Projekti / Programi
Organska kemija: sinteza, struktura in aplikacija
01. januar 2022
- 31. december 2027
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.00 |
Naravoslovje |
Kemija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.04 |
Naravoslovne vede |
Kemija |
Organska kemija; sinteza; struktura; kataliza; mehanizem; zelena kemija; ligand; organokovinska kemija; koordinativna kemija; vodikov trioksid; pretvorba funkcionalne skupine; oksidacija; redukcija; reakcija spajanja; molekulska sonda; fluorescenca; neurodegenerativne bolezni.
Podatki za zadnjih 5 let (citati za zadnjih 10 let) na dan
19. april 2024;
A3 za obdobje
2018-2022
| Baza |
Povezani zapisi |
Citati |
Čisti citati |
Povprečje čistih citatov |
| WoS |
467 |
11.168 |
8.839 |
18,93 |
| Scopus |
437 |
11.721 |
9.561 |
21,88 |
Raziskovalci (26)
Organizacije (1)
Povzetek
Predložen raziskovalni program leži na stičišču organske, anorganske, koordinacijske, farmacevtske in medicinske kemije. Usmerjen je v odkrivanje in uporabo novih, učinkovitejših in trajnejših reakcij ter sintetskih pristopov, v smeri razvoja in priprave katalizatorjev, biološko pomembnih spojin in različnih organskih materialov. Pomemben del programa vključuje študije mehanizmov kemijskih reakcij. Razumevanje reakcijskih mehanizmov je temelj kemijske znanosti, saj omogoča racionalno zasnovo reakcijskih pogojev, s tem pa zmanjšanje količine (stroškov) vhodnih surovin in zmanjšanje stranskih produktov (odpadkov). Program obsega tri glavne raziskovalne teme: študij mehanizmov organskih reakcij, sintezo in katalizo ter praktično uporabo pridobljenih znanj. Na področju študija mehanizmov reakcij bomo obravnavali številna temeljna vprašanja, ki so še vedno odprta. Preko novih dognanj iz študij stehiometričnih reakcij transmetalacije bomo poizkusili razviti nove, popolnoma katalitske reakcije spajanja in razširiti naše znanje iz paladijevih katalitskih sistemov še na druge kovine. Pridobljeno znanje bo pomagalo tudi pri izolaciji in karakterizaciji zelo reaktivnih in nestabilnih kemijskih zvrsti, kot so vodikov trioksid (HOOOH) in njegovi derivati. Na tem področju bomo poskusili pripraviti kristalinične oblike hidrotrioksidov in jim določiti kristalne strukture, kar bo znatno pripomoglo k razumevanju lastnosti-OOOH funkcionalne skupine. Na področju sintezne kemije bomo nadaljevali z iskanjem alternativnih sinteznih metod, ki bodo zamenjale drage in strupene reagente ter topila z ekonomsko in ekološko ugodnejšimi, kar bo vodilo do manjših količin proizvedenih odpadkov, nastalih pri različnih pretvorbah funkcionalnih skupin. To bomo dosegli z razvojem zelenih in selektivnih metod za vrsto organskih reakcij, vključno z oksidacijo, halogeniranjem in halkogeniranjem. Kataliza predstavlja eno glavnih smernic v zeleni kemiji, zato je eden naših glavnih ciljev razviti homogene katalitske sisteme na osnovi organokovinskih katalizatorjev, ki bodo učinkovitejši od tistih uporabljenih v industriji danes. Na podlagi našega nedavno opisanega liganda PyMIC (PyMIC = N-heterociklični karben na osnovi triazola z mezoionsko (MIC) strukturo) bomo oblikovali nove ligande, ki bodo vodili do naprednih organokovinskih katalizatorjev, ki bodo potencialno prispevali pri reševanje najtežjih izzivov v katalizi. Pridobljeno znanje nam bo pomagalo pri uresničevanju aplikativnih projektov. Eden od teh vključuje načrtovanje, sintezo in študijo novih fluorescentnih molekularnih sond, ki se bodo selektivno vezale na različne biomarkerje Alzheimerjeve bolezni z visoko afiniteto in bodo pri tem sposobne zrcaliti majhne spremembe v svojem okolju na spremembe v optičnih lastnostih. Opisane sonde bi lahko pomagale pri razvoju ex vivo prognostičnih in diagnostičnih orodij za zgodnje odkrivanje Alzheimerjeve bolezni.
Pomen za razvoj znanosti
Kemijska sinteza in s tem dostopnost do najrazličnejših sintetičnih spojin je v vseh pogledih našega obstoja koristila družbi na številne načine. Izziv kemije danes pa ni več zmožnost sinteze ciljne molekule, ampak kako sintezo izvesti na praktičen in okolju prijazen način in ali je spojino smiselno pripraviti. Naš program sledi opisanim ciljem. Izboljšave obstoječih sinteznih metod so eden od ključnih izzivov s katerim se bomo soočali tekom izvedbe raziskovalnega programa. Raziskovalno delo vključuje več smeri, od organske, anorganske, koordinacijske, do farmacevtske in medicinske kemije. Odkrivanje in uporaba novih, učinkovitejših in trajnejših reakcij ter sinteznih metodologij, tako v smeri razvoja in priprave katalizatorjev, kot sinteze biološko pomembnih spojin in različnih organskih materialov, je zato še toliko bolj pomembna za učinkovito izvedbo programa. Nepogrešljiva opora pri tem je preučevanje mehanizmov kemijskih reakcij, saj je njihovo poznavanje temelj kemijske znanosti in omogoča racionalno zasnovo reakcijskih pogojev, zmanjšanje stroškov vhodnih materialov ter zmanjšanje problematičnih odpadkov. Opisan program obsega tri glavne raziskovalne tematike: študij mehanizmov kemijskih reakcij, sintezo in katalizo ter praktično uporabo pridobljenih znanj. Razumevanje mehanizmov osnovnih kemijskih reakcij je ključnega pomena za temeljno razumevanje kemijskih procesov in s tem osnova za racionalno načrtovanje in optimizacijo sintez, kakor tudi za odkrivanje novih reakcij. V zadnjem času smo se lotili reševanja ključnih mehaničnih vprašanj različnih reakcij, vključno s klasičnimi, (organo)katalitskimi, redoks reakcijami in reakcijami spajanja. Redefinirali smo mehanizem Sonogashirove reakcije brez bakra, ki je skoraj pet desetletij temeljil na napačni predpostavki. Ukvarjali smo se z izzivi izolacije zelo reaktivnih in nestabilnih intermediatov, kot je vodikov trioksid (HOOOH) in njegovi derivati. Ti so pogosti intermediati pri oksidacijah in vse bolj zanimivi tudi kot možni intermediati v številnih kemijskih, biokemičnih, atmosferskih in okoljskih procesih. Posvetili se bomo tudi številnim odprtim temeljnim mehanističnim vprašanjem, ki zadevajo te spojine. Na drugi strani bomo na podlagi študij mehanizmov reakcij spajanja in izkušenj s katalitskim sistemom paladij-paladij, poizkušali razširiti uporabo na cenene kovine in posledično odkriti nove reakcije spajanja. Orodja za raziskovanje kratkotrajnih, občutljivih in zelo reaktivnih intermediatov in reševanje z njimi povezanih mehaničnih ugank bomo črpali iz hitro-rastočega napredka eksperimentalnih tehnik (spektroskopija, elektrokemija, rentgenska analiza) ter vse večjega nabora sodobnih teoretičnih metod (npr. DFT). Razumevanje mehanizma bo ključno gonilo k novim sinteznim in katalitskim metodam. Glavni poudarek bo na zeleni kemiji, ki predstavlja eno najpomembnejših usmeritev za bolj zdravo in okolju prijaznejšo kemijo, s končnim ciljem doseči sonaravni in trajnostni razvoj. Glavni izzivi na tem področju so zamenjava lahko hlapnih organskih topil in škodljivih reagentov z bolj prijaznimi alternativami. Naši nedavni prispevki na področju zelene kemije vključujejo pretvorbo tiolov v sulfonil halogenide z zračnim kisikom kot končnim oksidantom, oksidacije sulfidov do sulfonov z vodikovim peroksidom brez topil in katalizatorjev in redukcije sulfoksidov v sulfide brez organskega topila. Lahko hlapna organska topila predstavljajo večino škodljivih reakcijskih odpadkov. V sklopu raziskovalnega programa bomo nadaljevali z nadomeščanjem škodljivih reagentov in topil v organskih sinteznih metodah s ciljem večje varnosti, zmanjšanja odpadkov in večje ekonomske učinkovitosti kemijskih reakcij. Podobno k večji učinkovitosti pripomore tudi kataliza, zato ni nenavadno, da katalizirane reakcije danes sodelujejo pri proizvodnji več kot 80% kemikalij s katerimi se srečujemo v vsakdanjem življenju. Kataliza je tudi povezana s približno 30% celotnega BDP evropskega gospodarstva. Nedavno smo razvili N-heterociklični karbenski (NHC) ligand na osnovi triazola z mezoionsko (MIC) strukturo - PyMIC - s superiornimi lastnostmi napram drugim ligandom. PyMIC spadajo med nove SMART (Switchable, Multifunctional, Adaptable, oR Tuneable) ligande, ki so omogočili razvoj izjemno aktivnih katalizatorjev na osnovi kovin prehoda. Sem spadajo Ru-, Os- in Ir-katalizatorji za selektivne oksidacije in redukcije ter Pd-kompleksi za reakcije spajanja po Suzuki-Miyaura in Sonogashiri, ki deluje v vodi kot edinem topilu in v prisotnosti zraka. Kompleks Pd-PyMIC kaže encimu podobno reaktivnost pri katalitskem hidroaminiranju alkinov. Edinstvene lastnosti kompleksov s PyMIC imajo tako potencial v drugih katalitskih reakcijah in bodo v središču tega dela projekta. Ena naših aplikativnih raziskovalnih tem je povezana z razvojem molekularnih sond za zgodnje odkrivanje Alzheimerjeve bolezni. Alzheimerjeva bolezen postaja eden vodilnih problemov sodobne medicine zaradi vpliva na življenje bolnikov in njihovih družin, znatno pa obremenjuje tudi nacionalne proračune za zdravstveno varstvo po vsem svetu. Čeprav zanesljive diagnostične metode za zgodnje odkrivanje bolezni še ni, je napredek na področju v zadnjih desetletjih pozitiven. K temu smo z razvojem radioaktivne sonde [18F]FDDNP za in vivo slikanje patoloških proteinskih agregatov s pozitronsko emisijsko tomografijo (PET) pripomogli tudi mi. Nedavni napredek na področju mehanizma bolezni in biomarkerjev, predvsem v telesnih tekočinah, ponujajo alternativne poti dragemu in pacientom neprijaznemu slikanju s PET in podobnimi tehnikami. Prav uporaba fluorescentnih molekulskih sond za zaznavo patoloških proteinov v krvi ali cerebrospinalni tekočini, ki jih nameravamo razviti tekom tega programa, bi lahko predstavljal nov način zgodnje zaznave Alzheimerjeve bolezni.
Pomen za razvoj Slovenije
Kemija ima izjemno velik družbeno-ekonomski pomen v slovenski kemijski in, še posebej, farmacevtski industriji. Razvoj novih znanj, vključno z novimi tehnikami, metodami, katalizatorji, intermediati in uporabnimi spojinami, je ključnega pomena za trajnostni razvoj raziskovalno usmerjene kemijske industrije in s tem sodobne družbe. Prispevek naše programske skupine, katere eden glavnih ciljev je doseganje znanstvene odličnosti, je viden na številnih področjih. Med drugim je to razvoj novih znanj, vzpostavljanje široke mreže sodelovanj z domačimi in mednarodnimi inštitucijami, prenos znanj iz akademije v industrijo in obratno ter razvoj visokokakovostnih mladih znanstvenikov. Razvoj novih znanj dosegamo z lastnim kreativnim delom in v plodnem formalnem in neformalnem sodelovanju s strokovnjaki, znanstveniki, raziskovalnimi skupinami in inštitucijami iz vsaj 14 držav po svetu (Avstrije, Belgije, Češke, Čila, Hrvaške, Italije, Japonske, Latvije, Nemčije, Romunije, Vietnama, Španije, ZDA, Združenega kraljestva), kot tudi z raziskovalci z več domačih akademskih in raziskovalnih institucij (UL, Fakulteta za farmacijo; UL, Medicinska fakulteta; UL, Fakulteta za računalništvo in informatiko; Institut Jožef Stefan; Kemijski inštitut; Nacionalni forenzični laboratorij, Zavod za gradbeništvo Slovenije) in industrijskih ustanov ter podjetij (Krka, Belinka Perkemija, Helios, Lek, Sandoz Slovenija, Sandoz Avstrija, Novartis, Eustone, Cinkarna, Isomerlab). Široka mreža sodelovanja, ki je pomembna značilnost predlaganega programa tudi v nadaljevanju, bo prispevala k promociji in utrjevanju slovenske nacionalne identitete v svetu. Široka mreža povezav z znanstvenimi in industrijskimi krogi doma in po svetu omogoča pozitivno in stimulativno okolje za razvoj naših študentov, mladih raziskovalcev in mladih doktorjev znanosti. S pomočjo različnih mehanizmov vzpodbujamo in omogočamo mednarodne izmenjave študentov ter raziskovalcev iz Slovenije v mednarodni prostor, kot tudi obratno. Mehanizmi vključujejo bilateralne projekte, Erazmus izmenjave, ipd. S sodelovanjem v projektih Po kreativni poti do znanja spodbujamo vključevanje študentov v industrijske raziskave, kot tudi vključevanje partnerjev iz industrije v pedagoški proces. Po študiju se naši študenti praviloma zaposlijo v slovenski kemijski in farmacevtski industriji, kjer so izjemno cenjeni. Prepoznavnost naših študentov v slovenski farmacevtski industriji se med drugim odraža tudi v izjemnem številu nagrad za diplomske, magistrske in doktorske raziskave. V zadnjem obdobju so naši študenti dobili kar 19 različnih Krkinih nagrad. Za promocijo Slovenije, kot pomemben družbeno-ekonomski element, skrbimo tudi s članstvi v uredniških odborih revij, organizacijo ter aktivno udeležbo na domačih in mednarodnih znanstvenih konferencah v obliki predavanj ter posterjev, predvsem pa z objavo znanstveno-raziskovalnih rezultatov v patentnih prijavah, patentih ter domačih in mednarodnih znanstvenih revijah. Pomembno za prepoznavnost rezultatov so objave v odprtem dostopu in promocija objav na naslovnicah revij. V zadnjem obdobju so uredniki revij z ilustracijami na platnicah revij naše članke izpostavili kar 13-krat. Več člankov je bilo po objavi med najbolj branimi. Doprinos k popularizaciji znanosti predstavlja komunikacija rezultatov skozi intervjuje v radijskih in televizijskih oddajah, s pomočjo interneta in digitalno povezanih tehnologij, vključno s spletno stranjo skupine (https://www.kosmrlj-group.com/) in z uporabniškimi profili na družabnih omrežjih (https://twitter.com/KosmrljGroup, https://www.facebook.com/kosmrljgroup). Naše delo pomembno prispeva k področju varstva in zaščite zdravja ljudi in narave. V zadnjem obdobju smo bili aktivno vključeni v evropski projekt, ki ga je vodil Nacionalni forenzični laboratorij (NFL), Ministrstvo za notranje zadeve, z identifikacijo nedovoljenih psihoaktivnih substanc s pomočjo jedrske magnetne resonance (NMR) in drugih kemijskih in spektroskopskih tehnik. Z NFL imamo podpisane pogodbe o sodelovanju tudi v prihodnje. V sodelovanju z Institutom Jožef Stefan smo prispevali svoje znanje k analizi in odstranjevanju kemijskih onesnaževalcev v slovenskem vodnem okolju. Rezultati naših raziskav predstavljajo doprinos na področjih boja proti raku in bakterijam. Sodelujemo pri razvoju industrijsko pomembnih reakcij (zelena kataliza in kemija peroksidov v sodelovanju z Belinko Perkemija) in izdelkov (npr. rosuvastatin, ki smo ga razvili v sodelovanju z Lek/Sandoz, analitski standardi idr.). Intenzivno se ukvarjamo z zgodnjo detekcijo in diagnostiko Alzheimerjeve bolezni. Razvijali smo radiosledilce za in vivo detekcijo s pomočjo pozitronske emisijske tomografije (PET), v prihodnje pa se bomo usmerili predvsem v razvoj fluorescentnih sond za ex vivo diagnostiko, ki bo temeljila na detekciji specifičnih biomarkerjev za Alzheimerjevo bolezen v telesnih tekočinah kot sta kri in cerebrospinalna tekočina. Alzheimerjeva bolezen namreč postaja eden vodilnih problemov sodobne medicine in, z rastočo življenjsko dobo svetovnega prebivalstva ter drago oskrbo Alzheimerjevih pacientov, bo kmalu predstavljala enega največjih družbeno-ekonomskih problemov v zdravstvu na svetu.
