Kutatási tevékenység

A kutatócsoport tevékenységének alapvető célja az SzKI-ban illetve együttműködések keretében különböző hazai és külföldi egyetemeken folyó szintetikus, anyagtudományi és szerkezeti kémiai kutatások elméleti hátterének biztosítása. Az elméleti kémiai tanulmányok alapvetően katalitikus folyamatok mechanizmusának feltárására illetve új vegyületek szerkezetének, fizikai kémiai tulajdonságainak és reaktivitásának jellemzésére irányulnak, de ezen túlmenően vizsgáljuk redox rendszerek tulajdonságait, oldószerek viselkedését, és újabban foglalkozunk molekula adatbázisok fejlesztésével is. A mechanizmus és szerkezeti tanulmányokban elsősorban nagypontosságú kvantumkémiai és molekuláris dinamikai számítások kerülnek alkalmazásra, míg a adatbázisok fejlesztéséhez költséghatékonyabb, szemiempirikus kvantumkémiai módszereket és gépi tanulási eljárásokat is felhasználunk. A kutatásokban fontos szerepet kap a számításokhoz alkalmazott módszerek fejlesztése is.

Kutatócsoportunkba szeretettel várjuk érdeklődő egyetemi hallgatók jelentkezését, lehetőség van szakmai gyakorlat végzésére, szakdolgozat és TDK munka írására.

Kutatási témák

Aszimmetrikus katalízis

A szintetikus kémia egyik legnagyobb kihívása a nagyfokú enantioszelektivitás elérése, mely általában királis katalizátorok alkalmazásával valósítható meg. A számításos kémiai tanulmányok komoly segítséget nyújthatnak a szintetikus fejlesztésekben, ugyanis a számítógépes modellezés során közvetlen információt nyerünk a királis termékekhez vezető átmeneti állapotok szerkezetéről és azok energiaviszonyairól. Ezek az ismeretek jól felhasználhatók a kísérletekben észlelt sztereoszelektivitás értelmezésében, de akár előzetes becsléseket is tehetünk új reakciók tervezéséhez. A projektben olyan katalitikus rendszereket tanulmányoznunk, melyek napjainkban a szintetikus kémia fókuszában állnak. Ilyen reakciók például az aszimmetrikus katalitikus hidrogénezés, az enantioszelektív halociklizáció, és az aszimmetrikus amin katalízis.

Kapcsolódó munkák:

  • A. Hamza, K. Sorochkina, B. Kótai, K. Chernichenko, D. Berta, M. Bolt, M. Nieger, T. Repo, I. Pápai, Correlating electronic and catalytic properties of frustrated Lewis pairs for imine hydrogenation, ACS Catal. 10, 14290 (2020)
    10.1021/acscatal.0c04263
  • A. Hamza, D. Moock, C. Schlepphorst, J. Schneidewind, W. Baumann, F. Glorius, Unveiling a key catalytic pocket for the ruthenium NHC-catalysed asymmetric heteroarene hydrogenation, Chem. Sci. 13, 985 (2022)
    10.1039/D1SC06409F
  • D. von der Heiden, F. B. Németh, M. Andreasson, D. Sethio, I. Pápai, M. Erdelyi, Are bis(pyridine)iodine(i) complexes applicable for asymmetric halogenation?, Org. Biomol. Chem. 19, 8307 (2021)
    10.1039/D1OB01532J

Fotokémia és gerjesztett állapotú reaktivitás

A fény energiájának felhasználása kémiai kötések kialakítására, illetve felbontására napjaink egyik legintenzívebben kutatott területe. Az ilyen típusú reakciók megértéséhez és az ez alapján történő racionális fejlesztésekhez a számításos kémia alkalmazása gyakorlatilag elengedhetetlen. Képesek vagyunk leírni a fény hatására gerjesztett állapotba került molekulák elektronszerkezet-változásait, melyet kísérleti technikákkal közvetlenül nem lehetséges, vagy igen költséges feltérképezni. Ez egyben azt is jelenti, hogy reakciómechanizmusok mellett az egyes molekulák olyan fotofizikai tulajdonságait, mint az UV-látható spektrum, szolvatokróm viselkedés, töltéstranszfer jelleg, gerjesztett állapotbeli redox potenciálok vagyunk képesek akár még nem szintetizált molekulákra is pontosan jósolni. Így azonosíthatunk potenciálisan fotoaktív molekulákat, illetve kiszűrhetünk várhatóan inaktív molekulákat, nagyban segítve a szintetikus kémiai munka hatékonyságát. Csoportunkban foglalkozunk gerjesztett állapotban lezajló szerves kémiai reakciók mechanizmusának vizsgálatával, mely kutatások magukba foglalják a fotokatalízis területét is. A mechanizmusvizsgálatok mellett biológiai nyomjelző molekulák fejlesztésében is részt veszünk. Elméleti módszerfejlesztés terén pedig elsősorban UV-látható spektrum szimulációkra dolgozunk ki eljárásokat.

Kapcsolódó munkák:

  • A. Adamoczky, T. Nagy, P. P. Fehér, V. Pardi-Tóth, Á. Kuki, L. Nagy, M. Zsuga, S. Kéki, Isocyanonaphthol Derivatives: Excited-State Proton Transfer and Solvatochromic Properties, Int. J. Mol. Sci. 23, 7250 (2022)
    10.3390/ijms23137250
  • P. P. Fehér, Á. Madarász, A. Stirling, Multiscale Modeling of Electronic Spectra Including Nuclear Quantum Effects, J. Chem. Theory Comput. 17, 6340 (2021)
    10.1021/acs.jctc.1c00531
  • P. P. Fehér, Density Functional Theory Evaluation of a Photoinduced Intramolecular Aryl Ether Rearrangement, J. Org. Chem. 86, 2706 (2021)
    10.1021/acs.joc.0c02706

Atommagok kvantumos effektusa

Kémiai folyamatok atomi szintű leírásához sokszor fontosnak adódik az atommagok kvantumos természetének figyelembevétele. A projektben ezeknek a jelentőségét szeretnénk felmérni különböző elméleti kémiai módszerekkel. Az általunk kidolgozott (GSTA) eljárást tervezzük tovább fejleszteni, és az alkalmazhatóságát felmérni. Kísérleti adatok és pályaintegrál molekuláris dinamika szimulációk alapján olyan módszereket fejlesztünk és tesztelünk, amelyekkel vegyiparban és katalízisben fontos vegyületek, folyadékok, makromolekulák tulajdonságai vizsgálhatók. Elsősorban termodinamikai mennyiségekre koncentrálunk, de alapvető szerkezeti, kinetikai és spektroszkópiai tulajdonságokat is analizálunk.

Kapcsolódó munkák:

  • D. Berta, D. Ferenc, I. Bakó, A. Madarász, Nuclear quantum effects from the analysis of smoothed trajectories: Pilot study for water, J. Chem. Theory Comput. 16, 3316 (2020)
    10.1021/acs.jctc.9b00703
  • I. Bakó, Á. Madarász, L. Pusztai, Nuclear quantum effects: Their relevance in neutron diffraction studies of liquid water, J. Mol. Liq. 325, 115192 (2021)
    10.1016/j.molliq.2020.115192
  • P. Fehér, Á. Madarász, A. Stirling, Multiscale Modeling of Electronic Spectra Including Nuclear Quantum Effects,  J. Chem. Theory Comput. 17, 6340 (2021)
    10.1021/acs.jctc.1c00531

Makromolekulák hidratációja

A protikus oldószerekben lejátszódó reakciók során a szerves molekulák körül összetett H-hidas szerkezetek alakulnak ki. Az ilyen H-kötéses képződmények topológiájának jellemzésére statisztikus fizikai és hálózatelméleti módszereket alkalmazunk. Kvantumkémiai számításokból származtatott paraméterek segítségével részletesen vizsgáljuk a központi molekula és a hozzá kötődő vízmolekulák közötti H-kötések erősségét, különös tekintettel arra, hogy a molekula donorként vagy akceptorként vesz részt a kötés kialakításában. A projektben alapvetően makromolekulák (cukrok, fehérjék, DNS) natív szerkezetét és a dinamikus tulajdonságait befolyásoló hidratációs szféráját tanulmányozzuk, illetve az elmúlt időszakban kiemelt figyelmet kapnak a gyógyszerhordozók (pl. ciklodextrin) is. A GSTA módszer segítségével tanulmányozzuk, hogy a nukleáris kvantum effektusnak milyen hatása van a vizsgált komplex rendszerek szerkezeti, dinamikai és termodinamikai tulajdonságaira.

Kapcsolódó munkák:

  • Sz. Pothoczki, I. Pethes, L. Pusztai, L. Temleitner, K. Ohara, I. Bakó, Properties of Hydrogen-Bonded Networks in Ethanol–Water Liquid Mixtures as a Function of Temperature: Diffraction Experiments and Computer Simulations, J. Phys. Chem. B 125, 6272 (2021)
    10.1021/acs.jpcb.1c03122
  • A. Pethes, I. Bakó, L. Pusztai, Chloride ions as integral parts of hydrogen bonded networks in aqueous salt solutions: the appearance of solvent separated anion pairs, Phys. Chem. Chem. Phys. 22, 11038 (2020)
    10.1039/D0CP01806F

Redox-aktív szerves molekulák szűrése

Az EU Horizont 2020 keretprogramban támogatott CompBat projekt kutatói új generációs redox folyadékáramos akkumulátorokban felhasználható redox-aktív szerves molekulák azonosítását tűzték ki célul. Az energiatárolás új, biztonságos és környezetkímélő lehetőségeire irányuló kutatásokban kutatócsoportunk kvantumkémiai és gépi tanulási módszerek közös alkalmazásával olyan eljárásokat dolgoz ki, melyek nagyszámú molekula virtuális szűrését teszik lehetővé. Az eddigiek során kifejlesztett molekuláris adatbázis mintegy 10 ezer szerves molekula redukciós potenciálját tartalmazza, és a kapcsolódó stabilitás vizsgálatok illetve deep learning alkalmazások eredményei fontos támpontot nyújthatnak a szintetikus munkához és az elektrokémiai vizsgálatokhoz.

Bővebb információ:

Együttműködések

  • University of Jyväskylä, Finnország
  • University of Helsinki, Finnország
  • University of Bari, Olaszország
  • Universitat Autonoma de Barcelona, Spanyolország
  • University of Girona, Spanyolország
  • Angstrom Laboratory, Uppsala University, Svédország

Oktatási tevékenységek

  • PhD témavezetés (ELTE Kémia Doktori Iskola)
  • Szakdolgozat és TDK témavezetés (ELTE TTK, BME)

Vezető

Pápai Imre

Munkatársak