REAL-d

Kristóf, Gergely

A városi szél - Városi felszín fölötti légköri áramlások numerikus modellezése

Hollódy, Katalin

Színes gyermekneurológia: a gyakori betegségektől a ritka kórképekig

Csizmadia, G. Imre

Csizmadia G. Imre A SZERVES KÉMIA DIGITALIZÁCIÓJA 2018 
TÉZISFÜZET 
1 
 
 
 
A SZERVES KÉMIA DIGITALIZÁCIÓJA 
 
MTA DOKTORI DOLGOZAT 
 
CSIZMADIA G. IMRE 
PROFESSZOR EMERITUS 
A MAGYAR TUDOMÁNYOS AKADÉMIA KÜLSŐ TAGJA 
 
 
 
TÉZISFÜZET 
 
 
 
UNIVERSITY OF TORONTO 
 
KÉMIA TANSZÉK 
 
 
2018 
  
dc_1595_18
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
Csizmadia G. Imre A SZERVES KÉMIA DIGITALIZÁCIÓJA 2018 
TÉZISFÜZET 
2 
 
1. BEVEZETÉS 
Mintegy negyed évszázaddal a Schrödinger-egyenlet megszületése után, 
karrierem kezdetén, a BME harmadéves hallgatójaként önszorgalomból Gombás Pál 
fizikus professzor kvantumkémiai előadásaira jártam, aki már akkor az atom 
statisztikus elméletével foglalkozott. Abban az időben még nem tudhattuk, hogy ez 
az elmélet az előfutára lesz a későbbi sűrűségfunkcionál elméletnek (DFT). Mintegy 
fél évtizeddel később, a University of British Comlumbián, mint Ph.D. hallgató azon 
töprengtem, hogyan lehetne új szerkezeteket vagy új reakciókat megjósolni 
kvantumkémiai számításokkal. Ebben az időben szintén önszorgalomból eljártam az 
elektromérnökök számítógépes kurzusaira, ahol megtanultam, hogy kétféle, analóg 
és digitális számítógép létezik, melyek képesek differenciálegyenleteket is 
megoldani. Számomra az analóg számítógépek érthetőbbek és vonzóbbak voltak, 
mivel egyszerű elektronikai alkatrészekből is össze lehetett állítani. Az analóg 
számítógépek kémiai célú alkalmazásáról ezért egy kutatási javaslatot is készítettem. 
A javaslatom a tanszékvezetőnél pozitív fogadtatásra talált azzal a nem lényegtelen 
megjegyzéssel, hogy a jövő a digitális számítógépeké lesz. Egyben felhívta a 
figyelmemet, hogy a világ első egyetemi számítógépének az igazgatója az MIT-n 
dolgozott, aki korábban az ő évfolyamtársa volt. Javasolta, hogy a Ph.D időszak után 
pályázzak egy „National Research Council” által támogatott post doktori pozícióra 
az MIT-n, ami 1962-ben sikerült. Az új intézményben bekerültem egy olyan 
nemzetközi kutatócsoportba, ahol több olyan angliai PDF is dolgozott, akik 
FORTRAN nyelven tudtak programozni. A velük való sikeres együttműködésben 
született meg a POLYATOM program 1963-ban. Az első számolás a HCOF molekulán 
történt, ami az MIT fizika tanszékén megjelenő „Progress Riport”-jában jelent meg. 
A végső publikáció azonban csak jóval később, 1966-ban jelent meg, mivel a nagy 
bázisú számolásokhoz már az IBM kaliforniai kutatóintézetében lévő számítógépére 
is szükség volt, ami Dr. Clementi segítségével valósítottunk meg. Ez volt a világon 
dc_1595_18
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
Csizmadia G. Imre A SZERVES KÉMIA DIGITALIZÁCIÓJA 2018 
TÉZISFÜZET 
3 
 
az első többatomos, szerves molekulára végzett ab-initio HF számolás. Ebben az 
időben a chicagói egyetemen már létezett a DIATOM program, ami csupán két atomos 
molekulára volt képes számításokat végezni. A POLYATOM program végül egy 
magánvállalkozás keretében Pople professzor által vezetve, GAUSSIAN-ként született 
újjá.  
Az a reményem, hogy munkásságom következményeként rövidesen eljutunk abba 
a történelmi korba, amikor a fizikusokhoz hasonlóan a szerves kémikusok is 
rutinszerűen végeznek molekuláris számításokat, melyek eredményét felhasználják 
a kísérletek tervezése során. Ezzel a szerves kémia digitalizációja teljessé válhat.  
55 éves oktatói tevékenységem során, hallgatóimat, akikből később professzorok 
lettek, mindig arra motiváltam, hogy az elméleti számításos módszerek mindig a 
kezük ügyében legyen. 
 
2. ALKALMAZOTT MÓDSZEREK 
 
A modellezési számítások legtöbbször a Gaussian programcsomaggal készültek. 
A számításokat a kornak megfelelően legtöbbször magas elméleti szinten végeztem 
(HF, MP2, MP4, CCSD), de előszeretettel alkalmaztam az elekronsűrűség-
funkcionál (DFT) módszereket (B3LYP, M06, stb). Az átmeneti állapotokat QST3 
módszerrel kerestem és többször PCM implicit oldószermodellt is alkalmaztam. 
Amikor már lehetőség adódott, a rezgési frekvenciákat is meghatároztam annak 
igazolására, hogy a megfelelő szerkezetek a potenciális energiafelület egy 
minimumában illetve átmeneti állapotában találhatók. 
  
dc_1595_18
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
Csizmadia G. Imre A SZERVES KÉMIA DIGITALIZÁCIÓJA 2018 
TÉZISFÜZET 
4 
 
3. EREDMÉNYEK ÉS TÉZISEK 
 
1. Tézis (A szerves kémia digitalizációjának kezdete) 
Sikerült 1963-ban az első szerves molekulát (HCOF) Gauss függvényekkel ab 
initio Hartree Fock módszerrel kiszámolni. Ezzel elkezdődött a szerves kémia 
digitalizációja. 
 
2. Tézis.( Molekulák szerkezete és tulajdonságaik) 
Kezdetben egyszerű molekulák geometriáját, töltés eloszlását vizsgáltuk. Például 
kérdés volt, hogy az O=C=S molekulában mennyire különböző a két heteroatom 
töltése. Ugyancsak kérdésként merült fel, mennyire különböznek a hidrogén 
atomok töltései a CH3
(+) es a CH3
(-) ionokban.  
Abban az időben (1968) olyan kérdések is felmerültek bennem, hogy egy nagy 
gyűrűfeszültségű oxirén-vázas molekula lehet-e egy intermediere a Wolff 
átrendeződésének. Munkám során vizsgáltuk, hogy ez a lehetséges molekula lehet-
e közbenső termék. 
Ugyancsak ebben az időben a két közeli atomon levő magányos elektronpár 
taszítások kérdése is felmerült az anomer effektus kapcsán. Kimutattuk hogy a 
fluorometanol (F-CH2-OH) esetében az oxigén négy magányos elektronnal taszítja 
a fluoratom hat magányos elektronját. Ezen az alapon érthetővé vált, hogy ez az 
erős taszítás a molekula konformációs viselkedését szokatlanná tette és igazoltuk, 
hogy az anti konformáció maximuma lett a várt globális minimum helyett. 
  
dc_1595_18
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
Csizmadia G. Imre A SZERVES KÉMIA DIGITALIZÁCIÓJA 2018 
TÉZISFÜZET 
5 
 
3. Tézis.(Potenciális energia- és hiperfelületek) 
Tipikus és nem tipikus molekulák konformációs potenciális felületeit vizsgáltuk. 
Ilyen voltak például a viszonylag egyszerűnek tűnő formaldehid hidrát [CH2(OH)2] 
amiben két C–OH rotáció is megtalálható, ezért a potenciális energiafelület itt is 
szokatlan trendet eredményezett a két oxigén nemkötő elektronpár taszítása miatt. 
A másik molekula a n-bután volt [H3C-CH2-CH2-CH3], amiben három C–C rotáció 
is volt és ezért három független változós potenciális energia hiperfelületet 
eredményezett. A matematikai függvények illesztésével és topológiai analízissel 
érthetőbbé váltak az energia hiperfelületek tulajdonságai. 
 
4. Tézis.(Reakció mechanizmusok) 
A korai 1980-as években, a korlátolt számolási lehetőségek következtében még 
nem volt lehetséges olyan részletes mechanizmustanulmányok elvégzése, mint 
manapság. Azonban, sürgős, megoldásra váró problémák már akkor is ott álltak 
felsorakozva. Az olajválság miatt, ebben az időben az ipari energiatermelés vált a 
mindennapi élet központi kérdésévé, ezért a Fischer-Tropsh reduktív benzin 
szintézisre fókuszáltunk: 
n CO + (2n +1).H2 → CnH2n+2+ n H2O 
Ezzel kapcsolatban elindult a H2/O2 üzemanyag cella és lehetséges intermedierjeinek 
korai tanulmányozása. Ezek arra inspiráltak, hogy alkalom adtán, fontos lesz majd 
zöld technológiával foglalkoznom. 
  
dc_1595_18
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
Csizmadia G. Imre A SZERVES KÉMIA DIGITALIZÁCIÓJA 2018 
TÉZISFÜZET 
6 
 
5. Tézis.(Peptidek) 
Gaussian számolással, ab initio módszerrel feltérképeztük az alanin-diamid 
Ramachandran potenciális energiafelületét és a minimális energiájú konformereket 
azonosítottuk. Ezzel rutin módszerré vált a peptid konformációs változásait 
(“foldamers”) karakterizálni. Matematikai függvényeket is illesztettünk a 20 
természetes aminosavak diamid származékainak felületeihez, melyek kellő 
pontossággal meg tudták jósolni a minimumok dehidrális szögeit, valamint a 
konformációs változások relatív energiait. 
 
6. Tézis.(Fizikai szerves kémiai koncepciók) 
Telítettlen funkcionális csoportok termodinamikai stabilitását a telítettelen 
funkcionális csoportok hidrogénezéseinek entalpiájából, egy lineáris skálán 
összehasonlítható módon meghatároztuk. Ilyen értelemben többek között 
kialakítottuk a kvantitatív aromaticitási (AR%), olefinicitási (OL%) karbonilicitási 
(CA%) és amidicitási skálákat (AM%). Ezek az értékek nem csak stabilitást, de 
ellenkezőleg a reaktivitást is mérték. Ezek az „icitás” paraméterek segítenek a 
reakciómechanizmusokban működő hajtóerőket is interpretálni. 
 
7. Tézis.(Penicillin hatásmechanizmusa) 
A penicillin immár 90 éve ismert, de hatásmechanizmusának részletei még a XXI. 
század elején se volt teljesen tisztázva. Felfedeztük, hogy a penicillin három 
különböző aktivitású formája létezik: 
• a deprotonált anion (ami inaktív) 
• a protonált semleges (ami félig aktív) és  
• a protonált belső hidrogénhidas (ami szuperaktív) 
Ebből nyilvánvalóvá vált, hogy míg a penicillin csak “utazik” az emberi 
szervezetben, nem reagál semmivel sem, mivel inaktív, deprotonált formában van. 
dc_1595_18
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
Csizmadia G. Imre A SZERVES KÉMIA DIGITALIZÁCIÓJA 2018 
TÉZISFÜZET 
7 
 
Mikor megérkezik a célenzimhez, akkor mérsékelt reaktivitásúvá válik. Ezt 
követően átalakul az aktív formává és az acil csoport átadással megakadályozza a 
baktérium szaporodásához és növekedéséhez szükséges enzim működését. 
 
8. Tézis.(Jövőkép) 
Az elmúlt több mint fél évszádos tapasztalat adott számomra egy történelmi víziót a 
szerves kémia jövőbeni fejlődéséről. Világossá vált előttem, hogy a jövő zöld 
technológiáját nem alkothatjuk meg a múlt kémiájával. Azaz nem kell többet a múlt 
kémiájával úgy foglalkozni, mint ahogy eddig tettünk, hanem egy erős 
paradigmaváltással újra meg kell alkotnunk a jövő kémiáját. Konkrétan szólva, az 
iparban fokozatosan át kell állnunk a “reagens kémiáról” a “katalitikus kémiára”. 
  
dc_1595_18
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
Csizmadia G. Imre A SZERVES KÉMIA DIGITALIZÁCIÓJA 2018 
TÉZISFÜZET 
8 
 
 
 
4. ALKALMAZÁSI LEHETŐSÉG ÉS JÖVŐBELI TERVEK 
 
Kutatói munkásságom mindig egyetemi és akadémiai környezetben zajlott, így a 
gondolkodásmódom egybeforrott egy erősen kutatásközpontú szemlélettel. 
Megtanultam, hogy új tudományos eredményt el lehet érni nemcsak kísérleti, hanem 
elméleti megfontolások alapján is. Ezt jól példázza a fizika fejlődése, ahol ma már 
egyre inkább elméleti úton közelítenek meg egy-egy problémát, mivel az új 
tudományos eredmény eléréséhez szükséges erőforrás kísérleti oldalról már 
magasabb, mint a számításos módszereké. Ilyen például az elemi részecskék 
kutatásának világa is, ahol egy számításokra alkalmas szuperszámítógép olcsóbb, 
mint a CERN további bővítése, természetesen nem vitatva a kísérleti igazolások 
jelentőségét. 
A számítási teljesítmény igen rohamos, exponenciális növekedése forradalmi 
változásokat hozott a kémiai kutatásokban is. Az új tudományos eredmény 
eléréséhez szükséges erőforrás egyre kisebb. Az újabb és újabb kísérleti kémiai 
eszközök árai folyamatosan emelkednek a történelmi idővel, míg a számítások ára 
és ezek sebessége jelentősen csökken. A trendek lefutásából egyértelműen 
következik, hogy lesz egy olyan metszéspont, ami reprezentálja azt a történelmi 
pillanatot vagy intervallumot, amikor az új tudományos eredmény eléréséhez 
szükséges erőforrás olcsóbbá válik elméleti módszerekkel, mint kísérleti 
eszközökkel. Természetesen, ez az intervallum elhúzódik a tanulmányozott 
molekuláris rendszerek méretétől és a makromolekulák esetében ez a váltás 
későbbre tehető. 
Életem hátralevő részében számítógépen kvantumkémiai módszerrel próbálok 
olyan „katalizátorkémiát” kifejleszteni, ami helyettesítheti a hulladéktermelő 
dc_1595_18
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
Csizmadia G. Imre A SZERVES KÉMIA DIGITALIZÁCIÓJA 2018 
TÉZISFÜZET 
9 
 
„reagenskémia” technológiáját egy abszolút, hulladékmentes zöld technológiával. A 
következő vázlatos egyenletekben a fenol szintézisét illusztrálom a hagyományos és 
egy javasolt, abszolút zöld technológia összehasonlításával.  
 
 
 
Ilyen értelemben nem csak egy „tudományos forradalomról” van szó, hanem egy új 
„ipari forradalomról” is. Ez igazolná azt a tézist, hogy alapkutatás nélkül nincs és 
nem is lehet forradalmi technológiai változást elérni. 
dc_1595_18
Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)


A szerves kémia digitalizációja

Molnár, Tihamér Szabolcs

Biomarkerek klinikai haszna ischaemiás eredetű akut kórképekben - úton a személyre szabott medicina felé

Csutak, Adrienne

Könny és corneális biomarkerek szerepe szemészeti és szisztémás betegségek korai diagnosztikájában

Szombathy, Zoltán

Az iszlám Fekete-Afrikában.

Bödör, Csaba

Onkohematológiai kórképek korszerű genetikai jellemzése

Rajta, István

Mikromegmunkálás és ionnyaláb-analízis pásztázó ionszondákkal

Oláh, Judit

Az élelmezés- és környezetbiztonság kihívásai az EU bioökonómiai stratégiájának tükrében

Harangi, Mariann

A HDL funkció és szerkezet változásai lipidcsökkentő kezelés és egyes genetikai tényezők hatására hyperlipidaemiás betegekben

Not a member yet