A helyszín a 2018-as palládium Nobel-díj, a népszerű mechanikai magazin
Discodermia feloldódott
A szerves kémia a XIX. Század közepén született. Az egyik első reakció az Adolphe Kolbe etánnak az ecetsavból történő beérkezése volt.
A kémikusok ma olyan szörnyeket képesek szintetizálni, mint a palitoxin
A jelenlegi nyertesek munkáinak köszönhetően a diszodermolid a laboratóriumban szintetizálódott - és valószínűleg hamarosan újabb eszközökkel küzdenek a rák ellen
Richard Heck kísérletezett a palládium katalizátor felhasználásával a szerves szintézis reakciókra, és először is képes volt, beleértve a sztirol ilyen transzformációval történő előállítását
A modern civilizáció, iparága és technológiája egyre összetettebb vegyi vegyületeket igényel egyre ritkábban. A betegeknek olyan gyógyszerekre van szükségük, amelyek súlyos betegségeket gyógyítanak. Az elektronikai ipar olyan anyagok, amelyek fényt bocsátanak ki. Mezőgazdaság - új generációs rovarirtó szerek.
A kémikusoknak nem kell unatkozni: minden kérdésre választ kell adni, és keressük a módszert a legfejlettebb molekulák szintézisére. Ezen a területen, a munka egy egész hadsereg a szakemberek, különösen a területén a szintetikus szerves kémia, és az egész sereg elismeréssel utal a jelenlegi Nobel-díjas, amelynek a megállapításai tették munkájukat könnyebbé és hatékonyabbá.
Mindez teljesen váratlanul kezdődött. Az 1980-as évek végén a Karib-tengeren, 33 m mélységben búvárokták érdekes szervezetet gyűjtöttek, a Discodermia dissolute szivacsokat. Ezek a kicsi és furcsa lényeknek nincsenek szemük és szájuk, gyomra és csontjaik. Nem tudnak mozogni, ők primitívnek tűnnek, de a szintetikus kémia szakértelmével ezek a hátrányok tele vannak. A szivacsokat megkülönböztetik azon képességgel, hogy olyan nagy és bonyolult molekulákat kapjanak, amelyeket más élőlények nem használnak. Ezek a vegyületek segítenek nekik, hogy megvédjék magukat az ellenségek ellen, mint hatékony méreganyagok és mérgek. Olyan tudósokat is vonzanak, akik az ilyen anyagok szivacsból történő kivonásával új antibiotikumokat, vírusellenes és gyulladásgátló vegyületeket hoznak létre.
Ebben az esetben az elsõ anyag, amely elkülöníthetõ a Discodermia eloszlattól. diszodermolid lett. amely ma a kemoterápia igen ígéretes eszközének tekinthető: többek között a vegyület a laboratóriumi vizsgálatok során kimutatta, hogy képes blokkolni a tumorsejtek tenyészetének növekedését.
A diszodermolid vizsgálatokban részt vevő tudósok közelebbről megvizsgálták, hogy pontosan mit mutatnak ezek a citosztatikus tulajdonságok. Kiderült, hogy körülbelül ugyanaz, mint a már ismert paklitaxel. amely Taxol néven széles körben használatos az onkológiában - vagyis megzavarja a citoszkeleton működését és elnyomja a sejtosztódás folyamatát. Ez a történet véget ér: a diszodermolid egy többlépcsős klinikai vizsgálatot követett volna el, és néhány elkapó név a gyógyszertárakba ment volna. De ezen az úton egy probléma merült fel.
A diszodermolid rendkívül bonyolultnak bizonyult a szerves vegyületek szerkezetében, és ipari méretekben való kivonása egy szegény szivacsból olyan probléma, amely nem reális. Szükséges volt egy módszert találni a mesterséges szintetizálásra. Szerencsére, ez a módszer azt találtuk nagyon gyorsan - munkájának köszönhetően a kémikusok Richard Heck (Richard Heck), Eiichi Negishi (Eiichi Negishi) és Akira Suzuki (Akira Suzuki), aki megvizsgálta a lehetőségét, palládium katalizátor alkalmazásával kereszt-kapcsolási reakciókkal.
Ez egy meglehetősen széles osztályú szerves reakció, amely a szénhidrogén-gyökök kombinációjából áll, a fém "közvetítésével". Ez két különböző szénhidrogén kombinációjából állhat, amelyek egy új, vagy kettő azonosak dimer molekulák képződésével. A keresztkombinációk változatai a Heck által javasolt új nyertesek. Negishi reakciója és Suzuki reakciója. A diszodermolid mesterséges előkészítéséhez a központi válasz Negishi volt, amely bizonyos optimalizálás után sikerült felidézni - és a jövőbeni tumorellenes gyógyszer klinikai vizsgálatainak folytatásához.
Nyilvánvaló, hogy a diszodermolid története csupán egy példa a kémikusok tudományos kutatásának következményeiről, amelyek a szerves szintézis során alkalmazott palládiumkatalizátorok használatával kapcsolatosak. A tudománynak és az egész emberiségnek ez a területe fontos, még az is, hogy a szerves szintézis munkájában a Nobel-díjat már hatodik alkalommal ítélik oda.
Kereszt-kapcsolási palládium katalizátorokkal bizonyult különösen hatékony szintézis eszköz, beleértve, mert ezek a reakciók végbemennek viszonylag enyhe körülmények között anélkül, hogy szélsőséges hőmérséklet és egyéb hatások. Ha anélkül őket annak érdekében, hogy csatlakoztassa a két szénhidrogénláncot van szükség, például, kezelésére igen aktív ható szerek válogatás nélkül, és kialakulásához vezet tömegű melléktermékek, a reakció nagyon szelektív, és szinte ékszerek.
A palládium-atomok az egyes szénhidrogénláncok találkozási helyeként működnek, amelyek egymástól eléggé távol vannak egymástól, úgyhogy szintézisreakció zajlik egymás között. Ezután a palládium szabadul fel - és újra részt vehet egy új reakcióban.
Az ilyen képességek palládium beszél vissza 1950-ben, majd a német vegyipari vállalat Wacker Chemie AG sikeresen kezdte használni a termelés, mint egy katalizátor acetaldehid etilén-szintézist (acetaldehid előállítására használt színezékek, műanyag, és a különböző szerves vegyületek, az ecetsav száma). Ezekben az években Richard Heck a vegyiparban dolgozott, de az óceán másik oldalán, az Egyesült Államokban. Társaságát, mint sokan mások is, érdekli, hogy hogyan működik a német versenytársak folyamata, és hogy nincs-e még hatékonyabb.
Ahhoz, hogy megértsük Hake munkájának fontosságát, emlékezzünk a kémia alapjaira. Atom bármely elem nagyon kicsi szempontjából a pozitív töltésű mag, amely körül negatív töltésű elektronok. Az elektronok feltételezik, hogy a megfelelő energiaállapotok feltételesen atomos pályáknak neveznek. Ahogy az atom tömege és mérete nő, a benne lévő elektronok száma növekszik, és teljesen feltölti az egyik pályát. átadni a következő, több energiát.
A kémia szempontjából csak a legutóbbi orbitális a legnagyobb érdeklődés, hiszen ez határozza meg, hogy milyen reakciókat érjen el az elem. Azok, akiknek egy külső orbitálisa csak kicsit a végéig tele van elektronokkal, hajlamosak a töltés befejezésére és a szomszédok elektronainak kiválasztására, amelyek a nem-fémek oxidáló tulajdonságait mutatják. Ezzel ellentétben, ha a külső orbitális elkezdett kitölteni, és könnyebb 1-2 elektront adni, mint újakat felvenni, akkor az atom csökkenti a tulajdonságait, és részt vesz a reakcióban aktív fémként.
A szerves anyagok reakcióit nagymértékben meghatározzák főkomponensek - szén, oxigén és nitrogén tulajdonságai. A külső héjuk "hajlamos" arra, hogy teljes mértékben feltöltse a 8 elektront.
Önmagában, a szén-dioxid csak 4 elektronok a külső pályák, és elkötelezett a kovalens kötések képződését, amely képes lenne, hogy vagy nekik vagy kap extra 4. Például, a legegyszerűbb szerves vegyület a metán. egy szénatom kapcsolódik négy hidrogénatomhoz, "az" elektronokat "osztja" velük, és teljes mértékben kitölti a külső pályáit. Az atom "teljesen elégedett".
Amikor a vegyész ugyanazt a metán a vegyületek más vegyületek szintézisénél, meg kell találnia a módját, hogy kijátszani ezt a „teljesen elégedett” atomátvivő át az energia gáton, úgy, hogy ez „keresi a módját” a # 8209, a másik, hogy kezelni a külső orbitális. A korlát leküzdésére különböző módszerek alkalmazhatók - például az ultraibolya, a magas hőmérséklet vagy akár az elektromos kisülések (vagy ezek mindegyike egyidejű) működtetése. De az ilyen frontális megközelítés alkalmazható a laboratóriumban, de nem az iparban, ahol óriási költségeket igényel.
Ezért 1912-ben a Nobel-bizottság tiszteletben tartotta Victor Grignard francia vegyész érdemeit. aki először megtalálta az elegáns módját, hogy "becsapja" a szén és reagáljon - használjon fémkatalizátort, magnéziumot. Mivel csak 2 elektron van a külső keringési pályán, a magnézium könnyedén adja őket szénhez, és nagyon vonzó reakciópartnerként működik.
Ha ugyanazt a metánt példázzuk, akkor az atomok hidrogénnel történő elosztása helyett a szén visszahúzhatja egy pár magnézium-elektronot, általában szinte teljesen elveszi azokat. De ez valóban trükkös trükk: a szén ionvá válik, mert van egyensúlyhiány a pozitív töltésű mag és az elektronhéja között, amely kétpontos előnyhöz jut. Ez az egyensúlytalanság teszi az atomot "agresszív", ahogy a vegyészek azt mondják, más szénatomokra támad és kovalens kötést képez velük.
A Grignard reakciója a szerves kémia és a vegyipar fontos eszközévé vált. Ezzel a tudósok és a technológusok sikerült szintetizálni a szerves vegyületek tömegét. Azonban, amikor különösen nagy és összetett vegyületekre jutott, a magnézium és a szerves anyagok által előállított Grignard reagensek alkalmazása számos nehézséggel szembesült. Amikor számos lehetőség merül fel, mielőtt a leírt "megtévesztett és agresszív" szén, amely a többi szénből támad, nem habozik sokáig, és bárki számára elfogadható, aki elég közel járt. Ennek eredményeképpen hatalmas mennyiségű különböző és nevetséges vegyület keletkezik, és a keresett hozama túl alacsony.
Ez a probléma megoldható egy hatékonyabb katalizátor - palládium használatával, amely Richard Heck alapul. 1977-ben, Hake munkájából kiindulva, Eichi Negishi létrehozott egyfajta Grignard-reagens-változatot, amelyben cinket használt magnézium helyett. Ez önmagában nem eredményezi a szén aktívabbá tételét, de itt jön a reakció második résztvevője, egy másik szerves radikális, jóddal és palládiummal kombinálva. Ezekkel a csoportokkal való kölcsönhatás során úgy orientálódnak, hogy egy pár szén "találkozik" olyan palládiummal, amely elég közel ahhoz, hogy azonnal reagáljon közöttük (lásd a bal oldali ábrát).
Néhány évvel később az Akira Suzuki a cinket lágyabb és kevésbé mérgező bórral helyettesítette. Ez lehetővé tette a technológia szélesebb körű és egyszerűbb alkalmazását az iparágban. Ma a Suzuki-reakció segítségével több ezer tonna különböző vegyületet szintetizálnak, például a mezőgazdaságra fungicideket. E módszerek alkalmazásával lehetséges még egy valódi szerves kémiai dinoszaurusz, a palitoxin mérgező molekula. beleértve a 129 szénatomot, 223 hidrogént, 3 nitrogént és 54 oxigént.