izopropil-3-metil-3-foszfolén-platina-komplexet (6) SnCl 2 jelenlétében sztirol (7) hidroformilezési reakciójában katalizátorként tesztelte Dr. Kollár László és Dr. Pongrácz Péter a Pécsi Tudományegyetemen (3.ábra). A hidroformilezési reakciót különböző hőmérsékleteken és reakcióidővel is elvégezték és vizsgálták a reakció kemo-, regio- és enantioszelektivitását, valamint a konverzió mértékét. [10] 3. ábra: Sztirol (7) hidroformilezése [1] R. Noyori; Asymmetric Catalysis in Organic Synthesis; John Wiley & Sons: New York, 1994. [2] L. Kollár, G. Keglevich; Chemical Reviews, 2010 (110) 4257-4302. [3] T. Novák, V. Ujj, J. Schindler, M. Czugler, M. Kubinyi, Z.A. Mayer, E. Fogassy, G. Keglevich; Tetrahedron: Asymmetry, 2007, (18) 2965-2972. [4] V. Ujj, P. Bagi, J. Schindler, J. Madarász, E. Fogassy, G. Keglevich; Chirality, 2010 (22) 699-705. [5] P. Bagi, A. Laki, G. Keglevich; Heteroatom Chemistry, 2013 (24) 179-186. [6] P. Bagi, A. Fekete, M. Kállay, D. Hessz, M. Kubinyi, T. Holczbauer, M. Czugler, E. Fogassy, G. Keglevich; Chirality, 2014 (26) 174-182. [7] G. Keglevich, P. Bagi, Á. Szöllősy, T. Körtvélyesi, P. Pongrácz, L. Kollár, L. Drahos; Journal of Organometallic Chemistry, 2011 (696) 3557-3563. [8] P. Bagi, T. Kovács, T. Szilvási, P. Pongrácz, L. Kollár, L. Drahos, E. Fogassy, G. Keglevich; Journal of Organometallic Chemistry, 2014 (751) 306-313. [9] P. Bagi, T. Szilvási, P. Pongrácz, L. Kollár, L. Drahos, G. Keglevich; Current Organic Chemistry, 2014 (18) 1529-1538. [10] P. Bagi, K. Juhász, I. Timári, K. E. Kövér, D. Mester, M. Kállay, M. Kubinyi, T. Szilvási, P. Pongrácz, L. Kollár, K. Karaghiosoff, M. Czugler, L. Drahos, E. Fogassy, G. Keglevich; Journal of Organometallic Chemistry, 2015 (797) 140-152. 187

DIARILFOSZFINSAV EGYSÉGET TARTALMAZÓ 18-KORONA-6- ÉTEREK ELŐÁLLÍTÁSA ÉS pk a ÉRTÉKÜK MEGHATÁROZÁSA Szentjóbi Hajnalka 1, Szabó Tamás 1, Németh Tamás 1, Dargó Gergő 2, Dr. Tóth Tünde 1, Dr. Balogh György Tibor 2, Dr. Huszthy Péter 1 1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Szerves Kémia és Technológia Tanszék, 1111, Bp., Szent Gellért tér 4. 2 Richter Gedeon Nyrt, Szintézistámogató Laboratórium, 1103, Bp. Gyömrői út 19-21. A deprotonálható makrociklusok savanyú protont tartalmaznak, így a pk a értékük és a közeg ph-jától függően ligandum anionként, illetve semleges ligandum formában fordulhatnak elő. A pk a értéküknél alacsonyabb ph-jú közegben a nem ionizálható koronaéterekhez hasonlóan fémionokkal pozitív töltésű komplexet képeznek. Ezért komplexáláskor a fém ellenionjával társulva a fém kationhoz tartozó aniont is deszolvatálniuk kell, ill. fémiontranszport esetén magukkal kell vinniük, ami energiabefektetéssel jár. A deprotonálható makrociklusokból azonban pk a értéküknél nagyobb ph-jú közegben negatív töltésű ligandumok képződnek, amelyek a pozitív töltésű fémionokkal semleges komplexet képezve szükségtelenné teszik az anionnal való társulást, így az utóbbiak deszolvatációját, valamint a fázisok közötti átvitelét, ezért a fémiontranszport energetikailag jóval kedvezőbben megvalósítható, mint a nem ionizálható makrociklusok esetében. Így a deprotonálható koronaéterek képesek megvalósítani az ún. anion nélküli transzportot, mely során a koncentrációgradiens ellenében szállíthatnak fém, illetve ammónium ionokat. [1] Ezen tulajdonságuk révén számos területen alkalmazzák őket. [1-3] A transzportfolyamatokban a deprotonálható makrociklus ionokat jól, illetve rosszul komplexáló formáját legkönnyebben a közeg ph-jának változtatásával hozhatjuk létre reverzibilisen, ezért elengedhetetlen ismernünk a transzportot megvalósító ligandumok pk a értékeit. Kutatócsoportunkban korábban vizsgálták a makrogyűrűn hosszú lipofil szénláccal rendelkező, diarilfoszfnsav egységet tartalmazó, enantiomertiszta deprotonálható koornaéterek transzportfolyamatokban való alkalmazását folyadéktömb-membráncellás rendszerben. [4] Munkám során ezen lipofil makrociklusok szerkezetéhez hasonló, de akirális koronaéterek előállítását tűztem ki célul, ugyanis ezen makrociklusok pk a értékékét a gyűrűhöz kapcsolódó lipofil szénlánc számottevően nem befolyásolja, ugyanakkor a gyűrűn szubsztituálatlan koronaéterek pk a értékének mérését jelentősen megkönnyíti azok jobb vízoldékonysága. 1. ábra Előállítani kívánt makrociklusok 188

Később a koronaéterek kísérletileg meghatározott pk a értékeinek értelmezéséhez szükségszerűvé vált előállítani az alábbi három (8-10) difenilfoszfinsav származékot. Ezen vegyületek, valamint a velük analóg szerkezetű koronaéterek pk a értékeinek összehasonlításával vizsgálhatóvá válik a koronaéterekben esetlegesen kialakuló intramolekuláris hidrogénhidak, illetve a konformációs változások hatása a pk a értékekre. 2. ábra Előállítani kívánt difenilfoszfinsav származékok A koronaéterek szintézismódszerének alapja, egy diaril-foszfinsav-észter, valamint egy etilén-oxi egységből álló molekula kapcsolása. Szükségem volt tehát az alábbi három intermedierre (11-13), melyek közül a szubsztituálatlan foszfinsav-etilészter származék (11) rendelkezésemre állt. 3. ábra A szintézishez szükséges intermedierek A 12 terc-butilcsoportokat tartalmazó foszfinsav-etilészter származékot három lépésben állítottam elő. Első lépésként foszforoxikloridot reagáltattam terc-butilfenollal alumínium-klorid jelenlétében, majd az így keletkezett difenilklórfoszfát származékot tisztítás nélkül etanollal észteresítettem piridin bázis jelenlétében. Az utolsó lépés egy ortolítiálást követő intramolekuláris átrendeződésből áll, ami a butil-lítiumból és diizopropilaminból keletkező lítium-diizopropilamid hatására megy végbe tetrahidrofurán oldószerben. [5] 4. ábra Terc-butilcsoportokat tartalmazó foszfinsav-etilészter származék előállítása 189

A makrocilizációhoz szükséges távozócsoport kialakításának érdekében a 14 tetraetilénglikolt tozileztem, így előállítva a kívánt 13 tetraetilénglikol-ditozilátot. A reakcióhoz p-toluolszulfonsav-kloridot használtam, káliumhidroxid bázis jelenlétében. 5. ábra Tetraetilénglikol-ditozilát előállítása A gyűrűzárás során fenolos hidroxilcsoportokat tartalmazó foszfinsav-etilésztereket (11, 12) és tetraetilénglikol-ditozilátot (13) reagáltattam kálium-karbonát jelenlétében, dimetil-formamid oldószerben, 80 C-on. [6] 6. ábra Makrociklizáció A nitroszármazékokat a 17 és 18 koronaéterből állítottam elő, azokat kénsav és salétromsav elegyével reagáltatva. A 17 koronaéter esetében az elegy összetételének, illetve a hőmérséklet változtatásával négy származékot (19-22) sikerült előállítanom. 7. ábra Nitrálás 190

A deprotonálható egység létrehozása érdekében a 17, 18 és 23 makrociklusok észtercsoportjainak hidrolízisét propil-alkohol oldószerben tetrametil-ammónium-hidroxid vizes oldatával forralva hajtottam végre, a 19-22 koronaéterek esetében 10%-os sósav oldat és deszt. dioxán 1 : 1 arányú elegyét alkalmaztam 80ºC-on. 8. ábra Hidrolízis A három difenilfoszfinsav származékot (8-10) a rendelkezésemre álló 11 difenilfoszfinsav-etilészter származékból állítottam elő. Először trimetilszilil-kloriddal reagáltattam, nátriumjodid jelenlétében acetonitril oldószerben, így a megfelelő trimetilszilil-észter (24) keletkezett, amit ezután hidrolizáltam, így a kívánt 8 foszfinsav származékot kaptam. [5] A 9 metoxicsoportokat tartalmazó vegyület előállításához a 8 foszfinsav származékot dimetilszulfáttal metileztem, 10%-os vizes káliumhidroxidban, majd előbbit kénsav és salétromsav elegyével reagáltatva a 10 származékhoz jutottam. 9. ábra Difenilfoszfinsav származékok előállítása 191

Meghatározták az általam előállított 1-7 koronaéterek, valamint a 9 és 10 difenilfoszfinsav származékok pk a értékét UV-pH titrálásos, illetve a 8 vegyület esetében potenciometrikus módszerrel. Az eredményeket az 1. táblázatban foglaltam össze, feltüntetve a számítógépes prediktor szoftverrel előzetesen számított eredményeket is. Vegyület 1. táblázat pk a értékek Számított Mért 1 2,46 3,02 2 2,68 3,21 3 2,20 5,37 4 2,15 1,54 5 1,90 1,48 6 1,72 4,22 7 1,58 3,45 8 pk a érték 2,18 1,84 8,89 10,40 9,56 12,77 9 2,30 2,68 10 1,32 0,24 Az aromás gyűrűn lévő szubsztituensek hatását vizsgálva az 1, 2, 4 és 5 koronaéterek viselkedéséről megállapítható, hogy a vártaknak megfelelően alakultak. Az elektronszívó nitrocsoportok növelték a koronaéter savasságát, míg az elektronküldő tercbutilcsoportok csökkentették azt. Azonban a 3, 6, és 7, a koronagyűrűhöz viszonyítva az aromás gyűrűkön orto helyzetben nitrocsoportokat tartalmazó makrociklusok savassága kisebbnek adódott az 1 alapvegyületénél, a vártakkal ellenkezőleg. Ez a jelenség a 10 nitrocsoportokat tartalmazó difenilfoszfinsav-származék esetében nem figyelhető meg, tehát kijelenthető, hogy az eltérést a koronagyűrű jelenléte okozza, valamilyen konformációs hatáson, illetve másodrendű kölcsönhatások kialakulásán keresztül. Ezt a későbbiekben kvantumkémiai számításokkal kívánjuk részletesebben vizsgálni. [1] R. M. Izatt, R. L. Bruening, P. Huszthy, C.W. McDaniel, J.S. Bradshaw, J.J. Christensen; Analytical Chemistry, 1988 (60) 1694-1699. [2] R. A. Bartsch; ACS Symposium Series, 1999 (716) 146-155. [3] M. Ulewicz, W. Walkowiak, Y. Jang, J.S. Kim, R.A. Bartsch; Analytical Chemistry, 2003 (75) 2276-2279. [4] T. Szabó, E. Hirsch, T. Tóth, P. Huszthy; Tetrahedron: Asymmetry, 2014 (25) 1443-1449. [5] B. Dhawan, D. Redmore; Journal of Organic Chemisty, 1986 (51) 179-183. [6] P. Huszthy, E. Samu, B. Vermes, G. Mezey-Vándor, M. Nógrádi, J.S. Bradshaw, R.M. Izatt; Tetrahedron, 1999 (55) 1491-1504. 192

DRONSAV-SZÁRMAZÉKOK SZINTÉZISÉNEK VIZSGÁLATA Nagy Dávid Illés 1, Grün Alajos 1, Kovács Rita 1, Németh Orsolya 1, Garadnay Sándor 2, Greiner István 2, Keglevich György 1 1 1. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Szerves Kémia és Technológia Tanszék, 1111 Budapest, Budafoki út 8. 2 2. Richter Gedeon Nyrt., 1103 Budapest, Gyömrői út 19-21. Az 1-hidroxi-1,1-biszfoszfonsavak, illetve származékaik között számos gyógyszeripari hatóanyag található, ezért előállításuk optimálása fontos feladat. A dronsavakat/dronátokat posztmenopauzás oszteoporózis (csontritkulás), Paget-kór és tumorindukált hypercalcaemia kezelésére alkalmazzák, de újabban egyre több adat szól a direkt daganat (mell, prosztata) és parazitaellenes hatásukról is, így egyre növekszik irántuk az érdeklődés. [1-2] Az irodalomban leírt dronát előállítások döntő részében a megfelelően szubsztituált karbonsavat reagáltatják foszfor-trikloriddal és foszforossavval, a P-reagenseket gyakran értelmetlenül nagy feleslegben alkalmazva, ami plusz költséget jelent és környezetvédelmi szempontból is káros. A Tanszéki kutatások során azonban bizonyosságot nyert, hogy alendronát, [3] ibandronát, [3] risedronsav [4] és zoledronsav [4] előállításához metánszulfonsav (MSzS) oldószerben nincs szükség foszforossavra, elegendő csupán 3,2 ekvivalensnyi foszfor-triklorid. [5] A módszert kiterjesztettük az etidronát, [6] fenidronát, [7] illetve a pamidronát [8] előállítására is (1. ábra, 1.táblázat). 1. ábra Az általunk racionalizált biszfoszfonát szintézis Pamidronsav előállítását szulfolánban is megvizsgáltuk, ahol a legjobb termelést akkor értük el, amikor a foszfor-trikloridot és a foszforossavat 2:2 mólarányban használtuk. A kísérleteink során bizonyosságot nyert, hogy az oldószernek szerepe van abban, hogy milyen foszforreagensek vesznek részt a reakcióban. [8] 193

1. táblázat Az általunk vizsgált dronsav-származékok Generáció Név R Optimális reagens mennyiség MSzS-ban PCl 3 :H 3 PO 3 [ekv.] Etidronát CH 3 3,2:0 1. Fenidronát 3,2:0 2. 3. Pamidronát 3,2:0 (Szulfolánban: 2:2) Alendronát 3,2:0 Ibandronát 3,2:0 Risedronsav 3,2:0 Zoledronsav 3,2:0 A pamidronsav szulfolán oldószerben történő előállítása során elért jó eredmények, [8] valamint a foszforossav termelésre kifejtett pozitív hatása miatt az alendronát előállítását is tanulmányoztuk szulfolánban (2. ábra). A szintéziseket γ-amino-vajsavból kiindulva, a P-reagensek megfelelő mólarányú alkalmazásával végeztük. 2. ábra Alendronát előállítása szulfolánban A várakozásainknak megfelelően - a pamidronsav szintéziséhez hasonlóan - az alendronát előállításához is szükség van foszforossavra szulfolánban. Az optimális esetben (3 ekvivalens foszfor-triklorid és 2 ekvivalens foszforossav) 52%-os termeléssel jutottunk az alendronáthoz. A foszforossav részvételét ezekben a reakciókban a foszfor-trikloridból és foszforossavból létrejövő (HO) 2 P-O-PCl 2 intermedierrel magyarázzuk (3. ábra). 194

3. ábra A dronsavképződés egy lehetséges mechanizmusa Benzidronát szintézisét fenilecetsavból, fenilecetsav kloridból illetve etilészterből kiindulva is megvalósítottuk MSzS-ban, különböző mólarányokban vett foszfor-trikloriddal és foszforossavval (4. ábra). 4. ábra Benzidronát szintézise metánszulfonsavban Meglepő módon azt tapasztaltuk ebben az esetben is, hogy a foszfor-triklorid mellé adagolt foszforossav szintén részt vesz a reakcióban, ezt a korábban vizsgált, egyik dronát esetén sem tapasztaltuk MSzS-ban. Feltehetőleg a foszfor-trikloridból és foszforossavból létrejövő (HO) 2 P-O-PCl 2 anhidrid típusú intermedier az aktív reagens a jelen esetben is. A legjobb eredményeket akkor értük el, amikor 3 ekvivalens foszfor- trikloridot és 1 ekvivalens foszforossavat használtunk P-reagensként. Ebben az esetben kiemelkedő, 81%-os termeléssel jutottunk a benzidronáthoz. [9] A benzidronát esetén fellépő anomália miatt, az eggyel hosszabb szénláncú, az irodalomban is kevéssé tanulmányozott 3-fenil-propidronát szintézisét is megvalósítottuk MSzS-ban (5. ábra). Ezen dronát esetén még meglepőbb eredményeket tapasztaltunk. 5. ábra 3-Fenilpropidronát szintézise metánszulfonsavban 195

Azokban az esetekben, amikor egyedül foszfor-trikloridot használtunk reagensként nem is keletkezett termék. A furcsa viselkedés oka ebben az esetben is valószínűleg a vegyes-anhidrid nagyfokú reaktivitásával magyarázható, amely létrejöhet a kiindulási karbonsav és a reakció során képződő metánszulfonsav-klorid, valamint az esetlegesen képződő savklorid és metánszulfonsav reakciójából és képes lehet reagálni a foszfor-trikloridból és foszforossavból létrejövő (HO) 2 P-O-PCl 2 intermedierrel. Az is elképzelhető, hogy maga a kiindulási karbonsav reagál a foszfor-triklorid és foszforossav anhidrid típusú adduktjával. Az optimális mólarány esetén 53%-os termelést értünk el. 3- Fenilecetsav-kloridból kiindulva is megvalósítottuk a szintézist, mely során alacsonyabb termeléseket értünk el. Az eredmények azt igazolják, hogy a szintézis során keletkező intermedierek közül a savklorid szerepe kisebb a vegyes-anhidridéhez képest. Törekvéseink között szerepel a MSzS oldószer kiváltása a biszfoszfonátok szintézisében zöldebb oldószerrel. Biszfoszfonátok előállításával ionos folyadékban mindössze egy kutatócsoport foglalkozott. Bu 3 N HCl-t használtak és alacsony termeléseket értek el, pamidronát esetén mindössze 26%-ot. [10] Munkánk során megvalósítottuk a pamidronsav szintézisét [BMIM][PF 6 ]-ban (6. ábra). Azt tapasztaltuk, hogy az ionos folyadékra nem oldószerként van szükség, hanem csak kisebb mennyiségben adalékként. 6. ábra Pamidronsav előállítása [BMIM][PF 6 ] jelenlétében A legjobb eredményt akkor értük el, amikor a P-reagenseket 2:2 mólarányban használtuk, 0,3, illetve 0,6 ekvivalens mennyiségű [BMIM][PF 6 ] adalék mellett. Ekkor kiemelkedő 71, illetve 70%-os termeléssel kaptuk a tiszta dronátot. [1] H. R. Hudson, N. J. Wardle, S. W. A. Blight, I. Greiner, A. Grün, Gy. Keglevich; Mini-Reviews in Medicinal Chemistry, 2012 (12) 313-325. [2] E. Breuer, J. Fischer, C. R. Ganelli; In Analogue-Based Drug Discovery, 2006 (15). [3] R. Kovács, A. Grün, S. Garadnay, I. Greiner, Gy. Keglevich; Green Processing and Synthesis, 2014 (3) 111-116. [4] Gy. Keglevich, A. Grün, K. Aradi, S. Garadnay, I. Greiner; Tetrahedron Letters, 2011 (52) 2744-2746. [5] S. Garadnay, A. Grün, Gy. Keglevich, J. Neu; Magyar szabadalmi bejelentés, HUP1100071 2011 [6] R. Kovács, D. I. Nagy, A. Grün, Gy. T. Balogh, S. Garadnay, I. Greiner, Gy. Keglevich; Letters in Drug Design and Discovery, 2013 (10) 733-737. [7] R. Kovács, D. I. Nagy, A. Grün, S. Garadnay, I. Greiner, Gy. Keglevich; Letters in Organic Chemistry, 2014 (11) 368-373. [8] Gy. Keglevich, A. Grün, R. Kovács, O. Németh, S. Garadnay, I. Greiner; Heteroatom Chemistry, 2014 (25) 186-193. 196

[9] A. Grün, R. Kovács, D. I. Nagy, S. Garadnay, I. Greiner, Gy. Keglevich; Letters in Drug Design and Discovery, 2015 (12) 78-84. [10] L. De Ferra, S. Turchetta, P. Massardo, P. Casellato; WO2003093282, 2003. 197

KABACHNIK FIELDS-REAKCIÓK SZEKUNDER FOSZFIN- OXIDOKKAL; A TERMÉKEK HASZNOSÍTHATÓSÁGÁNAK VIZSGÁLATA Tripolszky Anna 1 és Bálint Erika 2 1 1. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Szerves Kémia és Technológia Tanszék, 1111 Budapest, Budafoki út 8. 2 2. MTA-BME Szerves Kémiai Technológia Tanszéki Kutatócsoport, 1111 Budapest, Budafoki út 8. Az α-aminofoszfin-oxidok legkönnyebben Kabachnik Fields-, vagy más néven foszfa-mannich reakcióval állíthatók elő, mely egy primer vagy szekunder amin, egy oxovegyület és egy szekunder foszfin-oxid kondenzációján alapul. [1-3] Az α-aminofoszfinoxidok az α-aminofoszfonátok analogonjaiként potenciális bioaktivitással rendelkezhetnek. [4-6] Emellett bizonyos származékaik foszfor-ligandumként is felhasználhatók. [7] Kutatómunkánk során először különböző szekunder foszfin-oxidokat (dibenzil-, di(p-tolil)- és di(o-tolil)foszfin-oxid) szintetizáltunk Grignard-reakcióval (1. ábra). 1. ábra Foszfin-oxidok előállítása Grignard-reakcióval Az előállított foszfin-oxidokat egyszeres és kétszeres Kabachnik Fields-reakciókban hasznosítottuk. A kondenzációkat katalizátor nélkül, mikrohullámú körülmények között valósítottuk meg. Az egyszeres kondenzációk során a különböző primer aminokat (n-propil-, n-butil-, ciklohexil-, benzil- és 4-metoxibenzil-amint, valamint anilint és 4-metoxi-anilint) egy ekvivalens paraformaldehiddel és egy ekvivalens szekunder foszfin-oxiddal (dibenzil- vagy di(p-tolil)foszfin-oxiddal) reagáltattuk (2. ábra). 198

2. ábra Egyszeres Kabachnik Fields-reakciók A kétszeres Kabachnik Fields-reakiók esetén az aminokat két ekvivalens paraformaldehiddel és dibenzil-, di(p-tolil)- vagy di(o-tolil)foszfin-oxiddal kondenzáltattuk (3. ábra). 3. ábra Kétszeres Kabachnik Fields-reakciók Tanulmányozni kívántuk a képződő bisz-termékek felhasználhatóságát átmenetifém komplexek szintézisében P-ligandumként, így a bisz(foszfinoilmetil)-aminokból kétszeres deoxigénezést követően, platina- és palládium-komplexeket képeztünk (4. ábra). A kapott gyűrűs platina-komplexek katalitikus aktivitását a sztirol hidroformilezési reakciójában teszteltük. 4. ábra Platina- és palládium-komplexek szintézise [1] M.I. Kabachnik, T. Y. Medved, Dokl. Akad. Nauk SSSR, 1952 (83) 689-692. [2] E.K. Fields, J. Am. Chem. Soc. 1952 (74) 1528-1531. [3] G. Keglevich, E. Bálint, Molecules 2012 (17) 12821-12835. [4] S. Hanessian, Y.L. Bennani; Synthesis 1995 1272-1274. [5] R. Gancarz, J.S. Wieczorek; Synthesis 1977 625-628. [6] V.P. Kukhar, H.R. Hudson (Eds.), Aminophosphonic and Aminophosphinic acids: Chemistry and Biological Activity, Wiley, Chichester, 2000. [7] R. Jana, T. P. Pathak, S. M. Sigman; Chemical Reviews 2011 (111) 1417-1492. 199

ÚJ, VÁRHATÓAN ENANTIOMERSZELEKTIVITÁST MUTATÓ, AKRIDIN EGYSÉGET TARTALMAZÓ 18-KORONA-6-ÉTER ÉS 21-KORONA-7-ÉTER TÍPUSÚ KIRÁLIS MAKROCIKLUSOK SZINTÉZISE Petró József Levente 1, Németh Tamás 1, Tóth Tünde 1, Huszthy Péter 1 1 BME, Szerves Kémia és Technológia Tanszék, 1111, Budapest, Szent Gellért tér 4. Az élő szervezetekben gyakran előforduló, létfontosságú jelenség a molekulák kölcsönös felismerése: e jelenség működése révén kettő, vagy több molekula egy molekulahalmazból szelektíven kiválasztja egymást és rendezett szerkezetet, komplexet alkot. Ennek szemléletes példái többek között az enzimműködés során tapasztalható szubsztrát, inhibitor és koenzim specifikus kapcsolódása az enzim aktív centrumához, vagy az antigén-antitest kölcsönhatás. A molekuláris felismerést eleinte kizárólag az élő szervezetekben megtalálható jelenségnek tartották, azonban a XX. század második felében történt kutatások bebizonyították, hogy kiterjeszthető az élettelen természetre is. Pedersen volt az egyik úttörője az ilyen irányú kutatásoknak, aki számos poliéter típusú makrociklusos vegyületet szintetizált, melyeket koronaétereknek nevezett el. Ezen vegyületek üregméretüktől függően különböző fémionokat képesek komplexálni. [1] Míg eleinte akirális makrociklusokat szintetizáltak, későbbiekben a figyelem a királis származékok felé irányult. Sikeresen állítottak elő aminosav, amin, binaftil, borkősav, fenol, heterociklus, illetve szénhidrát egységet tartalmazó királis koronaétereket. [2] Az utóbbi években sikeresen alkalmaztak piridin egységet tartalmazó enantiomertiszta koronaétereket állófázisok szelektormolekuláiként, szerves protonált primer aminok enantiomerjeinek elválasztására. [3] Az enantiomerszelektivitás tovább növelhető nagy kiterjedésű aromás rendszer beépítésével, mint például az akridin egység. Ez több szempontból is előnyösen hat az enantiomerfelismerésre. A váz merevségének köszönhetően a rögzített makrociklus stabilabb komplexet képez az egyik antipóddal, illetve az akridin egység erős π-π kölcsönhatást képes kialakítani az aromás rendszert tartalmazó protonált aminokkal, még tovább javítva az enantiomer-megkülönböztetést. A fentiek alapján arra a következtetésre juthatunk, hogy az akridin egységet tartalmazó koronaéterek nagyobb enantiomerszelektivitást mutatnak az analóg, piridin egységet tartalmazó makrociklusoknál. Ezt a felvetést a kísérleti adatok alátámasztják. [4] A kutatócsoport munkájának gyümölcse az akridin egységet tartalmazó, enantiomertiszta, királis szénatomjain metil-, illetve izobutil-csoportot tartalmazó 18-korona-6-éter típusú makrociklusok előállítása, és sikeres alkalmazása szerves protonált primer aminok enantiomerjeinek elválasztására. [5] Kutatómunkánk céljául tűztük ki három, az irodalomban eddig nem közölt koronaéter szintézisét (1. ábra), majd később ezek szférikus HPLC minőségű szilikagélhez történő rögzítését. További céljaink között szerepel az alkilcsoport helyének, illetve a koronaéter üregméretének az enantiomerszelektivitásra gyakorolt hatásának vizsgálata. 200

1. ábra A célvegyületek A szintézisek során a kereskedelemből olcsón beszerezhető alapanyagokból indultunk ki. A többlépéses szintézissort két részre bonthatjuk. Az akridinváz alapját képező diaril-formamid intermedier mindhárom makrociklus esetén megegyezik. A gyűrűzáráshoz szükséges három különböző, a királis szénatomjaikon metilcsoportot tartalmazó oligoetilénglikol-ditozilát szintézise azonban eltérő volt. A diaril-formamid intermedier előállítása során o-anizidinből (4) indultunk ki. [6] Ezt hangyasavval N-formileztük diizopropil-éterben, a keletkező vizet folyamatosan eltávolítottuk azeotróp desztillációval. A kapott 5 formamid származékot 2-brómanizollal kapcsoltuk Ullmann-reakcióban, Dowtherm oldószerben, réz katalizátorok jelenlétében. A keletkezett 6 dimetoxi-származékot AlCl 3 jelenlétében, klórbenzol oldószerben demetileztük, ezáltal sikeresen előállítva a makrociklusok szintéziséhez szükséges egyik kulcsintemediert (2. ábra). 2. ábra Diaril-formamid intermedier előállítása A makrociklizációhoz szükséges szubsztituált oligoetilénglikol-ditozilátok szintézise során (S)-etil-laktátból [(S)-8] indultunk ki, [7-9] melyet tetrahidropiranil védőcsoporttal láttunk el piridínium-p-toluolszulfonát (PPTs) katalizátor jelenlétében, diklórmetánban. A kapott (S)-9 észtert lítium-tetrahidroalumináttal redukáltuk dietil-éterben (3. ábra). 201

3. ábra A védett alkohol előállítása Az előállított (S)-10 alkoholból indul ki az elágazó szintézissor (4-5. ábra). Az (S,S)-1 és (S,S)-2 célvegyületek esetén az (S)-10 alkoholt szabad primer hidroxilcsoportján nátrium-hidrides deprotonálás után benzil-bromid segítségével benzileztük. A tetrahidropiranil védőcsoportot IRA-120 savas ioncserélő gyanta segítségével távolítottuk el. A szabad szekunder hidroxilcsoportot tartalmazó (S)-12 alkoholt nátrium-hidrides deprotonálás után kapcsoltuk a kutatócsoportban korábban előállított dietilénglikolditoziláttal (13), illetve trietilénglikol-ditoziláttal (14). Az oligoetilénglikolok α,ω-dibenzil származékait [(S,S)-15, illetve (S,S)-16] palládium/csontszén katalizátor jelenlétében metanolban, hidrogénnel kezeltük a benzil védőcsoportok eltávolítása céljából. A kiralitáscentrumokon metilcsoportokat tartalmazó oligoetilénglikolokat [(S,S)-17 és (S,S)-18] p-toluolszulfonsav-kloriddal (TsCl) reagáltattuk CH 2 Cl 2 -ban 50%-os KOH jelenlétében, ezzel előállítva az (S,S)-1 és (S,S)-2 makrociklusok szintéziséhez szükséges (S,S)-19 és (S,S)-20 kulcsintermediert. (R,R)-3 célvegyület esetén az (S)-10 alkoholt tetrahidrofuránban végzett nátriumhidrides deprotonálás után kapcsoltuk trietilénglikol-ditoziláttal (14). A kapott (S,S)-21 bisz-tetrahidropiranil vegyület védőcsoportjait IRA-120 savas ioncserélő gyantával távolítottuk el, metanol oldószerben. Az (S,S)-22 szabad hidroxilcsoportokkal rendelkező vegyületet piridinben tozileztük p-toluolszulfonsav-kloriddal (TsCl), előállítva az (S,S)-3 makrociklus szintéziséhez szükséges (S,S)-23 kulcsintermediert. 4. ábra A tetrahidropiranil védőcsoporttal rendelkező intermedierek szintézise 202

5. ábra Az oligoetilénglikol-ditozilát kulcsintermedierek előállítása A makrociklizáció mindhárom célvegyület esetén analóg módon megy végbe (6. ábra). A 7 diaril-formamid származékot K 2 CO 3 jelenlétében, acetonitrilben, a megfelelő ditozilát származékkal reagáltatva kaptuk az (S,S)-24, (S,S)-25 és (R,R)-26 koronaétereket. A makrociklusokat sósavas metanollal deformileztük. A szabad szekunder aminocsoportot tartalmazó (S,S)-27, (S,S)-28 és (R,R)-29 makrociklusokat oxalil-kloriddal N-acileztük toluolban, majd az amid és savklorid funkcióval rendelkező termékeket izolálás nélkül használtuk fel a következő lépésben: lepároltuk a toluolt, majd jóddal brómbenzolban forraltuk. A forralás hatására végbemenő Friedel-Crafts reakció során megtörtént a C-acilezés is. Az (S,S)-30, (S,S)-31 és (R,R)-32 izatin származékokat vizes közegben tetrametil-ammónium-hidroxiddal forralva a célként kitűzött, az akridinegység 9-es helyzetében karboxilcsoportot tartalmazó, kiralitáscentrumaikon metilcsoporttal rendelkező királis koronaétereket kaptuk. 203

6. ábra A szintézissorok zárólépései Az előállított (S,S)-1, (S,S)-2 és (R,R)-3 makrociklusok karboxilcsoportjukon keresztül több lépésben rögzíthetőek szférikus HPLC minőségű szilikagélhez, ezáltal királis állófázist létrehozva. A kutatócsoportban korábban hasonló vegyületekkel végzett folyadékkromatográfiás mérések meglehetős enantiomerszelektivitást mutattak. Szintéziseink során 13 az irodalomban eddig nem közölt vegyületet állítottunk elő, melyeket karakterizáltunk is. [1] C. J. Pedersen: J. Am. Chem. Soc., 1967 (89) 7017-7036. [2] P. Huszthy; P. Bakó, A. Makó, L. Tőke; Magyar Kémiai Folyóirat Összefoglaló közlemények, 2005 (111) 55-60. [3] J. Kupai, S. Lévai, K. Antal, Gy. T. Balogh, T. Tóth, P. Huszthy; Tetrahedron: Asymmetry, 2012 (23) 415-427. [4] L. Prodi, F. Bolletta, M. Montalti, N. Zaccheroni, P. Huszthy, E. Samu, B. Vermes; New J. Chem., 2000 (24) 781-785. [5] T. Németh, S. Lévai, A. Kormos, J. Kupai, T. Tóth, Gy. T. Balogh, P. Huszthy; Chirality, 2014 (26) 651-654 [6] Sz. Lakatos, J. Fetter, F. Bertha, P. Huszthy, T. Tóth, V. Farkas, Gy. Orosz; M. Hollósi; Tetrahedron, 2008 (64) 1012-1022. [7] I. Kovács, P. Huszthy, F. Bertha, D. Sziebert; Tetrahedron: Asymmetry, 2006 (17) 2538-2547. [8] Gy. Székely, B. Csordás, V. Farkas, J. Kupai, P. Pogány, Zs. Sánta, Z. Szakács, T. Tóth, M. Hollósi, J. Nyitrai, P. Huszthy; Eur. J. Org. Chem, 2012 (18) 3396-3407. [9] K. D. Cooper, H. M. Walborsky; J. Org. Chem, 1981 (46) 2110 2116. 204

KIRÁLIS KORONAÉTEREK SZINTÉZISE ÉS ALKALMAZÁSA ENANTIOSZELEKTÍV KATALIZÁTORKÉNT Nemcsok Tamás 1, Rapi Zsolt 1, Bakó Péter 1 1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Szerves Kémia és Technológia Tanszék, 1111 Budapest Budafoki út 8. Napjaink egyik legjelentősebb kihívása az enantiomertiszta vegyületek előállítása, mivel a különböző gyógyszerek, növényvédőszerek, kozmetikumok, stb. kiszerelése és felhasználása csak ilyen formában történhet. Kutatómunkám során természetes alapanyagokból kiindulva olyan királis koronaétereket állítottam elő, melyek egyes fázistranszfer reakciókban katalizátorként alkalmazva aszimmetrikus indukciót válthatnak ki. [1] A szintetizált koronavegyületek hatását különböző fázistranszfer reakciókban (Darzens-kondenzáció, epoxidáció, Michael-addíció) vizsgáltam. [2, 3] A fő cél az volt, hogy új és/vagy minél nagyobb enantiomerfelesleggel rendelkező vegyületek képződjenek, amelyek potenciálisan királis intermedierként alkalmazhatók. Dietil-L-tartarátból kiindulva sikeresen állítottam elő három, L-treitol alapú koronaétert (1, 2, 3). Először az 1 dimetil-szubsztituált makrociklus szintézisét (a csoportunkban már ismert receptúra alapján) reprodukáltam, mivel korábbi tapasztalatok alapján hatásos katalizátornak bizonyult egyes aszimmetrikus reakciókban. A 2 és 3 koronavegyületek esetén vizsgálni kívántam 1-es és 4-es hidroxilcsoportokon elhelyezkedő szubsztituensek minőségének hatását a kiváltott aszimmetrikus indukcióra, ezért előállítottam a butil szubsztituált változatokat is (2 és 3) mely vegyületek csak az oldalkar minőségében térnek el egymástól. Az utolsó gyűrűzáró lépést 3-aminopropanollal (2) és 3- metoxipropil-aminnal (3) végeztem. Előállítottam továbbá még egy, az L-treitol egységhez igen hasonló szerkezetű, pirrolidin gyűrűt tartalmazó koronaétert (4) L-borkősavból kiindulva. A nitrogén atomon tozil védőcsoporttal ellátott monoaza-15-korona-5 típusú lariát éter feszült öttagú gyűrűvel és az L-treitolhoz hasonló szerkezettel rendelkezik, emiatt vártunk volna jobb enantiomer megkülönböztető képességet a reakciókban. 205

Az új koronaéterek (2, 3, 4) hatását néhány aszimmetrikus fázistranszfer modellreakcióban vizsgáltam. A szintézisek során a 2 és 4 katalizátorokkal értem el közepesnek mondható enantioszelektivitást. A legjobb eredményt a transz-kalkon (5) epoxidálási reakciójában (1. ábra) tapasztaltam a 2 koronavegyület alkalmazásával (65 % ee). 1. ábra Munkám másik részében a csoportunkban már korábban előállított és hatásosnak bizonyult glükopiranozid alapú és treitol alapú katalizátorok (7, 8) segítségével is végeztem aszimmetrikus szintéziseket. Ezek a reakciók az irodalomban még nem ismertek, vagy még nem valósították meg enantioszelektív változatban. Különösen jelentősnek mondható különböző, ciklopropángyűrű képződésével járó reakciók aszimmetrikus megvalósítása szilárd-folyadék rendszerben. Munkám során vizsgáltam benzilidén-malonitril (9) és dietil-brómmalonát (10) ún. MIRC (Michaelinitiated ring-closure) reakcióját (2. ábra). 2. ábra. 206

A reakciót mind a hat katalizátorral (1, 2, 3, 4, 7, 8) elvégeztem összehasonlítás céljából. A csoportunkban korábban leghatásosabbnak bizonyuló 7 D-glükóz alapú koronaéter felhasználásával 32 %-os enantiomerfelesleggel keletkezett a termék. Az L- treitol alapú makrociklusok valamennyi esetben hatásosabbak voltak. Közülük is kiemelkednek a 2 és 3 dibutil-helyettesített koronavegyületek, melyek alkalmazásával mindkét esetben 85 %-os enantioszelektivitást értem el. A részletes eredmények az 1. táblázatban láthatók. 1. táblázat: Koronaéterek hatása benzilidénmalonitril (9a) és dietil-brómmalonát (10) MIRC reakciójában Katalizátor Reakcióidő (h) Termelés (%) ee (%) 1 20 74-10,0 51 2 24 81-12,1 85 3 24 87-12,0 85 4 24 84-6,9 49 7 20 82-6,3 32 8 32 24-6,6 38 További MIRC reakciókat is vizsgáltam munkám során. Az irodalomban már korábban is ismert volt a dietil-brómmalonát (10) és transz-kalkon (5) ciklopropángyűrű kialakulásával járó reakciója (3. ábra), azonban enantiomerfelesleget még nem határoztak meg. 3. ábra A reakciót öt katalizátor jelenlétében (1, 2, 4, 7, 8) végeztem el. A legjobb eredményt ezúttal is a 2 koronavegyülettel kaptam. A termék gyakorlatilag enantiomertiszta formában keletkezett (99 % ee). Szintén jó eredményt értem el a 7 D-glükóz alapú és 8 benzilszubsztituált katalizátorok alkalmazásával (88 % ee és 86 % ee). A ciklopropángyűrűt tartalmazó termékeket valamennyi esetben hosszú reakcióidő után, gyenge termeléssel kaptam (25-32 %), egy esetben (1 katalizátor) pedig nem is sikerült izolálnom. A részletes eredmények a 2. táblázatban láthatók. 207

2. táblázat: Koronaéterek hatása transz-kalkon (5) és dietil-brómmalonát (10) MIRC reakciójában Katalizátor Reakció idő (h) Termelés (%) ee (%) 1 Nem sikerült terméket izolálni 2 240 25 +26,0 99 4 240 32 +6,3 24 7 240 28 +17,5 88 8 240 29 +20,4 86 Még egy további ciklopropángyűrű képződésével járó reakciót is megvalósítottam. A reakció során 2-benzilidén-1,3-difenilpropán-1,3-diont (13) reagáltattam dietilbrómmalonáttal (10) (4. ábra). 4. ábra A reakciót ezúttal is öt katalizátor jelenlétében (1, 2, 4, 7, 8) végeztem el. Három esetben (2, 7, 8) értem el közepesnek mondható enantioszelektivitást (57 % ee, 60 % ee, 54 % ee), szintén közepes termelés mellett (38-52 %). A metil szubsztituált 1 koronavegyület alkalmazásával ezúttal sem sikerült terméket izolálni. A 4 makrociklus nem váltott ki jelentős hatást. A részletes eredmények a 3. táblázatban láthatók. 3. táblázat: Koronaéterek hatása 2-benzilidén-1,3-difenilpropán-1,3-diont (13) és dietil-brómmalonát (10) MIRC reakciójában Katalizátor Reakció idő (h) Termelés (%) ee (%) 1 Nem sikerült terméket izolálni 2 240 38 64,9 57 4 240 55 10,2 9 7 240 52 68,9 60 8 240 51 61,7 54 A munka az OTKA PD 112166 pályázat támogatásával készült. 208

Irodalomjegyzék [1] Bakó P., Keglevich Gy., Rapi Zs.; Asymmetric phase transfer reactions catalysed by chiral crown ethers derived from monosaccharides. Letters in Organic Chemistry, 2010, 7, 645-656. [2] Makó A., Rapi Zs., Keglevich Gy., Szöllősy Á., Drahos L., Hegedűs L., Bakó P.; Asymmetric epoxidation of substituted chalcones and chalcone analogues catalyzed by α-d-glucose- and α-d-mannose-based crown ethers. Tetrahedron:Asymmetry, 2010, 21, 919-925. [3] Bakó P., Rapi Zs., Keglevich Gy., Szabó T., Sóti P. L., Vigh T., Grűn A., Holczbauer T.; Asymmetric C-C bond formation via Darzens condensation and Michael addition using monosaccharide-based chiral crown ethers. Tetrahedron Letters, 2011, 52, 1473-1476. 209

P-HETEROCIKLUSOS FOSZFIN-BORÁNOK ÉS OPTIKAILAG AKTÍV FOSZFIN-OXIDOK ELŐÁLLÍTÁSA FOSZFÓNIUMSÓ INTERMEDIEREN KERESZTÜL Herbay Réka 1, Bagi Péter 1, Keglevich György 1 1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Szerves Kémia és Technológia Tanszék, 1111 Budapest, Műegyetem rkp. 3. A szerves foszforvegyületek között a foszfinok kiemelt jelentőségű vegyületcsaládot alkotnak, hiszen a foszfinok átmenetifém-komplexeit elterjedten alkalmazzák katalizátoraként homogén fázisú katalitikus reakciókban. [1,2] Optikailag aktív foszfinok átmenetifém-komplexeit pedig enantioszelektív reakciókban lehet alkalmazni, ami mutatja, hogy a királis foszforvegyületek enantiomerjeinek előállítása fontos feladat. [3,4] A foszfinokat jellemzően oxidjaik formájában tárolják, és reakciók előtt szabadítják fel a megfelelő P(III)-vegyületeket. A foszfin-oxidok deoxigénezéséhez leggyakrabban szilánokat alkalmaznak, azonban ez a módszer nem minden szempontból felel meg a zöldkémiai követelményeknek. [5] Ez is mutatja, hogy újszerű, szilánmentes deoxigénezési eljárások kidolgozása fontos törekvés a foszforkémia területén. [6,7] TDK munkám során irodalmi analógiák alapján megvalósítottuk foszfolén-boránok (3), illetve optikailag aktív foszfolén-oxidok (1) előállítását foszfóniumsó (2) intermedieren keresztül. A 3-foszfolén-oxidokat (1) elsőként oxalil-kloriddal reagáltattuk, amikor is a megfelelő klór-foszfóniumsókhoz (2) jutottunk. A klór-foszfóniumsókat (2) LiBH 4 -del reagáltatva állítottuk elő a megfelelő foszfolén-boránokat (3), amelyek foszfolén prekurzornak tekinthetők. (1. ábra) Tehát ezzel az eljárással a foszfolén-oxidok (1) deoxigénezésének és borán-komplex-képzésének one-pot eljárását dolgoztuk ki szilánok alkalmazása nélkül. 1. ábra: Foszfolén-oxidok (1) deoxigénezése foszfóniumsó (2) intermedieren keresztül Y = Ph, Naft, 2-MeC 6 H 4, 4-MeC 6 H 4, Et, n Pr, n Bu, i Bu, i Pent Az előállított gyűrűs klór-foszfóniumsók (2) értékes intermedierek, ugyanis azokat királis alkoholokkal reagáltatva egymással diasztereomer viszonyban álló alkoxifoszfóniumsók (4) képződtek nem egyenlő arányban. Az alkoxi-foszfóniumsó (4) diasztereomereket tartalmazó keveréket melegítve Arbuzov-reakcióban kaptuk a várt optikailag aktív foszfolén-oxidot (1*), amit eddig reszolválással állítottak elő a kutatócsoportban. (2. ábra) [8,9] 210

2. ábra: Optikailag aktív foszfolén-oxidok (1*) előállítása alkoxi-foszfóniumsó (4) intermedieren keresztül Y = Ph, Naft, 2-MeC 6 H 4, 4-MeC 6 H 4, Et, n Pr, n Bu, i Bu, i Pent R*OH = mentol, fenil-etanol, benzil-mandelát, 2-metil-butanol, TADDOL, spiro-taddol, BINOL [1] Brunner, H.; Zettlmeier, W. Handbook of enantioselective catalysis with transition metal compounds, VCH, Wenheim, 1993 [2] Kollár, L.; Keglevich, G.; Chem. Rev., 2010, 110, 4257 [3] Börner, A., Ed. Phosphorus Ligands in Asymmetric Catalysis; Wiley-VCH: Weinheim, 2008. [4] Noyori, R. Asymmetric Catalysis in Organic Synthesis; John Wiley & Sons: New York, 1994. [5] Keglevich, G.; Magy. Kém. Lapja, 1998, 53, 385-389 [6] Rajendran, K. V.; Gilheany, D. G.; Chem. Commun., 2012, 48, 817 [7] Kenny, N. P.; Rajendran, K. V.; Jennings, E. V.; Gilheany, D. G. Chem. A Eur. J. 2013, 19, 14210-14214. [8] Novák, T.; Ujj, V.; Schindler, J.; Czugler, M.; Kubinyi, M.; Mayer, Z. A.; Fogassy, E.; Keglevich, G. Tetrahedron: Asymmetry 2007, 18, 2965-2972. [9] Ujj, V.; Bagi, P.; Schindler, J.; Madarász, J.; Fogassy, E.; Keglevich, G.; Chirality, 2010, 36, 1534-1536 211

A (+)-TRANSZ-DIHIDRONARCIKLAZIN ÉS TRIMETOXIFENIL ANALOGONJÁNAK ENANTIOSZELEKTÍV SZINTÉZISE Varró Gábor 1, Dr. Kádas István 1, Dr. Hegedűs László 1,2, Dr. Simon András 3, Mattyasovszky Lenke 1 1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Szerves Kémia és Technológia Tanszék 1111 Budapest, Budafoki út 8. 2 MTA Szerves Kémiai Technológia Tanszéki Kutatócsoport 1111Budapest, Budafoki út 8. 3 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék 1111 Budapest Szent Gellért tér 4. A Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen régóta foglalkoznak az Amaryllidaceae növénycsaládból izolálható fenantridon vázas alkaloidok és analogonjaik totálszintézisével [1-7]. Az amarilliszféléket színpompás virágzatuk miatt közkedvelt dísznövényként tartják számon szerte a világon, viszont a belőlük izolálható alkaloidok rákellenes hatása miatt egyre több szintetikus kémiával foglalkozó kutató látókörébe kerültek. [8] Az eddig izolált fenantridon alkaloidok közül az amerikai National Cancer Institute humán in vitro sejtvonalakon tesztelt mérései alapján a legerősebb rákellenes hatást a (+)-transz-dihidronarciklazin (2) mutatta, amelyet az Argentína és Brazília szubtrópusi területein őshonos Zephyranthes candida, vagy másnéven fehér esőliliom nevű évelő növényből izoláltak. [9-11] 1. ábra Fenantridon vázas Amaryllidaceae alkaloidok OH OH R 2 OH OH O O A B C NH OH O O A B C NH OH R 1 O 1 R 1 =OH, R 2 =OH pankratisztatin 2 R 1 =OH, R 2 =H transz-dihidro-narciklazin 3 R 1 =H, R 2 =H 7-dezoxi-transz-dihidro-narciklazin 4 R 1 =H, R 2 =OH 7-dezoxi-pankratisztatin R 1 O 5 R 1 =OH narciklazin 6 R 1 =H likoricidin Tanszéki célkitűzésünk tehát a (+)-transz-dihidronarciklazin (2) és analogonjainak szintézise volt, a lehetőség szerinti legolcsóbb megoldások alkalmazásával. Ehhez kiinduló anyagokként két olcsó, könnyen hozzáférhető alapanyagot választottunk, az édesiparban nagy mennyiségben használatos, a vanillint (7), valamint a gyógyszeripar által nagy mennyiségben használatos 3,4,5-trimetoxibenzaldehidet (10b). A transz-dihidronarciklazin (2) előállításához a megfelelő aldehid köznapi nevén miriszticinaldehid (10a) vanillinból (7) 3 könnyen méretnövelhető lépéssel állítható elő. A megfelelő szubsztituált benzaldehideket nagy acetonfelesleggel kondenzáltatva alakítottuk benzilidénacetonokká (11a-b). Az egyensúlyi reakció során kis mennyiségben 212

keletkező dibenzilidénacetonoktól a terméket nagyvákuumban történő desztillációval tisztítottuk meg: 2. ábra A különféleképpen szubsztituált benzilidénacetonok előállítása O I 2 I O 20% aq. NaOH HO O HO OCH 3 7 NaHCO 3 KI, H 2 O RT HO CuSO 4 reflux HO OCH 3 OCH 3 8 9 R 1 O a R 1 R 2 = -CH 2 - b R 1 R 2 = -CH 3 O aceton R 1 O O O CH 2 Br 2 K 2 CO 3 CuO DMF O R 2 O NaOH, H 2 O RT R 2 O O OCH 3 11a-b OCH 3 10a-b OCH 3 10a A szintézisút kulcslépése a molekula első kiralitáscentrumának létrehozása volt aszimmetrikus organokatalízis alkalmazásával, benzilidénacetonokra történő nitrometán Michael-addíciójával. A kiemelkedő enantiofelesleggel előállított nitropentanonokból (12ab) Claisen-aldol reakcióval zárható be a molekula C-gyűrűje. A gyűrűzárás közben a nagy térkitöltésű aromás gyűrű és a nitro-csoport ekvatoriális térállásban rögzülnek a ciklohexán gyűrűn, a kialakuló hidroxil-csoport pedig a nitro-csoport oxigénjével kialakított hidrogénkötés által axiális helyzetben helyezkedik el, ezáltal a lehetséges diasztereomerek közül kizárólag egyetlen keletkezik: a R 1 R 2 = -CH 2 - b R 1 R 2 = -CH 3 3. ábra Az első kiralitáscentrum kialakítása organokatalizátorral és a diasztereoszelektív Claisen-aldol gyűrűzárási reakció O O R 1 O CH 3 NO 2 11a-b Aszimmetrikus organokatalizátor RT R 2 O OCH 3 12a-b ee: a 99% b 99% NO 2 R 1 O HCOOEt NaOCH 3 absz. EtOEt RT R 2 O OCH 3 13a-b NO 2 OH O H H H O O Ar N H H H 13a-b H O H Az oxo-csoport gyűrűs etilénacetálként való védésére a következő lépésben történő katalitikus hidrogénezés miatt van szükség, ugyanis az ekkor kialakuló amin a hidrogénezés körülményei között Schiff-bázis képzés közben reakcióba léphet az oxo-csoporttal. Az aminoketált (14a-b) klórhangyasav-metilészterrel a megfelelő uretánná alakíthatjuk kétfázisú rendszerben. A reakció szelektivitását ez esetben az biztosítja, hogy a kétfázisú vizes tetrahidrofurános rendszerben a hidroxil-csoport intakt marad: 213

4. ábra Katalitikus hidrogénezés és uretánképzés kétfázisú reakcióban a R 1 R 2 = -CH 2 - b R 1 R 2 = -CH 3 O O O O 1.) HO-CH 2 -CH 2 -O (COOH) 2, absz. AcN RT 13a-b 2.) H 2 /Pd/C MeOH a T=80 C b T=60 C R 1 O R 2 O OCH 3 14a-b NH 2 OH R 1 O ClCOOCH 3 NaOH, H 2 O THF RT R 2 O OCH 3 15a-b HN O OH OCH 3 Az acetál védőcsoport ezután savkatalízissel acetonos forralással távolítható el. Az alkalmazott reakciókörülmények között vízelimináció is bekövetkezik, amely a későbbi reakciólépések során igen kedvező lehetőséget ad a cisz-dihidroxilálásra. Az oxo-csoportot ezután kalcium-klorid jelenlétében nátrium-tetrahidridoboráttal reagáltatva redukáltuk a megfelelő ciklikus allilalkoholokká (17a-b). A reakció az uretán-csoporthoz képest transzszelektivitást mutatott. A célvegyületeink előállításához azonban a cisz-térállású hidroxilcsoportra van szükség. Ennek eléréséhez Mitsunobu-reakciót alkalmaztunk, amelynek során a megfelelő benzoil-védett transz-hidroxi származékokat képeztük (18a-b): 5. ábra A védett transz-hidroxi származék kialakítása a R 1 R 2 = -CH 2 - b R 1 R 2 = -CH 3 O O O R 1 O R 2 O HN OH OCH 3 ptsoh aceton reflux R 1 O R 2 O HN OCH 3 OCH 3 15a-b O OCH 3 16a-b O OBz O OH NaBH 4 CaCl 2 MeOH RT OH R 1 O R 1 O R 2 O OCH 3 18a-b HN O OCH 3 DEAD, PPh 3 THF RT R 2 O OCH 3 17a-b HN O OCH 3 A nagy térkitöltésű benzoil csoport árnyékoló hatása szelektívvé tette a következő, cisz-dihidroxilálási reakciót, hiszen az ozmium-tetroxid csak a benzoil-csoporttal ellenkező irányból támadhatta a kettőskötést. A Banwell által módosított Bischler-Napieralski 214

ciklizációs reakció előtt a kapott cisz-dihidroxi származékokat acetilezéssel védtük, majd a gyűrűzárási reakció következett az alábbi módon: 6. ábra Cisz-dihidroxilálás és a Banwell által módosított Bischler-Napieralski reakció a R 1 R 2 = -CH 2 - b R 1 R 2 = -CH 3 R 1 O OBz 1.) OsO 4 NMO H 2 O/THF RT Ar atmoszféra 2.) AcCl RT R 1 O OBz OAc OAc R 2 O HN OCH 3 R 2 O HN OCH 3 OCH 3 18a-b O OCH 3 19a-b O OBz Tf 2 O absz CH 2 Cl 2 DMAP 0 C->RT OBz OAc OAc H 3 CO R 2 O N OAc + R 1 O R 2 O N OAc OR 1 21a OCH 3 2M HCl THF RT OCH 3 20a-b OCH 3 OBz OBz OAc OAc H 3 CO R 2 O NH OAc + R 1 O R 2 O NH OAc OR 1 23a O OCH 3 22a-b O Miriszticin-származékoknál a reakció során 2 regioizomer keletkezésére kellett számítanunk, amelyek egymástól elválaszthatatlannak bizonyultak. Major izomerként a számunkra az aromás gyűrűn kedvező pozícióban gyűrűzárt termék keletkezett. Trimetoxifenil-származékok esetén a szimmetrikus aromás gyűrű miatt a gyűrűzárás után csak egyetlen főtermék volt izolálható. Miriszticin-származék esetében a metiléterként védett fenolszármazék metilcsoportját in situ képzett trimetilszilil-jodiddal hasítottuk, e módszerrel csak a szintézisünkhöz kedvező regioizomer demetileződött, amely elválaszthatóvá vált az arilmetiléter regioizomertől. A szintézis befejező lépéseként a benzoil és acetil védőcsoportokat Zemplén-féle kimerítő dezacilezési reakcióval távolítottuk el: 215

7. ábra A céltermékek kialakítása OBz OAc 22a+23a TMS-Cl KI absz. AcN 60 C O O NH OAc OH O OBz 24a OH OAc OH R 1 O R 2 O NH OAc NaOCH 3 MeOH/THF RT R 1 O R 2 O NH OH OR 3 O OR 3 O 24a-b a R 1 R 2 = -CH 2 - R 3 =-H b R 1 R 2 R 3 = -CH 3 2, 25b 2 R 1 R 2 = -CH 2 - R 3 =-H 25b R 1 R 2 R 3 = -CH 3 [1] L. Balázs, M. Nyerges, I. Kádas, L. Tőke Synthesis 1995 1373. [2] L. Balázs, I. Kádas, L. Tőke J. Het. Chem. 1998 (35) 343. [3] L. Balázs, I. Kádas, L. Tőke Tetrahedron Lett. 2000 (41) 7583. [4] G. Szántó, P. Bombicz, A. Grün, I. Kádas Chirality 2008 (20) 1120. [5] G. Szántó, L. Hegedűs, L. Mattyasovszky, A. Simon, Á. Simon, I. Kádas; Tetrahedron Letters, 2009 (50) 2857-59. [6] G. Szántó, L. Hegedűs, L. Mattyasovszky, A. Simon, Á. Simon, I. Bitter, G. Tóth, L. Tőke, I. Kádas; Tetrahedron, 2009 (65) 8412-17. [7] G. Szántó, I. Kádas, T. Kárpáti, L. Hegedűs React. Kinet. Mech. Catal. 2010 (99) 85. [8] A. Kornienko, A. Evidente Chem. Rev. 2008 (108) 1982. [9] K. D. Paull, R. H. Shoemaker, L. Hodes, A. Monks, D. A. Scudiero, L. Rubinstein, J. Plowman, M. R. Boyd J. Nat. Cancer Inst. 1989 (81) 1088. [10] A. Monks, D. A. Scudiero, P. Skehan, R. H. Shoemaker, K. D. Paull, D. T. Vistica, C. Hose, J. Langley, P. Cronice, M. Vaigro-Wolf, M. Gray-Goodrich, H. Campbell, M. R. Mayo, JNCI, J. Natl. Cancer Inst. 1991 (83) 757. [11] G. R. Pettit, G. R. Pettit III., R. A. Backhaus, M. R. Boyd, A. W. Meerow, J. Nat. Prod. 1993 (56) 1682. 216

A 7-DEZOXI-TRANSZ-DIHIDRONARCIKLAZIN ANALOGONJAI INTERMEDIERJEINEK SZTEREOSZELEKTÍV SZINTÉZISE VANILLINBÓL ÉS ETILVANILLINBÓL KIINDULVA Pálchuber Péter 1, Dr. Kádas István 1, Dr. Simon András 2, Dr. Hegedűs László 1,3, Varró Gábor 1 1 BME, Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar, Szerves Kémia és Technológia Tanszék, Budapest, Budafoki út 8. 1111 2 BME, Vegyészmérnöki és Biomérnöki Kar, Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék, Budapest, Szent Gellért tér 4. 1111 3 MTA Szerves Kémiai Technológia Tanszéki Kutatócsoport Budapest, Budafoki út 8. 1111 A BME Szerves Kémia és Technológia Tanszékén régóta foglalkoznak alkaloidok és analogonjaik, közöttük az Amarillidaceae alkaloidok és analogonjaik szintézisével. [1-7] Jelen munkánk célja a 7-dezoxi-transz-dihidronarciklazin analogonjai intermedierjeinek sztereoszelektív szintézise volt olcsó alapanyagokból kiindulva. Az kiindulási anyagként használt vanillin és etilvanillin az édesiparban használatos, könnyen hozzáférhető alapanyagok. A szintézis során különböző a 7-dezoxi-transz-dihidronarciklazin dialkoxi analogonjainak intermedierjeit állítottuk elő. 1. ábra: vanillin (1) és etilvanillin (2) A narciklazinnak és származékainak rákellenes hatása az irodalomból ismert, ezért célul tűztük ki a szintézissor elvégeztével a kapott célvegyületek biológiai hatás-szerkezet összefüggéseinek vizsgálatát. [8] 2. ábra: a 7-dezoxi-transz-dihidronarciklazin (3): 217

Az első lépésben a kiindulási anyagokat acetonnal kondenzáltattuk etanolban, nátrium-hidroxid jelenlétében. A reakcióban melléktermékként keletkező dibenzilidénacetonok képződését acetonfelesleg alkalmazásával, illetve segédoldószer alkalmazásával kívántuk visszaszorítani. 3. ábra: 4-(4-hidroxi-3-alkoxifenil)but-3-én-2-onok (5) előállítása: R 1 O O aceton NaOH EtOH R 1 O O HO RT, 24 h HO R 1 =Me, Et 4 5a-b A kapott benzilidén-acetonok szabad OH-csoportját alkil-bromiddal káliumkarbonát jelenlétében O-alkileztük. A kapott alkil-származékok tisztítása desztillációval nagyvákuumban történt. 4. ábra: 4-(3,4-dialkoxifenil)but-3-én-2-onok (6a-k) előállítása: R 1 O O R 2 -Br K 2 CO 3 R 1 O O HO 5a-b aceton reflux, 24 h R 2 O 6a-k R 1 =Me, Et R 2 =Me, Et, npr, nbu, npe, Bn Az így nyert (3,4-dialkoxifenil)but-3-én-2-onokkal Michael-addícót hajtottunk végre, metanolban nitro-metánt addícionáltattunk a kettős kötésre. A nitropentanonok kinyerése metanolból való kristályosítással történt. Néhány esetben csak gyengébb termeléssel volt kivitelezhető a reakció, ez a termékek metanolban való jobb oldhatósága rovására írható. 5. ábra:4-(3,4-dialkoxifenil)-5-nitropentan-2-onok (7a-k) előállítása: O R 1 O R 2 O 6a-k O + CH 3 NO 2 NaOMe absz. MeOH reflux, 4 h R 1 O R 2 O 7a-k NO 2 218

A nitropentanonokat Claisen-aldol reakcióban ciklizáltattuk. A reakcióhoz vízmentes étert és száraz nátrium-metilátot, valamint etil-formiátot alkalmaztunk. A lépés sztereoszelektivitását a termék szék konformációjában kialakuló kelát struktúra (8) biztosította. 6. ábra: 3-(3,4-dialkoxifenil)-5-hidrox-4-nitrociklohexanonok (9a-k) előállítása: 7. ábra: a kialakuló kelát struktúra: O O Ar N H H O H H H 8 H O H Ar: OR 1 OR 2 A következő lépésben az oxo-csoport ketálként való védése következett, ami későbbi katalitikus hidrogénezés során képződő amin-funkció kialakulása miatt volt szükséges, hogy ne képződjön Schiff-bázis. 8. ábra: 9-(3,4-dialkoxifenil)-8-nitro-1,4-dioxaspiro[4.5]dekan-7-olok (10a-k) előállítása: A kapott termékeket autoklávban katalitikusan hidrogéneztük palládium-csontszén katalizátor jelenlétében, metanolban, 12 bar nyomáson, 60 C-on, kvantitatív termeléssel. 219

9. ábra:8-amino-9-(3,4-dialkoxifenil)-1,4-dioxaspiro[4.5]dekan-7-olok(11a-c) előállítása: A következő lépésben az amino-csoport uretánná alakítása következett, melyet klórhangyasav-metil-észter reagenssel tetrahidrofurános-vizes közegben nátrium-hidroxid jelenlétében hajtottunk végre. A tetrahidrofurános-vizes rendszer lehetővé tette, hogy a klórhangyasav-metil-észter szelektíven az amino-csoporttal reagáljon, szekunder alkohol ne acileződjön. 10. ábra:metil-7-(3,4-dialkoxifenil)-9-hidroxi-1,dioxaspiro[4.5]dekan-8- il)karbamátok (12a-c) előállítása: Az így kapott termékek ketál védőcsoportját p-toluol-szulfonsavas katalízissel acetonban forralva távolítottuk el, a védőcsoport eltávolítása mellett vízelimináció is bekövetkezett. 11. ábra:metil-3',4'-dialkoxi-5-oxo-1,2,5,6-tetrahidro-[1,1'-bifenil]-2- il)karbamátok(13a-c) előállítása: A kapott termékek oxo-csoportját nátrium-borohidriddel metanolban vízmentes kalcium-klorid jelenlétében redukáltuk, a megfelelő hidroxil-csoporttá. 220

12. ábra:metil-5-hidroxi-3',4'-dialkoxi-1,2,5,6-tetrahidro-[1,1'-bifenil]-2- il)karbamátok(14a-b) előállítása redukcióval: A szintézissel eddig a lépésig jutottunk el. További munkánk során szeretnénk a szintézissort befejezni, a végtermékeket (15) előállítani. 13. ábra: 2,3,4-trihidroxi-8,9-dialkoxi-1,3,4,4a,5,10b-hexahidrofentanhidrin- 6(2H)-onok szintézisének tervezett befejezése Irodalomjegyzék: [1] L. Balázs, M. Nyerges, I. Kádas, L. Tőke Synthesis 1995 1373. [2] L. Balázs, I. Kádas, L. Tőke J. Het. Chem. 1998 (35) 343. [3] L. Balázs, I. Kádas, L. Tőke Tetrahedron Lett. 2000 (41) 7583. [4] G. Szántó, P. Bombicz, A. Grün, I. Kádas Chirality 2008 (20) 1120. [5] G. Szántó, L. Hegedűs, L. Mattyasovszky, A. Simon, Á. Simon, I. Kádas; Tetrahedron Letters, 2009 (50) 2857-59. [6] G. Szántó, L. Hegedűs, L. Mattyasovszky, A. Simon, Á. Simon, I. Bitter, G. Tóth, L. Tőke, I. Kádas; Tetrahedron, 2009 (65) 8412-17 [7] G. Szántó, I. Kádas, T. Kárpáti, L. Hegedűs React. Kinet. Mech. Catal. 2010 (99) 85 [8] A. Kornienko, A. Evidente Chem. Rev. 2008 (108) 1982. 221

A FOSZFORATOMON KÜLÖNBÖZŐ ALKIL-CSOPORTOKKAL RENDELKEZŐ AMINOFOSZFONÁTOK ÉS AMINOMETILÉN- BISZFOSZFONÁTOK ELŐÁLLÍTÁSA Tajti Ádám 1, Bálint Erika 2, Keglevich György 1 1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Szerves Kémia és Technológia Tanszék, 1111 Budapest, Budafoki út. 8. 2 MTA-BME Szerves Kémiai és Technológia Tanszéki Kutatócsoport, 1111 Budapest, Budafoki út. 8. Az α-aminofoszfonátok, mint az α-aminosavak strukturális analógjai, potenciális bioaktivitásuknak és sokrétű felhasználhatóságuknak köszönhetően, széleskörű tudományos érdeklődésre tartanak számot. [1,2] Munkánk első részében olyan mono- és biszα-aminofoszfonátokat állítottunk elő, melyeken különböző alkoxi-csoportok találhatók a foszforatomon, így P-kiralitáscentrumot hordoznak. A másik résztéma az aminometilénbiszfoszfonátok előállítása, melyek közeli rokonságban állnak a csontbetegségek kezelésében alkalmazott dronátokkal. Kutatócsoportunkban egy fő irányvonalat képvisel a P-C-N egységet tartalmazó vegyületek oldószer és katalizátor nélkül, mikrohullámú (MW) körülmények között végzett környezetbarát előállítása, így a szintéziseket ezzel a módszerrel valósítottuk meg. A különböző helyettesítőkkel rendelkező aminofoszfonátok előállításához szükséges vegyes foszfitok nem kaphatók kereskedelmi forgalomban. Korábbi munkáinkban a dialkilfoszfitok alkoholízisét tanulmányoztuk, amikor is egyszeresen és kétszeresen átészterezett foszfitokat nyerhetünk. [3,4] Ezeket a tapasztalatokat felhasználva valósítottuk meg az etiloktil-foszfit (1) méretnövelt szintézisét (1. ábra). Az így nyert vegyes foszfitot (1) Kabachnik-Fields reakciókban használtuk fel. [5] 1. ábra Etil-oktil foszfit előállítása A mono-aminofoszfonátok (2) szintézisét különféle primer és szekunder aminokból kiindulva tanulmányoztuk ekvivalens mennyiségben hozzáadott etil-oktil-foszfittal, illetve paraformaldehiddel. A Kabachnik-Fields-reakciókat oldószer és katalizátor nélkül, MW körülmények között valósítottuk meg (2. ábra). 222

2. ábra Mono-aminofoszfonátok előállítása etil-oktil-foszfittal Kétszeres Kabachnik-Fields reakciókat is végeztünk primer aminokból kiindulva, két ekvivalens paraformaldehiddel és két ekvivalens etil-oktil-foszfittal, amelyek során bisz-aminofoszfonátokhoz (3) jutottunk (3. ábra). 3. ábra Kétszeres Kabachnik-Fields reakciók etil-oktil-foszfittal Az etil-oktil-foszfitból előállított aminofoszfonázok új vegyületek, ezért szerkezetüket minden esetben 31 P, 13 C és 1 H NMR spektroszkópiával és HRMS vizsgálatokkal igazoltuk. Az aminometilén-biszfoszfonátok (4) szintén előállíthatók háromkomponensű kondenzációval (4. ábra). A reakciókat primer és szekunder aminokból kiindulva trietilortoformiáttal és dietil-foszfittal valósítottuk meg. A reakcióban difenilfoszfin-oxidot alkalmazva P-reagensként, aminometilén-biszfoszfin-oxidokat állítottunk elő. 4. ábra Aminometilén-biszfoszfonátok előállítása [1] V. P. Kukhar, H. R. Hudson; Aminophosphonic and Aminophosphinic acids: Chemistry and Biological Activity, Wiley, Chichester, 2000. [2] E. Bálint, G. Keglevich; Molecules, 2012 (17) 12821-12835. [3] E. Bálint, Á. Tajti, L. Drahos, G. Ilia, G. Keglevich; Current Organic Chemistry, 2013 (17) 555-562. 223

[4] G. Keglevich, E. Bálint, Á. Tajti, B. Mátravölgyi, G. T. Balogh, M. Bálint, G. Ilia; Pure and Applied Chemistry, 2014 (86) 1723-1728. [5] Á. Tajti, E. Bálint, G. Keglevich; Current Organic Synthesis, 2015, beküldve. 224

AZIDO-NUKLEOZIDOK ELŐÁLLÍTÁSA ÉS KAPCSOLÁSA SZTEROIDOKHOZ RÉZKATALIZÁLT ALKIN-AZID KLIKK REAKCIÓVAL Tétényi Eszter 1, Bodnár Brigitta 1, Mernyák Erzsébet 2, Kupihár Zoltán 1 1 Szegedi Tudományegyetem, Általános Orvostudományi Kar, Orvosi Vegytani Intézet 6720 Szeged, Dóm tér 8. 2 Szegedi Tudományegyetem, Természettudományi és Informatikai Kar, Szerves Kémiai Tanszék 6720 Szeged, Dóm tér 8. Daganatellenes hatású szteroidmolekulákból kiinduló nukleozidkonjugátumokat állítottunk elő annak érdekében, hogy a daganatellenes hatás szelektivitását növeljük. A konjugátum kialakításához a rézkatalizált alkin-azid klikk reakciót alkalmaztuk, melyhez szükségünk volt a szteroid alkin mellett azidonukleozidok előállítására. Dezoxiadenozin, -citidin és timidin nukleozidok primer hidroxilcsoportjának aziddá alakítását többféle módszerrel is vizsgáltuk, végül a védett nukleozidok szabad 5 -hidroxil csoportját tozileztük, majd azidra cseréltük. Az így előállított azidonukleozidokat réz(i)-katalizátort alkalmazva összekapcsoltuk a 3-as helyzetben alkin funkciós csoportot tartalmazó szteroiddal. A kapott új vegyületek szerkezetét NMR spektroszkópiával és tömegspektrometriával igazoltuk. A közeljövőben tervezzük in vitro antitumor hatástani vizsgálatukat is. Nukleozid-szteroid konjugátumok elõállítása klikk reakcióval HO Védett nukleobázis TsO O TsCl/piridin H H H H OAc H Védett nukleobázis N 3 O H H NaN 3 /DMF H OAc H H Védett nukleobázis O H H H H OAc H O + O Cu(I) Védett nukleobázis O H H H H H OAc N N N O O Védett nukleobázis : 4-N-benzoil-citozin / 6-N-benzoil-adenin / timin 1. Kolb H.C.; Finn M.G.; Sharpless K.B. Angew. Chem. Int. Ed. 2001, 40, 2004 2. Atul G.; B.Sathish K.; Arvind S.N. J. Steroid Biochem. 2013 225

FOSZFIN-OXIDOK REDUKCIÓS ÉS OXIDÁCIÓS REAKCIÓI Kovács Tamara 1, Csatlós Flóra 1, Urbanics Anita 1 és Keglevich György 1 1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Szerves Kémia és Technológia Tanszék, 1111 Budapest, Budafoki út 8. Az aszimmetrikus hidrogénezési és hidroformilezési reakciók iránti növekvő érdeklődés miatt, manapság fontossá vált az átmenetifém-komplex katalizátorok ligandumaiként alkalmazható optikailag aktív foszfinok és származékainak előállítása. 1,2 A háromvegyértékű foszfinokat másfelől szerves kémiai átalakításokban, mint például a Wittig-, Mitsunobu- és Appel reakciókban használják. Ezekben a szintézisekben melléktermékként foszfin-oxidok keletkeznek, melyek regenerálását különféle (általában érzékeny és/vagy drága) redukáló szerekkel (pl. LiAlH 4, DIBAL-H vagy HSiCl 3 /Et 3 N és HSiCl 3, PhSiH 3 ) valósítják meg. Kutatómunkánk során a foszfin-oxidok deoxigénezésének olcsó és felhasználóbarát szilán-reagensekkel történő megvalósítását tűztük ki célul. A redukciók elvégzését a korábbi leírásokkal ellentétben katalizátorok nélkül kívántuk megvalósítani. Munkánkban néhány diaril-fenilfoszfin-oxid és dimetil-fenilfoszfin-oxid redukcióját vizsgáltuk fenilszilán (PhSiH 3 ), 1,1,3,3-tetrametil-disziloxán (TMDS) és polimetilhidrosziloxán (PMHS) redukálószerekkel. A reakciókat toluolos, illetve oldószermentes közegben végeztük különböző hőmérsékleteken, hagyományos vagy mikrohullámú (MW) fűtést alkalmazva. 1. ábra: Sztérikusan gátolt foszfin-oxidok redukciója A vizsgált modellvegyületek közül az alábbi táblázatban a trifenilfoszfin-oxid (1a) redukciós eredményeit foglaltuk össze. A vizsgált redukálószerek közül a fenilszilán bizonyult leginkább reakcióképesnek, majd ezt követte a PMHS és végül a TMDS. Megfigyeltük továbbá, hogy míg oldószeres közegben a deoxigénezés igen lassan ment végbe, az oldószer mellőzése és a MW-mal történő fűtés alkalmazása elősegítette a reakciók gyorsabb lejátszódását. Kísérleti tapasztalataink alapján, a vizsgált foszfin-oxidok (1) reaktivitását tekintve, az alábbi sorrend állítható fel: Me 2 P(O)Ph (1d) > (4- MePh) 2 P(O)Ph (1b) ~ Ph 3 PO (1a) > (4-ClPh) 2 P(O)Ph (1c). 226

1. táblázat: A trifenilfoszfin-oxid (1a) redukciója különböző szilánokkal Sor Szilán Ekv. Fűtési t Konv. Termelés Oldószer T ( C) mód (óra) (%) (%) 1 PhSiH 3 9 toluol 110 12 14-2 TMDS 10 Δ 1,4-xilol 175 48 53-3 PMHS 5 1,4-xilol 175 48 85-4 PhSiH 3 9-110 3 97 86 5 PhSiH 3 9-150 1 100 92 Δ 6 TMDS 10-175 24 100 91 7 PMHS 5-175 16 100-8 PhSiH 3 9-150 0.5 99 95 9 TMDS 10-175 6 47 MW 10 TMDS 10-200 6 93 89 11 PMHS 5-175 7.5 98 90 Munkánk további részében néhány gyűrűs foszfin-oxid, pl. 1-fenil-foszfolén-1- oxidok és az 1-fenil-foszfolán-1-oxid szilánokkal végzett redukcióját is tanulmányoztuk, hagyományos vagy MW fűtést alkalmazva. A reakciókat fenilszilán (PhSiH 3 ), 1,1,3,3- tetrametil-disziloxán (TMDS), polimetil-hidrosziloxán (PMHS), naftilszilán (NaphSiH 3 ), benzilszilán (BnSiH 3 ), di(paratolil)-szilán ((p-tolyl) 2 SiH 2 ), bisz-(1-naftil)-szilán ((1- naph) 2 SiH 2 ) és 1,1,2,2,-tetrafenil-diszilán ((Ph 2 SiH) 2 ) redukálószerekkel végeztük el. A reakciókörülmények tekintetében ez esetben is azt találtuk, hogy a MW technika alkalmazása nagyban elősegítette a hatékony átalakulást. A 3-metil-1-fenil-3-foszfolén-1- oxid (3a) modellvegyület MW-ban végzett redukciójának eredményeit a 2. táblázatban tüntettük fel. A szilán redukálószerek reaktivitásbeli különbségét megvizsgálva az alábbi reaktivitási sorrendet állítottuk fel: PhSiH 3 ~ NaphSiH 3 > BnSiH 3 > (4-MePh) 2 SiH 2 > PMHS > (Ph 2 SiH) 2 ~ TMDS > (1-napht) 2 SiH 2. Ily módon a foszfin-oxidok redukciójában egy jó alternatív megoldást jelenthet a fent említett szilán redukálószerek alkalmazása, melyek MW és oldószermentes körülmények közötti használata zöldkémiai szempontból is előnyös lehet. 3,4 2. ábra: Heterociklusos foszfin-oxidok redukciója 227

2. táblázat: A 3-metil-1-fenil-3-foszfolén-1-oxid (3a) redukciója különböző szilánokkal MW fűtést alkalmazva Sor Szilán Ekv. T ( C) t Konv. (%) Termelés (%) 1 PhSiH 3 1 80 <1 h 100 91 2 TMDS 2 110 3 h 100 92 3 PMHS 2 110 2 h 100 92 4 NaphSiH 3 1 80 30 min 100 98 5 BnSiH 3 1 80 <1 h 100 98 6 (4-MePh) 2 SiH 2 1 80 1 h 100 91 7 (1-naph) 2 SiH 2 1 150 1 h 98 8 (Ph 2 SiH) 2 1 110 3 h 100 89 9 (Ph 2 SiH) 2 1 150 45 min 100 92 A foszfolén-oxidok további fontos reakciók kiindulási vegyületeiként is szerepelhetnek. Kutatócsoportunkban régóta foglalkoznak áthidalt P-heterociklusok szintézisével, fragmentációjával és az így képződő reakcióképes intermedierek hasznosításával. 5,6 Ehhez a munkához kapcsolódva 7-foszfanorbornén-származékok, közöttük új, P-alkil-származékok szintézisét tűztük ki célul, melyek Baeyer Villiger oxidációval oxafoszfabiciklooktén-származékokká alakíthatók. Ezek az áthidalt származékok viszont energiaközlés hatására elveszítik az áthidaló elemüket, ami nukleofilek foszforilezésében hasznosítható. A csoportunkban kidolgozott módszer alapján 11 foszfanorbornén-származékot (9, 10a és 11) szintetizáltunk. Az előállított vegyületek geometriai adatait kvantumkémiai számításokkal határoztuk meg, melyeket egykristály röntgendiffrakciós mérésekkel validáltunk. 7 3. ábra: 7-Foszfanorbornén-származékok szintézise Különféle alkil-szubsztituált származékból (12) oxidációval oxafoszfabiciklooktén-származékokat szintetizáltunk, melyek két regioizomer eltérő stabilitású elegyeként keleztek. 8 228

4. ábra: 7-Foszfanorbornén-származékok oxidációja Az előállított oxafoszfabiciklooktén-származékokból hagyományos hőközlés, illetve MW besugárzás hatására a feszült áthidalt molekularész kilökődött (fragmentálódott). A két regioizomer eltérő rektivitást mutatott a fragmentációk során, mely különbségeket kihasználva szelektív fragmentációkat valósítottunk meg. Az így képződő reakcióképes intermedierekkel különféle alkoholok foszforilezési reakcióit végeztük el. 8 5. ábra: Oxafoszfabiciklooktén-származékok fragmentációja Köszönetnyilvánítás: Alapítvány Sanofi - Chinoin Zrt., OTKA No K83118., Pro Progressio [1] L. Kollár, G. Keglevich, Chemical Reviews, 2010 (110) 4257-4302. [2] P Bagi, T Kovács, T Szilvási, P Pongrácz, L Kollár, L Drahos, E Fogassy, G.Keglevich, Journal of Organometallic Chemistry, 2014 (751) 306-313. [3] G. Keglevich, T. Kovács, Current green chemistry, 2014 (1) 182-188. [4] G. Keglevich, T. Kovács, F. Csatlós, Heteroatom Chemistry 2015 (26) 199-205. [5] L. D. Quin, J. C. Kisalus, K. A. Mesch, Journal of Organic Chemistry, 1983 (48) 4466-4472. [6] Z. Csók, G. Keglevich, G. Petőcz, L. Kollár, Journal of Organic Chemistry, 1999 (586) 79-84. [7] T. Kovács, L. Sz. Fülöp, Z. Mucsi, K. Karaghiosoff, M. Czugler, G. Keglevich, Heteroatom Chemistry, 2015 (26) 335-347. [8] T. Kovács, L. Sz. Fülöp, G. Keglevich, Heteroatom Chemistry, 2015 (beküldve). 229

GLÜKOFURANOZID ALAPÚ KORONAÉTEREK SZINTÉZISE ÉS ALKALMAZÁSA Kánya Nándor 1, Rapi Zsolt 1, Ozohanics Olivér 2, Tóth Gábor 2, Bakó Péter 1 1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Szerves Kémia és Technológia Tanszék, 1111 Budapest, Budafoki út 8. 2 MTA TTK Szerves Kémia Intézet, 1117 Budapest, Magyar Tudósok körútja 2. A koronaéterek alkalmazási lehetőségeinek kutatása még manapság is az érdeklődés középpontjában áll. Ezen vegyületek egyik fontos felhasználási területe a fázistranszfer katalizátorként történő alkalmazás. Kutatócsoportunk monoszacharid alapú királis koronaéterek előállításával és tulajdonságainak vizsgálatával foglalkozik. A kutatómunka alapja az a felismerés, hogy a szénhidrát alapú királis koronaéterek egyes fázistranszfer reakciókban katalizátorként alkalmazva aszimmetrikus indukciót válthatnak ki. [1] Ezek a makrociklusok a katalitikus hatás mellett számos egyéb előnnyel is rendelkeznek. Ilyen például, hogy nem (vagy csak kevésbé) toxikusak, a kiindulási anyagként használt monoszacharidok többnyire olcsók, viszonylag könnyen és tiszta izomerként hozzáférhetők. Valamint sok funkciós csoportot tartalmaznak, lehetővé téve változatos származékok előállítását. A kutatómunkám célja volt új, glükofuranozid egységet tartalmazó koronavegyületek szintézise. A csoportban már korábban sikeresen alkalmaztak glükóz alapú makrociklusokat enantioszelektív katalizátorként, ám mindeddig a glükózt csak hattagú gyűrűs, piranozid formában építették be a koronavegyületekbe. [2,3] Munkám során négy új koronaétert állítottam elő (1-4), többlépéses szintézisekkel, a kutatócsoportban kidolgozott módszereket felhasználva. Az újonnan szintetizált királis koronavegyületeket fázistranszfer katalizátorként alkalmaztam néhány olyan reakcióban, ahol új sztereogén centrum kialakulására van lehetőség. Vizsgáltuk a koronaéterek által generált aszimmetrikus indukció mértékét (fajlagos forgatás, királis HPLC módszerek alapján). 230

Az egyik ilyen reakció a β-nitrosztirol (5) és dietil-acetamidomalonát (6) Michaeladdíciója (1. ábra). A reakciók mind a négy koronaéter (1-4) jelenlétében végbementek, azonban egyik sem váltott ki aszimmetrikus indukciót, a 7 Michael-addukt minden esetben racém formában keletkezett. 1. ábra β-nitrosztirol (5) és dietil-acetamidomalonát (6) Michael-addíciója Egy másik modellreakció volt a transz-kalkon (8) és dietil-acetoximalonát (9) Michael-addíciója (2. ábra). Ebben az esetben a 2 és 4, a nitrogénen metoxipropil oldalkarral rendelkező koronaéterek jelenlétében egyáltalán nem történt átalakulás. A 1 benzil-szubsztituált makrociklus már hatásos fázistranszfer katalizátor volt, azonban aszimmetrikus indukciót nem váltott ki. A 3 katalizátor hatására a 10 Michael addukt már jelentős, 73%-os enantiomerfelesleggel képződött. 2. ábra Transz-kalkon (8) és dietil-acetoximalonát (9) Michael-addíciója A harmadik vizsgált reakciótípus az epoxidálás volt. A transz-kalkon (8) tercbutilhidroperoxiddal történő reakciójában (3. ábra) a 2 és 4, metoxipropil oldalkart tartalmazó koronaéterek esetében képződött ugyan a 11 epoxiketon, azonban a termék racém volt. Az 1 és 3, a nitrogénen (CH 2 ) 3 OH csoporttal szubsztituált makrociklusok hatására közepes, 58% illetve 44% enantiomerfelesleggel izoláltam a 11 vegyületet. 3. ábra Transz-kalkon (8) epoxidálása A reakció mind a négy katalizátorral diasztereoszelektíven (de > 98%) játszódott le, csak az anti (transz) térállású enantiomerpár keletkezett. 231

Szintén diasztereoszelektivitást tapasztaltam (de > 98%) a 2-klóracetofenon (12) és benzaldehid (13) Darzens-kondenzációjában (4. ábra). Ebben a reakcióban már mind a négy koronaéter (1-4) hatásosnak bizonyult. Az 1 és 2 benzil-szubsztituált makrociklusok esetében 35% ee, illetve 37% ee értékeket mértem, míg a 3 és 4 propilcsoportot tartalmazó koronaéterek alkalmazásakor 35%, illetve 38% volt az aszimmetrikus indukció mértéke. 4. ábra 2-Klóracetofenon (12) és benzaldehid (13) Darzens-reakciója: Vizsgáltam az 1-4 koronaéterek extraháló képességét is, ami azt mutatja meg, hogy a makrociklusok mennyire képesek a szerves fázisba juttatni különböző, vízben oldott pikrátsókat (fázistranszfer tulajdonság.). Ehhez 0,005 M koncentrációjú vizes Li + -, Na + -, K + -, Rb + -, Cs + - és NH + 4 -pikrát oldatokat, valamint 0,01 M koncentrációjú diklórmetános koronaéter oldatokat készítettem, majd minden pikrátsó oldatból 5 ml-t, illetve minden koronaéter oldatból 5 ml-t 40 percig intenzíven kevertettem. [4] A fázisok szétválása után a vizes fázisból mintát véve UV-VIS spektroszkópiával megállapítottam a vizes oldatok maradék pikráttartalmát, mely alapján kiszámítható az egyes koronaéterek extraháló képessége. Elméletileg a nagyobb %-os értékek hatékonyabb fázistranszfer tulajdonságra utalnak. Az 1. táblázatból látható, hogy az 1 és 2 benzilcsoporttal ellátott makrociklusok extrakciós képessége az ionátmérő függvényében egy maximumon halad át. Érdekesség, hogy noha ezekben a koronagyűrű 15-tagú, amelynek mérete legjobban a Na + -hoz illeszkedik, mégis legnagyobb mértékben a K + iont szállították át a szerves fázisba. Valamennyi kationnal közepes/jó (43-77%) volt az extrakció mértéke, amihez hozzájárulhat a benzilcsoport és a pikrát anion között kialakuló π-π kölcsönhatás is. 1. táblázat Az előállított koronaéterek extraháló képessége alkálifém- és ammóniumpikrátokkal szemben Extrahált pikrát mennyisége, % Koronaéter Li + Na + K + + NH 4 Rb + Cs + 1 50 60 74 57 51 55 2 52 54 77 64 49-3 47 43 22 41 21 20 4 52 75 45 59 46 40 A 3 propil-szubsztituált koronaéter esetében a növekvő ionátmérővel csökken az extrakciós képesség, meglepő módon a Li + iont szállította át a legnagyobb mértékben a szerves fázisba (47%). A 4 makrociklus esetében nincsen egyértelmű tendencia, az extraháló képesség a Na + ionnál mutat maximumot (75%). Végül az egyes koronaéterek komplexképzési affinitását is vizsgáltuk MeOH-H 2 O elegyben, kompetitív ESI-MS módszerrel különböző fémionokkal szemben. [5] 232

A monoaza-15-korona-5 típusú makrociklusok üregmérete alapján az várható, hogy a makrociklusok nátrium ionnal alkotják a legstabilabb komplexet. Ennek ellenére (azonos, 0,001 M-os koncentráció esetén) az 1 vegyület 11,4-szeres, a 2 koronaéter 16,5-szer, a 3 makrociklus 5,1-szer, a 4 pedig 30,8-szer nagyobb affinitást mutatott ezüst ionokra a nátrium ionhoz képest (2. táblázat). Nem detektáltunk olyan komplexet, melyben egyszerre kötődött volna mindkét ion, tehát kompetitíven azonos helyre kötődnek a makrociklushoz. 2. táblázat Nátrium és ezüst ionok affinitása a protonált koronaéterekhez és egymáshoz viszonyítva 1 3 2 4 Na + / H + 0,10679 0,13898 0,06279 0,03804 Ag + / H + 1,21827 0,70872 1,03509 1,17246 Ag + / Na + 11,41 5,10 16,49 30,82 A 4 makrociklus esetében tapasztalható jelentős ezüst szelektivitás nagyon érdekes jelenség, mert eddig az irodalomban főleg csak kéntartalmú koronaétereknél tapasztaltak hasonló tulajdonságot. A munka az OTKA PD 112166 pályázat támogatásával készült. Irodalomjegyzék [1] Bakó P., Keglevich Gy., Rapi Zs.; Asymmetric phase transfer reactions catalysed by chiral crown ethers derived from monosaccharides. Letters in Organic Chemistry, 2010, 7, 645-656. [2] Makó A., Rapi Zs., Keglevich Gy., Szöllősy Á., Drahos L., Hegedűs L., Bakó P.; Asymmetric epoxidation of substituted chalcones and chalcone analogues catalyzed by α-d-glucose- and α-d-mannose-based crown ethers. Tetrahedron:Asymmetry, 2010, 21, 919-925. [3] Bakó P., Rapi Zs., Keglevich Gy., Szabó T., Sóti P. L., Vigh T., Grűn A., Holczbauer T.; Asymmetric C-C bond formation via Darzens condensation and Michael addition using monosaccharide-based chiral crown ethers. Tetrahedron Letters, 2011, 52, 1473-1476. [4] Kimura, K., Maeda, T., Shono, T.: Extraction of alkali-metal picrates with poly(crown ether) and bis(crown ether). Talanta 1979, 26, 945-949. [5] Czirok, JB., Jagerszki, G., Toth, K., Revesz, A., Drahos, L., Bitter, I.: Click synthesis of triazole-linked calix[4]arene ionophores. Potentiometric and ESI-MS screening of ion-selectivity. Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry, 2014, 78, 207-215. 233

A KONFERENCIA ELŐADÓI Név Munkahely e-mail cím Bába Péter SZTE baba.peter@chem.u-szeged.hu Bajtai Attila SZTE attila.bajtai@gmail.com Balázs László Bertalan BME balazslaszlo90@gmail.com Balogh Ria Katalin SZTE balogh.ria.katalin@gmail.com Bellér Gábor DE beller.gabor@science.unideb.hu Buchholcz Balázs SZTE buchholcz@chem.u-szeged.hu Buckó Ákos SZTE akosbucko@gmail.com Bús Csaba SZTE bcsaba0312@gmail.com Czene Sándor Marcell SZTE Ben0737@gmail.com Császár Zsófia PE csazsofi@gmail.com Cseri Levente BME leventee13@gmail.com Dargó Gergő BME dageri15@gmail.com Ditrói Tamás DE ditroi.tamas@science.unideb.hu Dobó Dorina Gabriella SZTE d.dorina@chem.u-szeged.hu Dudás Csilla SZTE dudascsilla@yahoo.fr Elekes Andrea PE elekesa@almos.uni-pannon.hu 234

Név Munkahely e-mail cím Faragó Judit PE farago.judit.pe@gmail.com Filotás Dániel PTE filotasdaniel@gmail.com Földesi Tamás Egis Gyógyszergyár ZRt tamasfoldesi2@gmail.com Fridrich Bálint BME Ganyecz Ádám BME ganyecza@gmail.com Gehér-Herczegh Tünde SZTE Gubán Dorottya MTA TTK AKI guban.dorottya@ttk.mta.hu Gyöngyösi Tamás DE gyongyosi89@gmail.com Herbay Réka BME herbayreka@gmail.com Janzsó-Berend Péter Zoltán BME janzsopz@gmail.com Juhász Kinga BME juhasz.kinga92@gmail.com Justh Nóra BME justh.nora@gamil.com Kalmár József DE kalmar.jozsef@science.unideb.hu Kánya Nándor BME kanyanandor@freemail.hu Kecskeméti Ádám DE kecskemeti.adamm@gmail.com Kelemen Orsolya ELTE kelemenorsi01@gmail.com Kéri Orsolya BME orsolyakeri@gmail.com 235

Név Munkahely e-mail cím Kiss Virág DE kiss.virag@science.unideb.hu Kormányos Attila SZTE attila.kormanyos@chem.u-szeged.hu Kovács Tamara BME kovacs.tamara@mail.bme.hu Kőhegyi Bianka Kitti BME bianka.kohegyi@gmail.com Magyar Melinda Institute of Plant Biology BRC HAS magyarmelu@gmail.com Maszler Péter BME maszlerpeter@gmail.com Mester Dávid BME mester.david@mail.bme.hu Muráth Szabolcs SZTE murathsz@chem.u-szeged.hu Nagy Dávid Illés BME duwa24@gmail.com Nagyné Kovács Teodóra BME teodora24@freemail.hu Nekkaa Imane SZTE nekkaa.imane@pharm.u-szeged.hu Nemcsok Tamás BME tamas002@hotmail.com Németh András György BME nemeth.andras@egis.hu Németh Csaba Capriovus Kft. nemeth.csaba@capriovus.hu Pálchuber Péter BME palchuberpeti@gmail.com Pálinkás Noémi PTE noemi.palinkas@gmail.com Petró József Levente BME petrojzsi@gmail.com 236

Név Munkahely e-mail cím Rauscher Evelin SZTE rauschereve@gmail.com Rendes Kata BME rkata0428@gmail.com Sipos Róbert Bay Zoltán Nonprofit Kft. siprob@hotmail.com Stelén Gábor BME stelen.gabor@mail.bme.hu Szabó Balázs Péter MTA 92.szabo.balazs@gmail.com Szabó Mária DE szabo.maria@science.unideb.hu Szentjóbi Hajnalka BME hajni.szentjobi@gmail.com Tajti Ádám BME tajti.adam@mail.bme.hu Tamási Kinga Accell-Hunland Kft. anyag1988@gmail.com Tétényi Eszter SZTE eszter@tetenyi.hu Tököli Attila SZTE attila.tokoli@gmail.com Tripolszky Anna BME anna.tripolszky@gmail.com Varró Gábor BME gabriel.varro@gmail.com Vass Ádám MTA TTK AKI vass.adam@ttk.mta.hu Ziegenheim Szilveszter SZTE mrwesty15@gmail.com 237

A 2015. ÉVI KÉMIAI ELŐADÓI NAPOKAT TÁMOGATTÁK: MTA Szegedi Akadémiai Bizottság Magyar Kémikusok Egyesülete American Chemical Society, Hungary Chapter Magyar Kémikusok Egyesülete Csongrád Megyei Csoport SZTE Természettudományi és Informatikai Kar 238