Przełomowe badania z udziałem naukowców UJ. Dwutlenek węgla może zwiększyć bezpieczeństwo produkcji leków

Bezpieczniejsza produkcja leków może być możliwa dzięki nowej metodzie wykorzystującej dwutlenek węgla (CO2) jako źródło tlenu w ważnej reakcji chemicznej. Międzynarodowy zespół badaczy z udziałem naukowców z Uniwersytetu Jagiellońskiego wykazał, że proces przebiega bez użycia sprężonego tlenu i silnych utleniaczy, co może zmniejszyć ryzyko pożaru oraz wybuchu. Wyniki badań opublikowano w prestiżowym czasopiśmie „Science”.

Bezpieczniejsza produkcja leków dzięki CO2

Produkcja leków, tworzyw sztucznych i substancji zapachowych wymaga wielu reakcji chemicznych. Jedna z najważniejszych polega na przecięciu bardzo trwałego wiązania pomiędzy dwoma atomami węgla, co pozwala otrzymać związki wykorzystywane później w różnych gałęziach przemysłu. Dotychczas w takich procesach często stosowano ozon, związki metali ciężkich lub duże ilości tlenu. Takie rozwiązania wiążą się jednak z większym ryzykiem pożaru, wybuchu oraz powstawania niebezpiecznych odpadów.

Międzynarodowy zespół badaczy postanowił wykorzystać dwutlenek węgla (CO2), który na co dzień uznawany jest za wyjątkowo mało reaktywny gaz. Choć jego atomy tlenu są bardzo silnie związane, naukowcy znaleźli sposób, aby je uwolnić. Przygotowali specjalny stały katalizator zawierający niewielkie ilości żelaza. Po oświetleniu niebieskim światłem materiał umożliwia przeniesienie tlenu z cząsteczki CO2 na przetwarzaną substancję, prowadząc do jej kontrolowanego rozdzielenia na dwa użyteczne fragmenty.

Jak podkreśla Shoubhik Das z Uniwersytetu w Bayreuth, jeden z autorów badań:

Nową metodę sprawdzono na 45 różnych substancjach, obejmujących nie tylko proste związki chemiczne, ale również pochodne leków i hormonów. W typowym eksperymencie po 24 godzinach uzyskano 82 proc. oczekiwanego produktu. Naukowcy przeprowadzili również reakcję w skali gramowej oraz w układzie pracującym w sposób ciągły.

Katalizator wykorzystano dziesięć razy, a jego wydajność po kolejnych cyklach spadła do 70 proc. W innym doświadczeniu cały układ pracował nieprzerwanie przez ponad 21 dni. Jak potwierdzono, że tlen pochodzi z CO2 Badacze musieli udowodnić, że źródłem tlenu rzeczywiście był dwutlenek węgla.

W tym celu wykorzystali CO2 zawierający cięższą odmianę atomów tlenu, która pełniła rolę znacznika. Późniejsza analiza wykazała obecność tego znacznika w produktach reakcji. Potwierdziło to, że tlen został przeniesiony właśnie z cząsteczki CO2.

Naukowcy z UJ i SOLARIS uczestniczyli w badaniach

W projekcie uczestniczyli również prof. Piotr Kuśtrowski z Wydziału Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz dr Lulu Alluhaibi z Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS. W krakowskim synchrotronie naukowcy wykorzystali bardzo silną wiązkę promieniowania rentgenowskiego. Pozwoliło to dokładnie sprawdzić budowę katalizatora oraz obserwować, czy zachowuje swoje właściwości podczas prowadzenia reakcji.

Autorzy podkreślają, że rozwiązanie nadal znajduje się na etapie badań laboratoryjnych. Eksperymenty prowadzono w niewielkiej skali, a na wyniki pojedynczych reakcji trzeba było czekać wiele godzin. Istotnym problemem pozostaje również wykorzystanie chloroformu, który prowadzi do powstawania chlorowanych odpadów. Sami badacze wskazują ten element jako jedno z najważniejszych wyzwań przed wdrożeniem technologii na większą skalę.

Jeżeli naukowcom uda się zastąpić problematyczny rozpuszczalnik, skrócić czas reakcji oraz zwiększyć skalę procesu, nowa metoda może znacząco poprawić bezpieczeństwo produkcji leków i innych wyrobów chemicznych. Ograniczenie stosowania silnych utleniaczy oznaczałoby mniejsze ryzyko pożarów, wybuchów oraz powstawania niebezpiecznych odpadów.

Wyniki opublikowane w „Science” pokazują, że nawet bardzo trwała cząsteczka dwutlenku węgla (CO2) może zostać wykorzystana jako bezpieczniejsze źródło tlenu w ważnych procesach przemysłowych.