A kémiai reakciók – ezt minden túlzás nélkül leszögezhetjük – meghatározzák a természetben és az élővilágban végbe menő folyamatokat.
Vegyük például a fotoszintézist. A Nap energiáját a zöld növények úgy hasznosítják és „raktározzák el”, hogy a légkörben található szén-dioxidból és vízmolekulákból szerves vegyületeket, cukrokat hoznak létre (eközben oxigént juttatnak a légkörbe) és ebben a klorofillnak nevezett bonyolult összetételű molekula hathatósan közreműködik, mivel a fényenergiát kémiai energiává alakítja át. Közben különböző mellékreakciók, egymást erősítő vagy éppen kizáró átrendeződések is végbe mennek.
Szándékosan egy sok lépésben lejátszódó folyamatot említettem, hogy érzékeltessem, milyen nehézségeket kell a kutatóknak leküzdeniük, amíg eljutnak a teljes felismerésig. A klorofillmolekula szerepét sem lehet egyértelműen meghatározni, mert beszélhetnénk róla katalizátorként is, bár jelen esetben ez azért jóval összetettebb dolog. Az élőlények szervezetében sok ezernyi kémiai reakció zajlik folyamatosan, ezekben különböző szervetlen és főleg szerves molekulák vesznek részt, és hogy zökkenőmentesen, emellett lehetőleg még nagyon gyorsan is végbe menjenek, szükség van olyan önzetlenül segítő molekulákra is, amelyek ezt lehetővé teszik. Ezek jelen esetben az enzimek, amelyekkel kapcsolatban előszeretettel használják a biokatalizátorok elnevezést is.
A katalizátor kifejezést sokan elsősorban az autók nélkülözhetetlen tartozékaként ismerik, amely lebontja a kipufogó gázokban található káros anyagok zömét. Pedig a katalizátorok az ipar számos területén meghatározó szerepet játszanak. Fontos alapanyagokat, nyersanyagokat (pl. kénsav, ammónia), sőt végtermékeket sokkal nehezebben (vagy egyáltalán nem) lehetne előállítani katalizátorok nélkül. Ezek az „anyagok” például jelentősen csökkentik a kémiai reakció lefolyásához szükséges hőmérsékletet, esetleg jelentősen felgyorsítják őket, és ez komoly költségmegtakarítással jár.
A katalizátor fogalmát 1836-ban a kiváló svéd vegyész, Jöns Jakob Berzelius (1779–1848) vezette be, noha már korábban alkalmaztak olyan anyagokat, amelyek látszólag nem vettek részt a kémiai folyamatokban, de nélkülük nem játszódtak volna le. Ez a katalízis, amely görög szó és jelentése: „törvényen kívüli állapot”. A katalizátorok nagy része csak bizonyos folyamatokat, reakciókat befolyásol és ez fontos tulajdonságuk. A „működésüket” sok esetben még ma sem ismerjük teljesen, pedig több mint 150 éven át elsősorban különböző fémeket, illetve egyszerű felépítésű szervetlen anyagokat vizsgáltak, mint katalizátorokat. A fehérjék közé tartozó enzimeket természetesen a biokémikusok és az orvoskutatók ugyancsak tanulmányozták, de ezek egészen másként működnek és rendszerint az élő szervezet állítja elő őket. Amennyiben hiányoznak vagy csak korlátozott mennyiségben képződnek az komoly betegségeket okoz, amit persze nagyon leegyszerűsítve úgy is jellemezhetnénk, hogy a (bio)katalizátor hiányában egy folyamat nem megy végbe.
A szervetlen alapú katalizátorok vizsgálata napjainkban is folyik, mivel számos kérdésre nem sikerült egyértelmű választ találni.
A 2000-es évek elején aztán egy új területen kezdődött el a katalizátorokkal kapcsolatos kutatás. Míg korábban a fémek és a szervetlen molekulák katalitikus tulajdonságait igyekeztek részletesen feltárni, a most Nobel-díjjal kitüntetett két tudós viszonylag egyszerű szerkezetű szénvegyületekre fókuszál. A szerves szénvegyületek között lejátszódó kémiai reakciók száma szinte végtelen, mivel az ismert molekulák száma is milliós nagyságrendű. Emellett azt is figyelembe kell venni, hogy a molekulákat alkotó atomok és atomcsoportok többnyire háromdimenziós szerkezetek és az sem elhanyagolható szempont, hogy ezek egymáshoz viszonyítva hogyan helyezkednek el. Az azonos összetételű, de egymással fedésbe nem hozható – ún. királis – molekulák általában egymás tükörképei. Közülük például az egyik biológiailag fontos lehet, míg a másik teljesen hatástalan. A kémiai reakciók során ezek az enantiomereknek nevezett molekulapárok a körülményektől függően eltérő arányban képződhetnek, viszont gyakorlati (orvosi, ipari vagy más) szempontból célszerű volna, ha a kívánt enantiomer több mint 80–85 százalékos (vagy még nagyobb) arányban keletkezne. Ezt korábban különböző „trükkökkel” igyekeztek elérni, de nem mindig a várt eredménnyel.
A Frankfurt am Mainban 1968. január 11-én született Benjamin List a 2000-es évek legelején, amikor visszatért az USA-ból, ahol La Jollában, a Scripps Kutatóintézet Molekuláris Biológiai Részlegén dolgozott, a Max Planck Intézet szénkutató osztályán kezdett el behatóbban foglalkozni a szerves katalizátoroknak nevezett viszonylag egyszerű szerkezetű szénvegyületekkel, amelyek nemcsak felgyorsították a kémiai reakciókat, hanem az előre „megtervezett” molekulát segítettek előállítani. Természetesen kezdetben elsősorban azt vizsgálták, hogyan is működnek ezek a szerves katalizátorok, amelyek List szerint a „tökéletes kémiai reakció” eszközei lehetnek. Míg addig sokféle oldószert, az átalakítandó molekulákon átmenetileg beültetett védőcsoportokat, különböző hőmérsékleteket és nyomásértékeket vagy inert gázatmoszférát alkalmazva igyekeztek célba érni, a kis szerves katalizátormolekulák hatékonyabbnak bizonyultak és a világban is fokozatosan teret hódítottak.
A skóciai Bellshillben 1968. március 16-án született David MacMillan Glasgowban végezte egyetemi tanulmányait, majd az USA-ban képezte tovább magát és 2006 óta a Princetoni Egyetem professzora. Ő és az általa vezetett népes kutatócsoport is a szerves katalízis területén jeleskedik. Elsősorban az ún. enantioszelektív (aszimmetrikus) katalízissel foglalkozik, tehát olyan anyagok mesterséges előállításával, amelyek gyakran képződnek a természetben is, de csak kis mennyiségben, jóllehet az volna jó, ha minél több lenne belőlük. Különösen a gyógyszergyártásban, a növényvédelemben alkalmazott természetes vegyületek előállításában vennék hasznát az effajta célirányos kémiai szintéziseknek.
Itt most a felfedezések gyakorlati oldalát emeltem ki, de egyáltalán nem elhanyagolható az a sok elméleti felismerés sem, amelyet a két tudós egymástól függetlenül elért. Ezek elmagyarázása meghaladná ennek a rövid írásnak a kereteit, de annyi elmondható, hogy ezek már lassan beépülnek az egyetemi tananyagba is, bár a régebben íródott szerves kémiai tankönyvekben még nem találhatók meg.
Forrás:ma7.sk
Tovább a cikkre »
