TWOJA PRZEGLĄDARKA JEST NIEAKTUALNA.
Wykryliśmy, że używasz nieaktualnej przeglądarki, przez co nasz serwis może dla Ciebie działać niepoprawnie. Zalecamy aktualizację lub przejście na inną przeglądarkę.
Pallad (Pd) jest uważany za jeden z najcenniejszych pierwiastków szlachetnych na świecie. To z jego udziałem powstają molekuły niezbędne do produkcji leków. Na naszej uczelni badania w tym kierunku prowadzi zespół dr. hab. inż. Rafała Kowalczyka, prof. uczelni na Wydziale Chemicznym.
W dzisiejszym świecie bez palladu wielu reakcji chemicznych nie dałoby się przeprowadzić w tak prosty sposób. Pierwiastek ten odgrywa kluczową rolę w syntezie szeregu związków organicznych, a zwłaszcza substancji aktywnych w lekach. Ponadto stosowany jest w katalizatorach samochodowych, gdzie szkodliwe tlenki azotu są przekształcane w mniej groźne substancje.
Właśnie jego zdolność do przyspieszania reakcji chemicznych sprawia, że jest tak cenny. Minusem jest natomiast fakt, że pallad jest nie tylko rzadki i drogi w pozyskaniu, ale też toksyczny.
Międzynarodowe spojrzenie
Na Politechnice Wrocławskiej tematyką palladu zajmuje się prof. Rafał Kowalczyk z Wydziału Chemicznego. Najpierw sam, a następnie razem ze swoim doktorantem, a obecnie już doktorem Maciejem Dajkiem, podjął w tym zakresie współpracę z grupami badawczymi z Indii: prof. Debabrata Maitiego z Indian Institute of Technology Bombay (IIT Bombay) oraz prof. Bhaskara Mondali z Indian Institute of Technology Mandi (IIT Mandi).
– Nasza współpraca rozpoczęła się w 2018 r., gdy prof. Maiti wygłosił wykład na Politechnice Wrocławskiej – opowiada prof. Rafał Kowalczyk. – Udało nam się porozmawiać, a przedstawiając swoje osiągnięcia zorientowaliśmy się, że obaj uważamy, iż potencjał oddziaływań niekowalencyjnych jest właściwie niewykorzystany.
Połączenie obszarów badawczych związanych z organokatalizą, którą zajmuję się prof. Kowalczyk, oraz tematyką aktywacji wiązania węgiel-wodór (C-H), w której prof. Maiti jest światowej sławy ekspertem, zaowocowało wypracowaniem nowego podejścia w katalizie palladu.
Naukowcy z Polski i Indii opisali wyniki swoich badań w publikacji, która ukazała się na łamach „Nature Communications” oraz powiązanym z nią przeglądzie w „Angewandte Chemie International Edition”.
W pierwszej, „Palladium-Catalyzed Remote C–H Functionalization: Non-Covalent Interactions and Reversibly Bound Templates”, omówili koncepcję wykorzystania pewnych słabych wiązań do modyfikacji cząsteczek związków organicznych. Z kolei druga, „Hydrogen bonding template enables remote meta-C–H alkenylation of nitroarenes with electron-deficient alkenes”, jest podsumowaniem badań oryginalnych.
Zadaniem prof. Rafała Kowalczyka było opracowanie koncepcji całej pracy, która ukazała się w „Nature Communications” – Skupiłem się w tym przypadku na ogólnej koncepcji wykorzystania wiązań wodorowych w kierowaniu przebiegiem reakcji aktywacji wiązania C-H, tak jak odbywa się to w organizmach żywych – wyjaśnia nasz badacz z W3.
Ponadto, wraz z dr. Maciejem Dajkiem byli odpowiedzialni za optymalizację i syntezę szerokiej gamy potencjalnych matryc, które opisali w drugiej publikacji. – Badaliśmy także możliwości wykorzystania chiralnych aminokwasów w strukturze matryc co skłoniło nas do odpowiedzi na pytanie, które elementy ich struktury są odpowiedzialne za reaktywność i selektywność – wyjaśnia dr Maciej Dajek.
Nasi naukowcy udowodnili dodatkowo uniwersalność podejścia w katalizie palladem, wykorzystując oddziaływania niekowalencyjne. – Dużą radość sprawiło nam zaobserwowanie, że układy katalityczne nie ograniczają się tylko do nitroarenów, ale w szerszym ujęciu, do akceptorów wiązania wodorowego – mówi prof. Rafał Kowalczyk.
Nowa era w katalizie palladem
Zadaniem syntezy organicznej jest przekształcanie łatwo dostępnych związków, które czerpiemy głównie z ropy naftowej, w molekuły znacznie bardziej skomplikowane. – Każdy związek organiczny zawiera wiązanie węgiel-wodór (C-H), dlatego – w dużym uproszczeniu – nasza rola polega na zamianie atomu wodoru na inne atomy, grupy atomów lub znacznie większe struktury – objaśnia prof. Kowalczyk.
Używanie do tego celu palladu wymaga jednak, aby przekształcany związek był aktywowany. To z kolei generuje dodatkowe odpady. Zatem zamiast tradycyjnego wykorzystania palladu do sprzęgania aktywowanych molekuł pomysłem naukowców jest bezpośrednia aktywacja wiązań C-H, bez konieczności pre-aktywacji przekształcanej cząsteczki.
– Jest to spełnienie odwiecznego marzenia chemików o możliwości manipulacji strukturą molekuły na poziomie cząsteczkowym – tłumaczy prof. Rafał Kowalczyk. – Powszechna jest już funkcjonalizacja wiązań C-H w pozycji sąsiadującej z wieloma grupami, nazywanych grupami kierującymi. Jednak selektywny dostęp do odległych wiązań C-H nadal stanowi naukowe wyzwanie, dodatkowo, gdy traktujemy proste podstawniki jako grupy kierujące.
Dotychczas procesy C-H aktywacji zdominowane były przez stosowanie pewnych pomocników, które związane ze związkiem w sposób względnie trwały, umożliwiały wprawdzie aktywację oddalonych pozycji, ale wymagały jednocześnie dodatkowych zabiegów wprowadzenia do modyfikowanej molekuły, a następnie jej usunięcia.
Niedawno pojawił się jednak nowy trend, polegający na wykorzystaniu oddziaływań niekowalencyjnych, a więc bez konieczności wprowadzania i usuwania, do rozwiązania problemów, jakie stwarza funkcjonalizacja odległych pozycji w cząsteczce. – Kooperacja tych oddziaływań wraz z katalizą palladem lub innym metalem przejściowym, stanowi uzasadnioną odpowiedź na stałą potrzebę osiągania wysokich selektywności reakcji – mówi prof. Kowalczyk.
Podejście określane mianem templatowego wykorzystuje w tym celu wielofunkcyjne związki organiczne jako matryce, które wiążą molekuły umożliwiając im reakcję, ale w sposób dynamiczny i odwracalny.
– W publikacji w „Angewandte Chemie International Edition” przedstawiliśmy najnowsze osiągnięcia i trendy w zakresie wykorzystania oddziaływań niekowalencyjnych do katalizy palladem – mówi nasz chemik z W3. – Warto przy tym podkreślić, że wielofunkcyjne matryce, zwłaszcza wykorzystujące wiązania wodorowe, stanowią atrakcyjne i zaawansowane podejście do aktywacji wiązań C-H w sposób wysoce ukierunkowany, przez co selektywny.
Nowe możliwości w projektowaniu leków
Pracując nad kwestią katalizy palladu nasi naukowcy opracowali zarówno specjalną matrycę, jak i układ katalityczny umożliwiający dekorowanie łatwo dostępnych, a nie wykorzystanych nitroarenów. Tym samym różnorodność nitrobenzenów, będących kluczowymi blokami budulcowymi o wiele bardziej skomplikowanych cząsteczek o istotnym znaczeniu, została selektywnie przekształcona w pożądane przez nich produkty.
– Molekuły zawierające grupę nitrową są powszechnie stosowane jako środki przeciwnowotworowe, antybiotyki i środki przeciwpasożytnicze, a także fungicydy i herbicydy – wyjaśnia dr Maciej Dajek. – Selektywna funkcjonalizacja odległych pozycji w pierścieniach arenowych, zawierających grupy nitrowe, otwiera przez nami nowe możliwości w projektowaniu leków.
Szczegółowa analiza mechanizmu reakcji wskazuje na istotną rolę jaką matryca, odgrywa w kontrolowaniu selektywności reakcji. – Przewrotnie opracowane podejście nazwałem wykorzystaniem siły słabych wiązań wodorowych – wyjaśnia prof. Rafał Kowalczyk i dodaje, że powyższe fakty wskazują na szereg możliwych zastosowań syntetycznych takiego rozwiązania.
– Zwiększa to istotnie pulę dostępnych związków, które można przekształcać na drodze bezpośredniej aktywacji wiązań C-H w prostych związkach przekształcanych dalej w użyteczne dla nas substancje chemiczne – podsumowuje naukowiec z Wydziału Chemicznego.
Dr hab. inż. Rafał Kowalczyk, prof. uczelni na Wydziale Chemicznym obronił doktorat na Politechnice Wrocławskiej w 2006 r. Następnie odbył staż podoktorski na RWTH Aachen. W 2018 r. uzyskał stopień doktora habilitowanego. Obecnie prowadzi badania nad nowymi metodami syntezy i katalizy z wykorzystaniem oddziaływań niekowalencyjnych, a także C-H aktywacji.
Dr Maciej Dajek uzyskał stopień naukowy doktora w dziedzinie nauk ścisłych i przyrodniczych w dyscyplinie nauki chemiczne w kwietniu 2024 r. Obecnie realizuje badania naukowe w obszarze katalizy palladem w ramach stażu podoktorskiego w Instytucie Chemii Organicznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie.
