Reakcja chemiczna, w której powstają perfumy i aromaty – ale też leki, tworzywa sztuczne, zielone dodatki do paliw czy środki ochrony roślin – to metateza olefin. Dzięki rozwojowi tej reakcji możliwy był ogromny postęp w chemii, co nagrodzono w 2005 r. Nagrodą Nobla. Królewska Szwedzka Akademia Nauk w informacji o nagrodzie używa do opisu metatezy – metafory tańca. Dlaczego? Metateza jest procesem wymiany wiązań podwójnych pomiędzy atomami węgla (C=C). Można to wyobrazić sobie jak zamianę partnerów na parkiecie: dwa związki z wiązaniami podwójnymi „podają sobie ręce”, po czym puszczają je i chwytają inne atomy, tworząc wciąż nowe tańczące pary. Metateza oznacza podwójna wymianę. By jednak mogło dojść do takiej wymiany, potrzebujemy katalizatora. W tym przypadku jest to organiczny kompleks metalu szlachetnego – rutenu.
Katalizatory to związki chemiczne, które przyspieszają zachodzenie reakcji, dzięki czemu możemy otrzymywać substancje w bardziej wydajny sposób – oszczędzając energię i zmniejszając ilość wytwarzanych odpadów. Chociaż dysponujemy różnymi rodzajami katalizatorów metatezy olefin, efektywność wielu z nich pozostawia wiele do życzenia. Znane dotychczas związki na przykład często tracą swoje właściwości w wyższych temperaturach. Chemicy z Uniwersytetu Warszawskiego odkryli, że pewna modyfikacja dotychczas stosowanego katalizatora pozwala na zwiększenie jego odporności, a co za tym idzie – poprawę wydajności i selektywności procesów chemicznych. Odkrycie chemików z UW polega na tym, że kompleksowy związek rutenu (Ru3) został wzbogacony o nowy ligand pochodny chinoksaliny. Ligand to cząsteczka, która wiąże się z centralnym atomem tworzącym kompleks chemiczny. Można go porównać do rękojeści, która trzyma metalowe ostrze noża. Ligand chinoksaliny sprawia, że „rutenowy nóż” do wiązań podwójnych tnie precyzyjniej i jest pewniejszy w użyciu. Nowo powstały katalizator jest stabilny nawet przy 150℃ – w temperaturze, w której inne katalizatory tracą skuteczność. A to nie wszystko.
Metateza jak z płatka!
Wróćmy na chemiczny parkiet. Wiązanie pomiędzy atomami węgla C=C przypomina splecione dłonie – tancerze trzymają się partnera, układ jest stabilny. Katalizator zachowuje się jak instruktor, który uczy tańczących nowego przejścia. Partnerzy się wymieniają – powstają dwie nowe pary, czyli nowe cząsteczki z innym połączeniem węgiel–węgiel. Problem w tym, że cząsteczki mogą ustawić się w nowych parach nie do końca tak, jak wskazywał instruktor – a to przekłada się na jakość nowo powstałej substancji chemicznej. Nowe ustawienie może przebiegać w geometrii Z (od zusammen, „razem” – ważniejsze grupy leżą po tej samej stronie) lub geometrii E (entgegen, „naprzeciw” – po przeciwnych stronach). O co chodzi?
W naturze istnieją organiczne związki chemiczne, które, choć składają się z tych samych pierwiastków, ułożonych w tej samej kolejności, różnią się ich układem w przestrzeni – czyli geometrią. Determinuje ona nie tylko właściwości fizyczne i chemiczne tych substancji (takie jak stan skupienia czy ciepło spalania), ale także jej cechy biologiczne, takie jak choćby zapach. Te same substancje o geometrii Z będą miały zupełne inne właściwości niż te o geometrii E. Przykładem mogą być kwasy tłuszczowe, które w pierwszym przypadku będą zdrowym i wartościowym składnikiem odżywczym z olejów roślinnych, w drugim – odpowiadają za problemy z otyłością, cukrzycę czy choroby układu krążenia.
Innym przykładem substancji naturalnej o geometrii Z jest cyweton – główny składnik cennego piżma otrzymywany z gruczołów cywety afrykańskiej – z powodów etycznych współcześnie pozyskiwanego jedynie na drodze syntezy chemicznej. Niestety dotychczas była to mało praktyczna operacja ze względu na wysokie koszty związane z utylizacją dużych ilości odpadów powstałych w wyniku syntezy. Nowy katalizator chemików z UW pozwala otrzymać czysty Z-cyweton z taniego oleju roślinnego, np. rzepakowego, dużo mniejszym nakładem środków.
Nie tylko w tym przypadku, ale także w innych syntezach nowy katalizator daje lepszą selektywność w tworzeniu wiązań C=C o geometrii Z – powstaje dokładnie ten związek, który chcemy, bez domieszki niechcianego izomeru E.
Leki, perfumy, feromony
Z użyciem nowego katalizatora można przeprowadzić syntezę także innych piżm makrocyklicznych, niezbędnych do produkcji perfum. Równocześnie – poprzez waloryzację olejów roślinnych – umożliwia on pozyskanie ekologicznych i tanich środków ochrony roślin, które mogą stanowić konkurencję dla pestycydów. Pomimo tego, że same procesy znane są naukowcom od lat, wynalazek chemików z UW otwiera drogę do tego, aby drogie w produkcji środki uzyskiwać taniej i prościej.
– Z opracowanym przez nas katalizatorem można wytwarzać tzw. cenne lub złożone związki chemiczne (fine chemicals). Mogą to być leki (API – aktywne składniki farmaceutyczne) oraz związki naturalne i biologicznie czynne, perfumy (nienasycone piżma makrocykliczne), inne środki zapachowe oraz feromony owadów stosowane w pułapkach feromonowych – nietoksycznych środkach ochrony roślin w nowoczesnym rolnictwie. Kilka podobnych katalizatorów jest znanych, kilka jest nawet handlowo dostępnych, ale albo są one wrażliwe na wilgoć i tzw. polarne grupy funkcyjne, albo są mniej trwałe w wyższej temperaturze niż nasz. Dodatkowo nasz może być wytwarzany w prostszy sposób – mówi prof. Karol Grela.
Komercjalizacja nowego katalizatora
Chociaż opisy zachodzących procesów chemicznych mogą zdawać się abstrakcyjne, to w rzeczywistości przekładają się na bardzo konkretne korzyści i rozwiązania. Dzięki katalizatorom rutenowym mogą powstawać leki, perfumy, aromaty czy ekologiczne środki do stosowania w rolnictwie. Do tych ostatnich należą feromony, których koszty do tej pory znacząco przekraczały ceny częściej stosowanych pestycydów. Obecnie zabezpieczenie jednego hektara pola za pomocą feromonów to koszt około 250 €, podczas gdy cena tej samej operacji wykonanej przy użyciu pestycydów waha się między 50 € a 150 €. Oczywiście koszty dla środowiska naturalnego i naszego zdrowia nie są w tym przypadku wymierne. Jest nadzieja, że proporcje niebawem się odwrócą, a to za sprawą m.in. takich wynalazków jak nowy katalizator rutenowy zespołu z UW.
Jest to możliwe dzięki komercjalizacji wynalazków, czy sprzedaży patentu do przemysłu, by móc go wdrożyć na masową skalę. Nie jest to ani szybki, ani łatwy proces. Być może jednak wkrótce związek rutenu z UW znajdzie zastosowanie w produkcji leków lub perfum stosowanych na całym świecie.
– Planujemy licencjonowanie tego katalizatora wiodącym firmom z branży farmaceutycznej, z branży FnF (środki zapachowe) czy agrochemicznej. Rozpatrujemy też licencjonowanie tego wynalazku specjalistycznym firmom produkującym i dystrybuującym katalizatory. Negocjacje są prowadzone przez Centrum Transferu Technologii i Wiedzy, i objęte są klauzulą poufności – dodaje badacz.
