Röntgendiffrakciós kristály- és molekulaszerkezet-kutatások
H azánkban a nem zetközi színvonalat m egközelítő röntgendiflfrakciós vizsgála
tok az első félautom ata Philips pordiffraktom éter 1959-ben tö rtén t üzem be állításával kezdődhettek el. N áray-Szabó István - Sasvári Kálmán (1957), m ajd Kálmán Alajos (1958) csatlakozásával - a KKKI-ben újrakezdte a Budapesti M ű szaki E gyetem en 1947-ben m egszakadt röntgendiffrakciós kutatásait. Elsősor
ban a töb b k o m p o n en sű polikristályos rendszerek (pl. talajok) diffraktom etriás vizsgálatával és kvantitatív fázisanalízisük kidolgozásával foglalkozott. Tanítvá
nyai 1974-85 között a „N áray-S zabó-P éterné-K álm án” néven leírt m ódszer segítségével sok ezer talajm inta elem zését végezték el M agyarország agyag
ásványtérképének elkészítéséhez.
A röntgendiffrakciós kristályszerkezet-kutatásokat a KKKI-ban honosították meg M agyarországon. E bben fontos előrelépést je le n te tt az E n raf-N o n iu s C A D -4 típusú diffraktom éter üzem be helyezése (1979). A K elet-Európában elsőként (1979) M agyarországon elérhető, a gyógyszertervezési m unkában is egyre fontosabb C am bridge C rystallographic Data Base elnevezésű adatbank - am elynek az intézet a nem zeti alközpontja - jelenleg m ár kétszázezernél több szerves vegyület kristályszerkezetét regisztrálja. A KKKI kutatócsoportja az el
m últ évtizedek során számos gyógyszer (pl. A rduan, C avinton, C im etidin,
D eprenyl, F am otidin, M orpholep, N o-S pa) szerkezetét határozta m eg, felhasz
nálva az adatbázis lehetőségeit is.
1965-től az E L T E Szerves Kémiai Tanszékével alakítottak ki együttm űkö
dést, am elynek keretében az N -acil-szulfilim inekben a kén oxidációs állapotától függően létrejövő egyszeres és többszörös S -N kötések term észetét tisztázták.
E zt követte a legegyszerűbb stabil spiroszulfurán szerkezetének röntgendiff
rakciós bizonyítása, m ajd az ún. „nem k ö tö tt” S - - 0 atom kapcsolatok vizsgálata.
1970-ben kezdődött el a fém organikus vegyületek szerkezetének kutatása. A koronaéterek kutatása fokozatosan vezetett el ahhoz a gondolathoz, m ely a kris
tályokat szupram olekulaként kezeli. A szupramolekuláris kémiába beilleszthető m ind a polim orfok (szupram olekuláris izom erek), m ind az izostrukturális hal
m azok leírása, s ez elősegítheti m ind a h om o-, m ind a heterom olekuláris kristá
lyokban a m olekulakom plem entaritás lehetséges formáinak megértését. A kutató- csoport kidolgozta az izostrukturalitás fokának heterom olekuláris rendszerekre is alkalm azható szám ítási m ódszerét. Legújabb vizsgálataik szerint a szim m et
riavándorlásokkal együtt szupram olekuláris jelenségnek tekinthető a n em krisz- tallográfiai szim m etriák m egjelenése is.
N M R -spektroszkópiai kutatások
A magmágneses rezonancia- (N M R -) spektroszkópia a korszerű molekula- és anyag- szerkezet-kutatás egyik legfontosabb és le ^ o r s a b b a n fejlődő fizikai módszere.
Az N M R -spektroszkópiai C soport 1964-ben alakult m eg Radics Lajos veze
tésével, s itt helyezték üzem be az első hazai N M R -spektrom étert. A nagyszámú, eredm ényesen m egoldott szerkezetvizsgálati feladat közül kiem elkedő je le n tőségű a szubsztituált tetrahidro-izokinolínium sók térkém iái törvényszerűsége
inek m eghatározása.
A szerkezetkutatásokban igen nagy előrelépést hozott az ország első F ourier- transzform ációs, szám ítógép-vezérelt N M R -sp ek tro m éterén ek felállítása 1973- ban. 1973-84 k özött nagyszám ú m odellvegyület szisztem atikus vizsgálatával elm életi és em pirikus összefüggéseket állapítottak m eg a szén-13 spektrum ada
tok és a vizsgált rendszerek kémiai és térkém iái jellem zői között. Ú ttö rő vizsgá
latokat végeztek az arom ás kationok N M R -spektroszkópiai sajátságainak elekt
ronszerkezeti magyarázatával és a többszörös szubsztitúciós hatások elméleti értelm ezésével összefüggésben.
Az 1980-as évek nagy technikai újdonsága a kétdim enziós N M R -spektrosz- kópia és a nagy m ágneses tér együttes alkalmazása. Ez a technika a KKKI-ban 1985-ben vált elérhetővé az országban elsőként egy m odern, 400 M H z-es,
m ultinukleáris N M R -sp ek tro m é te r üzem be állításával. Az ezt követő időszak kutatási tevékenysége elsősorban a közepes (500-2000 D alton) m óltöm egíj szerves és bioorganikus m olekulák teljes (3D) szerkezetének m eghatározására irányult. K iem elendők azok a kutatások, m elyeket a csoport az új, term észetes anyagok - antibiotikum ok, alkaloidok, poliszacharidok, peptidek, kisebb pro tei
nek stb. - teljes szerkezetm eghatározása terén végzett.
N eszm élyi A ndrás fejlesztette ki a több alapegységből álló m olekulák oldat
ban kialakuló szerkezeteinek vizsgálatára a longitudinális relaxációs idők gradien
sét m eghatározó N M R -spektroszkópiai m ódszert. Ezt eredm ényesen alkalmaz
ták szénhidrátok, glikokonjugáltak (flavonoid- és szteroidglikozidok), lipopoli- szacharidok és ciklodextrin-kom plexek tanulm ányozásában.
O ptikai spektroszkópiai kutatások
Az optikai spektroszkópiai kutatások 1956-ban indultak m eg a KKKI-ban Var
sányi G yörgy vezetésével. A kísérleti infravörös (IR) spektroszkópiai m unka 1957 tavaszán kezdődött m eg egy prizmás, egysugárutas infravörös spektrom éter
rel. E zt a m ű szert 1967-től egy diffrakciós rácsos készülék váltotta fel. Az IR -vizs- gálatokat jó l kiegészítő R am an-spektroszkópiai m érések 1976-ban kezdődtek meg egy lézergerjesztéses i?űmí3n-spektrométerrel. Jelenleg egy F o urier-transz
formációs infravörös (FT -IR ) és egy F T -R am an spektrom éter, valam int egy gázkromatográfiás (G C ) elválasztástechnikával csatolt F T -IR m űszer áll a cso
port rendelkezésére.
A kutatócsoport alapkutatásokat végzett a m olekulaszerkezet, a rezgésm ódok és a spektrális param éterek közötti összefüggések feltárása, illetve alkalmazott kutatásokat részben a hazai szerves kémiai kutatások, részben az ipar - elsősorban a gyógyszeripar - feladatainak m egoldása céljából. Ez utóbbiak közül jelen tő sek az 1964—67-ben az ún . klóramfenikol szahadalombitorlási per kapcsán H olly Sándor által végzett vizsgálatok, m elyek alapvetően járultak hozzá a pernek a magyar gyógyszeripar számára kedvező kim eneteléhez. A szerkezetfelderítési m unkák közül a néhány ezer szteránvázas (köztük a közism ert Flucinar és Apulein ke
nőcsök hatóanyaga), a több száz izokinolin-, valam int indolvázas vegyület (pl. a Cavinton hatóanyaga), továbbá a tiokarbam id és tioszem ikarbazid szárm azékok szerkezetmeghatározását, illetve a m etabolizm uskutatásokhoz a G C /F T -IR m ódszer eredm ényeivel való hozzájárulást érdem es kiem elni.
A sp e k tru m o k részletes értelm ezése céljából végzett ún. normálkoordináta- számításokhoz kapcsolódott az infravörös elnyelési sávok intenzitásának és pola
rizációs sajátságainak kísérleti és elm életi vizsgálata (K eresztury G ábor). Az
1970-es években a m olekulakristályok o rie n tá lt rétegeinek infravörös elnyelési sp ek tru m ait vizsgálták lineárisan polarizált fénnyel, újabban pedig nem atikus folyadékkristályban o ld o tt, uniaxiálisan orientált m olekulákat tanulm ányoznak.
Az észlelt sávok polarizációs viselkedését a kvantumkémiai módszerekkel szám í
to tt erő terek felhasználásával végzett norm álkoordináta-analízis ered m én y ei
vel v etették egybe. B ebizonyosodott, hogy a m a rendelkezésre álló, magasabb szintű, ú n . ab initio, illetve sűrüségfunkcionál-módszerck segítségével igen közel k e rü lh e tü n k az infravörös sp ek tru m o k alapvető jellegzetességeinek gyakorlati
lag teljes leírásához.
Tömegspektrometriai kutatások
A töm egspektrom etriai kutatások hazánkban az 1960-as évek végén indultak m eg az M T A Szerkezeti Kémiai K utatócsoportjában Tam ás Jó zse f irányításával.
A csoport 1972-ben került a KKKI-hez. M ára a Töm egspektrom etriai Labora
tó riu m K özép-E urópa egyik legjobban felszerelt laboratóriumává vált. A z 1970- 80-as években a kutatások elsősorban a molekulák szerkezete és a tömegspektrum közötti össze/ülések m egism erésére irányultak. A csoport m unkájának irányítását 1995-től Vékey Károly vette át. Az 1990-es években a hangsúly áttevődött a tan d em töm egspektrom etriára, valam int a töm egspektrom éterben lejátszódó ké
m iai reakciók részletes m egism erésére. Idetartozik a kvantum kém iai m ódszerek alkalmazása, a reakcióterm ékek relatív kinetikus energiájának m eghatározása és az ún. kinetikus módszer modellezése. Speciális szoftvert dolgoztak ki a töm eg- spektrom etriás reakciók energetikai viszonyainak feltérképezésére. M unkájuk során számos szerves vegyület, foszfor- és fluorszárm azék, biom olekula (pep- tidek, oligoszacharidok, oligonukleotidok) szerkezetét határozták meg. Hazai viszonylatban elsőként vizsgáltak nagy m olekulatöm egű vegyületeket gyors atom bom bázásos (FAB), m átrixsegítette lézerdeszorpciós (M ALDI) és elekt- ronáram lásos (ES) ionizációs m ódszerekkel. K özrem űködtek gyógyszerek ható
anyagainak, tisztaságának vizsgálatában, a m inőségbiztosítás új m ódszereinek kidolgozásában, gyártási problém ák megoldásában, farm akokinetikai m érések
ben, a bioekvivalencia meghatározásában, új diagnosztikai lehetőségek kidolgo
zásában és a m etabolitkutatásban.
Az egri Borászati K utatóintézettel együttm űködésben különböző m ódszere
ket dolgoztak ki a magyar borok aromaanyagainak azonosítására. Az eredm ényeket a b orok eredetvédelm ében, m inőség-ellenőrzésében lehet felhasználni. Foglal
koztak m uzeális viasztárgyak, festékek kötőanyagai és enyvek töm egspektro- m etriás vizsgálatával is. E redm ényeiket a N e m z eti M úzeum sikerrel alkalmazta
a M agyarország 1100 éves fennállásának tiszteletére m egrendezett kiállítás tár
gyainak restaurálásakor.
Elektronspinrezonancia-spektroszkópiai kutatások
Az ESR (E lektron Spin Rezonancia) spektroszkópiai csoport kezdetben M ohos Béla, m ajd R ockenbauer Antal irányításával az 1960-as évek elején honosította meg M agyarországon ezt a korszeríí szerkezetvizsgálati m ódszert. A m érési eljá
rás az elek tro n o k m ágneses tulajdonságán alapul: param ágneses anyagokban a külső m ágneses tér hatására szétváló energianívók között rezonanciaabszorpciót lehet létrehozni megfelelő frekvenciájú m ikrohullám ú sugárzás segítségével.
A szabad gyökös vizsgálatok egyik fontos célja olyan m ódszerek kidolgozása volt, am elyek lehetővé teszik rövid élettartam ú gyökök kim utatását és azonosítá
sát. Az E S R -csoport m ár évekkel a nitrogén-oxid-m olekula jelen tő s biológiai szerepének felism erése előtt vizsgálta, hogy a m olekula m ilyen gyökös reakci
ókban vehet részt, hogyan reagál különböző telítetlen szénhidrogén-vegyü- letekkel. A rövid élettartam ú gyökökből stabilis nitroxidgyököt képező (spin- csapdázás) nitrozovegyületekről kim utatták azok kettős jellegét, ami a nitrozo- vegyületek gyökiniciáló képességében m utatkozik meg. A biofizikában széleskö
rűen alkalm azott pirrolidingyűrűs nitroxidvegyületek szerkezeti és konform á
ciós tulajdonságainak elem zésére új m ódszert dolgoztak ki. Kifejlesztettek egy számítógépes eljárást, amely a m olekulák egyes részei b onyolult m ozgásainak tanulm ányozására alkalmas, m ivel lehetővé teszi a sok specieszből felépülő spektrum ok (pl. réz-am inosavak) szétbontását. A m olekuláris dinam ika leírására szolgáló eljárást sikeresen alkalm azták m olekulafelism erési m ódszerek kidolgo
zásánál.
Elektrondiffrakciós szerkezetkutatások
Hargittai István vezetésével 1973-tól 1979-ig az intézetben nem zetközileg is kiem elkedő színvonalú elektrondiffrakciós szerkezetkutatások folytak, am elyek a csoportnak az M T A Szervetlen Kémiai K utatólaboratórium hoz kerülésével szűntek m eg a KKKI-ben. Az akkori m unkákból kiem elendők a kén-szén és a kén-nitrogén kötés körüli forgási form áknak, illetve gyűrűkonform ációknak, a szilícium - és germ ánium organikus vegyületek konform ációs jellegzetességei
nek, v alam int az alum ín iu m - és gallium sók m olekulakom plexei szerkezetének tanulm ányozása során született kutatási eredm ények.
Elméleti kémiai és kvantum kém iai kutatások
A kvantum kém iai kutatások m eghonosítása az intézetben Ladik János nevéhez fűződik. Az 1960-as években biopolim ereket (fehérjéket, D N S -t) vizsgáltak. A szerkezet-hatás összefüggések (QSAR) elm életi alapjait tisztázni kívánó kutatá
sokat és m etodológiai vizsgálatokat is folytattak, elsősorban az elektronkorrelá
ció figyelembevételére. Ladik János F. M artin o w a l (USA, illetve Svédország) közösen levezette a Löw din-féle „extended H artree-F ock” (E H F ) m ódszer egyenleteinek egyszerűsített változatát. Az E H F -m ódszer teljes kidolgozását M ayer István végezte el.
A szám ítógépek elterjedésével a nem zetközi szakmai közvélem ény figyelmé
ből kiszorultak a kémiai jelenségek kvalitatív fizik a i értelmezésével kapcsolatos szem pontok, pedig ezek vizsgálata révén érthetjük m eg a m olekulák elektronszerke
zetének alapvető vonásait olyan fogalmak segítségével, m in t pl. a hibridizáció vagy az elektronegativitás. A C hem ical H am iltonian Approach (C H A ) form a
lizm us keretében felírt energiapartícióból kiindulva M ayer Istvánnak sikerült olyan kötésrend- és vegyértékindexeket definiálnia, am elyeket könnyen m eg le
h et határozni egy kvantum kém iai számítás eredm ényei alapján, s am elyek köz
vetlenül m egfeleltethetők a kötésrend (multiplicitás) és az atom i vegyérték ké
miai fogalmának. E zeket a param étereket (főleg a kötésrendeket) m a m ár széles körben használják k ülönböző kémiai kérdések elm életi tárgyalásánál.
Az 1970-80-as években Gyarm ati István és Lengyel Sándor a term odinam ika h ullám elm életének alkalmazása, az elem i reakciók hom ogén kinetikája nem li
neáris term odinam ikai elm életének kidolgozása területén végzett nem zetközi színvonalú kutatásokat.
Az elm életi kém iai kutatások Lendvay G yörgynek a csoporthoz való csatla
kozásával a kém iai reakciók kinetikájának és dinam ikájának elm életi vizsgálatá
val bővültek. Ezek a vizsgálatok arra hivatottak, hogy elm életi oldalról segítsék a kémiai szerkezet és a reakcióképesség, konkrétan a szerkezet és a reakció sebessége kapcsolatának m egértését az összetett kém iai folyam atok m odellezése révén. A vizsgálatok olyan, gyakorlati fontosságú területekre is kiterjednek, m in t a lég
körben és az égések során lejátszódó gyökreakciók kinetikája, a töm egspekt- rom etriában előforduló ionbom lások, kis m olekulák és atom ok reakcióinak dinamikája, valam int az erősen gerjesztett m olekulák ütközéses energiaátadási folyamatai. Az utóbbiakkal kapcsolatban megállapították, hogy a nagy rezgési energiát hordozó m olekulák inért partnerral ütközve legvalószínűbben kis energiaadagot veszítenek, de nem elhanyagolható m értékben igen nagy energia
adagok átadása is lehetséges. M eghatározták az energiaátadási valószínűség függ
vényalakját, m elyet utóbb külföldi kísérletek is igazoltak. A folyam atban lévő
kutatások egyik legizgalmasabb problém ája annak felderítése, m ilyen m ódon lehet szabályozni, hogy egy m olekulának csak adott része reagáljon.