Tańce z figurami i transatlantycka wojna wynalazków, czyli chemia organiczna inaczej

Reakcje chemiczne, substraty i produkty, wiązania między atomami, wzory cząsteczek - zwyczajna nuda, jaką każdy zna ze szkoły to tylko pozory. Chemia organiczna to emocjonująca dziedzina, w której trwa rywalizacja między naukowcami i ciągłe próby przechytrzenia natury. Trwa wyścig, bo ten, kto pierwszy opracuje nową technologię, zarobi na produkcji leków czy kosmetyków. Chodzi też o wyjście poza kopiowanie natury, bo niektóre potrzebne ludziom reakcje, w przyrodzie nie są znane.

Za opracowanie metody przeprowadzania jednej z takich reakcji - metatezy olefin, w 2005 r. przyznano Nagrodę Nobla. Komitet Noblowski, uzasadniając werdykt, opisywał metatezę jako taniec z figurami. Nagrodzeni chemicy sprawili, że atomy tańczą, jak im zagrają. Badania nad tym, jak kierować cząsteczkami w tańcu podjęły też inne zespoły na całym świecie. Jednym z "dyrygentów" jest chemik z Polski - prof. Karol Grela. Jego "batutą" są katalizatory.

"Wiele związków, znanych nam z życia codziennego, jest wytwarzanych za pomocą syntezy chemicznej. Synteza to łączenie atomów w taki sposób, żeby otrzymać określony związek. My mamy jakieś składniki, jakby cegły, z których budujemy, łącząc je w sposób zaplanowany. Tak jak na budowie potrzeba zaprawy i narzędzi, tak samo potrzeba ich w chemii. Katalizatory to są właśnie narzędzia, które służą do łączenia fragmentów cząsteczek związków chemicznych w łatwy sposób" - mówi PAP prof. Grela.

Leki, detergenty, środki zapachowe, środki ochrony roślin - wiele z tych związków co prawda występuje w przyrodzie, ale pozyskanie ich jest bardzo kosztowne i mozolne. "Np. bardzo silne związki przeciwrakowe występują w morskich organizmach - w gąbkach. Ale dostęp do tych związków jest bardzo trudny. Przede wszystkim trzeba mieć możliwość odłowu lub hodowli gąbek. Ponadto możliwe jest wyizolowanie z ich organizmów zaledwie miligramów tej substancji, a żeby uruchomić produkcję leku potrzebujemy kilogramów" - tłumaczy prof. Grela.

Właśnie do produkcji takich substancji może być wykorzystywana reakcja metatezy.

Metateza polega na rozerwaniu podwójnych wiązań między atomami węgla, a następnie stworzeniu nowych wiązań podwójnych, ale już nie między tymi samymi atomami węgla. Przyznając Nagrodę Nobla, za opracowanie metody wywołania tej reakcji, Komitet Noblowski porównał metatezę do tańca z wymianą partnerów. Dwa atomy węgla "trzymają się za dwie ręce", a w odpowiednim momencie puszczają się i chwytają "ręce" innych atomów, które też rozłączyły się ze swoimi partnerami. Ponieważ atomy węgla tworzą nie dwa, ale cztery wiązania atomowe, to oprócz dwóch "rąk", potrzebnych do utrzymania się w parze, mają jeszcze dwie dodatkowe, które dają im możliwość przyłączenia innych atomów, a za ich pośrednictwem dużych fragmentów cząsteczek, czyli za każdym węglem ciągnie się jakby złożony korowód następnych tancerzy.

"Te dwie pozostałe +ręce+ na ogół trzymają jakieś bardzo ważne fragmenty. Chodzi o to, że interesuje nas połączenie czegoś, co trzyma jeden partner z pierwszej pary z tym, co niesie tancerz z drugiej pary. Przeważnie po reakcji metatezy jedna z par zostaje z czymś, co jest zupełnie nieprzydatne. Powstaje np. etylen - produkt uboczny, który jest usuwany. Natomiast druga para jest połączeniem tego, co najlepszego miały pary wyjściowe. Robiąc tę wymianę tworzymy związek, który jest o wiele bardziej użyteczny niż początkowe związki" - podkreśla prof. Grela.

Co ważniejsze, współczesne katalizatory pozwalają przeprowadzić reakcję metatezy w łagodnych warunkach, co czyni produkcję chemikaliów tanią i wydajną. "Pierwsze katalizatory metatezy były znane już w latach 50. Ale nikt ich nie używał do zaawansowanych procesów, bo były bardzo mało efektywne. Trzeba było ogrzewać mieszaninę do bardzo wysokiej temperatury, której złożone związki organiczne, np. leki, nie wytrzymują - rozkładają się lub zwęglają" - opowiada chemik.

Od tego czasu chemia metaloorganiczna przeszła długą drogę kolejnych modyfikacji. Przełom nastąpił na przełomie lat 70. i 80. Odkryto wtedy zupełnie nowe katalizatory, które po zmieszaniu z wyjściowymi substancjami wywoływały reakcję metatezy. Reakcję niezwykłą, bo nieistniejącą w przyrodzie a jednocześnie potężną. Ludziom udało się więc wywołać proces, który wydajniej i łatwiej tworzy wiązania podwójne węgiel-węgiel, niż robi to sama natura. Wciąż powstają nowe katalizatory, które pozwalają na syntezę coraz to nowych związków chemicznych.

Nowych katalizatorów, a tym samym nowych pożytecznych związków chemicznych poszukują zespoły badawcze na całym świecie. Od 2001 r. robi to również zespół prof. Greli. Czasem, projektując nowe katalizatory naukowcy nie wiedzą nawet jeszcze, co z ich pomocą będzie można wytwarzać.

"Te katalizatory, które my rozwijamy nadają się do syntezy wszystkich związków, które możemy sobie wyobrazić, a czy one się przydadzą potem w przemyśle farmaceutycznym czy w przemyśle perfumeryjnym, to tak naprawdę zależy od tego, kto będzie chciał ich użyć. Rozwijamy rzeczy, o których nie wiadomo w danym momencie czy będą potrzebne, ale zawsze, kiedy się okazuje, że są one potrzebne i jakaś firma używa ich w wielkiej skali, w praktycznym procesie, jest to ogromna przyjemność" - tłumaczy prof. Grela.

Ogromna przyjemność dla odkrywców. Przemysłowcy natomiast mierzą sukces w jednostkach monetarnych. Dlatego konkurencja o pierwszeństwo w odkryciach jest też konkurencją o pierwszeństwo w patentach. Rywalizacja ta ma wymiar nie tylko indywidualny, ale międzynarodowy, a wręcz transkontynentalny.

"Katalizatory do metatezy są badane i otrzymywane w około 10-15 grupach na świecie. Z powodów historycznych w tym obszarze istnieje duży monopol Amerykanów. Ja jestem jednym z kilku badaczy w Europie, którzy osłabili ten monopol i teraz nie trzeba płacić licencji Amerykanom. Od momentu, kiedy pojawiły się pierwsze europejskie katalizatory widać było, że metateza rozkwitła. Wcześniej amerykańska polityka licencyjna hamowała w pewien sposób jej rozwój. Wymyśliliśmy katalizatory w ramach naszej pracy naukowej. A to, że okazały się one wolne patentowo i trochę utarliśmy nosa Amerykanom, to był skutek uboczny, ale bardzo miły i też ważny. Za odkryciami mojej grupy bardzo szybko poszły patenty i zastosowania przemysłowe, a mój były student nawet założył własną firmę" - opowiada chemik.

I zapewnia, że to nie koniec. "Na razie to tajemnica, ale pracujemy nad zupełnie nowymi rzeczami. A poza tym wciąż udoskonalamy nasze katalizatory. Z praktycznego punktu widzenia ważne jest, żeby katalizator był reaktywny, czyli nie wymagał np. zbyt silnego podgrzewania, żeby doszło do syntezy. A jednocześnie fabryki chcą, aby był trwały i nie wymagał przechowywania np. w lodówce. Nad takimi rozwiązaniami pracujemy" - mówi.

Prof. Karol Grela kieruje grupą chemików, zajmujących się katalizatorami i syntezą organiczną. Pracuje w Instytucie Chemii Organicznej PAN w Warszawie i na Uniwersytecie Warszawskim. Za swoje osiągnięcia 18 listopada tego roku został uhonorowany nagrodą ministra nauki i szkolnictwa wyższego za najwybitniejsze osiągnięcia naukowe w kategorii badań podstawowych.

 

Żródło:

PAP - Nauka w Polsce www.naukawpolsce.pap.pl

Average: 5 (2 votes)

Dodaj Komentarz

Partnerzy Portalu

laboratoria.net

Rekomendowane Firmy

Notatek.pl - Materiały na studia: notatki, ćwiczenia, wykład

Laboratorium - Przegląd Ogólnopolski

Fiszkoteka