Významný americký vědecký časopis Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (ve zkratce PNAS), který vydává americká Národní akademie věd, tento týden zveřejnil studii vědců z pražského Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského. Těm se podařilo vypracovat teoretický model, který postihuje energetiku reakcí, při nichž se štěpí vazba mezi atomy uhlíku a vodíku. Díky němu byli schopni například vysvětlit, jakým způsobem lze docílit štěpení silnějších vazeb na úkor těch slabších, přítomných v téže molekule. Publikovaný článek bude mít význam jak pro rozšíření znalosti o fyzikálně-chemických vlivech na kinetiku přenosu atomu vodíku, tak pro možnost racionálně vyvíjet katalyzátory s vyšší účinností a selektivitou, třeba ve farmaceutickém průmyslu.
Praha, 26. září 2018
Řada enzymů je schopna štěpit velmi silné chemické vazby utvořené mezi atomy uhlíku a vodíku (zkráceně vazby C‒H), a tím v přírodě iniciovat spoustu chemických přeměn. Štěpení těchto vazeb je podstatné také v mnoha průmyslových aplikacích, zejména pak v organické katalýze nebo syntéze léčiv. Intuitivně přitom platí, že čím je štěpená vazba slabší, tím je proces snadnější, což odpovídá nižší energetické bariéře reakce.
Skupině pracovníků z Heyrovského ústavu, tvořenou Martinem Srncem, Danielem Bímem a Mauriciem Maldonado-Domínguezem, doplněnou navíc o Lubomíra Rulíška z Ústavu organické chemie a biochemie, se nyní podařilo popsat dosud neznámý příspěvek, který odporuje tomuto intuitivnímu chování. Faktor asynchronicity, jak svůj objev pojmenovali, mimo jiné vysvětluje, proč jsou některé enzymy schopny přednostně štěpit silnější vazby C‒H, před vazbami slabšími.
„Teoretický model jsme zformulovali na základě kvantově chemických výpočtů, na nichž má zásluhu především Daniel Bím. Podle tohoto modelu lze neintuitivní chování přisoudit rozdílným termodynamickým hnacím silám pro přenos elektronu a protonu – částicím, z nichž se atom vodíku skládá.“ vysvětluje vedoucí výzkumu Martin Srnec. „Námi pozorované vlastnosti lze navíc velmi snadno počítat i měřit, což umožňuje snadné využití modelu experimentálními i teoretickými chemiky,“ dodává.
Článek publikovaný v prestižním americkém magazínu PNAS má význam jak pro rozšíření znalosti o fyzikálně-chemických vlivech na reakční bariéru přenosu atomu vodíku, tak pro možnost racionálně vyvíjet katalyzátory s vyšší účinností a selektivitou vůči různým vazbám substrátů.
Martin Srnec se studiu selektivní aktivace vazeb C‒H začal věnovat už před několika lety, během jeho postdoktorální stáže na Stanfordově univerzitě v Kalifornii. Tam se mezi lety 2011 a 2013 věnoval spektroskopické analýze geometrických a elektronových vlastností metaloenzymů. Až po návratu do Prahy se se svým týmem pustil do vývoje metodologie pro přesný výpočet veličin popisujících schopnosti látek na sebe vázat atom vodíku, elektron nebo proton. Před rokem a půl pak začali výpočetně studovat vliv těchto vlastností na reakční bariéru spjatou s oxidací vazeb uhlíku a vodíku, což vedlo k výsledkům publikovaným právě v americkém časopise PNAS.
„Naše práce samozřejmě zdaleka není u konce. Cítíme, že jsme v rámci našeho kvantitativního modelu asynchronicity schopní dále obsáhnout více teoretických konceptů, které se během dlouhých let rozvíjely na různých místech po celém světě, některé třeba již od 70. let minulého století,“ upřesňuje Srnec, a vysvětluje: „Sjednocením těchto konceptů chceme zjednodušit popis termodynamických vlivů na kinetiku spřaženého přenosu elektronu a protonu. Zároveň chceme tento model převést do stavu, který umožní spolehlivé a rychlé předpovědi ohledně reaktivity a selektivity vůči různým vazbám nejen mezi uhlíkem a vodíkem.“
Podle Srnce by právě toto mohlo nalézt pozitivní odezvu v průmyslu – a to hlavně při vývoji nových syntetických přístupů či katalyzátorů, které by významně zefektivnily provedení reakcí s velkým společenským dopadem, jakou je například produkce metanolu z metanu.
„Mnoho chemických přeměn v nás a kolem nás stojí a padá s přenosem atomu vodíku, s trochou nadsázky se proto s konceptem asynchronicity v každodenním životě již běžně setkáváme, jen jsme o tom doposud nevěděli. Jde o všudypřítomný fyzikální jev,“ uzavírá Srnec.
Poznámka pro editory:
RNDr. SRNEC Martin, Ph.D., působí v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského v oddělení teoretické chemie. V letech 2011 – 2013 působil na americké Stanford University v rámci postdoktorandské stáže. Za svou práci získal ocenění Otty Wichterleho a Jana Evangelisty Purkyně.