Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej PAN badają cząsteczki o znaczeniu astrochemicznym

Recommended Posts

Rozgwieżdżone niebo od stuleci intryguje i fascynuje. Nie sposób nie rozważać jakie tajemnice skrywają te bliskie, lecz jeszcze niezbadane, jak i odległe zakątki kosmosu. Gwiazdy rodzą się z gazu i pyłu, rozproszonego tak bardzo, że mijają dni, a nawet tygodnie zanim poszczególne atomy lub cząsteczki zderzą się ze sobą. Ze względu na ogromne rozrzedzenie gazu, obecność promieniowania i niskie temperatury panujące w przestrzeniach międzygwiazdowych, znajdujące się tam związki chemiczne mogą być inne od tych, które są nam dobrze znane na Ziemi. Najnowsze badania naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk dotyczą nietypowych, wręcz egzotycznych molekuł, które zdają się być ciekawe z punktu widzenia astrochemii i być może uda się je kiedyś uchwycić w kosmosie.

Przestrzenie międzygwiazdowe

Przestrzeń pomiędzy gwiazdami nie jest pusta. Znajdujemy tam głównie (ale nie tylko!) wodór, hel i kosmiczny pył. Muszą minąć miliony lat zanim obłoki tej materii przekształcą się w zarodek gwiazdy i zaświecą przynajmniej tak jasno jak nasze rodzime Słońce. Chemii zachodzącej w obłokach międzygwiazdowych sprzyja promieniowanie, a czasem także wybuchy pobliskich, ginących gwiazd, a są to warunki na tyle drastyczne, że próżno je symulować w laboratorium. To jednak nie przeszkadza w poszukiwaniu związków chemicznych, które samoistnie nie powstałyby na Ziemi, lecz być może kiedyś zostaną odkryte w Kosmosie.

Chemiczna różnorodność w kosmosie

Nasz punkt obserwacyjny to tylko niewielka planeta w morzu galaktyk. Do dziś nie do końca rozgryźliśmy reaktywność atomów i cząsteczek w ekstremalnych warunkach. Od kilku dekad Jowisz i Saturn przykuwają uwagę ze względu na odkrycie w ich atmosferze analogu amoniaku zawierającego fosfor – fosfiny, a w roku 2020 do grona równie intrygujących posiadaczy tej cząsteczki przypuszczalnie dołączyła także Wenus. Dlaczego tak wielkie znaczenie ma poszukiwanie związków fosforu w kosmosie? Bez niego nie byłoby DNA i RNA, procesów enzymatycznych, czy hydroksyapatytu będącego naturalnym budulcem naszych kości. Choć w biomasie pierwiastek ten jest szósty pod względem występowania, a w skorupie ziemskiej dwunasty, to w obłokach międzygwiazdowych jest go nawet miliard razy mniej. O związkach fosforu w przestrzeni międzygwiazdowej wiemy ciągle niewiele; wykryto dotychczas jedynie niewielkie molekuły posiadające do czterech atomów, tj. PN, CP, PO, HCP, CCP, PH3 i NCCP. Większość z nich jest nietrwała w standardowych warunkach laboratoryjnych.

Podążając śladami chemii fosforu, profesor Robert Kołos, członkowie jego zespołu dr Arun-Libertsen Lawzer i dr Thomas Custer oraz współpracujący z nimi profesor Jean-Claude Guillemin z Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Rennes (Francja) zaprezentowali w grudniowym numerze periodyku Angewandte Chemie wydajną syntezę cząsteczki HCCP, indukowaną światłem ultrafioletowym i prowadzoną w warunkach kriogenicznych.

Cząsteczkę odpowiedniego prekursora  – tutaj jest to fosfapropyn, CH3CP – naświetlamy ultrafioletem, stopniowo odzierając ją z atomów wodoru. Tak powstaje HCCP, czteroatomowy dziwoląg. Sztuczka polega na wykorzystaniu zamarzniętego gazu szlachetnego jako środowiska reakcji – mówi dr Lawzer.

Dotychczas identyfikacja cząsteczki HCCP była możliwa wyłącznie w zakresie mikrofalowym, a teraz poszerzono wiedzę na jej temat podając długości fal z zakresu podczerwonego i ultrafioletowego.

Profesor Kołos komentuje: Niektórzy mogą ze szkoły pamiętać, że fosfor jest w związkach chemicznych trój- lub pięciowartościowy. Otóż w HCCP jest on jednowartościowy – realizując pojedyncze wiązanie do sąsiadującego węgla. To bardzo niezwykłe.

Niezależnie od produktu końcowego - HCCP, naukowcy zaobserwowali nie mniej ważny produkt pośredni, potwierdzając istnienie cząsteczki fosfaallenu, CH2=C=PH. Nigdy dotąd nie była ona uzyskana w warunkach laboratoryjnych, a jedynie teoria wskazywała na możliwości jej tworzenia.

Wśród cząsteczek astrochemicznej menażerii, również najważniejszych, są takie, których typowy chemik raczej za „prawdziwe” by nie uznał – widząc w nich jedynie molekularne fragmenty lub nietrwałe osobliwości – przyznaje prof. Kołos.

Uchwycenie cząsteczki CH2=C=PH i poznanie jej spektroskopii jest istotne, gdyż, niezależnie od kontekstu astrochemicznego, poszerza ogólną wiedzę o chemii związków fosforoorganicznych.

Czy kiedyś odnajdziemy HCCP lub CH2=C=PH w kosmosie? Obłoki międzygwiazdowe to rezerwuar materii bez wątpienia kryjący jeszcze liczne związki fosforu. Niektóre z nich zapewne zostaną niebawem odkryte, a na inne przyjdzie nam dłużej poczekać.


« powrót do artykułu

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      O kosmicznym górnictwie rozmawia z nami dr inż. Adam Jan Zwierzyński. Pracownik Wydziału Wiertnictwa, Nafty i Gazu AGH. Zajmuje się technologiami kosmicznymi od 2012 roku. Prywatnie CEO i współzałożyciel Solar System Resources Corporation sp. z o.o. – start-upu zajmującego się górnictwem kosmicznym. Zarejestrowany w Polsce i przy Parlamencie Europejskim lobbysta w zakresie górnictwa kosmicznego oraz technologii kosmicznych. Działa aktywnie na rzecz wzmocnienia współpracy Polska-USA w obszarze technologii kosmicznych. Miłośnik muzyki elektronicznej (trance, psytrance, techno), sauny i ceremonii saunowych. Od 2015 roku wegetarianin, miłośnik zwierząt.
      Po co komu górnictwo kosmiczne? Na Ziemi mamy wszystko, czego potrzebujemy. Nawet metale ziem rzadkich są nie tyle rzadkie, co ich wydobycie jest często nieopłacalne. Jak więc opłacalne ma być wydobycie poza Ziemią?
      Jest nas, ludzi, na Ziemi coraz więcej. Nasze potrzeby surowcowe i energetyczne rosną. Kosmos zaoferuje nam metale, surowce energetyczne, których potrzebujemy do rozwoju nowoczesnej cywilizacji, ale już bez dylematów natury ekologicznej.
      Czytelnicy zasługują na więcej: wyższe zarobki, godne emerytury, lepsze usługi publiczne i ciekawe życie. Górnictwo kosmiczne umożliwi Polsce skok ekonomiczny, technologiczny i cywilizacyjny. Norwegia, Zjednoczone Emiraty Arabskie, Kuwejt, Arabia Saudyjska to niegdyś biedne i zacofane kraje – zmieniły je surowce. Czas na Polskę.
      Górnictwo kosmiczne wymusi postęp nauki i związanej z nią technologii. W kosmosie można bezpośrednio pozyskiwać materiały trudno dostępne lub niemożliwe do uzyskania na Ziemi. Efekty przeszłych programów kosmicznych miały rewolucyjny wpływ na globalną ekonomię i życie społeczeństw. Dlaczego nie powtórzyć tego, ale na większą skalę i Polska nie miałaby na tym zarobić.
      Jakie obiekty miałyby być celem prac górniczych? Księżyc? Asteroidy? Inne planety?
      Wszystkie. Po co się ograniczać. Na Księżycu najprawdopodobniej zacznie się górnictwo kosmiczne. Byliśmy tam, znamy środowisko, jest blisko, możemy sterować z Ziemi wieloma urządzeniami na jego powierzchni. Wyobraź sobie, że jesteś górnikiem kosmicznym, ale nie musisz wstawać ze swojego fotela. Aby jednak mogło to mieć miejsce w skali, która nas interesuje, niezbędny jest postęp technologiczny, który zabezpieczy na docelowych obiektach odpowiednie zaplecze technologiczne. Dzisiejszy postęp w wynoszeniu ładunków na orbitę okołoziemską, m.in. przez firmę SpaceX, pozwala prognozować, że jest to kwestia najbliższej przyszłości.  
      Eksploatacja asteroid to nieco bardziej odległa przyszłość, ale również możliwa. Jest to znacznie większe wyzwanie technologiczne, potrzeba wysokiej autonomii urządzeń, mikrograwitacja eliminuje wiele ziemskich rozwiązań, a czas dotarcia jest obecnie nieakceptowalny dla biznesu. Są jednak start-upy pracujące nad szybszymi napędami (np. stosującymi fuzję termojądrową), a to prawdopodobnie umożliwi przemysłową eksploatację tych obiektów.
      Podobnie jest w przypadku Marsa. Jeśli jednak na Marsie pracowaliby ludzie, to znacząco zmienia to reguły gry. Na Marsie mogłyby być przetwarzane surowce w produkty high-tech i eksportowane na Ziemię. Jedno jest pewne - era górnictwa kosmicznego nastąpi szybciej, niż to się wydaje osobom sceptyczne nastawionym do technologii kosmicznych.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Nasz mózg składa się z miliardów neuronów, które muszą być chronione przed wpływem niekorzystnych czynników zewnętrznych. Rolę tej ochrony spełnia bariera krew-mózg. Ta mierząca 650 km wyspecjalizowana bariera między naczyniami krwionośnymi a mózgiem decyduje, jakie substancje mogą do mózgu przeniknąć. Bardzo dobrze spełnia swoją rolę, ale z punktu widzenia chorób neurologicznych jest najgorszym wrogiem współczesnej medycyny. Blokuje bowiem również dostęp leków do mózgu.
      Naukowcy z Yale University poinformowali na łamach Nature Communications, że udało im się opracować molekułę, która na kilka godzin otwiera barierę krew-mózg, umożliwiając dostarczenie leków. Po raz pierwszy udało się kontrolować barierę krew-mózg za pomocą molekuły, mówi profesor Anne Eichmann, jedna z głównych autorek badań.
      Doktor Kevin Boyé dołączył do zespołu profesor Eichmann w 2017 roku i zaczął badać molekułę Unc5B. To receptor śródbłonka, do którego ekspresji dochodzi w komórkach śródbłonka naczyń włosowatych. Uczony zauważył, że pozbawione tego receptora embriony myszy szybko umierały, gdyż nie tworzył się u nich prawidłowy układ krwionośny. To wskazywało, że Unc5B odgrywa ważną rolę w jego powstawaniu. Ponadto stwierdził, że u takich embrionów doszło do znaczącego spadku poziomu białka Claudin-5, które odpowiada za ścisłe przyleganie do siebie komórek śródbłonka w barierze krew-mózg. Naukowcy doszli więc do wniosku, że Unc5B odgrywa ważną rolę w utrzymaniu bariery krew-mózg.
      Nie od dzisiaj wiadomo, że rozwój i funkcjonowanie bariery krew-mózg jest uzależnione od szlaku sygnałowego Wnt. Dotychczas nie były znane powiązania pomiędzy Unc5B a tym szlakiem. Dzięki zaś nowym badaniom naukowcy zauważyli, że Unc5B działa jak regulator tego szlaku.
      Boyé poszedł więc o krok dalej. Pozbawił dorosłe myszy, z już rozwiniętą barierą krew-mózg, receptora Unc5B i okazało się, że gdy go zabrakło, bariera pozostała otwarta. Następnie uczony postanowił sprawdzić, który z ligandów – cząsteczek wiążących się z receptorami i wysyłających sygnały pomiędzy i wewnątrz komórkami – ma wpływ na integralność bariery. Okazało się, że bariera jest otwarta, gdy zabraknie ligandu Netrin-1. Naukowcy opracowali więc przeciwciało, które uniemożliwiało Netrin-1 połączenie się z receptorem. Po wstrzyknięciu przeciwciała dochodziło do zaburzenia szlaku sygnałowego Wnt i bariera krew-mózg była przez jakiś czas otwarta.
      W najbliższej przyszłości naukowcy chcą skupić się na sprawdzeniu, czy takie otwieranie bariery krew-mózg jest bezpieczne, czy nie niesie ze sobą żadnych ryzyk oraz czy same przeciwciała nie są toksyczne. To otwiera pole do dalszych interesujących badań nad kwestią powstawania samej bariery oraz możliwości manipulowania ją w celu dostarczania leków, mówi Eichmann.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Komputery kwantowe mogą zrewolucjonizować wiele dziedzin nauki oraz przemysłu, przez co wpłyną na nasze życie. Rodzi się jednak pytanie, jak duże muszą być, by rzeczywiście dokonać zapowiadanego przełomu. Innymi słowy, na ilu kubitach muszą operować, by ich moc obliczeniowa miała znaczący wpływ na rozwój nauki i technologii.
      Na pytanie to postanowili odpowiedzieć naukowcy z Wielkiej Brytanii i Holandii. Przyjrzeli się dwóm różnym typom problemów, jakie będą mogły rozwiązywać komputery kwantowe: złamaniu zabezpieczeń Bitcoina oraz symulowanie pracy kofaktora FeMo (FeMoco), który jest ważnym elementem białka wchodzącego w skład nitrogenazy, enzymu odpowiedzialnego za asymilację azotu.
      Z AVS Quantum Science dowiadujemy się, że naukowcy stworzyli specjalne narzędzie, za pomocą którego mogli określić wielkość komputera kwantowego oraz ilość czasu potrzebnego mu do rozwiązania tego typu problemów. Obecnie większość prac związanych z komputerami kwantowymi skupia się na konkretnych platformach sprzętowych czy podzespołach nadprzewodzących. Różne platformy sprzętowe znacząco się od siebie różnią chociażby pod względem takich kluczowych elementów, jak tempo pracy czy kontrola jakości kubitów, wyjaśnia Mark Webber z University of Sussex.
      Pobieranie azotu z powietrza i wytwarzanie amoniaku na potrzeby produkcji nawozów sztucznych to proces wymagający dużych ilości energii. Jego udoskonalenie wpłynęłoby zarówno na zwiększenie produkcji żywności, jak i zmniejszenie zużycia energii, co miałoby pozytywny wpływ na klimat. Jednak symulowanie odpowiednich molekuł, których opracowanie pozwoliłoby udoskonalić ten proces jest obecnie poza możliwościami najpotężniejszych superkomputerów.
      Większość komputerów kwantowych jest ograniczone faktem, że wykorzystywane w nich kubity mogą wchodzić w bezpośrednie interakcje tylko z kubitami sąsiadującymi. W innych architekturach, gdzie np. są wykorzystywane jony uwięzione w pułapkach, kubity nie znajdują się na z góry ustalonych pozycjach, mogą się przemieszczać i jeden kubit może bezpośrednio oddziaływać na wiele innych. Badaliśmy, jak najlepiej wykorzystać możliwość oddziaływania na odległe kubity po to, by móc rozwiązać problem obliczeniowy w krótszym czasie, wykorzystując przy tym mniej kubitów, wyjaśnia Webber.
      Obecnie największe komputery kwantowe korzystają z 50–100 kubitów, mówi Webber. Naukowcy oszacowali, że do złamania zabezpieczeń sieci Bitcoin w ciągu godziny potrzeba – w zależności od sprawności mechanizmu korekty błędów – od 30 do ponad 300 milionów kubitów. Mniej więcej godzina upływa pomiędzy rozgłoszeniem a integracją blockchaina. To czas, w którym jest on najbardziej podatny na ataki.
      To wskazuje, że Bitcoin jest obecnie odporna na ataki z wykorzystaniem komputerów kwantowych. Jednak uznaje się, że możliwe jest zbudowanie komputerów kwantowych takiej wielkości. Ponadto ich udoskonalenie może spowodować, że zmniejszą się wymagania, co do liczby kubitów potrzebnych do złamania zabezpieczeń Bitcoin.
      Webber zauważa, że postęp na polu komputerów kwantowych jest szybki. Przed czterema laty szacowaliśmy, że do złamania algorytmu RSA komputer kwantowy korzystający z jonów uwięzionych w w pułapce potrzebowałby miliarda fizycznych kubitów, a to oznaczało, że maszyna taka musiałaby zajmować powierzchnię 100 x 100 metrów. Obecnie, dzięki udoskonaleniu różnych aspektów tego typu komputerów, do złamania RSA wystarczyłaby maszyna o rozmiarach 2,5 x 2,5 metra.
      Z kolei do przeprowadzenia symulacji pracy FeMoco komputery kwantowe, w zależności od wykorzystanej architektury i metod korekcji błędów, potrzebowałyby od 7,5 do 600 milionów kubitów, by przeprowadzić taką symulację w ciągu około 10 dni.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Ludzie latają w kosmos od kilkudziesięciu lat i od samego początku specjaliści badają skutki zdrowotne pobytu w przestrzeni kosmicznej. Wiemy, że długotrwałe przebywanie w stanie nieważkości prowadzi do osłabienia mięśni i kości, a niedawne badania sugerują, iż uszkadza również mózg. Teraz, dzięki badaniom finansowanym przez Kanadyjską Agencję Kosmiczną, dowiedzieliśmy się też, dlaczego astronauci cierpią na anemię.
      Dotychczas sądzono, że anemia kosmiczna to skutek szybkiej adaptacji organizmu do warunków związanych z przemieszczeniem się płynów do górnej części ciała. W procesie tym astronauci tracą około 10% płynu z naczyń krwionośnych. Sądzono, że w wyniku tego procesu dochodzi do spadku liczby czerwonych krwinek oraz że organizm przystosowuje się do nowej sytuacji w ciągu około 10 dni. Okazało się jednak, że przyczyna jest zupełnie inna.
      Doniesienia o kosmicznej anemii sięgają czasów pierwszych załogowych wypraw w kosmos. Jednak dotychczas nie wiedzieliśmy, co jest przyczyną jej występowania. Nasze badania pokazały, że już w momencie znalezienia się w przestrzeni kosmicznej organizm przyspiesza proces niszczenia czerwonych krwinek i przyspieszone tempo utrzymuje się przez całą misję, mówi główny autor badań, doktor Guy Trudel z University of Ottawa.
      Podczas pobytu na Ziemi nasz organizm tworzy i niszczy około 2 milionów czerwonych krwinek na sekundę. Naukowcy z Ottawy odkryli, że w czasie pobytu w kosmosie niszczonych jest około 3 milionów krwinek na sekundę. Posiadanie mniejszej liczby krwinek nie jest problemem w warunkach nieważkości, jednak gdy wylądujesz na Ziemi, innej planecie czy księżycu, gdzie masz do czynienia z grawitacją, anemia oznacza mniejszą liczbę energii, mniejszą wytrzymałość i siłę. A to może zagrażać powodzeniu misji.
      Kanadyjczycy zaprzęgli do badań 14 astronautów. Mierzyli zawartość tlenku węgla w wydychanym przez nich powietrzu. Jedna molekuła CO powstaje ze zniszczenia jednej molekuły hemu, czerwonego barwnika krwi. Na tej podstawie mogli oszacować tempo niszczenia komórek krwi podczas pobytu człowieka w przestrzeni kosmicznej.
      Uczeni nie badali produkcji czerwonych ciałek w kosmosie, ale przyjęli, że i ona musiała się zwiększyć. Gdyby bowiem tak nie było, każdy astronauta cierpiałby na ciężką anemię. Tymczasem wśród 13 astronautów, którym po powrocie na Ziemię pobrano krew, anemię miało 5. Dalsze badania pokazały, że anemia ta całkowicie ustępuje w ciągu 3-4 miesięcy po powrocie na Ziemię.
      Co ciekawe, gdy zbadano astronautów rok po zakończeniu misji, okazało się, że ich organizmy wciąż niszczą o 30% czerwonych krwinek więcej, niż przed misją. To zaś sugeruje, że w przestrzeni kosmicznej wystąpiły jakieś długotrwałe zmiany kontroli poziomu czerwonych ciałek krwi. Stwierdzono również, że im dłuższy pobyt w kosmosie, tym poważniejsza anemia.
      Badania kanadyjskich naukowców oznaczają, że przy planowaniu długotrwałych misji kosmicznych, z pobytem na Marsie i Księżycu, należy brać pod uwagę kwestię anemii i zastanowić się, jak jej zapobiegać. Można próbować to zrobić na przykład poprzez odpowiednią dietę. Nie wiemy też, jak długo po misji utrzymuje się stan, w którym dochodzi do podwyższonego tempa niszczenia czerwonych krwinek.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Tegoroczną Nagrodą Nobla z chemii podzielą się Benjamin List z Niemiec i David MacMillan z USA, zdecydowała Szwedzka Królewska Akademia Nauk. Nagrodę przyznano za rozwój asymetrycznej katalizy organicznej. Prace Lista i MacMillana mają olbrzymi wpływ na tworzenie nowych leków, a przy okazji czynią procesy chemiczne bardziej przyjazne środowisku naturalnemu.
      Bardzo wiele dziedzin nauki i obszarów działalności przemysłowej jest zależnych od możliwości tworzenia molekuł o pożądanych właściwościach. Takich, dzięki którym powstaną wytrzymałe materiały, w których będzie można przechowywać energię czy molekuł służących do walki z chorobami. Stworzenie takich cząsteczek wymaga użycia odpowiednich katalizatorów, substancji pozwalających kontrolować i przyspieszać reakcje chemiczne, ale które nie wchodzą w skład finalnego produktu tych reakcji. Katalizatory są wszechobecne. Mamy je też w naszych organizmach, gdzie katalizatorami są enzymy, biorące udział w wytwarzaniu związków chemicznych niezbędnych do życia.
      Przez całe dziesięciolecia uważano, że katalizatorami mogą być jedynie metale lub enzymy. Jednak w 2000 roku dowiedzieliśmy się, że istnieje trzeci rodzaj katalizatorów, gdy Benjamin List i David MacMillan – niezależnie od siebie – odkryli proces asymetrycznej katalizy organicznej, który opiera się na niewielkich molekułach organicznych.
      Ten pomysł na przeprowadzenie katalizy jest tak prosty i genialny, że aż rodzi się pytanie, dlaczego nikt nie wpadł na to wcześniej, powiedział Johan Åqvist, przewodniczący zespołu przyznającego Nagrodę Nobla z chemii.
      Naukowcy przez dziesięciolecia mogli tylko z zazdrością patrzeć na możliwości enzymów, dzięki którym natura tworzy niezwykle złożone cząsteczki. Nauka jednak powoli szła do przodu i nasze możliwości również się zwiększały. Na przełomie wieków, dzięki Listowi i MacMillanowi nasze zdolności w tym zakresie znacząco się zwiększyły. Obaj uczeni przenieśli możliwości tworzenia molekuł na całkowicie nowy poziom. Opracowali proce, który nie tylko jest mniej szkodliwy dla środowiska, ale przede wszystkim znacząco zwiększa możliwości tworzenie molekuł asymetrycznych.
      Chemicy przez długie lata mieli problem z tym, że wiele molekuł występuje w dwóch postaciach – odbić lustrzanych, które jednak nie są identyczne. Są obiektami chiralnymi, o różnych właściwościach. Za przykład może tutaj posłużyć limonen, cząsteczka odpowiadająca za zapach cytryny, której lustrzane odbicie daje zapach pomarańczy. Problem w tym, że zwykle potrzebujemy konkretnej wersji danej molekuły. Jest to wyjątkowo ważne przy produkcji leków. A gdy w procesie katalizy powstaną obie wersje, trzeba te wymieszane bliźniaczo podobne molekuły zidentyfikować i od siebie oddzielić, co nie jest łatwym zadaniem.
      W XIX wieku chemicy zauważyli niezwykłe zjawisko. Na przykład gdy do nadtlenku wodoru (H202) dodali srebra, dochodziło do pojawienia się wody (H2O) i tlenu (O2), jednak wydawało się, że cała ta reakcja nie miała żadnego wpływu na srebro. W 1835 roku szwedzki chemik Jacob Berzelius opisał taki proces na kilkunastu różnych przykładach i nazwał to zjawisko katalizą.
      Z czasem odkryto olbrzymią liczbę katalizatorów, dzięki którym można było łączyć lub rozdzielać molekuły. Proces katalizy zaczęto wykorzystywać tak powszechnie, że obecnie około 35% światowego PKB w jakiś sposób jest z nim związane. Jednak przed rokiem 2000 wszystkie znane katalizatory były albo metalami albo enzymami. Metale są świetnymi katalizatorami, ale mają poważną wadę – są bardzo wrażliwe na działanie tlenu i wody. Zatem do pracy często potrzebują beztlenowego suchego środowiska, a jego uzyskanie w wielkoskalowych procesach przemysłowych jest bardzo trudne. Ponadto wiele świetnych katalizatorów to szkodliwe dla środowiska i człowieka metale ciężkie.
      Drugim z rodzajów katalizatorów są enzymy. Jako, że są niezwykle wydajne, w latach 90. ubiegłego wieku prowadzono intensywne prace nad stworzeniem nowych enzymów do katalizy. Prace takie trwały też w Scripps Research Institute, w którym pracował Benjamin List.
      Naukowiec obserwując sposób działania enzymów zwrócił uwagę na fakt, że mimo iż często zawierają one metale, to wiele enzymów katalizuje procesy chemiczne bez pomocy metali. Wykorzystują jedynie aminokwasy. List zaczął więc się zastanawiać, czy aminokwasy te muszą być częścią enzymów, by prowadzić katalizę czy też mogą działać samodzielnie lub będąc częścią jakiejś prostszej cząstki.
      Naukowiec wiedział, że latach 70. prowadzono prace nad wykorzystaniem aminokwasu o nazwie prolina w procesie katalizy, ale je zarzucono. List przypuszczał, że stało się tak, gdyż pomysł nie wypalił. Mimo to, postanowił spróbować. Przeprowadził test, by sprawdzić, czy prolina może być katalizatorem reakcji aldolowej, w której atomy węgla z dwóch różnych molekuł łączą się ze sobą. Ku jego zdumieniu aminokwas świetnie się w tej roli sprawdził. W trakcie kolejnych eksperymentów List wykazał, że prolina nie tylko jest wydajnym katalizatorem, ale również może być wykorzystana w katalizie asymetrycznej, w trakcie której znacznie częściej powstaje tylko jedno z dwóch odbić lustrzanych molekuły. W porównaniu z metalami i enzymami prolina ma wiele zalet. Jest prostą, tanią i przyjazną środowisku molekułą. Naukowiec przygotował artykuł, który zaakceptowano do publikacji. Miał się on ukazać w lutym 2000 roku.
      Jednak List nie był jedynym, który w tym czasie pracował nad takim rozwiązaniem.
      David MacMillan pracował na Uniwersytecie Harvarda z metalami w roli katalizatorów. O ile w laboratorium łatwo jest o dobre warunki do pracy takich katalizatorów, to w przemyśle jest to bardzo trudne. Dlatego gdy przeniósł się z Harvarda na Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley zarzucił prace nad metalami i zaczął projektować proste molekuły organiczne, które – podobnie jak metale – miały uwalniać lub więzić elektrony. Wybrał kilka molekuł i testował je w roli katalizatorów reakcji Dielsa-Aldera, której produktem jest węglowodór cykliczny.
      Okazało się, że wykorzystane molekuły bardzo dobrze się sprawują, a niektóre z nich świetnie sobie radzą w reakcjach asymetrycznych. W wyniku ich pracy w ponad 90% przypadków powstawała tylko jedna z dwóch wersji poszukiwanej cząsteczki. W styczniu 2000 roku, na miesiąc przed ukazaniem się artykułu z wynikami pracy Lista, uczony przesłał do czasopisma naukowego swój własny artykuł. Nazwał w nim zaobserwowane przez siebie zjawisko katalizą organiczną.
      Od 2000 roku prace nad katalizą organiczną ruszyły z kopyta. W procesie tym nie tylko wykorzystuje się proste łatwe do uzyskania molekuły, ale w niektórych przypadkach cząsteczki te, podobnie jak enzymy, potrafią działać w systemie „pracy ciągłej”. Wcześniej konieczne było po każdym etapie procesu chemicznego wyizolowanie i oczyszczenie produktu przejściowego, w przeciwnym razie na końcu całego procesu uzyskiwano zbyt dużo produktu ubocznego. Dzięki katalizie organicznej często można przeprowadzić wiele kroków procesu produkcyjnego jednym ciągiem. Dzięki takiej reakcji kaskadowej znacząco zmniejsza się liczba odpadów w przemyśle chemicznym.
      Przykładem, jak bardzo wynalazek Lista i MacMillana zrewolucjonizował produkcję chemiczną niech będzie strychnina. Gdy w 1952 roku została po raz pierwszy zsyntetyzowana, konieczne było użycie 29 różnych reakcji chemicznych, jedynie 0,00009% oryginalnego materiału utworzyło strychninę. Reszta się zmarnowała. W 2011 roku dzięki katalizie organicznej produkcję strychniny uproszczono do 12 kroków, a sam proces był 7000 razy bardziej wydajny.
      Benjamin List urodził się w 1968 roku we Frankfurcie nad Menem w Niemczech. prace doktorską obronił na Uniwersytecie Goethego. Obecnie jest profesorem na Uniwersytecie w Kolonii i dyrektorem Instytutu Badań nad Węglem im. Maxa Plancka. Jest też głównym badacze w Instytucie Projektowania Reakcji Chemicznych na Hokkaido University.
      David MacMillan urodził się w 1968 roku w Bellshill w Szkocji. W wieku 22 lat wyjechał do USA by rozpocząć studia doktoranckie na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine. Później pracował na Uniwersytecie Harvarda i Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Obecnie jest pracownikiem Princeton University. Był też założycielem i pierwszym dyrektorem pisma Chemical Science, wydawanego przez brytyjskie Royal Society of Chemistry.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...