Novák Zoltán már 2007 óta kismolekulák szintézisével foglalkozik az ELTE Szerves Kémia Tanszékén. A modern szerves kémiai szintézisek szinte elképzelhetetlenek katalizátorok alkalmazása nélkül. A katalizátorok olyan atomok vagy molekulák, amelyek elősegítik a kémiai reakciók létrejöttét, majd a folyamat végén visszanyerhetők a rendszerből, tehát nem épülnek be a termékekbe.

Novák Zoltán

A szervezetben az enzimek működnek katalizátorként, minden molekuláris biológiai reakciót ők tesznek lehetővé. De a legtöbb modern vegyipari, gyógyszeripari és általában mindenféle kémiai reakciót használó folyamat sem képzelhető el katalízis nélkül, ezért a minél hatékonyabb és fenntarthatóbb katalizátorok fejlesztésének hatalmas jelentősége van.

Trend és alternatíva

Az ELTE Fenntartható Katalitikus Eljárások Lendület-kutatócsoportjában főként nemesfémeket (például palládiumot, ruténiumot és ródiumot) használnak katalizátorként, amelyek meglehetősen ritkák és drágák. Így természetes módon nap mint nap felmerül a kérdés a nemesfémeket alkalmazó kémiai kutatócsoportokban világszerte, hogy vajon meddig lesznek e fémek elérhetők és megfizethetők. E körülménynek ugyanis döntő hatása lehet például a jövő gyógyszermolekuláinak szintézisére.

„A tudományterület aktuális trendjei e nemesfém katalizátorok lecserélésének irányába mutatnak, például igyekeznek nemesfémalapú katalizátorok helyett vasat vagy más olcsóbb, nagyobb mennyiségben elérhető fémet használni – mondja Novák Zoltán egyetemi tanár, kutatócsoport-vezető. – Persze ezt könnyebb mondani, mint megcsinálni, hiszen nem véletlenül kezdtek annak idején palládiumot és más nemesfémeket használni: ezek különleges tulajdonságait nagyon nehéz olcsóbb fémek segítségével utánozni. A másik trendet követő kutatók arra törekszenek, hogy ha már drága nemesfémeket kell használni, akkor alkalmazzuk őket minél hatékonyabban, hogy a katalizátorok visszanyerhetők, újrahasználhatók legyenek, és csak kis mennyiségre legyen belőlük szükség.”

A jelenleg rutinszerűen végzett kémiai reakciókhoz nagyságrendileg 1 százaléknyi katalizátort kell adni, vagyis száz molekula anyag átalakításához egy katalizátormolekula (vagy -atom) szükséges. Elméletben azonban ezt a hatékonyságot akár a milliomodrészes tartományba is fel lehet tornázni, amikor már minden katalizátorrészecske egymillió molekulát lenne képes reagáltatni. A katalizátor mennyiségének csökkentése azért is fontos lenne, mert például a gyógyszerkémiai reakciók során szinte tökéletesen vissza kell nyerni a katalizátort, a termékben nem maradhat. Ha eleve kevés katalizátort kell a rendszerhez adni, akkor a tisztítás is könnyebb.

A népszerű fluoratom

A Lendület-kutatócsoport célkitűzése tehát olyan rendszerek kialakítása, amelyekben a már ismert, illetve új reakciók is megvalósíthatók kevesebb nemesfém katalizátor használatával, fenntarthatóan és gazdaságosan. A modern kémiában már a megvalósítandó reakcióhoz tervezik a katalizátorokat, és részben erre készül Novák Zoltán és munkatársai is.

„Manapság nagyon sok újonnan előállított biológiai aktivitással rendelkező szerves célmolekulába építenek fluoratomot, ez mind a gyógyszerhatóanyagok, mind a mezőgazdaságban használt vegyületek esetében elterjedt: az elmúlt években engedélyeztetett hatóanyagok, molekulák közel 30 százalékában találunk fluort – folytatja Novák Zoltán. – Volt olyan év, hogy az FDA (az Egyesült Államok Élelmiszer- és Gyógyszerügyi Hivatala) által engedélyezett minden molekula tartalmazott fluoratomot. Az utóbbi években mi is foglalkoztunk fluortartalmú vegyületek előállításával, és a Lendület-pályázat keretében is folytatni fogjuk ezt a munkát.”

Aktiválás – de mivel és hogyan?

Az új típusú katalizátorok tervezésekor az aktiválásuk különböző módjaival is kísérletezni fognak. A katalizátor aktiválásával indul be maga a kémiai reakció, ezért az aktiváláshoz szükséges külső energia módosításával irányíthatóvá válik a folyamat. A katalizátor összetételétől függően lehet őket aktiválni például hővel, fénnyel, de elektrokémiai vagy mechanokémiai impulzusokkal is (utóbbit például golyósmalmokban lehet megvalósítani). A kutatócsoport már korábban is foglalkozott fénnyel történő katalizátoraktiválással, és a pályázat támogatásával e kutatásaikat is igyekeznek továbbfejleszteni.

A katalizátorok, a szubsztrátumok (azok az anyagok, amelyek átalakulását a katalizátor elősegíti) és az aktiválás mellett az oldószer az a tényező, amellyel még befolyásolni lehet a katalízist. A szerves kémiában általában szerves oldószereket használnak, mert az anyagok a hasonló polaritású anyagokban oldódnak a legjobban. Ezeknek az oldószereknek azonban lehetnek hátrányos tulajdonságaik, például drágák, gyúlékonyak, mérgezők lehetnek, továbbá alkalmazásuk környezetvédelmi problémákat vet fel.

Nagy előrelépést jelentene, ha a tradicionálisan használt szerves oldószereket vízre cserélhetnénk, ami számos problémát megoldana, viszont a legtöbb viszonylag apoláris szerves vegyület rosszul oldódik vízben. Ezt a nehézséget tenzidek hozzáadásával lehet orvosolni. A tenzidek – például a szappanhoz hasonlóan – egyszerre képesek a poláris és az apoláris molekulákhoz kötődni, és így micellákat képeznek. A micellák belsejükbe zárják az apoláris molekulákat, amelyeknek így nagyon megemelkedik a lokális koncentrációjuk, ami felgyorsítja a közöttük lejátszódó reakciókat. A kutatócsoport e micellás rendszerek használhatóságát is kutatni fogja.

„A mi koncepciónk szerint biológiai úton, akár szerves hulladékokból előállított és egyben biodegradábilis micellaképző anyagokat használnánk katalitikus folyamatok kivitelezéséhez – mondja Novák Zoltán. – A biotenzidek előállítása a vegyiparban már tonnás méretekben zajlik, és széles körben alkalmazzák őket háztartási szerekben és kozmetikumokban. Mi a gyógyszeripari alkalmazásukat igyekszünk megalapozni. Ehhez a munkához már most is kapcsolatban állunk érdeklődő ipari partnerekkel.”