Strona główna

Archiwum z roku 2002

Spis treści numeru 12/2002

Patriota chemii
Poprzedni Następny

Badania naukowe

Życie musi być kompletne, dlatego chcąc zajść daleko trzeba być gotowym 
na ciągłe zmiany, nie stać w miejscu. Praca naukowca powinna zawierać 
element poszukiwania czegoś nieoczekiwanego. Wtedy będzie miała sens.

Mariusz Karwowski

Fot. Stefan Ciecha

Prof. Mieczysław Mąkosza, kierownik IChO PAN

Czy naukowiec może uważać się za artystę? Pytanie wydaje się na pozór błahe i bezzasadne. Ale tylko na pierwszy rzut oka. Bo okazuje się, że owszem może, ba, nawet jest artystą, ale pod warunkiem, że porusza się po takim obszarze „sztuki”, jaką jest chemia organiczna. Opiera się ona na analogiach i ekstrapolacjach, dlatego tak przydatne są w niej intuicja, artystyczna wyobraźnia, specyficzne myślenie.

– Chemia jest nauką ścisłą, jednak z uwagi na ogromną liczbę parametrów decydujących o przebiegu reakcji, wynik eksperymentu nie jest jednoznacznie przewidywalny. W dużym uproszczeniu, o ile w matematyce dwa plus dwa zawsze jest cztery, to w chemii organicznej powinno być. Na podstawie znanych przesłanek można oczekiwać określonego efektu, lecz przewidywania te muszą być weryfikowane eksperymentalnie – tłumaczy obrazowo prof. Mieczysław Mąkosza, dyrektor Instytutu Chemii Organicznej PAN.

PRZYPADKOWE STUDIA

Sukces eksperymentu, który w tej dziedzinie z natury rzeczy ma charakter jakościowy, zależy w dużym stopniu od prowadzącego doświadczenie i doboru przez niego odpowiednich parametrów. W chemii organicznej negatywny wynik badania nigdy nie jest ostateczny, podczas gdy pozytywny – zawsze. A co, jeśli właśnie nie intuicja i wyobraźnia pomagają dobrać właściwe parametry? Stąd w każdym chemiku drzemie dusza artysty.

– Chemia organiczna oprócz wiedzy wymaga wyobraźni, śmiałych skojarzeń i umiejętności łączenia faktów oraz zależności na pozór nie związanych ze sobą, a także budowania hipotez często niezgodnych z obowiązującymi poglądami. Połączenie tych elementów stanowi o sukcesie eksperymentu.

Prof. Mąkosza kieruje Instytutem Chemii Organicznej PAN od 1979 roku. W ostatnich kilku latach wymieniany był nawet wielokrotnie jako kandydat do Nagrody Nobla. I pomyśleć, że jeszcze w szkole średniej prawdziwą jego miłością była... fizyka. Chemikiem został niejako z przypadku.

– Zostałem zakwalifikowany na studia w ZSRR, jednak przed samym wyjazdem dowiedziałem się, że na fizykę nie ma miejsc, ale są za to na chemię. Po kilku miesiącach nauka ta wzbudziła we mnie tak duże zainteresowanie, że zdecydowałem się przy niej pozostać.

Fot. Stefan Ciechan

Spektrometr magnetycznego rezonansu jądrowego 
„Varian” – 400MHz

Studia, najpierw w Rostowie nad Donem, a później w Leningradzie, były jednak tylko przedsionkiem do wielkiej kariery. Po powrocie do kraju rozpoczął pracę w Politechnice Warszawskiej. Pod koniec lat 50. na zlecenie przemysłu farmaceutycznego podjęto tam próbę opracowania metody produkcji pewnego leku. Na podstawie doniesienia nieznanego francuskiego chemika, które w ówczesnym stanie wiedzy było mało prawdopodobne, opracowano nowy, bardzo skuteczny i ekonomiczny sposób prowadzenia reakcji w układach dwufazowych, katalizowanych solami tetraalkiloamoniowymi. Opracowanie to znacznie wyprzedzało znane rozwiązania w skali światowej i zostało niezwłocznie wdrożone do produkcji.

– Jest to wyjątkowy przypadek wprowadzenia w Polsce najnowszej technologii do przemysłu znacznie wcześniej niż w innych krajach. Ten duży sukces praktyczny zainspirował mnie do podjęcia głębszych badań nad istotą procesów chemicznych, mechanizmem tego nowego typu katalizy, a przede wszystkim możliwościami zastosowania w syntezie. Badania te były przedmiotem mojego doktoratu. Może to zabrzmi pretensjonalnie, ale miałem poczucie misji, odkrywania czegoś nieznanego. Nie szedłem przetartymi już szlakami, tylko eksplorowałem zupełnie nową dziedzinę, której nikt na świecie, również mój promotor, nie znał. Byłem więc dla siebie sterem, żeglarzem, okrętem.

Rzadko się zdarza, by promotor wiedział mniej od podopiecznego, ale w tym wypadku tak właśnie było. Kataliza przeniesienia międzyfazowego była nowym obszarem, którego nikt nie znał. Problem tkwił w tym, iż substancje organiczne, mające budowę kowalencyjną, nie rozpuszczają się w wodzie, a ich reakcje z reagentami jonowymi prowadzono w roztworach całkowicie odwodnionych rozpuszczalników organicznych. Nie dość, że jest to zbyt kosztowne, to jeszcze ma ujemny wpływ na środowisko.

– Badania poznawcze i aplikacyjne prowadzone przed i po doktoracie, wykazały bardzo szerokie możliwości zastosowań praktycznych tej metodologii w syntezie organicznej, a także wyjaśniły podstawowe elementy mechanizmu procesu. Dopiero na początku lat 70. pojawiły się publikacje autorów z USA, Niemiec, Szwecji i innych krajów, traktujące o tych zagadnieniach. Istotą Phase-Transfer Catalysis (PTC), czyli katalizy przeniesienia międzyfazowego, jest ciągłe wprowadzanie reagujących anionów do niepolarnej fazy organicznej w postaci soli z kationami tetraalkiloamoniowymi. Obecnie ta metodologia jest stosowana w setkach procesów przemysłowych, a wartość produktów chemicznych produkowanych z użyciem PTC liczona jest w miliardach dolarów.

 CZAS NA ZMIANY

Fot. Stefan Ciechai

Spektrometr masowy AMD – 604

Okazało się, że wiele reakcji, prowadzonych do tej pory w bezwodnych rozpuszczalnikach organicznych, można prowadzić stosując układy dwufazowe, złożone z wodnych roztworów wodorotlenków sodu czy potasu, łatwo dostępnych, a przy tym tanich katalizatorów – często bez rozpuszczalników organicznych – w obecności soli tetraalkiloamoniowych. Co więcej, ta nowa metoda cechuje się lepszą wydajnością oraz znacznie lepszą selektywnością. Pionierskie prace prof. Mąkoszy z zakresu katalizy przeniesienia międzyfazowego są dziś bazą wyjściową wielu innych projektów badawczych. Jest to zresztą zjawisko najbliższe mu emocjonalnie. Aczkolwiek dawno już się nim nie zajmuje.

– Mimo ogromnych możliwości praktycznych PTC i dużego zainteresowania na świecie tą tematyką, pod koniec lat siedemdziesiątych całkowicie zmieniłem obszar badawczy. Uważam bowiem, że w pracy naukowej trzeba nieustannie poszukiwać czegoś nowego i nieoczekiwanego. Może ta decyzja nie była najszczęśliwsza, gdyż było jeszcze wiele rzeczy w tej dziedzinie, wymagających wyjaśnienia, zbadania, ugruntowania, ale mnie to już wtedy nie bawiło. Uważam, że do uzyskania sukcesu w nauce trzeba zmieniać obszary. Zajmowanie się przez całą karierę jednym problemem jest wręcz szkodliwe, bo zawęża horyzonty.

Oprócz badań nad zastosowaniem katalizy w syntezie organicznej, prof. Mąkosza wniknął też w teorię samego procesu. Dowiódł, że kataliza to nie tylko układ ciecz – ciecz czy też ciało stałe – ciecz. Okazało się bowiem, że także w układzie stały wodorotlenek – rozpuszczalnik organiczny rolę katalizatora mogą z powodzeniem spełniać łatwiej dostępne sole tetraalkiloamoniowe. Jeszcze później udało się w syntezie organicznej wyeliminować niekorzystnie działające wodorotlenki sodu czy potasu i zastąpić je węglanami.

Zgodnie ze swoim życiowym credo, prof. Mąkosza koncentruje teraz swoją uwagę na reakcjach tzw. związków aromatycznych, m.in. pochodnych benzenu czy naftalenu. Zamianę atomu wodoru innymi podstawnikami przeprowadzało się w reakcjach z czynnikami elektrofilowymi (np. reakcje nitrowania Friedla-Craftsa), podczas gdy podobne reakcje, tyle że z anionami lub innymi cząstkami z parą elektronów, tzw. nukleofilami, nie były znane. Oryginalna koncepcja prof. Mąkoszy zakłada możliwość podstawienia wodoru w reakcji z czynnikiem nukleofilowym. Zastępowany atom wodoru odchodzi w postaci kationu, pod warunkiem odejścia w wyniku reakcji grupy lub atomu z parą elektronową, np. anionu chlorkowego, od atakującego reagenta nukleofilowego. W toku badań założenie okazało się słuszne i nowa reakcja, nazwana Vicarious Nucleophilic Substitutions (VNS), szybko znalazła zastosowanie zarówno w syntezie organicznej, jak i w przemyśle.
Nie ma chyba większej satysfakcji dla chemika organika od tej, gdy widzi, że to, co na podstawie własnych koncepcji zrealizował w skali gramowej czy miligramowej, zaczyna później funkcjonować w skali produkcyjnej. Prof. Mąkosza nieraz odczuwał taką satysfakcję.

– Ci, którzy twierdzą inaczej, widocznie nie doznali tej satysfakcji. To jest tak, jak z tygrysem, który dopóki raz człowieka nie zjadł, będzie go unikał. Ale jak raz go zje, to będzie na niego polował.

KOMERCYJNE MYŚLENIE

W Instytucie Chemii Organicznej sporo badań prowadzi się dla przemysłu. To jeden ze sposobów zdobywania środków na badania naukowe. Pieniędzy na te ostatnie nie ma zbyt wiele, a przyszłość też nie rysuje się w różowych barwach.

– Niestety, deklaracje polityków, niezależnie od opcji, o zamiarach i konieczności budowy społeczeństwa opartego na wiedzy, nie znajdują potwierdzenia w działaniach. Ten pogląd opieram nie tylko na ciągle zmniejszających się nakładach budżetowych przeznaczanych na badania. Nasze środki uszczupla też szereg przepisów wprowadzonych w ostatnich latach, np. VAT i cło od zakupu aparatury badawczej i odczynników, a nawet od darowizn. Za odbiór z urzędu celnego przysłanych nieodpłatnie z USA odczynników Instytut musiał zapłacić ponad 1000 zł!
Trzeba więc zmienić sposób myślenia i zacząć rozumować w komercyjny sposób, bez sentymentów – pracując dodatkowo dla przemysłu, pozyskiwać środki na prace badawcze. IChO wykonuje prace badawcze zarówno dla przemysłu polskiego, jak i zagranicznego. Podejmuje się zleceń większych, bardziej dochodowych, ale także i tych mniejszych. Cóż, szukać pieniędzy trzeba wszędzie. A chemicy organicy są w tej dogodnej sytuacji, że ich dyscyplina jest niezwykle użyteczna, szczególnie w przemyśle farmaceutycznym, uważanym za najbardziej innowacjochłonny. Średnie nakłady na badania w koncernach farmaceutycznych wynoszą ponad 15 proc. wartości sprzedaży, podczas gdy w elektronice 5-6 proc. I oczywiście, jednym z głównych elementów prac badawczych jest synteza związków.

Na pomoc w tym zakresie można liczyć także dzięki kontaktom z zagranicznymi chemikami. Instytut podpisał wiele umów o współpracy z ośrodkami zagranicznymi. Te kontakty oparte są głównie na podobnych zainteresowaniach, sympatiach czy po prostu osobistych znajomościach. Współdziałanie jest skuteczne bowiem tylko wtedy, gdy kilka osób widzi korzyści płynące ze wspólnej pracy.

Prof. Mąkosza wspomina rozmowę, jaką odbył wiele lat temu z jednym z uczonych ze Szwajcarii. Dyskutowali o trudnej sytuacji polskiej nauki, braku możliwości, sprzętu. Wówczas usłyszał od swego zagranicznego kolegi, że może to stwarza polskim badaczom większe wyzwanie intelektualne, bo polegając na własnej głowie, a nie tylko na aparaturze, można stworzyć coś naprawdę istotnego. W tych słowach kryje się zapewne sporo prawdy. Zresztą, zdaniem naszego rozmówcy, obecne wyposażenie w Polsce nie ustępuje w znacznym stopniu zachodniemu. Narzekać można jedynie na organizację pracy. Jednym z pierwszych kroków, jakie prof. Mąkosza podjął po przyjściu do Instytutu, było zerwanie dotychczasowej sztywnej struktury. Uznał, że jest to czynnik hamujący rozwój. Po wielu latach widać pozytywne skutki tej decyzji. Prace prowadzone są w zespołach naukowych, jedne są mniejsze, inne większe, ale przede wszystkim – wydajne.

– To, co potrzeba, mamy. i na szczęście wszystko funkcjonuje. Nie dochodzi do takich kuriozalnych sytuacji, byśmy kupili drogi aparat i używali go trzy godziny dziennie. Byłoby to marnotrawieniem pieniędzy. A nasycenie aparaturą w Polsce jest, moim zdaniem, wystarczające, tylko trzeba utrzymywać ją w ruchu. U nas doktoranci mieszkają zaraz za ścianą i jeśli potrzebują pomiaru, to mogą go zrobić nawet o drugiej w nocy.

CHEMIA TO NIE WSZYSTKO

Określając chemię organiczną mianem sztuki, trzeba mieć na uwadze także jej przekaz. A ten jest niezwykle trudny, trafia z reguły do wąskiego grona odbiorców. Nie ma więc cienia przesady w stwierdzeniu, iż jest to dyscyplina hermetyczna. Kiedy astronom odkryje nową gwiazdę, a biolog – nowe komórki, wszyscy o tym mówią i wiedzą o co chodzi. Tymczasem odkrycie nowej reakcji nie wzbudza żadnych emocji, chyba że zostanie ona użyta np. w syntezie leków. Wówczas dopiero pojawia się zainteresowanie. Ale nie o to przecież chodzi. Istota oddziaływania międzycząsteczkowego jest zupełnie nieprzetłumaczalna na język dostępny przeciętnemu zjadaczowi chleba, a jej zrozumienie to poważny problem. Prof. Mąkosza stara się docierać do studentów za pomocą popularniejszego języka, prostszych sformułowań. Przez 23 lata kierowania Instytutem ani na moment nie porzucił pracy dydaktycznej. Ceni ją sobie na równi z naukową.
– Kiedy obejmowałem funkcję dyrektora Instytutu, postawiłem warunek, że muszę pozostać w Politechnice. Kontakt ze studentami jest bardzo przydatny. Trzeba cały czas być w pogotowiu, bo studenci są nie tylko ciekawymi partnerami w rozmowach, ale też spostrzegawczymi eksperymentatorami. Jedyne, co mnie dziwi, to ich konserwatyzm. Nie zdają sobie sprawy z tego, że okres studiów czy zaraz po studiach jest najlepszy na zmiany. Nie są one przecież kosztowne, bo do tej pory nie zainwestowali zbyt wiele ani czasu, ani pieniędzy, ale wystarczająco już dany obszar opanowali, by móc później być w nim cały czas kompetentnymi. Ciągle walczę z tym zjawiskiem, ale jak na razie skutki są znacznie skromniejsze niżbym sobie tego życzył.
Mimo nawału zajęć profesor znajduje jeszcze czas na przyjemności. Jak mówi, życie musi być kompletne. W czasach studenckich grał w koszykówkę, teraz z chęcią pływa, w zimie szusuje na nartach. Aktywność fizyczna w ogóle bardzo go pociąga. Ale nie może przeżyć dnia także bez strawy duchowej w postaci lektury, choćby kilku stron. Nie mówiąc już o tym, że rozkosze podniebienia też mają dla niego niebagatelne znaczenie. Na pierwszym planie zawsze jednak stawia chemię. 

– Jestem patriotą tej dyscypliny. W mediach chemia postrzegana jest jedynie w kontekście zatruwania i zanieczyszczania środowiska. To błędne wyobrażenie. Chemia organiczna nie jest obecnie na froncie nauk, ale wszystkie te modne dziś dziedziny i cała cywilizacja techniczna funkcjonuje dzięki niej. Problem polega na tym, że przeciętny człowiek tego nie widzi, ponieważ do niego dochodzą produkty końcowe. Na przykład samochód jest w istocie maszyną chemiczną, w której energia reakcji chemicznej przetwarzana jest w energię mechaniczną. Co więcej, jest on zbudowany z produktów przemysłu chemicznego. Chemia jest więc zawsze zapleczem, tym, na czym opiera się produkcja artykułów bezpośrednio służących do konsumpcji. O tym się nie pamięta.

Dzięki swym osiągnięciom prof. Mieczysław Mąkosza już kilkakrotnie występował w gronie nominowanych do Nagrody Nobla. Nie jest zaskoczony, ale jednocześnie, w myśl zasady, że kandydat nie powinien się tym interesować, za niewłaściwe uważa dywagacje na ten temat. Wszystkie spekulacje, bo tylko tak można nazwać te pogłoski, przyjął do wiadomości, ale nic dalej w tym kierunku robić nie będzie. No, może poza odkrywaniem coraz to nowych obszarów chemii organicznej.

 

Komentarze