Nová chemická laboratoř na Přírodovědecké fakultě

Syntetická elektrochemie - dnes stačí jen stisknout tlačítko, archiv Rafaela Navrátila

V rámci svého studia jste vystřídal několik výzkumných témat. Čím se zabýváte v současné době a jaký výzkum se bude odehrávat ve Vaší nové laboratoři?

Zabýváme se vývojem nových syntetických metod v organické chemii s využitím katalýzy a elektrochemie, konkrétně se jedná o dva výzkumné směry: 1) molekulové editování (angl. Molecular Editing), určené pro předvídatelnou a kontrolovanou manipulaci (např. migraci) funkčních skupin v organických molekulách, a 2) metody pro tvorbu vazeb uhlík–uhlík a uhlík–dusík na sp3-hybridizovaných atomech uhlíku. Všechny tyto reakce a metody mají potenciál překonat řadu současných omezení při syntéze bioaktivních sloučenin a přírodních látek. Když to trochu přeženu, tak dnes není problém připravit libovolně složitou sloučeninu a ověřit její vlastnosti, například právě bioaktivitu. Řada sloučenin ale nikdy nenajde praktické uplatnění, třeba protože jejich příprava je velmi náročná a drahá. Proto je nutné vyvinout nové syntetické metody s cílem usnadnit další výzkum a přípravu organických látek – zkrátit počet reakčních kroků, najít levnější výchozí látky, levnější a efektivnější katalyzátory, lepší rozpouštědla a podobně. Můj školitel v Americe, profesor Phil Baran, měl jasnou vizi: „Řešíme složité problémy tím nejjednodušším způsobem.“ To je filozofie, kterou ve svém výzkumu také uplatňuji. Vyhledám komplexní otázky a nevyřešené problémy v organické chemii a hledám k nim jednoduché odpovědi a řešení, která mohou najít široké uplatnění. 

Mohl byste mi dát nějaký konkrétní příklad?

Mnoho chemických reakcí vyžaduje katalyzátor, který často obsahuje přechodný kov jako je palladium nebo platina. Při reakci v malém množství v malé baňce se cena, dostupnost a environmentální dopad katalyzátoru řeší jen v malé míře. Naopak pokud je potřeba takovou reakci provést ve větším, například kilogramovém množství, jsou cena, dostupnost a toxicita katalyzátoru zcela zásadní faktory. Důležité je si uvědomit, že zdroje kovů jako palladium a platina jsou omezené, a proto není udržitelné používat tyto kovy v takovém množství jako dnes. Za několik desítek let už nemusí být k dispozici, dalším omezujícím faktorem mohou být i geopolitické problémy.

Jaké se v tomto případě nabízí řešení?

V mojí laboratoři plánujeme využít také dostupnější kovy (např. nikl, měď, železo) a elektrochemii, jelikož se jedná o efektivní a levný způsob pro aktivaci organických molekul a ovlivňování katalytických dějů pomocí elektronových přenosů. Překvapivě je to historicky jedna z nejstarších metod, jak vytvořit vazbu uhlík–uhlík. V 19. století už Faraday při elektrolýze kyseliny octové pozoroval vznikl ethanu. Elektrochemie byla jedním důvodů, proč jsem jel v roce 2020 na stáž do Ameriky na Scripps Research. Tam jsem se naučil zacházet s nejmodernějším elektrochemickým vybavením pro organickou syntézu. Dříve bylo potřeba pracovat s dost komplikovanými přístroji vyrobenými “na koleni”. Dnes je komerčně dostupný přístroj, do kterého jednoduše vložíte vialku s reakční směsí, na displeji zvolíte elektrochemické parametry, zmáčknete tlačítko a ve vialce běží elektrochemická reakce.

Od vyvinutí tohoto přístroje je syntetická elektrochemie velmi jednoduchá a mnoho vědců proto v této oblasti pracuje, protože umožňuje získat i úplně novou chemickou reaktivitu a připravit tak mnoho nových a zajímavých sloučenin. Podobně fungují i fotokatalytické reakce využívající světlo. Používané fotokatalyzátory ale mohou být problematické, většinou se jedná o relativně složité organické molekuly nebo sloučeniny kovů, například iridia. Iridium je ale jedním z nejdražších kovů, takže iridiová fotokatalýza může ve velkém měřítku stát hodně peněz, přestože se iridia do reakce přidává málo. Paradoxem je, že fotokatalyzátor v reakci zjednodušeně pouze přenáší elektrony, ale přitom je často tak drahý.

Elektrochemie je v tomto ohledu výrazně výhodnější, protože cena elektřiny je výrazně nižší než náklady na fotokatalyzátory. Navíc v průmyslovém měřítku funguje elektrochemie velmi dobře a elektrochemické procesy (např.  výroba hliníku nebo chloru) produkují ročně miliony tun produktů. Nikdo proto nebude pochybovat o tom, že elektrochemická reakce, která mi tu běží v malé baňce, bude fungovat i ve velkém měřítku.

Plánujete spolupráci s podniky a výrobu látek na zakázku například farmaceutickým firmám?

Zatím jsem se v Čechách v oblasti organické chemie s takovouto spoluprací setkal jen výjimečně. V Americe to bylo přesně naopak. Řada projektů řešených na Scripps Research byla navázána na výzkum ve farmaceutických firmách a řešili jsme například zjednodušení syntéz nebo jsme hledali nejlepší reakci pro žádanou chemickou transformaci. Vysoké školy a jejich výzkum jsou v USA úzce navázané na firmy, které studenty a pracovníky škol a vědeckých institucí finančně podporují a pro obě strany je to výhodné. Bohužel v Čechách toto nyní moc nefunguje.

Zatím plánujeme spolupracovat s medicinálními chemiky, biochemiky a biology, protože nové syntetické metody, vyvinuté u nás v laboratoři, už z definice povedou k novým látkám s potenciální biologickou aktivitou. Určitě nechci dělat výzkum jen kvůli výzkumu samotnému, naopak se chci především zabývat řešením problémů s reálným dopadem a širokým využitím.

Vaše laboratoř je poměrně malá. Kolik lidí tu plánujete mít?

Je vážně hodně malá. Myslím, že se sem vejdou maximálně tak tři nebo čtyři lidi. Časem snad dostanu ještě další laboratoř, ale momentálně mám peníze na víc lidí, než kolik je tu místa.

Se studiem jste začínal na VŠCHT, na doktorát jste přestoupil na Přírodovědeckou fakultu k profesorce Janě Roithové a pak jste pracoval ve skupině Dr. Ondřeje Baszczyňského. Díky Nadaci Experientia jste mohl odjet na stáž do laboratoře profesora Phila Barana v San Diegu. Jak hodnotíte zkušenosti z různých laboratoří a výzkumných skupin?

Možnost pracovat v různých laboratořích s různými vedoucími a spolupracovníky a vyzkoušet si různé experimentální techniky je pro vědce naprosto zásadní. Mladým výzkumníkům vždy radím, ať jdou studovat do zahraničí nebo ať tam alespoň jedou na stáž. Za rok nebo dva se v laboratoři každý naučí všechno co se tam naučit dá. Proto je určitě chyba zůstat na jednom pracovišti déle a věnovat se jen jednomu výzkumnému tématu. Ve vědě je potřeba se neustále učit další novým věcem, metodám a přístupům. Vymýšlení zajímavých výzkumných témat je možné jenom když má člověk velký přehled, chce zkoušet různé věci a diskutuje s dalšími vědci.

Děkuji za rozhovor!