Nová metoda pro popis struktury dosud neviděných sloučenin objevena na FT UTB
15. dubna 2021Dnes bychom se rádi pochlubili prací a úspěchy našich chemiků. Výzkumné skupině Roberta Víchy z Ústavu chemie se s novým objevem podařilo dostat se do prestižního vědeckého časopisu The Journal of Organic Chemistry Q1.* Objevili totiž nový způsob jak charakterizovat podobu sloučenin, konkrétně supramolekulárních komplexů.
Výzkumné aktivity ústavu se už roky zaměřují na oblast supramolekulární chemie, kterou se vám v naší sérii JOAHA snažili vysvětlit asi takto:
Zmíněných molekulárních kontejnerů (cyklodextrinů) a jejich interakci s jinými sloučeninami se týká i aktuální úspěch.
Jak popisuje objev otec myšlenky Robert Vícha?
„Přestože cyklodextriny patří mezi nejstarší známé makrocyklické sloučeniny, lze v jejich supramolekulární chemii nalézt stále několik nezodpovězených otázek. Například nebyla dosud známa metoda, která by umožňovala rozpoznat skutečnou podobu (tedy geometrické uspořádání) jejich komplexů.“
To už ale díky práci Robertovy výzkumné skupiny není pravda. Nově objevená metoda spočívá ve využití nukleární magnetické rezonance a koncentrovaného vodného roztoku chloridu vápenatého. Ve spolupráci s Přírodovědeckou fakultou Masarykovy Univerzity a CEITEC se jim tak podařilo prokázat existenci dvou geometrických isomerů.
„Tyto detailní znalosti geometrie komplexů jsou klíčové pro smysluplné návrhy složitějších supramolekulárních systémů, například molekulárních katalytických zařízení, na kterých právě pracujeme.“
Je pro vás organická chemie jako španělská vesnice, ale přesto byste chtěli Robertovým slovům porozumět? Tak čtěte dál, vyzpovídali jsme totiž naše chemiky ve snaze vyždímat co nejjednodušší popis nejen toho, co vlastně dokázali, ale co po jejich boku můžete zkoumat i vy.
Chemie je jako vaření, jen nesmíte olizovat lžičku
Možná jste už tohle rčení zaslechli. A víte co? Není vůbec daleko od pravdy. Přesně tak tráví naši chemici své dny v laboratoři. Vaří nové sloučeniny. Pokud si to představujete jako míchání různých chemických ingrediencí, sledování jejich reakcí a doufání, že vznikne něco dosud nepoznaného, představujete si to správně.
Uvařením to ale zdaleka nekončí, jakmile se vám podaří něco ukuchtit, musíte připravenou sloučeninu podrobit analýzám na všemožných přístrojích, které vám pomohou zjistit, co jste to vlastně vytvořili.
„K tomu využíváme například nukleární magnetickou rezonanci, plynovou chromatografii, hmotnostní spektrometrii, nebo infračervenou spektroskopii. Důležité je nevařit takříkajíc „naslepo“, ale připravovat nové sloučeniny na základě racionální úvahy s představou jejich dalšího možného využití a s cílem jejich vlastnosti detailně prozkoumat. Nám se ročně podaří navrhnout a připravit zhruba třicet nových sloučenin.“, dodává ředitel ústavu, Michal Rouchal.
Od vaření po velký objev
Sloučeninám, na jejichž přípravu se u nás specializujeme, říkáme ligandy. Jsou to vlastně takoví parťáci pro molekulární kontejnery (např. cyklodextriny – aka ten model, co drží Michal Rouchal v ruce ve videu JOAHA), s nimiž vytvářejí různě stabilní a různě vypadající komplexy.
Komplex jazykem supramolekulární chemie znamená, velmi zjednodušeně, vzájemné spřátelení minimálně dvou molekul různých sloučenin. V našem případě si můžete představit ligand jako tyčinku, která vleze dovnitř bezedného kelímku, tedy dutiny molekulárního kontejneru (např. cyklodextrinu) a takové spojení pak nazýváme komplexem.
Několik zajímavých ligandů se na fakultě v roce 2017 podařilo připravit i středoškolskému studentovi Josefu Tomečkovi v rámci Studentské odborné činnosti, kterou realizoval na FT. (Mimochodem neodpustíme si prozradit, že je z něj chemický machr a teď studuje na slavné Trinity College v Londýně.). A tak si celá publikace, o níž se tady bavíme, vysloužila pracovní název „Pepovy ligandy“.
Když se pak začali naši vědci věnovat dalšímu zkoumání a přeměřování vlastností Pepových ligandů, ukázalo se, že stojí za pozornost. A právě pomocí zmíněné nukleární magnetické rezonance pak, po řadě experimentů, přišli na onu kouzelnou přísadu v podobě chloridu vápenatého, která jim konečně umožnila „vidět“ dosud neznámé.
Proč zrovna tento roztok? Díky tomu, že Pepův ligand rozpustili v solném roztoku, mohli naši vědci pracovat při mnohem nižších teplotách než obvykle. Například s kapalinou o teplotě -15 °C, která díky přítomnosti soli nezmrzla (jako chodníky v zimě). Nižší teplota pak způsobila, že se sledovaná interakce cyklodextrinu a ligandu zpomalila (jako moucha v lednici) a bylo možné poprvé pozorovat, jak skutečně vznikající komplex vypadá. Tadá!
Není to jen tak
Zní to možná jednoduše, ale kombinací a přístupů, které do té doby vyzkoušeli, bylo nespočet. Navíc byly tou dobou našimi studenty připraveny další i ligandy (strukturně příbuzné těm Pepovým), které celou studii vhodně doplňovaly. Aby toho ale nebylo málo, získané experimentální výsledky bylo nezbytné podpořit teoretickými výpočty, které spolupracujícím vědcům z Brna zabraly bezmála další 2 roky.
Proč chceme vědět, jak vypadá něco, co není vidět?
Nejen zaměstnanci a doktorandi, ale i ostatní studenti, kteří se na Ústavu chemie podílejí na vědecké činnosti, se zaměřují na základní výzkum. To je takový výzkum, který na základě nových experimentů a teoretické práce vede k hlubšímu poznání základních jevů, nebo principů a nových vědomostí, na které mohou další vědci a experti navazovat ve své práci.
A právě toho jsme docílili. Zvládli jsme významně posunout vědění v oblasti supramolekulární chemie a pomoci tak třeba dalším kolegům, kteří touto problematikou zabývají. Když například potřebujeme molekulární kontejnery ukotvit na nějaký pevný nosič nebo povrch a současně neomezit jejich schopnost vázat vybrané ligandy, je dobré znát upřednostňovanou geometrii komplexu a kotvení provést na opačné straně kontejneru. Tyto poznatky se pak dají využít například při vývoji molekulárních senzorů, přepínačů, katalyzátorů pro chemické reakce nebo systémů pro dopravu a řízené uvolňování bioaktivních látek (tedy nosiče léčiv).
*Proč se radovat z nějakého článku v časopise?
Abyste pochopili, proč mají vědci radost, že jim někde vyjde článek, je potřeba ujasnit si některé pojmy. V akademickém světě hrají velkou roli vědecké časopisy, ty se dle své prestiže řadí do takzvaných kvartilů. A protože slovo kvartil smrdí číslovkou 4, je těchto skupin přesně tolik. Jedna z nejbáječnějších věcí, která se vědci může stát je, že se mu podaří udělat takový objev a napsat o něm tak zajímavý článek, že ho otisknou v časopise, který se řadí do prvního kvartilu, neboli Q1. Tedy do první čtvrtiny nejprestižnějších vědeckých časopisů v daném oboru na celičkém světě. Level vyplavených endorfinů spolu s prožívanými emocemi by se mohl přirovnat v životě normálního člověka k situaci, kdy mu fotku na instagramu nasdílí třeba Beyoncé. Ledabyle pak o tom referují, že se dostali do „kvé jedničky“, snaží se u toho tvářit skromně, ale je to opravdu velká věc, za kterou byste je měli uznale poplácat po rameni, i když vám to neříká vůbec nic.