Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, v.v.i.
Ústav organické chemie a biochemie AV ČR, v.v.i.
Proč jsou některé vazby v chemických sloučeninách štěpeny přednostně před vazbami jinými? Jak můžeme selektivitu ovlivnit a jak toho lze využít například při vývoji nových katalyzátorů nebo při výrobě léků? To vysvětluje objev Daniela Bíma z Akademie věd ČR.
Organické (přírodní) sloučeniny jsou tvořeny převážně z atomů uhlíku a vodíku, které spolu tvoří silné chemické vazby C–H. Zdánlivě jednoduchý proces, jakým je přenos atomu vodíku z jedné organické sloučeniny na druhou, je proto často spojen právě se štěpením vazeb C–H, čímž se otevírá cesta k jejich různorodým přeměnám. To představuje důležitý koncept v celé řadě chemických a biologických procesů a mnoha průmyslových aplikacích. Přestože spousta faktorů řídících selektivitu (tzn., která vazba C–H v molekule bude štěpena) a rychlost takových reakcí již byla objasněna v minulém století, nové experimentální a teoretické poznatky dokazují, že naše poznání není úplné. Intuitivně platí, že čím je štěpená vazba C–H slabší a zároveň, čím je schopnost druhé látky (např. enzymu nebo katalyzátoru) vázat atom vodíku vyšší, tím bude reakce probíhat snáze, rychleji. To odpovídá nižší energetické bariéře reakce. Z praxe je však známa celá řada výjimek, které tomuto chování odporují.
Daniel Bím, spolu s kolegy Martinem Srncem a Mauriciem Maldonado-Domínguezem z Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR a Lubomírem Rulíškem z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR, dokázal odhalit a teoreticky popsat důležitý fyzikálně chemický faktor, který neintuitivní chování vysvětluje nerovnoměrnou schopností enzymu vázat elektrony a protony (tedy částice, z nichž se atom vodíku skládá). Na základě kvantově chemických výpočtů tak mimo jiné vysvětluje, proč jsou některé enzymy schopny štěpit přednostně silnější vazby C–H na úkor těch slabších ve stejné molekule. Přínos konceptu asynchronicity, jak svůj objev autoři pojmenovali, spočívá především v obecném a praktickém užití v chemii, jakým může být například vývoj nových katalyzátorů pro selektivní aktivaci vazeb C–H, což je obzvlášť atraktivní ve farmaceutickém průmyslu. Teoretická práce Daniela Bíma a jeho kolegů vzbudila hned od svého prvního publikování značný mezinárodní ohlas. Nicméně, až po nezávislém experimentálním ověření skupinou Prof. Andersona z Chicagské univerzity bylo stvrzeno, že mladý Čech měl se svým objevem pravdu.