Lendületesek: Novák Zoltán
A vegyipar, illetve a gyógyszergyártás ma már elképzelhetetlen katalizátorok nélkül. Ezért az egyre hatékonyabb katalizátorok fejlesztése a kémia legfontosabb célkitűzései közé tartozik, hiszen így olcsóbbá, fenntarthatóbbá, környezetkímélőbbé tehető a kémiai szintézis. Novák Zoltán, az ELTE Szerves Kémia Tanszék egyetemi tanára, a Fenntartható Katalitikus Eljárások Lendület-kutatócsoport vezetője és munkatársai is új típusú katalizátorok kifejlesztésén dolgoznak, amelyek részben visszaforgathatók, újrahasználhatók, csak kis mennyiség kell belőlük, irányítható külső impulzusokkal aktiválhatók, és az sem baj, ha nem kell hozzájuk drága nemesfém.
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.
![](https://mta.hu/data/cikkek/113/1137/cikk-113779/NovákZoltán_MTA_fit_640x10000.png?key=5068c2a33560d581836b2a0386c78562)
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.”
A Novák Zoltán kutatásairól szóló összefoglaló angol nyelvű változatát itt olvashatja.