• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Tańce z figurami i transatlantycka wojna wynalazków, czyli chemia organiczna inaczej

    06.12.2010. 00:25
    opublikowane przez: Redakcja Naukowy.pl

    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.

    PAP - Nauka w Polsce, Urszula Rybicka

    agt/bsz


    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Katalizatory Grubbsa – dwa związki metaloorganiczne, które zostały po raz pierwszy otrzymane przez Roberta H. Grubbsa. Związki te są bardzo skutecznymi katalizatorami reakcji metatezy olefin. Ich zaletą w stosunku do innych katalizatorów metatezy jest "odporność" na występowanie wielu grup funkcyjnych przyłączonych do szkieletu alkenowego oraz zdolność do aktywności katalitycznej w wielu rozpuszczalnikach. Katalizatory Zieglera-Natty - mieszaniny różnych związków chemicznych stosowanych jako heterofazowe katalizatory stereoselektywnej polimeryzacji olefin. Karol Lesław Grela (ur. 23 listopada 1970 w Warszawie) – polski chemik organik, profesor, nauczyciel akademicki. Zajmuje się zagadnieniami syntezy organicznej, metatezy olefin i chemii metaloorganicznej. Tytuł zawodowy magistra inżyniera uzyskał w 1994 roku na Wydziale Chemicznym Politechniki Warszawskiej. Stopień naukowy doktora nauk chemicznych uzyskał w 1998 roku w Instytucie Chemii Organicznej Polskiej Akademii Nauk (promotor prof. Mieczysław Mąkosza). Następnie odbył staż podoktorski (1999–2000) w Instytucie Maxa Plancka (Max-Planck-Institut für Kohlenforschung) w Mülheim (Niemcy) pod kierunkiem prof. Aloisa Fürstnera. Habilitacja w IChO PAN w 2003. Tytuł naukowy profesora zwyczajnego uzyskany w 2008. Od 2012 roku związany z Wydziałem Chemii Uniwersytetu Warszawskiego gdzie jest nauczycielem akademickim. Kieruje badaniami naukowymi zespołu w Laboratorium Syntezy Metaloorganicznej w Centrum Nowych Technologii III na warszawskiej Ochocie.

    ROMP (ang. ring opening metathesis polymerization) – metatetyczna polimeryzacja cykloolefin z otwarciem pierścienia. Jest to reakcja polimeryzacji, jakiej ulegają cykliczne węglowodory nienasycone (np. norbornen, cyklopenten) w obecności różnorodnych katalizatorów (np. katalizatory Grubbsa oraz inne dopiero odkrywane). Chlorki benzalkoniowe (chlorki benzylodimetyloalkiloamoniowe, łac. Benzalkoni chloridum) – organiczne związki chemiczne z grupy czwartorzędowych soli amoniowych, w których do atomu azotu przyłączona jest grupa benzylowa, dwie grupy metylowe oraz łańcuch alkilowy o parzystej liczbie atomów węgla i długości 8–18 atomów. Są związkami powierzchniowo czynnymi. Stosowane jako biocydy, katalizatory przeniesienia fazowego i surfaktanty kationowe.

    Chemia organiczna – dziedzina chemii zajmująca się badaniem budowy, właściwości oraz reakcji związków chemicznych zawierających węgiel, a także opracowywaniem różnorodnych metod syntezy tych połączeń. Ponadto związki organiczne zawierać mogą atomy innych pierwiastków, takich jak wodór, tlen, azot, fosfor, krzem oraz siarka. Reakcja pericykliczna – typ reakcji chemicznej, podczas której stan przejściowy ma geometrię cykliczną, a sama reakcja przebiega w sposób uzgodniony (nazywany także skoordynowanym). Zwykle tego rodzaju reakcje mają miejsce w przypadku związków organicznych. Istnieje wiele rodzajów tych reakcji, w zależności od dokładnego mechanizmu można je podzielić w następujący sposób:

    Pentakarbonylek żelaza, Fe(CO)5 − metaloorganiczny związek żelaza na 0 stopniu utlenienia, należący do grupy karbonylków. Związek ten był stosowany jako środek przeciwstukowy do benzyny. Obecnie wykorzystywany głównie jak prekursor wielu kompleksowych związków metaloorganicznych, przydatnych jako katalizatory wielu reakcji stosowanych w syntezie organicznej. Synteza organiczna – dział chemii organicznej. Zajmuje się przekształcaniem jednych związków – łatwo dostępnych handlowo, w inne – o pożądanej strukturze. Najczęściej produkt końcowy charakteryzuje się jakimiś korzystnymi właściwościami (np. jest aktywny biologicznie, elektrochemicznie, czy ma właściwości kompleksotwórcze). O syntezie organicznej można także mówić w ujęciu przemysłu chemicznego, który zajmuje się wdrażaniem opracowanej laboratoryjnie metody do produkcji wielkotonażowej. Kolejnym aspektem syntezy organicznej jest synteza asymetryczna, która prowadzi do utworzenia nowego centrum asymetrycznego w cząsteczce.

    Reakcja złożona – reakcja chemiczna, w której można wyodrębnić dwie lub więcej różnych reakcji elementarnych, nazywanych również prostymi lub izolowanymi (np. rozpad określonych związków chemicznych lub reakcje zachodzące w wyniku zderzenia cząsteczek dwóch lub trzech związków, wchodzących w skład mieszaniny reagentów). Równanie reakcji złożonej jest sumą odpowiednich równań reakcji elementarnych – wyraża bilans masy (zobacz – stechiometria), a nie ilustruje mechanizmu reakcji. Wyrażenie określające wartość stałej równowagi reakcji złożonej jest liniową kombinacją wyrażeń dotyczących reakcji elementarnych. Opisy kinetyki opiera się również na znajomości równań kinetycznych reakcji elementarnych.

    Metabolity wtórne – grupa związków organicznych, które nie są bezpośrednio niezbędne do wzrostu i rozwoju organizmu. Synteza związków określanych jako metabolity wtórne jest charakterystyczna dla roślin wyższych, grzybów i bakterii. Poznano kilkadziesiąt tysięcy związków zaliczanych do metabolitów wtórnych. Szacuje się, że może istnieć około 200 000 takich związków. W przypadku niektórych związków chemicznych występujących w komórkach roślinnych, ocena czy jest on bezpośrednio niezbędny do działania organizmu jest trudna.

    Chemia (grec. χημεία – chemeia) – nauka badająca naturę i właściwości substancji, a zwłaszcza przemiany zachodzące pomiędzy nimi. Współcześnie wiadomo, że przemiany substancji wynikają z praw, według których atomy łączą się poprzez wiązania chemiczne w mniej lub bardziej trwałe związki chemiczne, a także praw według których wiązania pękają i tworzą się ponownie prowadząc do przemian jednych związków w drugie co jest nazywane reakcjami chemicznymi. Chemia zajmuje się także rozmaitymi właściwościami substancji wynikającymi bezpośrednio z ich budowy atomowej. Karl Ziegler (ur. 26 listopada 1898 w Helsa k. Kassel, zm. 11 sierpnia 1973 w Mülheim an der Ruhr) – niemiecki chemik, laureat Nagrody Nobla z dziedziny chemii w roku 1963 za odkrycia i prace dotyczące związków metaloorganicznych i ich zastosowania jako katalizatorów polimeryzacji.

    Kwasy humusowe (kwasy próchnicowe) – mieszanina wielkocząsteczkowych związków organicznych o zmiennym składzie (w zależności od składu materii organicznej, z której powstają) i charakterze kwasowym, wchodzących w skład próchnicy glebowej i roztworów wód naturalnych. Tworzą się one w biochemicznych procesach rozkładu związków organicznych budujących żywe organizmy. Budowa tych wyjątkowo skomplikowanych związków nie jest jeszcze do końca poznana, dlatego najczęściej rozpatruje się je na zasadzie różnic pomiędzy różnymi rodzajami tych substancji. Wyróżnia się dwie podstawowe grupy tych związków, kwasy fulwowe oraz huminowe: Roztwór – homogeniczna mieszanina dwóch lub więcej związków chemicznych. Skład roztworów określa się przez podanie stężenia składników. W roztworach zwykle jeden ze związków chemicznych jest nazywany rozpuszczalnikiem, a drugi substancją rozpuszczaną. Który z dwóch związków uznać za rozpuszczalnik, jest właściwie kwestią umowną, wynikającą z praktyki i tradycji.

    Dodano: 06.12.2010. 00:25  


    Najnowsze