Lata badań nad korolami


05-12-2017 16:31:33

Nagrodę FNP w obszarze nauk chemicznych i o materiałach otrzymał prof. Daniel Gryko z Instytutu Chemii Organicznej PAN w Warszawie za opracowanie oryginalnej metody syntezy i charakteryzację związków z grupy porfirynoidów.

Pierwotną inspiracją do zajęcia się tematem porfirynoidów był staż podoktorski w USA, który odbyłem w latach 1998-2000. Pracując w grupie prof. Jonathana Lindsey’a zajmowałem się badaniem pamięci molekularnych opartych na porfirynach. Pod koniec tego okresu ukazał się artykuł w prestiżowym Angewandte Chemie opisujący syntezę korolu bezpośrednio z pentafluorobenzaldehydem i pirolem bez rozpuszczalnika i bez katalizatora. Trudno było w to uwierzyć, więc powtórzyłem szybko ten eksperyment.

Obiecujące początki

Pamiętam, że fiolka rozgrzała się do tak wysokiej temperatury, że wypuściłem ją z ręki. Jednak nic się nie wylało ponieważ zawartość zdążyła się zestalić. Ten eksperyment zainspirował mnie, po powrocie do Polski pod koniec czerwca 2000 r., do zajęcia się tematyką koroli.

Miesiąc później wysłałem do redakcji Chemical Communications swój pierwszy artykuł. Dotyczył on syntezy tzw. trans-A2B-koroli (czyli koroli mających dwa różne podstawniki) z dipiranów i aldehydów aromatycznych bez dodatku kwasu. Po opublikowaniu tej pierwszej pracy odkryłem, że tak naprawdę katalizatorem są jednak śladowe ilości kwasów obecne w handlowo dostępnych próbkach aldehydów. Te i inne obserwacje przyczyniły się do powstania drugiej pracy, wykazującej, że gdy stężenie substratów organicznych jest wysokie a kwasu niskie, reakcja pomiędzy nimi prowadzi preferencyjnie do powstawania koroli a nie porfiryn (co było znane wcześniej).

Tematyka ta szybko się rozwijała, a konkurencja była ogromna. Często zdarzało się, że publikowaliśmy kolejne prace kilka miesięcy przed konkurentami z Belgii czy też z USA. Był to ekscytujący okres. Jednak zauważyliśmy ograniczenia jeśli chodzi o wydajność czyli efektywność tych procesów. Dla dipiranów zatłoczonych sterycznie było one umiarkowane, a dla niezatłoczonych sterycznie -bardzo niskie. Dopiero kilka lat później dokonaliśmy przełomowego odkrycia.

Okazało się, że jeśli tę reakcję przeprowadzi się w układzie woda-metanol w obecności kwasu solnego jako katalizatora, to substraty, czyli aldehyd oraz pirol, są rozpuszczalne w tej mieszaninie. Jednak powstający prekursor korolu czyli tetrapiran (zwany też bilanem) już nie. Dosyć selektywnie wytrąca się on z mieszaniny reakcyjnej, efektywnie zatrzymując dalszą kondensację. Po utlenieniu tego prekursora otrzymaliśmy tzw. A3-korole, tzn. korole mające trzy identyczne podstawniki z rekordowymi wydajnościami. Co nie mniej ważne, praktycznie nie powstały w tej reakcji porfiryny, które zazwyczaj są najtrudniejszym do usunięcia zanieczyszczeniem w syntezie koroli. Jednak najciekawsze odkrycie było wciąż przed nami.

Udany eksperyment

We wspomnianej syntezie trans-A2B-koroli z dipiranów i aldehydów kluczowy jest problem acidolitycznego rozpadu, który prowadzi do powstania 6 koroli zamiast jednego. Ich oddzielenie od siebie zajęłoby tydzień. Tak wiec, brak tego rozpadu jest kluczowy nawet za cenę obniżenia wydajności. W opracowanej metodzie stężenie kwasu solnego było ponad 100 razy wyższe od stężenia kwasu trifluorooctowego wywołującego ten rozpad (tzw. scrambling) w rozpuszczalnikach organicznych.

Latem 2005 r., gdy byłem na urlopie, mgr Beata Koszarna postanowiła wykonać szalony i pozornie nie dający szans na powodzenie eksperyment. Zmieszała aldehyd z dipiranem w metanolu, dodała wody i kwasu solnego. Okazało się, że - po pierwsze - nie zaszedł scrambling. Po drugie, wydajności wrosły z ok. 6-7% do 55% czyli ok. 10-krotnie. To był przełom! Praca została finalnie opublikowana w 2006 r. w Journal of Organic Chemistry. Recenzje były umiarkowanie pozytywne. Dziś ten artykuł ma ponad 230 cytowań, co dowodzi, że my wszyscy - jako recenzenci - czasami się mylimy. Ta metoda zdominowała całkowicie literaturę światową, zarówno dla A3-koroli, jak i dla trans-A2B-koroli. Tylko sporadycznie stosowane są w tej chwili inne strategie syntetyczne prowadzące do powstania tych barwników.

Możliwe zastosowania

Dzięki opracowaniu tej metody byliśmy w stanie oczyścić korole, po raz pierwszy, bez użycia chromatografii. To z kolei pozwoliło na zwiększenie skali do ok. 1 g. Kilka tygodni temu jeden z moich doktorantów otrzymał w jednej reakcji 4,6 g trans-A2B-korolu. Dostęp do takich ilości, które można otrzymać w przeciągu jednego dnia, umożliwił wykonanie bardziej ryzykownych eksperymentów, przeprowadzanie mniej wydajnych reakcji oraz rozpoczęcie bardziej ambitnych projektów. To dzięki temu w przeciągu ostatnich 7 lat otrzymano kompleksy koroli z 16 nowymi metalami, takimi jak np. złoto, platyna i technet. Na szkolenia w zakresie syntezy koroli przyjeżdżało do nas wielu młodych chemików, w tym z tak renomowanych ośrodków jak University of California Berkeley, California Institute of Technology i Kyoto University.

Początkowo kompleksy koroli badano pod kątem katalizy i wykrywania tlenku węgla. Natomiast teraz wydaje się, że najbardziej obiecujące są badania dotyczące biologii i medycyny. Dowiedziono, że rozpuszczalne w wodzie kompleksy koroli z żelazem i manganem są katalizatorami rozpadu reaktywnych form tlenu i reaktywnych form azotu. Te związki z kolei, jeżeli ich stężenie w komórkach jest zbyt wysokie, mają bezpośredni wpływ na rozwój takich chorób jak cukrzyca, miażdżyca naczyń krwionośnych i choroba Parkinsona. Z kolei kompleksy galu i złota okazały się być cytotoksyczne w stosunku do komórek rakowych. Kompleksy galu mają przy tym tę zaletę, że mają silną czerwoną fluorescencję, co umożliwia ich obserwowanie w komórkach. Prowadzi się też badania nad korolami w takich dziedzinach, jak np. niszczenie grzybów poprzez efekt fotodynamiczny.

Chwil wolnych jest niewiele, ponieważ zespół jest dosyć duży i minimalna liczba przepracowanych godzin w tygodniu wynosi 60, aby utrzymać to wszystko w ruchu. Raz do roku latem biorę urlop i najczęściej wyjeżdżam z rodziną na południowy wschód Stanów Zjednoczonych, gdzie zwiedzamy parki narodowe. Wspaniałe krajobrazy oraz niesprawdzanie poczty elektronicznej pomagają odpocząć.

Fot. Magdalena Wiśniewska-Krasińska FNP

Komentuje Waldemar Rukść

eNOT.pl - Portal Naczelnej Organizacji Technicznej | eNOT.pl