<

Kémikusok és a mákgubó

Szintetikus és elméleti szerves kémia, természetes eredetű anyagok kémiája – erre a két területre különösen nagy hangsúlyt fektetnek a Magyar Kémikusok Egyesületének idei Vegyészkonferenciáján, amely­re június végén, Hajdúszoboszlón kerül sor. A tanácskozás apropóján lapunk e két témakör bemutatására vállalkozik.


„A szervezetünkben lejátszódó szinte valamennyi folyamat szerves kémiai átalakulás. Az életünk molekuláris szinten tehát szerves kémia. Ha ismerjük ezeknek az átalakulásoknak a mechanizmusát, elemeinek lépéseit, akkor van némi esély rá, hogy be tudjunk avatkozni e folyamatokba” – vázolja a szerves kémia fontosságát Antus Sándor akadémikus, az MTA Szerves és Biomolekuláris Kémiai Bizottságának elnöke. Így már érthető, hogy miért rendeznek kétévente nagyszabású konferenciát a hazai szerves kémikusok.
A természetben található növényi, állati és mikrobiális eredetű anyagokat természetes eredetű vegyületeknek nevezzük. Ha ezek vizsgálata során farmakológiailag érdekes vegyületre bukkannak, akkor célszerű elvégezni hatásuk részletes vizsgálatát. Minthogy a növényben az adott molekula általában kis mennyiségben fordul elő, és ráadásul mennyisége évente az időjárástól, betakarításának körülményeitől stb. is függ, ezért az adott vegyületet sok esetben célszerű szintetikusan előállítani, vagy – ha lehetséges – a haszonnövényt standard körülmények között termeszteni. A klasszikus példa erre a mákgubóban lévő morfin-alkaloidok izolálása: a mákszalma feldolgozásakor ugyanis a fájdalomcsillapító hatású morfin társalkaloidjai közül a köhögéscsillapító kodeint vagy a simaizom görcsoldó hatású papaverint nem ebből a növényből izolálják, hanem az előbbit morfinból, mint félszintetikus terméket, az utóbbit pedig egyszerű, könnyen hozzáférhető fenolszármazékból úgynevezett teljes szintézissel állítják elő.

„A természetes szerves anyagok között számos olyan van, amely valamilyen szempontból hasznos. Ez nem csak a gyógyhatású vegyületekre vonatkozik. Ilyen például a közismert kaucsuk is. Ha az adott anyagból a természetben kevés található, vagy nagyon fáradságos (költséges) a kinyerése, akkor jönnek a szintetikus szerves kémikusok. Kémiai és műszeres, spektroszkópiai módszerekkel megállapítják az adott anyag szerkezetét, és kidolgozzák a szintézisüket” – tájékoztatta magazinunkat Wölfling János, a Magyar Kémikusok Egyesülete Szerves és Gyógyszerkémiai Szakosztály elnöke, a Szegedi Tudományegyetem tanszékvezető egyetemi tanára. A szegedi professzor szerint a szintézisek további előnye, hogy ha már megvan a módszer, lehetőség nyílik az eredetitől szerkezetében kismértékben különböző származékok előállítására, amelyek valamilyen szempontból előnyösebbek lehetnek: hatékonyabb gyógyszerhatóanyagok, jobb mechanikai tulajdonságokkal rendelkező anyagok (például autógumi), mint a természetes eredeti. Tehát tanulunk a természettől, megpróbáljuk utánozni (persze ez általában nem szokott olyan hatékony lenni, mint ahogy a természet teszi), és kiaknázzuk azokat a lehetőségeket, amelyeket a természet „kihagyott”. Magától értetődő, hogy olyan vegyületeket is szintetizálnak, amelyeknek nincs természetes eredetű megfelelőjük, hanem tisztán szintetikus, ilyenek például egyes növényvédő szerek.

Antus Sándor professzor szerint az elméleti szerves kémiára támaszkodva egy átalakulás elemi lépéseinek sorozatát lehet tisztázni, tehát azt a folyamatot, amelynek eredményeként az egyszerűbb molekulákból, mint „alkatrészekből”, egy bonyolult vegyület felépül. Alapvető annak felderítése is, hogy egy bonyolult molekulának melyik része felelős a számunkra fontos hatásért. Tudnunk kell tehát, hogy melyik része felelős leginkább például a vérnyomáscsökkentő vagy éppen a vérnyomás-emelkedést okozó hatásért. Sokszor kiderül, hogy a természetből izolált molekulának csak egy része hasznos, akkor a molekula további részei elhagyhatók. Ha nincs számunkra hasznos tulajdonságuk, akkor az előállításuknak sincs értelme, hiszen egy ház felépítése során sem húzunk fel fölöslegesen falakat.

A biokémiának ezekben a kutatásokban óriási szerepe van. Jelentős előrelépés, ha egy molekula esetében rájövünk arra, hogy miért nem váltotta be a hozzá fűzött reményeket, mert akkor azt is megtudhatjuk, hogy hol és mit kell rajta változtatni a kívánt tulajdonság eléréséhez.
„Az elméleti szerves kémia egyebek között olyan kérdésekre próbál választ adni, hogy részleteiben miként játszódik le egy több­lépéses folyamat. Hogyan és miért szakadnak fel a kémiai kötések a kiindulási anyagban? Hogyan, milyen elektronmozgások alakítják ki az új kémiai kötéseket a termékben? Ezt nevezzük a reakciómechanizmus felderítésének. Ehhez általában célzott kísérleteket kell végeznünk, ami megint csak szintézisek végrehajtását jelenti” – sorolja a feladatokat Wölfling János professzor. Az is fontos kérdés, hogy mivel magyarázhatók a szerves vegyületek egyes fizikai tulajdonságai. Mondjuk, miért jóval magasabb az etil-alkohol forráspontja, mint a hasonló molekulatömegű egyéb szerves vegyületeké. Miért reaktívabb az egyik szerves vegyület, mint a másik? Hogyan lehet szelektíven eljutni egy adott folyamatban a lehetséges termékek közül csak ahhoz, amit elő szeretnénk állítani? Arra is sokan keresik a választ, hogy hogyan befolyásolják a reakció körülményei (hőmérséklet, nyomás, oldószer stb.) a folyamatok végbemenetelét.

A természetes vegyületekkel foglalkozó kutatók jó része izolálással foglalkozik, azaz kinyerik az egyedi szerves vegyületeket valamilyen komplex biológiai mátrixból (növényi részből, állati szervből). Ez fáradságos munka, több (sok) lépésből állhat. A munkát gyakran nehezíti, hogy az eredeti forrásban kevés van az illető vegyületből, továbbá érzékeny (bomlékony) is lehet, tehát az izolálás során ügyelni kell, hogy a célvegyület ne alakuljon át. Wölfling professzor szerint az izolálási technikák és a szerkezetvizsgáló módszerek is fejlődnek; egyre kevesebb anyagból (milligramm nagyságrendű mennyiségek) lehetséges a pontos szerkezetmeghatározást tudományos igényességgel elvégezni. Ha ismert a szerkezet, jöhet az úgynevezett totálszintézis, amikor kis, könnyen hozzáférhető vegyületekből szintézislépések során (ezek száma extrém esetben akár a százat is elérheti) felépítjük a vegyület molekuláit. Ha ez megtörtént, és az izolált és a szintetizált vegyület azonosnak bizonyult, akkor tekinthetjük a molekula szerkezetét bizonyítottnak. Ma már ez nem „kötelező”, mert a különböző spektroszkópiai módszerek kombinálásával is meggyőzően bizonyítható a szerkezet. Van olyan eset is, amikor a szintézis során egy már ismert természetes vegyületből indulunk ki, és ezt alakítjuk át a kívánt célvegyületté. Azaz a természettel „elvégeztettük” a munka egy részét, és ezt további lépésekkel egészítjük ki. Ezt nevezzük félszintézisnek.

Novák Zoltán, az ELTE kutatója szerint gyakran felvetődik az a kérdés is, hogy az ember meg tudja-e csinálni ugyanazokat az átalakításokat, mint a természet, illetve lehet-e ezt gazdaságosabban is végezni. Ehhez új szintetikus kémiai átalakításokat kell kidolgozni. A természetben előforduló molekulák szerkezete esetenként inspirálja a szintetikus vegyészeket, hogy milyen struktúrákat kellene kialakítani, és ezekhez milyen új eszközök szükségesek. A szintetikus kémiával foglalkozó vegyész abban érdekelt, hogy lehetőleg minél gyorsabban, szelektív és környezetbarát eljárásban és gazdaságosan állítsanak elő hasznos molekulákat. A molekulák szerkezetét és a különböző átalakítások során végbemenő molekuláris történéseket modellezni lehet, és az így kapott eredmények segítenek abban, hogy megértsük azokat az átalakításokat, amelyekkel dolgozunk. Ezek az eredmények segíthetnek továbbá egy biológiailag aktív molekula megtervezésében is. Az elméleti kémia, a szintetikus kémia és a természetes vegyületek kémiája tehát szorosan összefügg. Ez a kapcsolatrendszer napjainkban jelentős mértékben meghatározza a szerves kémiai kutatásokat.

A Lendület program egyik nyerteseként Novák Zoltán újnak számító, szén-hidrogén aktiváláson alapuló, hatékony szerves kémiai módszerek fejlesztésével és szintetikus alkalmazhatóságának vizsgálatával foglalkozik. Az ELTE-n dolgozó vegyész szerint a szén-hidrogén kötés egy lépésben történő szelektív átalakításával csökkenthető a reakciólépések száma. Ezzel pedig időt, energiát és anyagot lehet megtakarítani, ráadásul a keletkező melléktermékek, hulladékok mennyisége is csökken. Csoportja számára jelenleg az jelenti a legnagyobb kihívást, hogy a szén-hidrogén kötést hatékonyan és szelektíven tudják szén és más atom közötti kötésekké alakítani. Mivel a C-H aktiváláson alapuló átalakításokról még nem tudnak eleget, a reakciók alaposabb vizsgálata során eddig kevéssé feltérképezett terület megismerésére nyílik lehetőség. Az így megszerzett tudás további katalitikus folyamatok tervezését is segítheti.

Ahogy a szén-hidrogén kötések átalakításakor, úgy számos más esetben is alkalmaznak katalizátorokat. Nem véletlen, hogy az idei vegyészkonferencián több előadás is foglalkozik a katalizátorokkal. A Lendület program másik vegyész nyertese Soós Tibor, aki csoportjával az MTA Természettudományi Kutatóközpont Szerves Kémiai Intézetében végez eredményes kutatást ezen a területen. Soós Tibor legnagyobb érdeklődést kiváltott cikke 2005-ben jelent meg az Amerikai Kémiai Társaság lapjában, az Organic Lettersben.
A szerves kémia legmagasabb impakt faktorú folyóiratának szerkesztői a lap megjelenésének másfél évtizedes évfordulója alkalmából tették közzé azt a listát, amelyben felsorolják azt a 15 publikációt, amely az eddig megjelent több mint 18 ezer közleményből a legtöbb idézetet kapta. Az ötödik helyen Soós Tibor és munkatársainak közleménye végzett. (Az eredmény rangját jól mutatja, hogy a cikkek szerzői között számos Nobel-díjas kutató is van.) Soós Tibor és munkatársai ebben a közleményben egy új, kininalapú katalizátorcsalád kifejlesztéséről számoltak be, amelyet kereskedelmi forgalomba is hoztak. 2010-ben kiemelt, vagyis „Hot papers” minősítéssel fogadta el ezt a cikküket a világ egyik legpatinásabb kémiai szaklapja, az Angewandte Chemie is. Közleményükben egy katalizátorfejlesztési elvet ismertettek, amelynek révén közelebb juthatnak környezet­kímélő anyagok megalkotásához.

„A szintetikus kémia egyik központi kérdése, hogy a vegyészek egyik leggyakrabban használt módszerét, a hidrogénezési eljárást miként lehet átmenetifémek nélkül megvalósítani. A folyamat kiváltására a természetben csak kis mennyiségben található és mérgező hatású fémekre van szükség, mint például a nikkel, a palládium vagy a platina. Környezetvédelmi, technológiai és fenntarthatósági szempontból is kulcskérdés tehát, hogy a hidrogénezési reakciót drága és toxikus fémek nélkül is meg lehessen valósítani Ennek a problémának a megoldásában értünk el 2010-ben újabb eredményt az úgynevezett frusztrált Lewis-párok segítségével. Csakhogy ilyenkor fellépnek mellékreakciók, amelyeket egy roppant egyszerű ötlet, a méretkizárás elve alapján küszöböltünk ki” – tájékoztatta magazinunkat Soós Tibor. A méretkizárásos elv gyakorlati alkalmazásaként a kinolin katalitikus redukcióját fejlesztették ki, erről 2012 elején jelent meg cikkük.

Katalizátorok fejlesztésében tehát jók vagyunk, de másban is. Hazánkban évszázados hagyománya van az alkaloid-kémiának. A hagyomány ezen a téren erősebb, mint a jelen, amit az magyaráz, hogy amióta külföldi kézben vannak a gyógyszergyárak, így például a tiszavasvári Alkaloida gyógyszergyár is, a hazai kutatóhelyekkel folytatott együttműködés már közel sem olyan szoros, mint egykoron. Szerencsére a Richter Gedeon Gyógyszergyár jelenleg is támogatja az alkaloidok kutatását, még ha kisebb mértékben is, mint korábban. Napjainkban is folynak ilyen kutatások mind a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Szerves Kémia és Technológia Tanszékén, mind pedig a Debreceni Egyetem Szerves Kémiai Tanszékén. Debrecenben most az ópium-alkaloidok közé tartozó tebain nevű vegyület hasznosításán dolgoznak. Ezt a szintén mákban található anyagot sokáig hulladéknak tekintették, ám kiderült, hogy ebből apomorfint lehet előállítani, ami a Parkinson-kór kezelésében használható. E vegyület mellékhatásai miatt azonban további kutatásokra van szükség. A Szegedi Tudományegyetemen dolgozó Wölfling János professzor kutatási területe a természetes eredetű szerves vegyületek (főként szteroidok, ezen belül is a nemi hormonok) kutatása. Ezeket a vegyületeket szintetikus módszerekkel úgy módosítják, hogy az eredeti hormonhatás háttérbe szoruljon, és helyette valamilyen más (például rákellenes) hatás kerüljön előtérbe.

„Az egyetemeken és az akadémiai kutatóintézetekben a kutatóhelyek anyagi helyzete, technikai felszereltsége és a kutatók felkészültsége miatt szükségszerűen csak felfedező kutatásra van lehetőség. Azaz az úgynevezett innovációs folyamat első lépését tudják egyedül megtenni, de ezt követően már partnerre van szükségük. A rendszerváltásig a gyógyszergyárak megfelelő partnerek voltak, ám napjainkban a Richter Gedeon kivételével valamennyi gyógyszergyár külföldi kézben van, a külföldi tulajdonos pedig ritkán támaszkodik a magyar szerves kémiai tanszékek és akadémiai kutatóhelyek tudására. Az itt folyó kutatások többnyire rangos nemzetközi folyóiratokban történt közlés és az oktatómunka (BSc, MSc és PhD képzés) révén ugyan hasznosulnak, de a nemzetgazdaságnak közvetlen hasznot csak ritkán hoznak. Ezen a helyzeten változtatni kell, hogy tovább tudjon fejlődni a hazai szerves kémia” – foglalta össze véleményét Antus Sándor akadémikus. A debreceni professzor és kollégái egy szabadalmaztatás alatt álló antidiabetikum hasznosításához keresnek éppen ipari partnert, aki a további fejlesztést elvégzi. Ha lesz ilyen partner, akkor sem biztos még, hogy a molekula piacra kerül. Számos esetben előfordult ugyanis, hogy egy hatóanyagot laboratóriumi körülmények között elő tudták ugyan állítani, de ipari méretű gyártása gazdaságosan már nem oldható meg, nem is beszélve arról, hogy a humán szinten végzett farmakológiai vizsgálatok során olyan mellékhatások is felléphetnek, melyek megakadályozzák a molekula gyógyászatba történő bevezetését.
Ennek egyik oka lehet esetenként a molekula optikai aktivitása is. Léteznek ugyanis vegyületek, amelyek térszerkezete olyan, hogy kép és tükörkép viszonyban lévő izomerjei vannak. Ilyenkor a farmakológiai vizsgálatokat mindegyik izomerrel el kell végezni. A „Contergan-ügy” során 1958-ban vált ugyanis ismertté, hogy azért született közel 3500 gyermek súlyos születési rendellenességgel, mert édesanyjuk a terhességgel járó rosszullétek, fájdalmak ellen a thalidomid hatóanyagú gyógyszert szedte. Így derült ki, hogy ennek az optikailag aktív molekulának két lehetséges sztereoizomerje közül csak az egyik volt hatásos fájdalomcsillapító, a másik súlyosan károsította a magzatot. Ma már ezért mindkét változatra elvégzik a szükséges vizsgálatokat, és még azt is bizonyítani kell, hogy a szervezetben az egyik sztereoizomer nem alakul át a másikká. Ez természetesen igencsak megnövelte a piacra kerülés idejét és költségét is.

Az utóbbi évek visszatérő problémája az is, hogy egyre kevesebben jelentkeznek kémia szakra az egyetemeken, ami nemcsak a pedagógusi pályán jelenthet gondot (nem lesz, aki kémiát tanítson az általános és középiskolákban), hanem vállalatok sem jutnak elegendő számú szakemberhez. Wölfling János szerint nem is annyira a jelentkezők létszámával van baj (a nagy egyetemeken nagyságrendileg 100 kémia BSc szakos kezd évente), hanem a minőséggel: alacsony pontszámmal is be lehet jutni, de mivel a színvonalból nem engedhetnek, nagy a lemorzsolódás. A vegyészmérnökképzés területén jobb a helyzet, magasabb a felvételi pontszám is. Kémiatanárnak viszont az utóbbi években elszomorítóan kevesen jelentkeztek. Ennek lehetséges okai között kell említeni a kémia alacsony társadalmi presztízsét (szennyezi a környezetet, veszélyes, a sajtóban leginkább a kémiai katasztrófákról adnak hírt). Szerepet játszhat benne a magyar vegyipar „összehúzódása”, illetve a sokat bírált kétszintű (BSc, MSc) képzés bevezetése. Reményre adhat okot, hogy idén szeptembertől kémiatanár szakon több egyetemen is újra indul a korábban már bevált, úgynevezett osztatlan képzés.•

 
Archívum
 2011  2012  2013  2014  2015  2016  2017  2018  2019  2020
Címkék

Innotéka