MISJA CHEMII WE WSPCZESNYM WIECIE Bogdan Marciniec Wydzia

MISJA CHEMII WE WSPÓŁCZESNYM ŚWIECIE Bogdan Marciniec Wydział Chemii, Uniwersytet im. Adama Mickiewicza Wiodąca Rola Chemii w Rozwoju Cywilizacyjnym, Warszawa, 2 czerwca 2011 r. 1

International Year of Chemistry - 2011 „Chemistry – our life, our future” UN Resolution General Assembly Nov. 2008 „Promote the role of Chemistry in contributing to solutions of the global challenges” „Chemistry – The Central Science” „Chemia jest centralną, fundamentalną nauką, ściśle związaną z niemal każdym przejawem naszych kontaktów z materialnym światem, a także stanowi nierozerwalną część ogólnoludzkiej kultury” T. L. Brown, H. E. Le. May Jr (1997); A. T. Balaban, A. J Klein (2006) 2

„Chemia jest lingua franca medycyny i biologii” Arthur Kornberg „Życie to tylko chemia, w istocie mały przykład chemii na pojedynczej planecie świata” A. T. Balaban, A. J Klein „Chemia: to wspaniałe dziecko intelektu i sztuki” Sir Cyril N. Hinshelwood „Przemysł chemiczny jest dzisiaj głównym filarem ludzkiej cywilizacji i kultury. Bez przemysłu chemicznego, społeczność ludzka, w jej obecnych i przyszłych formach, jest nie do pomyślenia” R. R Ernst „Chemia tworzy substancje z nowymi właściwościami, tworzy świat” E. Agazzi 3

Oblicza chemii nauka przyrodnicza, przyrodnicza obejmująca dyscypliny szczegółowe stanowiące jeden z fundamentów powszechnej wiedzy o świecie, jego prawach, budowie i zmianach materii na poziomie molekularnym nauka stosowana, stosowana będąca fundamentem produkcji chemicznej, obejmująca dyscypliny szczegółowe z pogranicza nauk przyrodniczych i technicznych (technologia chemiczna) lub z grupy nauk technicznych (inżynieria chemiczna) 4

Gospodarka Oparta na Wiedzy Knowledge (Science) Based Economy odkrycia naukowe zrównoważony rozwój cywilizacyjny 1987 – „Raport Brundtland” Światowej Komisji ONZ do spraw Środowiska i Rozwoju „Nasza Wspólna Przyszłość” „sustainable development” = zrównoważony rozwój „sposób trwałego osiągnięcia lepszej jakości życia przez wszystkich obywateli, który nie zagraża osiągnięciu tych celów przez przyszłe pokolenia i szanuje środowisko” (definicja ONZ) Wyzwanie XXI w. dla środowiska naukowego określenie właściwej strategii w zakresie polityki badań i technologii 5

Misja chemii Kluczowa, ale jednocześnie służebna rola nauk chemicznych w globalnym rozwiązywaniu podstawowych problemów innych dziedzin nauki i postępu naukowotechnicznego, w warunkach zrównoważonego rozwoju (sustainable development) współczesnej cywilizacji, tzn. poprawy jakości życia przy ograniczonych zasobach surowcowych i konieczności ograniczeń aktywności przemysłowej zgodnie z wymaganiami szeroko pojętej ochrony środowiska. „Chemistry contribution to humanity”, International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) – Project 2003 B. Marciniec (red. ) „Misja Chemii” Wydawnictwo Poznańskie, 2004 6

7 7

Zrównoważona chemia, a zielona chemia sustainable chemistry –green chemistry Zielona chemia – projektowanie produktów i procesów chemicznych, które zmniejszają lub eliminują użycie i wytwarzanie niebezpiecznych substancji (Anastas – 1991) clean green technologies Niebezpieczne substancje n fizyczne (palność, zagrożenie eksplozja) n toksyczność (np. mutagenność, rakotwórczość) n globalne (zanikanie ozonu, zmiany klimatu, zagadnienia energetyczne, zasoby czystej wody i surowców) 8

Główny kierunek światowych badań chemicznych syntezy i (nano)technologie chemikaliów i biochemikaliów Poszukiwanie oryginalnych dróg selektywnych syntez (głównie w oparciu o procesy katalityczne) i opracowanie technologii molekularnych i makromolekularnych związków chemicznych o specjalnych właściwościach (fine chemicals, biochemicals, chemical specialties), które są podstawą materiałów i biomateriałow bądź ich prekursorów W ścisłym związku: badania mechanizmów procesów wytwarzających takie produkty jak i ich struktury, reaktywności, specjalnych właściwości fizykochemicznych oraz metod oczyszczania i pełnej analizy Zrównoważona chemia!!! 9

Filozofia oryginalnych pomysłów w zakresie chemii i biochemii wywodzących się ze współdziałania chemików syntetyków ze specjalistami określającymi pożądane (spodziewane) właściwości produktów STRUKTURA SYNTEZA CHEMICZNA I BIOCHEMICZNA mało- i średnio- tonażowe technologie WŁAŚCIWOŚCI PRODUKTÓW (pożądane) fine chemicals, bio(chemicals) chemical specialties, materiały oraz opracowanie technologii i biotechnologii ich wytwarzania i dokonanie wyboru najlepszych i najbardziej konkurencyjnych produktów w zależności od ich możliwości komercjalizacji 10

Challenging areas of the chemical sciences in the first decade of the XXI century IUPAC Vice-Presidential Critical Assessment (2000) Peter Steyn Sustainable-green chemistry Enviromental Chemistry Organic Synthesis and Method Development Supramolecular Chemistry Materials Bioorganic Chemistry Physical Techniques for Study of Complex Reactions and Systems Quantum Chemistry Organometallic Chemistry 11

Technology Platform for Sustainable Chemistry Strategic Research Agendas (2025) q Materials Technology - Technologie materiałowe q Reaction and Process Design - Nowe reakcje (syntezy) chemiczne i inżynieria chemiczna q Industrial Biotechnology - Biotechnologia przemysłowa Wizja q Europejski przemysł chemiczny i pokrewne gałęzie przemysłu pozostaną konkurencyjne w oparciu o nowe technologie i wprowadzone innowacje q Lepsze wykorzystanie chemii i biotechnologii pozwoli na zwiększenie wydajności produkcji i ochrony środowiska q Przemysł chemiczny ma uzyskać reputację wiarygodnego, bezpiecznego i odpowiedzialnego partnera 12

Strategia rozwoju nauki w Polsce do 2015 roku 6. 4 Priorytety tematyczne w rozwoju nauki i technologii w Polsce do 2015 r q q q zdrowie, środowisko i rolnictwo, energia i infrastruktura, nowoczesne technologie dla gospodarki społeczeństwo w warunkach przyspieszonego i zrównoważonego rozwoju społeczno-gospodarczego Obszary te przenikają się wzajemnie tworząc spójny Krajowy Program Badań Naukowych i Prac Rozwojowych. Motorem rozwoju w tych obszarach będą ze strony nauki przede wszystkim takie jej dziedziny, jak biotechnologia, technologie informacyjne oraz nanotechnologia. Chemia wraz z technologią chemiczną to dziedzina, która stanowi podstawę większości priorytetowych obszarów 13

Kierunki rozwoju badań podstawowych i stosowanych z obszaru szeroko pojętej chemii zespół Ekspercki PAN (2010) w Polsce q Chemia na pograniczu biologii, farmacji i medycyny q Chemia materiałów o pożądanych właściwościach dla nowych technologii q Projektowanie i wytwarzanie odczynników specjalnych, wysokoprzetworzonych i wymagających wyrafinowanej syntezy q Chemia fizyczna i kataliza w odniesieniu do procesów i materiałów q Chemia analityczna dla ochrony środowiska i diagnostyki q Nowe, bezodpadowe technologie chemiczne i o niskim zapotrzebowaniu na energię q Chemia radiacyjna i jądrowa w odniesieniu do diagnostyki medycznej i zabezpieczenia właściwego pozyskiwania energii jądrowej oraz gospodarowania odpadami promieniotwórczymi 14

Zrównoważone technologie q Czyste syntezy i technologie ( procesy o 100% selektywności i zerowej emisji produktów ubocznych) q Nowe drogi syntezy i nowe reakcje q Katalizatory q Nowe rozpuszczalniki (ciecze nadkrytyczne (CO 2 i H 20) ciecze jonowe q Bezpieczne reagenty q Odnawialne surowce q Odnawialne źródła zasilania dla przemysłu chemicznego (biorafinerie) q Ponowne wykorzystanie materiałów odpadowych, q Biotechnologie jako alternatywy procesów chemicznych 15

Produkty - materiały masowe i wysokoprzetworzone fine chemicals (and chemical specialties) q polimery biodegradowalne q detergenty, kosmetyki q farmaceutyki q środki zapachowe q agrochemikalia, pestycydy q polimery dla medycyny (degradowalne) q Substancje pomocnicze dla różnych gałęzi przemysłu 16

Materiały inteligentne - o pożądanych właściwościach elektrycznych np. (nadprzewodzących), optycznych, mechanicznych, magnetycznych n ferroelektryki i ferroelastyki (pamięci komputerowe n n n nowej generacji, wyświetlacze optyczne) materiały magnetyczne (ferromagnetyki, konstrukcja magnesów, sensorów i przełączników) ciekłe kryształy materiały molekularne (organiczne, polimery) luminofory materiały ceramiczne – (odporność cieplna) (cienkie warstwy ceramiczne, chemiczna krystalizacja z fazy gazowej – Chemical Vapour Deposition) materiały konstrukcyjne 17

Nanomateriały funkcyjne modelowanie, nowe syntezy, nanotechnologie i nowe zastosowania Istotą tego kierunku jest opracowanie syntez i technologii nowych materiałów na poziomie molekularnym o zaprogramowanej strukturze, właściwościach i potencjalnych zastosowaniach. Tematyka budzi zainteresowanie wielu dziedzin nauki obejmujących m. inżynierię materiałową, fizykę, chemię, biotechnologię, medycynę 18

Biotechnologia q Enzymy i mikroorganizmy jako katalizatory reakcji chemicznych q Zalety: aktywność katalityczna, selektywność (chemo, regio-, diastereo- i enancjoselektywność) q Biotransformacja w fazie wodnej, biotransformacje w fazie organicznej (ciecze jonowe, CO 2 w warunkach superkrytycznych) Przykłady q q q Chiralne związki jako materiały wyjściowe w syntezie organicznej Chiralne leki (znaczenie dla medycyny) Kwasy tłuszczowe i ich pochodne (znaczenie dla przemysłu spożywczego) Środki zapachowe Środki ochrony roślin Biopolimery 19

Chemia dla medycyny i rolnictwa - poznanie mechanizmów procesów fizjologicznych jako podstawa projektowania leków i agrochemikaliów Poznawanie molekularnych procesów rozwoju ważniejszych obecnie i w przyszłości chorób w celu projektowania leków. Medycyna oporność na leki i synteza nowych leków chemia centralnego układu nerwowego diagnostyka molekularna, związki kontrastowe (tomografia NMR, medycyna nuklearna) q molekularne aspekty toksyczności substancji chemicznych 20 q q

Rolnictwo q wybór docelowego procesu fizjologicznego dla projektowania środków ochrony roślin i leków weterynaryjnych (badania na pograniczu chemii i biochemii) q nowe formy środków biologicznie czynnych q projektowanie w oparciu o wiedzę o mechanizmach wybranych reakcji enzymatycznych i strukturę wybranych białek (w tym projektowanie komputerowe) q pasze a zdrowa żywność q dodatki do pasz zwiększające zdrowotność zwierząt hodowlanych q usuwanie toksyn pochodzenia mikrobiologicznego (szczególnie mykotoksyn) q modyfikacje pasz zwiększające wartość odżywczą i zdrowotną mięsa i mleka 21

Kataliza Obecnie ponad 90% produkcji przemysłu chemicznego i petrochemicznego jest uzyskiwane dzięki procesom katalitycznym. Wartość światowej produkcji (w roku 2000 - 8 bilionów USD) Kataliza w zrównoważonym rozwoju oczyszczanie samochodowych gazów spalinowych (katalizatory trójfunkcyjne) qwykorzystanie ogniw paliwowych i zasilania wodorem qkatalityczne spalanie qusuwanie lotnych związków organicznych (VOC’s) qusuwanie NO 2 ze źródeł stacjonarnych qutylizacja CO 2 qbiomasy i ich katalityczne przetwarzanie q 22

Chemia analityczna - analiza wody i gleby regionów uprzemysłowionych - analiza biomedyczna - oznaczenia 10 -4 10 -15 - rozwój metod chemicznych i fizykochemicznych zautomatyzowanych i zminiaturyzowanych (w analizie powietrza, wody, żywności, toksykologii i diagnostyki medycznej) Chemia radiacyjna i jądrowa - diagnostyka i terapia medyczna - monitorowanie skażeń, zabezpieczeń i unieszkodliwianie odpadów promieniotwórczych 23

Podsumowanie 1. Wyzwania dla chemii, technologii chemicznej i przemysłu chemicznego wobec najważniejszych globalnych zagrożeń świata § zapewnienie wyżywienia i zdrowia ludzkości § zaspokojenie energetycznych potrzeb ludzkości i racjonalne gospodarowanie światowymi zasobami surowców § dostarczanie coraz bardziej doskonałych materiałów i półfabrykatów dla innych obszarów techniki i codziennego życia § ograniczenie i eliminacja zanieczyszczeń środowiska 2. Najważniejsze tendencje i perspektywiczne kierunki rozwoju chemii i technologii chemicznej w świecie, Europie i w Polsce Alternatywne surowce, alternatywne zaawansowane procesy, nowe produkty, produkcja chemiczna jako nośnik postępu 24

3. Promocja multidyscyplinarnych programów strategicznych i multidyscyplinarnych zespołów realizujących te programy Celem powinno być opracowanie zaawansowanych technologii w oparciu o wyniki badań podstawowych i stosowanych (nauk ścisłych, przyrodniczych i technicznych) dla potrzeb zrównoważonego rozwoju współczesnej cywilizacji. 25

„Wielkopolskie Centrum Zaawansowanych Technologii: Materiały – Biomateriały” multidyscyplinarny ośrodek badawczy o wysokiej randze międzynarodowej Konsorcjum: Budżet projektu: 251. 550. 000, 00 zł współfinansowany w 85% z EFRR 5 Uczelni: UAM, Politechnika Poznańska, Uniwersytet Przyrodniczy, Uniwersytet Medyczny, Uniwersytet Ekonomiczny 4 Instytuty PAN: Chemii Bioorganicznej, Genetyki Roślin, Genetyki Człowieka, Fizyki Molekularnej Instytut badawczy: Włókien Naturalnych i Roślin Zielarskich Poznański Park Naukowo-Technologiczny FUAM - Centrum Biotechnologii Medycznej wraz ze Zwierzętarnią - Centrum Biotechnologii Przemysłowej i Roślinnej wraz ze Szklarnią - Centrum Technologii Chemicznej i Nanotechnologii - Centrum Badań Materiałowych wraz z Regionalnym Laboratorium Unikatowej Aparatury - Zaplecze Naukowo-Techniczne wraz z Centrum Transferu Technologii koniec 2013 – faza operacyjna Projektu 26

Głównym celem WCZT jest stworzenie w Poznaniu multidyscyplinarnego ośrodka skupiającego najlepszych specjalistów z nauk ścisłych, przyrodniczych, i technicznych, skoncentrowanego na nowych materiałach i biomateriałach o wielostronnych zastosowaniach 1. Opracowanie oryginalnych selektywnych dróg syntez chemikaliów i biochemikaliów (agrochemikaliów) - tzw. fine chemicals, chemicals a także nowej generacji bio- i nanomateriałów lub ich prekursorów i następnie opracowanie zaawansowanych technologii i biotechnologii ich wytwarzania z przeznaczeniem dla optoelektroniki, medycyny, rolnictwa, farmacji, i innych dziedzin przemysłu i techniki. 2. Stworzenie podstaw technologicznych dla szeregu zastosowań chemii bioorganicznej, biologii molekularnej i biotechnologii w szeroko pojętej ochronie zdrowia oraz zastosowań agrotechnicznych i przemysłu spożywczego.

Współpraca z: Kampus Berdychowo Materiały i Biomateriały Kampus Morasko Technologie Informacyjne Nagrodzony jako Best Science Based Incubator Stockholm 2009 Poznański Park Naukowo-Technologiczny Centrum Innowacji i Transferu Technologii 1999 Inkubator Technologii Chemicznych 2000 Parki Technologiczno Przemysłowe Business Inqubator 2007 Zespół Inkubatorów Wysokich Technologii 2009 -2013 Przedsiębiorstwa Innowacyjne 28

Bibliografia: q Misja Chemii – B. Marciniec red. Wyd. Poznańskie 2004 q European Platform for Sustainable Chemistry 2025 – Strategic Research Area (SRA) q Strategia rozwoju nauki w Polsce do 2015 r. q Stan badań w zakresie chemii w Polsce – ekspertyza przygotowana przez zespół Integracyjno-Ekspercki Nauk Chemicznych PAN (2010) q M. Taniewski Technologia chemiczna w epoce zrównoważonego rozwoju – Misja nauk chemicznych, B. Marciniec red. (2011) 29

Misja nauk chemicznych B. Marciniec red. (2011) 1. Adam Bielański Synteza we współczesnej chemii nieorganicznej 2. Jerzy Haber, Małgorzata Witko Znaczenie katalizy dla jakości współczesnego życia 3. Janusz Jurczak, Marek Chmielewski Strategiczne kierunki rozwoju syntezy organicznej 4. Janusz Lipkowski Chemia supramolekularna – szkic perspektyw 5. Wojciech Markiewicz, Jan Barciszewski, Henryk Koroniak, Arkadiusz Chwaroś Od chemii bioorganicznej do biologii chemicznej 6. Piotr Kiełbasiński, Marian Mikołajczyk Biokataliza-ekologiczny kierunek syntezy i chirotechnologii 7. Henryk Kozłowski Chemia i medycyna 8. Henryk Górecki, Katarzyna Chojnacka, Zbigniew Dobrzański Innowacje chemiczne w rozwoju zrównoważonego rolnictwa

9. Paweł Kafarski Chemia a biotechnologia przemysłowa 10. Stanisław Penczek Makrocząsteczki i polimery - u podstaw molekularnej biologii, medycyny i nowoczesnych materiałów - Wstęp. Od biopolimerów do nowych materiałów. - Penczek - Polimery w elektronice i problemy energii- Florjańczyk/Ułanski - Makrocząsteczki i polimery w medycynie- Nowakowska/Rosiak - Poliolefiny - podstawą przemysłu polimerów - Czaja - Nowoczesne włókna chemiczne - Krucińska - Polimery z odnawialnych surowców – Słomkowski 11. Bogdan Marciniec, Piotr Sobota Związki metaloorganiczne i koordynacyjne w syntezie prekursorów nowoczesnych materiałów 12. Jerzy Lis, Roman Pampuch Wiedza chemiczna inspiracją dla rozwoju materiałów ceramicznych 13. Lucjan Sobczyk Chemia a materiały we współczesnych technologiach - Magnetyki – K. Lachowicz (Magnetyki molekularne – J. Mroziński) - Ferroelektryki i Ferroelastyki- A. Pietraszko - Ciekłe Kryształy – R Dąbrowski

-Materiały molekularne (nowe opracowanie) – J. Sworakowski, M. Samoć - Luminofory – P. Łoś, O. Gładysz, M. Sowińska - Materiały we współczesnej elektrochemii -. P. Łoś 14. Bronisław Marciniak, Jacek Waluk Fotochemia i spektroskopia – możliwości i wyzwania 15. Krzysztof Bobrowski, Aleksander Bilewicz, Andrzej G. Chmielewski, Andrzej Marcinek, Jerzy Narbutt, Grażyna Przybytnik, Iwona Szarej-Foryś Chemia radiacyjna, Chemia jądrowa, Radiochemia 16. Adam Hulanicki, Jacek Namieśnik Chemia analityczna we współczesnym świecie. Zadania i perspektywy 17. Tadeusz Paryjczak, Andrzej Lewicki, Marian Zaborski Zielona chemia ważny czynnik zrównoważonego rozwoju 18. Jacek Kijeński, Marta Kijeńska Chemiczne metody pozyskiwania nośników energii ze źródeł odnawialnych 19. Marian Taniewski Technologia chemiczna w epoce zrównoważonego rozwoju