Produkcja leków, tworzyw i substancji zapachowych wymaga reakcji, w których łatwo o pożar, wybuch lub toksyczne odpady. Międzynarodowy zespół z udziałem naukowców Uniwersytetu Jagiellońskiego pokazał, że w jednym z takich procesów bezpieczniejszym źródłem tlenu może być dwutlenek węgla
Chemicy nie tylko łączą atomy w coraz większe cząsteczki. Czasem muszą przeciąć cząsteczkę w wybranym miejscu i do powstałych fragmentów przyłączyć tlen. Z takich fragmentów buduje się później leki, tworzywa, paliwa i substancje zapachowe. Reakcje tego rodzaju odpowiadają za blisko 30 proc. produkcji przemysłu chemicznego.
Jedna z podstawowych operacji polega na rozerwaniu szczególnie mocnego połączenia między dwoma atomami węgla. Chemicznymi „nożyczkami” bywa wówczas ozon. Inne metody wymagają związków metali ciężkich albo dużych ilości tlenu, zwiększających ryzyko pożaru. Poszukiwanie łagodniejszego rozwiązania jest więc również kwestią bezpieczeństwa fabryk i ich pracowników.
Międzynarodowy zespół badaczy sięgnął po substancję, która wydawała się do tego zupełnie nieodpowiednia: dwutlenek węgla. CO2 jest końcowym produktem spalania i bardzo niechętnie uczestniczy w kolejnych reakcjach. Atomy tlenu są w nim wyjątkowo silnie związane. Ta chemiczna bierność ma jednak zaletę – dwutlenek węgla jest niepalny i znacznie bezpieczniejszy od silnych utleniaczy.
Naukowcy przygotowali stały materiał zawierający niewielkie ilości żelaza. Po oświetleniu niebieskim światłem działa on jak pośrednik między CO2 a przetwarzaną substancją. Cząsteczka dwutlenku węgla przyczepia się do atomu żelaza i ulega wygięciu, przez co łatwiej odebrać jej tlen. W tym samym miejscu zatrzymywana jest cząsteczka przeznaczona do przecięcia. Tlen zostaje na nią przeniesiony, a po kilku kolejnych przemianach cząsteczka rozpada się na dwa użyteczne fragmenty.
Jak podkreśla Shoubhik Das z Uniwersytetu w Bayreuth, jeden z autorów badań, proces przebiega w temperaturze pokojowej i pod normalnym ciśnieniem, bez sprężonego tlenu i silnych utleniaczy. Wyniki opublikowano w czasopiśmie „Science”.
Metodę sprawdzono na 45 różnych substancjach. Nie były to wyłącznie proste cząsteczki przygotowane na potrzeby eksperymentu, lecz także pochodne leków i hormonów. W typowej próbie po 24 godzinach uzyskano 82 proc. oczekiwanego produktu. Reakcję przeprowadzono również w skali gramowej oraz w urządzeniu, przez które składniki przepływały w sposób ciągły. Katalizator wykorzystano dziesięć razy, a jego wydajność zmniejszyła się do 70 proc. W innym teście układ pracował ponad 21 dni.
Badacze musieli jeszcze dowieść, że tlen rzeczywiście pochodził z CO2. Zastosowali więc dwutlenek węgla zawierający nieco cięższą odmianę atomów tlenu. Działała ona jak niewidoczny znacznik. Odnaleziono ją później w kolejnych produktach reakcji, co potwierdziło drogę tlenu od gazu do otrzymanej substancji.
W badaniach uczestniczyli prof. Piotr Kuśtrowski z Wydziału Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz dr Lulu Alluhaibi z Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS. W krakowskim synchrotronie prześwietlono katalizator wyjątkowo silną wiązką promieniowania rentgenowskiego. Pozwoliło to sprawdzić, co otacza atomy żelaza i czy materiał zachowuje swoją budowę podczas pracy.
Eksperymenty prowadzono w małej skali, a na wynik trzeba było czekać wiele godzin. Proces wymaga też chloroformu, z którego powstaje kłopotliwy chlorowany odpad. Autorzy sami wskazują ten element jako poważne ograniczenie środowiskowe, które musi zostać rozwiązane, aby myśleć o zastosowaniach na większą skalę. Osiągnięte wyniki pokazują jednak, że nawet tak trwałą cząsteczkę jak CO₂ można skłonić do oddania tlenu.
Jeśli uda się zastąpić problematyczny rozpuszczalnik, skrócić proces i zwiększyć jego skalę, metoda może ograniczyć stosowanie bardziej niebezpiecznych substancji. Korzyścią byłoby nie tylko mniej szkodliwych odpadów, lecz także bezpieczniejsze wytwarzanie produktów obecnych później w lekach, tworzywach i przedmiotach codziennego użytku. (PAP)
Nauka w Polsce
kmp/ agt/
