MTA Kémiai Tudományok Osztálya
Felolvasóülés, 2012. november 20.Iván Béla
MTA Természettudományi Kutatóközpont, Szerves Kémiai Intézet, ivan.bela@ttk.mta.hu
Jól definiált szerkezetű funkciós polimerek szintézise – reakcióik és alkalmazási lehetőségeik
Összefoglaló cikk:
Iván Béla, Fodor Csaba, Haraszti Márton, Kali Gergely, Kasza György, Mezey Péter, Osváth Zsófia, Pálfi Viktória, Pásztor Szabolcs, Soltész Amália, Szabó Ákos, Szabó Sándor, Szanka István, Szarka Györgyi, Verebélyi Klára: Makromolekuláris építészet funkciós polimerekkel: szintézisük, reakcióik és alkalmazási lehetőségeik a nanovilágtól a katalízisen át a gyógyászatig (Magyar Kémikusok Lapja, 2012. május)***
Beszélgetés Iván Bélával
Az előadás számos példát mutatott a polimerek technológiai alkalmazására. Az ipar „közelsége” megkönnyíti vagy megnehezíti a polimer vegyész munkáját?
Mi nagyon szívesen működünk együtt iparban dolgozó kollégákkal. Az elmúlt évtizedben hazai és külföldi cégekkel együttműködve, nem egy esetben nagy kihívást jelentő ipari probléma kutatásával foglakoztunk, amelyek közül többet igen sikeresen oldottunk meg. Ezek némelyike világszerte szabadalmi védettséget is nyert. Alapkutatási problémák esetén azonban nemigen gondolkozunk azon, hogy azt az ipar, a kémia, a mérnökség, a fizika, a biológia vagy az orvostudomány vetette-e föl, hanem a megoldására koncentrálunk. Természetesen munka közben konzultálunk vagy együttműködünk a mérnökökkel, mikrobiológusokkal, orvosokkal.
A felfedező kutató az ötletek nyomán indul el, és a nehézségeket leküzdve vagy eljut a célig, vagy egy ponton föladja a kutatást. Esetleg később máshogy folytatja. El szoktam mesélni a fiataloknak, hogy amikor a kváziélő karbokationos polimerizáció direkt láncvégi funkcionalizálását kíséreltem meg, több mint 140 sikertelen kísérletet tudhattam magam mögött. Egy hosszabb ideje érvényesnek tartott kémiai reakciómechanizmus alapján próbáltam megvalósítani a láncvég funkcionalizálását, és el kellett jutnom oda, hogy nem jó a mechanizmus. Tudtam viszont, hogy aldehidekkel kationos körülmények között nagyon jól reagál az allil-trimetilszilán, és mások már próbálkoztak karbokationokkal is. Ha ez így van, gondoltam, beinjektálom az anyagot a polimerizációs rendszerbe, és mivel karbokationt alakítottam ki a láncvégen, reagálnia kell. Reagált. Utána több kísérletsorozatot hajtottam végre: a legkülönbözőbb körülmények között igazoltam, hogy a reakció valóban úgy játszódik le, ahogy vártuk. A magyar származású Joseph P. Kennedy professzor, akinek a laboratóriumában vendégkutatóként ezeket a kutatásokat végeztem, a kezdeti sikeres eredmények után kérdezte, mit tüsténkedem annyit a laborban. Ismétlem a kísérletet, amíg biztos nem vagyok az eredményben – mondtam. Waste of time, waste of money – válaszolta. Azért én folytattam a munkát, és utána már ő is büszke volt arra, hogy milyen nagy számú kísérlettel igazoltuk a reakció lefolyását.
Miben különbözik egymástól egy polimer kémiai és egy szerves kémiai labor?
Leginkább abban, hogy a polimerizációs reakciók jelentős része nagyon érzékeny az oxigénre; ezek a gyökös reakciók, de ilyen például az etilén és a propilén polimerizációja is Ziegler-Natta-katalizátorokkal. A karbokationos és az anionos polimerizációt viszont a protikus szennyezők, elsősorban már igen kis mennyiségű víz jelenléte veszélyeztetik. A metatézis reakciók számos körülményre, például oxigén, nedvesség jelenlétére érzékenyek, de ilyen folyamatokat a szerves kémikusok is használnak nagy tisztaságú körülmények között.
Az előadásnak már a címében is szerepeltek a „jól definiált szerkezetű” polimerek, amelyeknek a megjelenését – mint mondta – paradigmaváltásnak tartják a szakmában.
A hagyományos láncpolimerizációk esetén négy alapvető kémiai lépés – az iniciálás, a láncnövekedés, a lánczáródás és a láncátadás – egyidejűleg játszódik le, ami többféle láncvégi csoporttal és széles molekulatömeg-eloszlással rendelkező makromolekulák elegyéhez vezet. Ez utóbbi egyes esetekben a feldolgozás szempontjából hasznos is lehet. Ha azonban a makromolekulát tovább akarjuk reagáltatni, és új típusú anyagokat akarunk létrehozni, akkor szűk molekulatömeg-eloszlású polimerekre van szükség, amelyekben a láncvégeknek jól definiált szerkezetű csoportokkal kell rendelkeznie. Az ilyen anyagok előállítására a hagyományos láncpolimerizáció, illetve a hagyományos ipari, lépcsős polimerizációk nagy része nem képes. Az újszerű funkciós polimerekkel egészen különleges, korábban nem ismert felépítésű makromolekulák, kolloidok vagy nanoszerkezetek alakíthatók ki. Ez utóbbiak kapcsán megemlítendő, hogy széles körben azt állítják, miszerint az előttünk álló évszázad ipari forradalma napjaink nanotudományának eredményein fog alapulni.
Milyen út vezet a szűk molekulatömeg-eloszlású polimerekhez?
Ilyen polimereket úgynevezett élő polimerizációval lehet előállítani, melyekben vagy csak iniciálás és láncnövekedés történik, vagy a láncletörő lépések reverzibilisek. Ez utóbbiakat kváziélő polimerizációnak hívjuk. Az első élő (lánczáródás és láncátadás nélküli) anionos polimerizációt Michael Szwarc írta le a Nature-ben, 1956-ban. A kutatók és az ipar azonnal fölismerték ennek az óriási jelentőségét, és utána nagyon sok kutató élő polimerizációval kísérletezett. Ezek különböző mechanizmusokat követő polimerizációk voltak. Többek között például Oláh György is próbálkozott kationos polimerizációval. Az élő anionos polimerizációt kivéve azonban senkinek sem sikerült megfelelő reakciókörülményeket létrehoznia – egészen az 1980-as évek elejéig. Az anionos polimerizáció kutatása közben annyira előrehaladt, hogy 1964-ben már az iparban is alkalmazták: termoplasztikus elasztomerek előállítására, amelyekből például cipőtalpak is könnyen, energiatakarékos módon készíthetők. Ezek az elasztomerek gumiszerűen rugalmasak anélkül, hogy vulkanizálni, térhálósítani kellene őket, ezért még fröccsöntő gépben is lehet „gumit” gyártani.
Az 1980-as évek elején a Du Pontnál fedezték fel egyetlen monomer családra, az akrilátokra és metakrilátokra az „élő csoporttanszfer polimerizációt”. Ez akkora újdonság volt, hogy Washingtonban, az Amerikai Kémiai Társaság konferenciáján, ahol a kutatók először számoltak be erről az eredményről, sajtótájékoztatót tartottak. A Washington Posttól a New York Timesig mindenhol megírták, hogy huszonöt év után sikerült élő polimerizációt létrehozni egyfajta polimerizációval. A hír a New York Times címoldalára került! Ezen kívül eddig csak egyetlen kémiai felfedezés volt híres címlap-sztori: a kinin totálszintézise, 1944-ben – a malária gyógyításának reménye adott okot a hírverésre. Ma élő csoporttranszfer polimerizációval gyártják például a legjobb minőségű - és legdrágább - tintapatronok festékeinek diszpergálóanyagát. Egyedül a Du Pont állítja elő: a vizes közegű tintapatron festékét az általuk élő polimerizációval előállított felületaktív anyag stabilizálja. Ma nincs ennél jobb.
Az 1980-as évek közepén jöttek rá egyidejűleg Japánban és az Amerikai Egyesült Államokban, hogyan valósítható meg kváziélő karbokationos polimerizáció nukleofil anyagok jelenlétében. Ezzel a polimerizációval készül például – 2004 óta – az a sztentbevonó anyag, ami napjainkban évi hatmilliárd dolláros (1320 milliárd forintos) üzlet. Jelenleg mindössze négy cég gyárt ilyet az egész világon. A sztentet főképp szívkoszorúér szűkület, azaz szívinfarktus vagy infarktusveszély fennállása miatt elzáródó erekbe helyezik fel. Kváziélő karbokationos polimerizációval megfelelő szerkezetű biokompatibilis termoplasztikus blokk-kopolimert készítenek, ami a sztent bevonóanyagaként beültethető a szervezetbe. A korábbi sztentek 70-80 vagy akár nagyobb százaléka gyulladást váltott ki, ezért a betegeknek sokáig antibiotikumot kellett szedniük. Most viszont helyi gyulladáscsökkentő gyógyszert tartalmaz a bevonat, amit szép lassan bocsát ki a szervezetbe: így a gyulladásos esetek száma 5 százalékra csökkent. Ez ennek a kémiának köszönhető! A henger alakú rugócska, a sztent felületén 20–50 mg polimer van. Évente 10–15 millió emberbe ültetnek be sztentet, és ez a szám egyre nő. A sztent-műtét sokkal kisebb beavatkozás, mint amit infarktus után kell esetleg végrehajtani. Ez is azt mutatja, hogy a polimer kémiai alapkutatások hihetetlenül hasznosak, és nagy hozzáadott szellemi értékű termékeket eredményezhetnek. Meg kell itt jegyezni, hogy nagyon sokszor a felfedezés és az alkalmazás között igen hosszú idő telhet el. Ebben az esetben is mintegy két évtized telt el a kváziélő karbokationos polimerizáció felfedezésétől annak orvosi alkalmazásáig. Ez is jól példázza a felfedező kutatások fontosságát, valamint azt is, miszerint sok új tudományos eredmény esetén kiszámíthatatlan, hogy mikor várható, vagy várható-e egyáltalán azok alkalmazása.
Miért mondják, hogy a következő ipari forradalom a mostani nanotudományon alapszik?
Egyrészt azért, mert a világ régóta a miniatürizálás felé tart. Másrészt pedig igen lényeges megjegyezni, hogy bizonyos méret alatt mások az anyagi tulajdonságok, mint a makroszkopikus világban. Ez pedig számos, eddig fel nem merült új lehetőség előtt nyithatja meg az utat mind a kutatások, mind pedig az alkalmazások szempontjából. Például az ezüst a nanométeres tartományban sárgává válik, vagyis a tömbezüsthöz képest új optikai tulajdonságokkal rendelkezik. Amikor megjelenik egy újfajta tulajdonságokat mutató rendszer, sokféle alkalmazási lehetőség merül fel. Ha nanoméretű részecskéket megfelelő funkcionalitással és hatóanyaggal „szerelünk fel” és juttatunk be a szervezetbe, a részecskék várhatóan specifikusak és igen hatékonyak lesznek. Például nemrég adták hírül, hogy egy nanoméretű, dendritikus polimeren alapuló rákellenes gyógyszer tesztelése már a III. klinikai fázisban van. A dendrimerek viszik magukkal a rákellenes hatóanyagot, továbbá olyan csoportokat, amelyek megkönnyítik a vérbeli szállításukat, valamint olyanokat is, amelyek a ráksejtek felületén található receptorokhoz kötődnek, vagy elősegítik, hogy a részecske endocitózissal bekerüljön a sejtbe.
Mint ismeretes, a Richter-gyógyszergyár egyik fő programja a központi idegrendszer betegségeire ható anyagok kutatása és fejlesztése. Az ilyen hatóanyagok alkalmazásának egyik problémája, hogy a vérből át kell jutnia a vér-agy gáton, hogy bekerüljön az idegsejtbe. Bizonyos nanorészecskék átjutnak ezen a gáton. Mint ez a példa is mutatja, nem véletlen, hogy a funkciós polimereken alapuló nanomedicinai kutatások világszerte az érdeklődés középpontjában állnak.
Egy másik példaként említeném, hogy a mikrolektronikában minél kisebb áramköröket igyekeznek gyártani. A fotolitográfiával nem lehet korlátlanul csökkenteni az áramkör-méretet. Ezért olyan, szupramolekuláris kölcsönhatások révén önszerveződő makromolekulákat próbálnak előállítani, amelyek templátként használhatók a kisméretű, elektromosan vezető vagy félvezető elemek (nanodrótok) létrehozására, összekapcsolására.
Hogyan keletkezik a templát?
Például olyan fésűs polimert készítenek kváziélő polimerizációval, amelyben a fő vázhoz két eltérő kémiai szerkezetű polimer lánc (blokk) kapcsolódik. Ha az egyik fázisba reaktánsokat visznek be, a polimer nanoreaktorként működik. Így többek között összefüggő ezüstrészecskéket, ezüstszálat lehet létrehozni: néhány nanométer az átmérője és kitűnően vezeti az elektromos áramot. Több olyan – nagy cégek által is támogatott – kutatási program ismert, amelyek azt próbálják felderíteni, hogyan lehet „fordítva építkezni”, vagyis nem felülről lefelé (aprítással), hanem lentről fölfelé: ehhez megfelelő nanoszerkezetű anyagokat kell előállítani, hogy ebben induljon meg a nanoméretű elemek „gyártása, összeszerelése”. A polimer kémiának, a jól definiált szerkezetű makromolekuláknak többek között ebben is igen fontos szerep jut.
A diagnosztikában is a méretcsökkentés az egyik fejlesztési irány: nagyon kevés anyag nagyon érzékeny reakcióját akarják kihasználni. A Szegedi Tudományegyetemen például Dékány Imre professzor úr csoportja a nanoezüst plazmonrezonanciájának mérésével követi, hogy ez a spektrofotométerrel jól észlelhető jelenség milyen változást okoz különböző biológiai körülmények között, és használható-e egyes jelenségek észlelésére, mérésére. Óriási ipar épül majd erre a méretcsökkentésre, amelynek már látjuk a kezdeteit. Mondok egy példát. Az MIT-n kifejlesztettek egy olyan polimert, amely robbanószerek jelenlétében megváltoztatja a tulajdonságait. A polimert fölviszik egy lapkára, és a hozzá csatlakoztatott elektronika „csipogni” kezd, ha a polimerben levő nanorészecskékre adszorbeálódik a könnyen párolgó robbanószerek néhány molekulája. Ez az eszköz már a piacon is van.
Mikroméretű részecskékkel nem működne?
Az új tulajdonságok megjelenéséhez, például egy katalitikus hatás kiváltásához bizonyos méret alá kell érnünk. Azt tanultuk az iskolában, hogy az ezüst és az arany nemesfém, inaktívak, vagyis a legkülönbözőbb kémiai hatásoknak igen jól ellenállnak. Az aranyat királyvízben lehet legfeljebb feloldani, az ezüstöt salétromsavban, de egyébként nemigen reagálnak más anyagokkal. Ez az állítás már nem igaz: mind a nanoezüst, mind pedig a nanoarany kémiailag igen aktív anyagok. A kolloidkémikusok persze régen is készítettek stabil nanoméretű diszperziókat, és például a Royal Institution of Great Britain-ben ki van állítva a Michael Faraday által több mint százötven éve előállított vörös színű „nano” aranyszol. De a kémia csak nemrég jutott el odáig, hogy „kezdjen valamit” ezekkel a parányi szemcsékkel.
Szisztematikus, sok évig tartó munkával kiderült az általunk tanulmányozott polimer kotérhálókról, hogy az egymással nem elegyedő makromolekulák jól elkülönülő fázisokat hoznak létre, amelyek mérete a 2–50 nanométer tartományba esik. Ez a rendszer is viselkedhet különleges, nanoméretű reaktorként, amelyben a „másik fázis” a reaktorfal. Mi olyan újszerű nanohibrid anyagokat hozunk létre, amely szerves polimerből és szervetlen nanorészecskékből állnak. Ezek közül némelyeknek igen nagy a katalitikus aktivitása, mások meg különleges optikai vagy biológiai tulajdonságokat mutatnak.
Találékony fiatal kollégáimmal érdekes kérdések megoldásán dolgozunk. Most a funkciós makromolekuláris szerkezetek előállítása, tulajdonságainak kutatása folyik szerte a világon, és úgy tűnik, hogy mi – bizonyos vonatkozásban – élen járunk. Az imidazollal funkcionalizált kotérhálóinkra például annyira fölfigyeltek, hogy – számunkra is meglepő módon – rövid egy év alatt hat független hivatkozást kaptunk az erről tavaly megjelent első közleményünkre a világ legkülönbözőbb országaiból. Ez ritka, mert a kísérletes polimer kémiában hosszú időt igényel, amíg eljutunk a publikálható eredményig. Igy aztán ha három évig tart egy kísérletsorozat bárhol a világon, a hivatkozás már nem számít be az impakt faktorba…
Számos diákja van, amivel nem dicsekedhet minden vezető kutató. Hogyan kezdett tanítani, „csapatot építeni”?
Körülbelül 15 éve tanítok polimer kémiát az ELTE-n. Sikerült fiatal kollégáim segítségével létrehozni egy modern oktatási blokkot: ebben szerepel főelőadás, speciális előadások, laboratóriumi gyakorlatok, doktori iskolai kurzus. A munkámat egyetemi magántanári címmel ismerték el, de nem vagyok az egyetem alkalmazottja. A polimer kémiával kapcsolatos képzés összes költségét lényegében a kutatóközpont, illetve a saját csoportom állja. Magyarországon a műanyag- és polimer ipar a legnagyobb vegyipari ágazat. A KSH adatai szerint ugyanannyi értéket termel, mint a kőolaj- és kokszgyártás együttvéve. A gyógyszergyártás a harmadik ebben a sorban. Ebből is, és a világtendenciákból is következik, hogy hazánkban a vegyészek és vegyészmérnökök képzésében a polimer kémiának igen hangsúlyos szerepet kell betöltenie, hogy az egyetemről kikerülő szakemberek legalább a megfelelő alapismeretekkel rendelkezzenek. Ezért az oktatást feladatnak és – mondhatjuk – missziónak is tekintem. A hallgatók pedig jönnek, érdeklődnek, és a tudományos diákköri kutatásoktól kezdve diplomamunka és PhD kutatási témákba kapcsolódnak be, vagy saját ötleteiket igyekeznek megvalósítani. Igen tehetségesek, kreatívak, és nagyszerűen szerepelnek a legkülönbözőbb fórumokon, a Kutató Diákok Országos Versenyén, a fiatalok részére rendezett Innovációs Versenyen, a Tudományos Diákköri Konferenciákon, valamint hazai és nemzetközi konferenciákon. Kutatócsoportunkban minden fiatal kutató részt vesz valamilyen formában az oktatásban, a laborgyakorlatok vezetésében. Az újonnan csatlakozó hallgatóknak ők már társ-témavezetői. A kutatóközpont nyújtotta lehetőségek segítségével ilyen módon igyekszünk hozzájárulni az egyetemi oktatáshoz.
Mostanra már büszkébb vagyok azokra a fiatal kutatókra és egyetemi hallgatókra, akik a csoportunkban dolgoztak/dolgoznak, és az ő eredményeikre, mint a saját kutatásaimra. A következő években a fiatalok tehetségének kibontakoztatására próbálok még nagyobb hangsúlyt fektetni, és ennek érdekében az eddigieknél is nagyobb erőfeszítéseket tenni.
Silberer Vera