Na Lajbnic institutu za katalizu u Rostoku, dr Johanes Fesler je razvio nove metode za sintezu prekursora lekova koristeći katalizatore napravljene od gvožđa, mangana i kobalta. Svaki od ova tri hemijska elementa ima potencijal da zameni brojne plemenite metale koji se obično koriste u organskoj hemiji za katalizu finih hemikalija.
Platina i paladijum su, na primer, skupi zbog svoje retke pojave, njihova ekstrakcija je skupa i oslobađaju velike količine gasa staklene bašte CO2. Stoga je jedan od ciljeva „zelene“ hemije da se u budućnosti odustanu od takvih plemenitih metala u organometalnoj katalizi.
Johanes Fesler je svoje nalaze stekao u okviru svoje disertacije koju je odbranio u januaru. On je o tome izveštavao u Chemical Science, zajedno sa svojim doktorskim supervizorom, prof. dr Matijasom Belerom i vođom njegove istraživačke grupe, dr. Kathrin Junge. Na primer, možete pročitati kako se kompleksan kandidat za aktivni sastojak na bazi pirola, uobičajenog prekursora leka, stvara od „jednostavnih početnih materijala“ uz pomoć homogenog gvožđa otpornog na kiselinu i na sobnoj temperaturi.
„Homogena“ kataliza znači da su polazni materijali, katalizator, rastvarač i na kraju proizvod i nusproizvod rastvoreni u jednom reakcionom sudu. Stoga se moraju odvojiti nakon svakog koraka reakcije, prečistiti i pripremiti za sledeći korak, kako objašnjava dr Fesler.
„Ako uspete da sačuvate jedan od ovih koraka u hemijskom procesu, značajno ćete smanjiti količinu vremena i materijala koji su potrebni i minimizirati otpad. Upravo to je postigao reakcijom na pirol, koristeći reakcionu kaskadu.
Zamena plemenitih metala kao katalizatora gvožđem i slično, postala je privlačna tema istraživanja na međunarodnom nivou. LIKAT je izgradio snažnu ekspertizu u ovoj oblasti tokom proteklih nekoliko godina. Johanes Fesler procenjuje da četvrtina njegovih mladih kolega na institutu radi na katalizi neplemenitih metala u svojim doktorskim tezama.
S jedne strane, ovaj rad pomaže u očuvanju resursa. Dr Fesler kaže: „Zadatak klimatski neutralnog, održivog upravljanja suočava se sa hemijskom industrijom kao i sa svim drugim sektorima.“ Gvožđa ima u izobilju i čini 5% Zemljine kore. A posle gvožđa i titanijuma, mangan je najčešći prelazni metal (ovo ime potiče od njegovog mesta u periodnom sistemu) na Zemlji.“
S druge strane, postoji razlog zašto su bazni metali do sada igrali samo marginalnu ulogu u organskoj hemiji. „Oni su često manje stabilni u katalitičkim procesima od katalizatora napravljenih od plemenitih metala“, kaže dr Fesler. „Pored toga, oni obično rade na visokim temperaturama i pritiscima u oblasti koju istražujem.
Međutim, takvi teški uslovi bi uništili složene molekule u proizvodnji lekova. Posebno su ugrožene hemijske strukture koje obezbeđuju specifično dejstvo leka, takozvane funkcionalne grupe u molekulu.
U tom pogledu, veliki je uspeh pokazati kako se katalizatori napravljeni od gvožđa, mangana i kobalta ponekad mogu snaći sa znatno blažim uslovima reakcije u odnosu na prethodnu praksu.
U slučaju pirola, to su temperature između 20 i 30 stepeni Celzijusa. Eksperimenti Johanesa Feslera otkrili su još jednu prednost njegovog pristupa: njegovi katalizatori koji nisu plemeniti metali su veoma precizno konvertovali samo one molekule koji su hemičarima bili potrebni u stvarnoj sintezi. „Ovaj pristup nazivamo visoko selektivnim. On ne proizvodi gotovo nikakve nusproizvode ili otpad.“
Johanes Fesler je testirao pouzdano funkcionisanje svoje reakcije na različite aktivne sastojke i prekursore lekova. „Želeli smo da budemo sigurni da katalizator gvožđa takođe aktivira pravo mesto u molekulu za ove supstance i poštedi osetljive funkcionalne grupe.“ Na ovaj način, hemičar je testirao svoj metod na široko korišćenim lekovima za snižavanje holesterola i lekovima za krvni pritisak, između ostalog.
Konačno, kaskadna reakcija pomenuta na početku zahteva supstancu koja sadrži azot zvanu nitroaren kao početnu supstancu, koja se hidrogeniše u prvom koraku upotrebom mravlje kiseline i komercijalno dostupnog katalizatora gvožđa, a zatim odmah prolazi kroz sledeću reakciju da bi se formirao pirol. Pirol je uobičajena fina hemikalija u farmaceutskom sektoru. To je jedan od heterocikla, jedinjenja ugljenika u obliku prstena u kojima je jedan atom ugljenika (C) zamenjen drugim elementom, npr. azot (N).
Kaskadna reakcija se sastoji od dva koraka. U prvom, nitroaren je hidrogenizovan da bi se formirao amin, takođe poznat kao anilin, benzenski prsten sa amino grupom (NH 2 ), koji odmah ulazi u sledeću reakciju. U ovoj sledećoj reakciji, drugom koraku, amino grupa reaguje sa dikarbonil jedinjenjem uz eliminaciju vode. Tako se kondenzuje i formira pirol.
Kaskada uspeva zahvaljujući kiseloj sredini, za koju je odgovorna mravlja kiselina u dvostrukoj funkciji, kao redukciono sredstvo i kao kiselina. Međutim, ovo zahteva katalizator koji dobro funkcioniše u kiselim uslovima. Upravo je to slučaj sa katalizatorom na bazi gvožđa koji je koristio Johanes Fesler.
