színes, illatos … vagy büdös? - mdche.u-szeged.hukovacs/szines_illatos_budos.pdf · az el...
TRANSCRIPT
Színes, illatos… vagy büdös?
A kémiai szintézisek, ahogyan nem ismerjük azokat
Kovács LajosSZTE Orvosi Vegytani Intézet
SZTE Szabadegyetem – Szeged III, 2009. május 6.
Az elıadás felépítése
Az út, mely szóba-fogható,nem az öröktıl-való;a szó, mely rája-mondható,nem az örök szó.
Lao-ce: Tao Te King. Az Út és Erény könyve
Révész Sándor: Antall József távolról. Sík Kiadó, Budapest, 1995
Globális problémák• Energiaellátás
– lakossági és közületi energiaellátás– üzemanyagok
• Nyersanyagbázis– kıolaj- és földgázfelhasználás– megújuló nyersanyagok
• Élelmiszerek– élelmiszerellátás– élelmiszerhamisítás, -biztonság– ivóvíz
• Egészségügyi ellátás– gyógykezeléshez való hozzáférés– gyógyszerek– járványok elleni küzdelem
• Környezetszennyezés
A kémia és a szintézisek helye avilágban
• A kémia központi tudomány?– (Encyclopedia Britannica)– Az a tudomány, ahonnan a legtöbb elágazás kezdıdik más emberi
tevékenységek felé (A. T. Balaban, D. J. Klein, Scientometrics 2006, 69, 615)
• A kémia rejtızködı tudomány?– (Kálmán Alajos, a Magyar Kémikusok Egyesületének volt elnöke. Természet
Világa 2007/I különszáma, 138, 3)
• A kémia az anyagi világ vizsgálatával és anyagok elıállításával foglalkozik
• Analízis (görög)1. elemzés, vizsgálat2. matematikai analízis3. vegyelemzés4. lélekelemzés, pszichoanalízis
• Szintézis (görög)1. összefoglalás, egységbefoglalás; valamely anyagnak, jelenségcsoportnak
rendezett, egységes egészbe foglalása;2. két ellentétnek egy magasabb egységben való feloldása, egyesítése;3. (kémia) valamely bonyolultabb vegyület elıállítása egyszerőbb vegyületekbıl– (Bakos Ferenc: Idegen szavak és kifejezések szótára. 2. kiadás. Akadémiai
Kiadó, Budapest, 1974)
Kémiai szintézisek körülöttünk és bennünk
• vegyipar• kıolajipar• gázipar • gumiipar• mőanyagipar• vegyiszál-gyártás• mőszaki-, háztartás-vegyipari és
kozmetikai termékek gyártása• festék- és színezékipar• gyógyszeripar• üveg- és kerámiagyártás
• Természetes folyamatok:• A Földön (geológia) és a világőrben
(kozmológia) lejátszódó folyamatok• élettevékenységek (bioszintézis)
• Emberi tevékenységek:• fémkohászat
– vaskohászat– alumíniumipar
• építıipar• textilipar• papíripar• élelmiszeripar
– pl. kenyérsütés• bırgyártás• mezıgazdaság (fotoszintézis)• biotechnológia (szintetikus biológia)• elektronika• anyagtudomány
– nanotechnológia• stb.
ismert és új anyagok elıállítása kémiai módszerekkel
SZÍNES...
Glen Sligachan, Skye-sziget, Skócia, 2004
A színezékipar, mint a szerves vegyipar bölcsıje
• vas- és acélipar
• kıszén• kıszénkátrány
• kátrányfestékek
• Perkin-ibolya (mauvéine) elıállítása: 1856 (William H. Perkin, 1838-1907)
William H. Perkin2 C10H13N + 3 “O”
N-allil-toluidin
C20H24N2O2 + H2O
kinin
NH
CH3
kinin
H3CO
N
NHO
H
N-allil-toluidin
oxidáció
A Perkin-ibolya (mauvéine) és a kinin
• A Perkin-ibolya (mauvéine) szerkezetfelderítése [mauve(francia) = mályva(színő)]:
– 1888-1893 (O. P. Fischer, E. Hepp);
– 1896 (R. Nietzki)– 1994 (O. Meth-Cohn et al.);– 2007 (A. J. Parola et al.)
kinin
H3CO
N
NHO
H
mauvéineA, B, B2, C
R1, R2 = H, CH3
N
N
NH
H3C
H2N
R2
R1
CH3
A kinin, az elsı malária elleni gyógyszer
• Izolálás kínafakéregbıl: 1817 (P.-J. Pelletier)
• Kínafatermesztés a 19. sz. végéig kizárólag Peruban és a környezıországokban folyt, amelyek megtiltották a magvak exportját
• A holland kormány kicsempészte a magvakat, Jáva szigetén az 1930-as években már a világtermés 97%-át állították elı
• A 2. világháború alatt a németek megszállták Hollandiát, Jávát pedig a japánok, így a kininhez nem tudtak a szövetségesek hozzáférni
• Az USA a Fülöp-szigetekrıl szerzett magvakat és Costa Rican kezdte el a kínafa termesztését, de a késedelem 60.000 katonája életébe került
• Az elsı teljes, laboratóriumi szintézis: 1944-1945 (Woodward, Doering)
• A kinin fontos szerepet töltött be Afrika európai gyarmatosításában a malária elleni védekezés révén The New York Times,
1944, május 4, címoldal
Színezékek, nem csak színezésre• fenolftalein: Adolf von Baeyer
(1871)– sav-bázis indikátor– hashajtó hatású (Vámossy Zoltán,
1902)• indigó
– fontos csávaszínezék– szerkezetfelderítés és szintézis:
A. von Baeyer (1865-1883, kémiai Nobel-díj, 1905)
• metilénkék: Heinrich Caro (1876)– redox indikátor– idegszövetek szelektív festése
• Paul Ehrlich (orvosi Nobel-díj, 1908; Salvarsan 606, 1912)
– methemoglobinémia, malária gyógyítása
• prontosil: Gerhard Domagk (orvosi Nobel-díj, 1939)
– azofesték, baktériumok elleni gyógyszer
– Franklin Delano Roosevelt, Jr. ésWinston Churchill gyógyítása
– szulfonamidok kifejlesztése
V. Finlay: Színek. Utazás a festékes-dobozban, 9. fejezet: Indigó. HVG Kiadói Zrt., Budapest, 2004
A hidrogén-peroxid (H2O2)• színtelenítı- és fehérítıszer
(papír, textil, haj, fogak)• ipari és laboratóriumi
oxidálószer• fertıtlenítı- és
szagtalanítószer• a vízmentes hidrogén-peroxid
lökhajtásos repülıgépek, rakéták üzemanyaga
• 2009-ben a várhatóvilágszükséglet 3.8 millió tonna (Global Industry Analysts, J. Kemsley, Chem. Eng. News, 87, 8 (2009)
• ~ 0,5 kg/fı a fogyasztás• ~ 1,5 USD/kg
Természetes „hajszıkítés”: az ıszülés
barna hajtüszıK. U. Schallreuter et al. Faseb J., 2009, doi:10.1096/fj.08-125435
ısz hajtüszı
A tüzérbogarak “rakétahajtómőve”
1 mm
T. Eisner et al. J. Exper. Biol. 2000, 203, 1265-1275
5 mm
Metrius contractusCarabidae brachina
100 °C
A hidrogén-peroxid gyártása 1.
H.-J. Riedl, G. Pfleiderer (I. G. Farbenindustrie AG.), US2158525, 1939 [Chem. Abstr. 1939, 33, 49 337].
A hidrogén-peroxid gyártása 2.
2.5% Au–2.5% Pd/aktív szén/2% salétromsav vagy ecetsav:> 98%-os szelektivitásJ. K. Edwards, et al., Science 323, 1037 (2009)
ILLATOS...
A vanillin és a 2007. évi kémiai igNobel-díj esete
• A 2007. évi kémiai igNobel-díjat a japán Mayu Yamamoto (International Medical Center of Japan) kapta “vanillin - vanillin illatanyag és aroma - kivonásáért tehéntrágyából.”http://improbable.com/ig/ig-pastwinners.html#ig2007
• A díjazott japán kutató egy ipari megbízást teljesített a Sekisui Chemical cég számára akkor, amikor a ligninben gazdag tehéntrágyát kémiai reakcióban (tehát nem extrakcióval) alakítottaát vanillinné.
• A vanillin elıállítása ligninbıl régóta ismert folyamat és hosszú ideig ezt használták a szintetikus vanillin gyártására, nagyrészt a papírgyártás melléktermékeként keletkezıszulfitlúg feldolgozásával.
• Az éves szükséglet vanillinbıl kb. 12.000 tonna, ebbıl csupán kb. 1.800 tonna fedezhetıvaníliából
• A rendkívül nagy népsőrőségő Japán egyik környezetvédelmi problémája megoldására tettkísérletét ezúttal nem sikerült megértetni a közvéleménnyel és a sajtóval.
“Az igNobel-díj (ignoble: angol; alantas, fölösleges, semmire sem való), a Nobel-díj paródiája... A nemzetközi tudományos élet azon szereplıi részesülhetnek benne, akiknek tevékenysége értelmetlen felfedezésekhez, használhatatlan találmányokhoz vagy egészen egyszerően mulatságos javaslatokhoz vezetett.”http://hu.wikipedia.org/wiki/Ig_Nobel-d%C3%ADj
Kémiai képletek: egy tudomány nyelve
C8H8O3: több százezer lehetséges szerkezet, ezekbıl csupán egyetlen egy a vanillin
O
OCH3
OH
A szagérzékelés
Fráter Gy. Magyar Kém. Lapja, 2009, 64, 6-10.
Az ember 350 receptor segítségével kb. 10.000 szagot tud megkülönböztetni
• Az orrüreg szaglóhámját és az agy szaglógumóját 5-10 millió szaglósejt köti össze, a szaglósejtek végén kb. 10-15 csilló található, melyeken receptorok foglalnak helyet. A receptoroknak 7, membránon átnyúlóhelikális része van.
• Richard Axel, Linda B. Buck (1991)• Orvosi-fiziológiai Nobel-díj, 2004
A parfümök
Hankiss Elemér: Az emberi kaland. 2. kiadás. Helikon Kiadó, Budapest, 1998, 205-218. o.
Citrom-, ibolyaillat és A-vitamin
O O
O O
O
H
-H+
pszeudojonon
α-jonon β-jonon, 75-85 %
citrál
acetonOH-O
OHPPh3
OAcO
10
9
8
76
54
3
2 1
11
12
(E) 13
14
15
OAcBASF-eljárás; 40-50 USD/kg; évi szükséglet: ca. 3.000 t (Pure Appl. Chem., 1994, 66, 1509-1518)
A-vitamin-acetát
1. MeOH, -30 °C2. NaOMe, 0-2 °C, 15 min3. ellenáramú extrakció (-Ph3PO)4. I2 [izomerizáció: 30 % (11Z)-izomer]
Illatok a mosott ruhán...
HO
citronelloltúl jól oldódik vízben
citrus- és rózsafélék illatanyaga
O O
kumarin
szénaillat
OHO
OOH
O
O
H
H
H Hnapfény
spontán folyamat
+
rosszul oldódik vízbenjól tapad a textíliákhoz
Fráter Gy. Magyar Kém. Lapja, 2009, 64, 6-10.
Illatok a hónaljban...
• Jó-e mindez?• A testszag, a párválasztás és az immunrendszer között valószínőleg van kapcsolat• A kozmetikumokkal elnyomjuk a természetes testszagot• Az illatanyagok és más kozmetikumok (is) környezetszennyezést okoz(hat)nak• Fráter Gy. Magyar Kém. Lapja, 2009, 64, 6-10.
O
Corynebacteriumaminoaciláz enzim
NH
OHO
NH
HOCorynebacteriumaminoaciláz enzim
izzadságsav
- L-glutamin
- L-glutamin
CO2H
CO2H
CO2H
CO2H
CONH2
CONH2
izzadságsav
O
O
NH
OH
Phenoxanol
virágillatú
enzim
- L-glutamin- CO2
CO2H
CONH2
BÜDÖS...
• Jilin City, Northeast China's Jilin Province, China Daily,http://www.chinadaily.com.cn/english/doc/2005-11/14/content_494329.htm
• 2005-11-14, 05:10
• http://www.chinadaily.com.cn/english/doc/2005-11/14/content_494543.htm
• 2005-11-14, 21:55
A különbözı gyártási folyamatokban keletkezı hulladék mennyisége
R. A. Sheldon, Green Chem., 2007, 1273-1283.S. K. Ritter, Chem. Eng. News, 2008, 86, 59-68.
7.000 - 15.0000,1 - 100Biotechnológiai termékek
Környezeti faktor (E)
250 - 1.000325.000.000Papír és karton
25 - 10010 -1000Gyógyszerek
5 - 50100 -10.000Finomvegyszerek
< 1 - 510.000 -1.000.000
Nagy mennyiségben gyártott vegyszerek
< 0,11.000.000 -100.000.000
Kıolaj- és földgázfeldolgozás
Hulladék tömege (kg)/termék tömege (kg) (E)
Évente gyártott mennyiség (t)
Iparág vagy termék
8.000Cipı (marhabır, 1 kg)
6.000.000Lakóház
Virtuális víz
http://en.wikipedia.org/wiki/Virtual_water
400.000Személyautó (1100 kg)
10.850Farmernadrág (1 kg)
10.800Vászonlepedı (1 kg)
8.300Pamuting (1 kg)
15.000Marhahús (1 kg)
3.300Tojás (1 kg)
3.400Rizs (1 kg)
1.300Búza (1 kg)
A gyártáshozfelhasznált vízmennyisége(liter)
Termék
környezeti hányados (EQ) = E (környezeti faktor)* Q (szennyezıképesség)mennyiség minıség
A környezettudatos (‘zöld’) kémia 12 alapelve
1. Jobb megelızni a hulladék keletkezését, mint létrejötte után kezelni.2. A szintézisek tervezésénél törekedni kell a kiindulási anyagok maximális
felhasználására (atom-ökonómia).3. Lehetıség szerint már a szintézisek tervezésénél olyan reakciókat célszerő
választani, melyekben az alkalmazott és a keletkezõ anyagok nem mérgezıhatásúak és a természetes környezetre nem ártalmasak.
4. Kémiai termékek tervezésénél törekedni kell arra, hogy a termékekkelszembeni elvárások teljesítése mellett mérgezõ hatásuk minél kisebb mértékőlegyen.
5. Segédanyagok használatát minimalizálni kell, s amennyiben szükséges, ezek"zöldek" legyenek.
6. Az energiafelhasználás csökkentésére kell törekedni.7. Megújuló nyersanyagokból válasszunk vegyipari alapanyagokat.8. A felesleges származékkészítést kerülni kell.9. Reagensek helyett szelektív katalizátorok alkalmazását kell elıtérbe helyezni.10. A kémiai termékeket úgy kell megtervezni, hogy használatuk végeztével ne
maradjanak a környezetben és bomlásuk környezetre ártalmatlan termékekképzıdéséhez vezessen.
11. Új és érzékeny analitikai módszereket kell használni a vegyipari folyamatok in situ ellenõrzésére, hogy a veszélyes anyagok keletkezesét idejében észleljük.
12. A vegyipari folyamatokban olyan anyagokat kell hasznalni, amelyek csökkentika vegyipari balesetek valószínőségét.
Horváth I. T. Magyar Tudomány, 2002, 1585. http://www.matud.iif.hu/02dec/horvath.html
Az ecetsav szintézise• A kezdetek:• C + FeS2 (pirit) → CS2 (szén-diszulfid) Lampadius (1796)• CS2 + Cl2 → CCl4 (szén-tetraklorid)• CCl4 → Cl2C=CCl2 (1,1,2,2-tetraklór-etén, vörösizzáson)• Cl2C=CCl2 → Cl3CCOOH (triklór-ecetsav, napfény, víz)• Cl3CCOOH → H3CCOOH [ecetsav, Melsens (1842),
Kolbe (elektrolízis,1845)]
• A jelenlegi gyakorlat:• Erjesztés (10%)• Metanol karbonilezése ródium
(Monsanto) vagy irídium (BP Chemicals) katalizátor jelenlétében (75%):
• CH3OH + CO → CH3COOH– 100%-os atom-hatékonyság– 99%-os szelektivitás
• Évi szükséglet: 6,5 millió t/év (2005)Török mazsolaecet
A bryostatin 16 szintézise• Rákellenes, memóriajavító szer• 14 tonna Bugula neritina mohaállatból (Bryozoa) 18 g
bryostatin 1 nyerhetı (0,00013 %)• Új szintézis: 26 lépés a korábbi 40 helyett
– B. M. Trost,G. B. Dong Nature 2008, 456, 485-488; A. B. Charette, Nature 2008, 456, 451-453
• A kulcslépések mind atom-ökonomikusak, a kiindulási anyagok minden atomja beépül a végtermékbe
R4 O
CO2CH3
R5
H
C
aranykatalizátor
palládiumkatalizátor
R4HO
CO2CH3
R5
H
R4 OH
CO2CH3
R5
+
HO
H3CO2C
O
OOHH3C CH3
O
CH3
CH3CH3
O
CO2CH3
H3C
H3C
O
O
OHH3C
OH
AB
C
bryostatin 16
Bugula neritina
Honnan tudjuk, milyen anyagot készítettünk?
Egy 800 MHz-es mágneses magrezonanciakészülék (NMR)
Szerkezetvizsgálat
H-7bH-2a
H-7bH-2a
H-4 *H-8
H-4
*H-8
Pádár P., Hornyák M., Forgó P., Kele Z., Paragi G.,N. M. Howarth, Kovács L., Tetrahedron 61 (2005), 6816–6823
N
O
H
O
H H
H
H
HH
H
H
O
O
O O
O
O
A jövı üzemanyagai?• bioetanol?• biodízel?• hidrogén?• metanol?
• 2,5-dimetil-furán (DMF)?– oktánszám: 119– D-glükózból, D-fruktózból,
inulinból, cellulózból nyerhetı• gamma-valerolakton (GVL)?
– oktánszám: 130– cellulóz-tartalmú hulladékokból
nyerhetı– nem mérgezı
H3C O CH3
H3C OO
A cellulóz szerkezete, Polányi Mihály és a tehetségek sorsa
• A Galilei-kör társalapítója: 1908• Orvosi diploma (Budapest): 1913• Párhuzamos kémiai tanulmányok a Karlsruhei
Egyetemen: 1912-1914• Kilenc tudományos publikáció egyetemi évei alatt• Doktori fokozat kémiából: 1917• Berlin, Kaiser Wilhelm Institut: 1920-1933
– a cellulóz szerkezetének röntgenkrisztallográfiás vizsgálata
• University of Manchester:– Department of Physical Chemistry (1933-
1948)– Department of Social Studies (1948-1958)
• Merton College, Oxford (1958-1960)• Nobel- és Wolf-díjas tanítványok:
– Melvin E. Calvin (1961)– Wigner Jenı (1963)– John C. Polanyi (1982, 1986)– Henry Eyring (1980)
• Kripton ipari elıállítása Bródy Imrével közösen: 1929-1933
1891-1976
Czeizel E.: Tudósok, gének, tanulságok. Galenus Kiadó, Budapest, 2006, 153-185 (Polányi), 186-205 (Bródy).Wigner J., Polanyiana, 2002/1-2, 19-62.Bényei A., Polanyiana, 2003/1-2, 91-98.
A cellulóz Iβ szerkezete, P. Langan et al., J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 14300-14306; H. Chanzy et al., Macromolecules, 1991, 24, 2461-2466.
A csillagánizs és Donald Rumsfeldbensıséges kapcsolata
• A csillagánizs (Illicium verum) a sikimisav legfontosabb természetes forrása
• Utóbbi az influenzaellenes Tamiflu®/Oseltamivirszintézisének egyik fontos nyersanyaga
• 2005 novemberében a Bush-kormány 7,1 milliárd dollárt költött Tamiflu® beszerzésére egy esetleges járvány megelızése érdekében. Az akkori védelmi miniszter, Donald Rumsfeld, a gyógyszert gyártó Gilead Sciencesegyik fı részvényese. A döntés nyomán a részvények ára 50%-kal növekedett, ami óriási felháborodást váltott ki [‘Shamiflu’ (shame = szégyen)]
• Most ismét influenzajárvány várható...
csillagánizs(Illicium verum)
Donald Rumsfeld
Ciudad Mexico,2009. április 24.
Magyar Narancs címlap,2009. április 30.
Oseltamivir/Tamiflu®-szintézisek
• A Tamiflu® a Relenza®
mellett jelenleg az egyik leghatékonyabb szer az influenza megelızésében és gyógyításban
• 30 kg szárított csillagánizsból kb. 1 kg sikimisav nyerhetı
• 300 millió, 75 mg-os Tamiflu®-adaghoz 840 tonna csillagánizs kellene...
• Folynak a kísérletek a sikimisav kiváltására...
CO2EtO
NO2
t-BuO2C
S
CO2CH2CH3
O
NO2
t-BuO2C
HS
O
P
O
EtO
EtO
NH
OTMS
PhPh
összhozam:57% (9 lépés3 mőveletbeösszevonva)
oseltamivir/Tamiflu®
Y. Hayashi et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 1304-1307.
Eredeti Roche-eljárás: M. Karpf, R. Trussardi, J. Org. Chem., 2001, 66, 2044-2051.
HO
HO
OH
CO2H
sikimisav
CO2C2H5O
NH2
AcHNösszhozam:
17-22%(12 lépés)
oseltamivir/Tamiflu®
kiindulásianyagok ésreagensek
katalizátor
termék(ek)
Torridon, Wester Ross, Skócia, 2004