A KUTATÓ TUDÓS
A KUTATÓ TUDÓS
A hazai szerves kémiai tudomány szerencséje, hogy Zemplén Géza három évet Fischer Emil mellett töltött, aki a modern szerves kémiai kutatás egyik megteremtőjeként, méltán kapta meg a kémiai Nobel-díjat 1902-ben, Van t’Hoff után másodiknak. Munkássága nemcsak a szerves kémia fejlődése szempontjából iránymutató, de a biokémia alapjainak lerakásához is hozzájárult. Kutatási területének központi témái között ugyanis az élő sejt legfontosabb anyagainak, a szénhidrátoknak, fehérjéknek és a purintesteknek vizsgálatai szerepeltek a legnagyobb súllyal, és e téren elért kiemelkedő eredményeit kiegészítették az enzimekkel kapcsolatos kutatások.
Fischer rendszeresen vizsgálta a szerves hidrazinszármazékok előállítását és reakcióit. Közülük a fenilhidrazint a cukorkémiában rendkívül eredményesen használta fel. Részben e munkák alapján sikerült a cukrok szerkezetét megállapítani, valamint a szőlőcukrot szintetikusan előállítani. A purintestek tanulmányozása és azok szintetikus előállítása is Fischer nevéhez fűződik; ezenkívül számos más szénhidrátot és glükozidot állított elő mesterségesen. Liebig, Kekulé, Kolbe és Bayer iskolája után Fischer munkatársaival a szerves kémia kifejlődését jelentős mértékben meggyorsította.
Amikor Zemplén Géza Berlinbe érkezett, Fischer munkaterülete a szénhidrátok mellett a depszideket és cserzőanyagokat, a fermentumokat és elsősorban az aminosavakat és a peptideket foglalta magába. Zemplén preparatív ügyessége és szorgalma megnyeri mestere bizalmát, magánasszisztensként beosztja laboratóriumába, és az ott végzett munkákról közös publikációkban számolnak be. Az egyik sikeres kísérlet követi a másikat, s együttes munkálkodásuk eredményeit 1909 és 1911 között megjelent 12 közleményük őrzi. Többségük a Liebig’s Annalen der Chemie-ben és a Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft zu Berlinben, három dolgozatuk magyarul a Magyar Chemiai Folyóiratban és egy pedig az Erdészeti Kísérletekben jelent meg.
Első közös munkájukban, 1909 januárjában a cellobióz és oszonjának viselkedését vizsgálták, néhány enzimmel szemben. Miután e kísérletekből a vegyület szerkezetére értékes következtetések vonhatók le, Fischer és Zemplén megvizsgálták, hogy emulzin és beszárított sörélesztő vizes kivonata miként hat a diszacharidra. Azt tapasztalták, hogy az emulzin a cukrot könnyen elbontja, míg az utóbbi hatástalan. A cellobióz tehát e két enzimmel szemben éppen úgy viselkedik, mint a gentibióz és az izomaltóz (6–7). Két hónap múlva, 1909 márciusában már az inaktív diamino-valériánsav és prolin új szintézisét írták le (8–9), és még augusztusban beszámoltak két optikailag hatásos prolin szintéziséről (10, 17). A diamino-valeriánsavnak – más néven „ornithin” – addig két szintézisét ismerték, a harmadik előállításmódját most írták le Fischer és Zemplén.
Közös munkálkodásuk eredményeképpen közölték még az amino-oxisavak és piperidonszármazékok (11–12), az amido-guanido-kapronsav szintézisét (14), beszámoltak a cellobiózreakcióról egyes enzimekkel szemben (13), továbbá a cellobióz származékairól (15), melyek közül elsősorban az acetobróm-cellobióz előállításával értek el sikereket.
A Fischer Emillel töltött évek döntő jelentőségűek voltak Zemplénre, mert itt ismerkedett meg a későbbi munkásságában oly nagy szerepet játszó szénhidrátok kémiájával. Ezekben a szorgalmasan átdolgozott esztendőkben elsajátította a szerves kémia legújabb eredményeit és a legmodernebb kutatómódszereket. Megtanulta, hogy a rendszerint hosszúra nyúló kémiai kísérletek állandó figyelését több személynek kell elvégezni, csoportmunkában. Ehhez munkatársak bevonása, tanítványok kinevelése elengedhetetlen. Míg Magyarországon addig a kémiai cikkek általában egyetlen szerzőt tüntetnek fel, Zemplén dolgozataiban 1915-től kezdve többségükben a munkatársak is szerepeltek mint társszerzők, vagy legalábbis Zemplén a dolgozat végén megemlíti azokat, akik a munkában részt vettek, és megköszöni segítségüket. A tanítványoknak és munkatársaknak ez a megbecsülése az érintetteket egyre jobb munkára és nagyobb teljesítményre ösztönözte.
Zemplén kutatási területe, a szénhidrátok kémiája, a szerves kémia és a biokémiai kutatás fejlődésében rendkívül fontos. Eredményeivel lehetővé vált, hogy a természetben nagy számban előforduló vegyületeket alaposabban megismerhesse a tudomány. De szerencsés volt e kutatás Magyarország szempontjából is, mert nyilvánvaló, hogy egy mezőgazdasági államban nemcsak tudományos, hanem gyakorlati tekintetben is felbecsülhetetlen hasznot ígért a szénhidrátok tüzetes és okszerű tanulmányozása. Így a poliszacharidok vizsgálata terén tőle nemcsak új tudományos kutatási irányok kijelölését, hanem eddig ismeretlen, ipari termelésre is alkalmas termékek felfedezését is várták.
Zemplén és munkatársai a szénhidrátok és glükozidok terén kifejtett jelentős tevékenységükkel megfeleltek a várakozásoknak. Az ország korlátozott anyagi lehetőségére tekintettel Zemplén azt vallotta, hogy nem szabad erőnket részletkérdésekkel elfecsérelni, hanem a „nagy témákkal” kell foglalkozni. Az elmélet és a gyakorlat elválaszthatatlan volt számára. Míg az oktatás terén a „keveset, de jól” elvet vallotta, addig a tudományos kutatásban maximalista volt, és a legmagasabb követelményeket támasztotta önmagával és munkatársaival szemben. Vezetésével így alakult ki az első magyar szerves kémiai iskola, mely több olyan feladatot oldott meg, melyekben a külföldi kutatók lényegesen jobb körülmények között sem tudtak kielégítő eredményeket elérni.
Zemplén közel fél évszázados fáradhatatlan munkásságának eredményeit több száz dolgozata (könyvek, folyóiratcikkek, ipari szabadalmi leírások stb.) tartalmazza. E publikációk részletes elemzése meghaladná tanulmányunk kereteit. Csupán kiemelkedő munkáit említjük és azokat a tanítványokat, akik a közleményekben mint társszerzők szerepeltek. Eredményeit és új módszereit abban a sorrendben tárgyaljuk, mely nagyjából kialakulásuk időrendjét is tükrözi: cukoracetátok nátriummetilátos elszappanosítása, az új cukorlebontási módszer, higanyacetátos módszer az oligoszacharidok és glükozidok szintézisére, végül a flavonoidok és cukorformazánok előállítására vonatkozó vizsgálatok.
Az első világháborús évek után, a szénhidrátkutatásokat az amigdalin és a szalicin szerkezetének vizsgálatával kezdte. E munkák kapcsán dolgozta ki első nagy jelentőségű módszerét, az acetilezett szénhidrátok katalitikus dezacetilezésére. Az 1923-ban megjelent A szőlőczukor nátriumvegyületei és az acylezett czukrok elszappanosítása című tanulmányában közölte először az acetilezett szőlőcukor elszappanosításának módszerét, amit később általános eljárássá fejleszt tovább, s melyet ma a tudományos irodalom „Zemplén-féle elszappanosítás” néven ismer (26–27). Lényege, hogy az acetilezett cukrok (szénhidrátok) dezacetilezésére az acetilvegyületet katalizátorként nátriummetilátot tartalmazó metanollal reagáltatjuk, amikor is az acetilcsoportok metilacetát alakjában lehasadnak. A Zemplén-féle elszappanosítás – melynek kidolgozásában Kunz Alfonz, továbbfejlesztésében Pacsu Jenő és Gerecs Árpád működött közre – lehetővé tette, hogy egyes szénhidrátok eredeti szerkezete és téralkata változatlan maradjon számos kémiai reakció során. Az addig alkalmazott módszerekkel ez nem volt lehetséges, így Zemplén felfedezése nagyjelentőségűnek bizonyult (30–31, 38, 43, 49–50). A módszer a katalitikus átészterezés klasszikus példájaként, a gyakorlatban általánosan használt.
A 20-as évek közepétől kezdődtek Zemplén világszerte ismertté vált cukorlebontási kísérletei. Az egyszerű és összetett cukrok szerkezetfelderítése ez időben az érdeklődés középpontjában állott, és külföldön jól felszerelt laboratóriumokban nagyszámú kutatógárda foglalkozott e problémákkal. A monoszacharidok lebontására már egy sor eljárást dolgoztak ki (Wohl, 1893; Ruff, 1899; Guerbet, 1908; Weermann, 1917 stb.). A szappanosítás tanulmányozása lehetővé tette Zemplén számára, hogy új eljárást dolgozzon ki a cukrok acetilezett nitriljének lebontására, mely különösen az oligoszacharidok (főleg biózok) terén mutatkozott értékesnek.
A kiváló kémiatörténész, Szőkefalvi-Nagy Zoltán így magyarázta (1974) szemléletesen Zemplén lebontási eljárásának lényegét: A két egyszerű cukorból (monoszacharidból) álló diszacharid molekulájának szerkezetére a legjellemzőbb a bennük lévő ún. oxigénhidak elhelyezkedése. Közülük egy a két monoszacharid-molekula összekötését szolgálja, további két oxigénhíd is van azonban, amely a monoszacharid-molekulán belüli, bomlékony acetátszerű kötés során jött létre. Zemplén először a hidroxil-aminnal a cukor oximját állította elő, amelyből ecetsavanhidrid és nátriumacetát hatására a vízelvonás miatt nitril jött létre, a szabadon maradt hidroxidok pedig acetilálódtak. Az acetilnitrilt kloroformban oldott nátrium-metiláttal kezelve, a nitrilcsoport hidrogén-cianid formájában leszakadt, az acetilcsoportok is leváltak. Így egy szénatommal szegényebb cukrot kapott, pl. a glükozból arabivóz lett. Ezt az eljárást többször megismételte, míg olyan diszacharidhoz jutott, amelyben a szabad aldehidcsoport a monoszacharidokat összekötő ún. glikozidos oxigénhíd mellett van. Ezt arról ismerte fel, hogy abból fenilhidrazinnal ún. oszazont már nem lehet kapni. Így kétséget kizáróan bebizonyította Zemplén, hogy például a cellobiózban az egyik glükózmolekula első szénatomja a másik glükózmolekula negyedik szénatomjához kapcsolódik oxigénhíddal. Ezzel bizonyította, mi a szerkezete a cellulóznak, amelynek bontásterméke a cellobióz. (89)
Előtte hírneves kutatók fáradoztak e kérdés megfejtésével, melyet végül is Zemplén vizsgálatai oldottak meg, amikor is olyan cukorlebontási eljárást dolgozott ki, amelynél preparatív úton a vegyület lépésről lépésre követett módon alakult át azzá a származékká, mely a di- és oligoszacharidok szerkezetét egyértelműen bizonyította. A Zemplén-féle cukorlebontási eljárás egész sor új biózhoz vezetett. Zemplén és munkatársai 1926–27-ben számos oligoszacharid szerkezetét felderítették: így a cellobiózt, a laktóit, a maltózt, a turanózt és a melekitózt, a melibiózt és raffinózt (32, 34). Abban az időben még nem volt véglegesen tisztázott, hogy a cukrok szerkezete nem változik-e meg a metilezés folyamán, a cukorlebontás nehézségei sem voltak leküzdve. Éppen ezért a legfontosabb diszacharidok lebontásával történt szerkezetmegállapítósa végleg biztosította Zemplén hírnevét a nemzetközi szerves kémia világában.
A cukorlebontásra kidolgozott eljárásának eredményei arra ösztönözték Zemplént, hogy fordított irányú átalakulásokat, tehát a felépítés módját is tanulmányozza. A feladat így az előzőekben említett glükozidos oxigénhíd kiépítése lett. Joggal remélte, hogy ily módon megnyitja az utat fontos vegyületek előállításához. Így is történt. Először helyes érzékkel a glükozidos oxigénhíddal rendelkező glükozidok előállításával próbálkozott – a glükozidokban ugyanis a cukor glükozidos oxigénhídja egy nem cukorszerű vegyületet kapcsol magához. E vizsgálatok során jutott el Zemplén – kiváló munkatársak segítségével – az ún. higanyacetátos eljáráshoz. Egy 1942-ben írt visszaemlékezésében azt írta, hogy „a higany(II)-acetát alkalmazását glükozidszintéziseknél véletlennek” köszönhette. Alumínium-amalgámmal akart aceto-bróm-cellobiózt redukálni, és a várt reakció helyett fenol-glükozidot (cellobiozidot) kapott. Később kiderült, hogy a kapcsolódás higanyacetát-mennyisége a döntő; ha túl sok van, főleg a cellobióz acetilszármazéka jön létre (heptaacetil-cellobióz), ha kevesebb, akkor inkább a glükozid keletkezik (heptaacetil-a-fenil-cellobiozid) (65).
A higanyacetátos módszer mind az oligoszacharidok, mind a glükozidok előállítására alkalmas eredeti eljárás, amelynek segítségével a megfelelő kiindulási anyagok, éspedig aceto-halogén-cukrok és szabad OH-csoportot tartalmazó vegyületek vízmentes aprotikus oldószerben, higanyacetát jelenlétében végrehajtott reakciója során glikozil származékok állíthatók elő. A módszer különös előnyeként Bognár Rezső kiemeli, hogy a higanyacetát mennyiségétől függően befolyásolni lehet az α-, illetve β-glükozidos kötésű termékek arányát (45). Ezzel a módszerrel számos alkoholos és fenolos OH csoportú aglükon glükozidját és igen sok oligoszacharid szintézisét sikerült 1929 és 1950 között megvalósítani: cellobióz, izomaltóz, gentiobióz, rutinőz, robinobióz, primveróz, izoprimveróz, allolaktóz, melibióz stb. E munkákban közreműködtek: Bruckner Zoltán, Gerecs Árpád, Erdélyi János és Bognár Rezső. Az oligoszacharidok szintézisében jelentős felfedezés volt, hogy az acetohalogéncukrok előállítására az addig csaknem kizárólagosan alkalmazott hidrogénhaloid-jégecet, vagy acetilhaloid helyett a titántetrahaloidok kiválóan alkalmasak. Zemplén ezt az értékes módszert Csűrös Zoltánnal dolgozta ki (37, 41).
E sikeres cukorszintézisek Zemplént a természetes glükozidok fokozott kutatására serkentették; számos természetes glükozidot fedezett fel, vagy derítette fel szerkezetét, és sokat közülük szintézissel állított elő. Idevágó kutatásai oly nagyszámúak, hogy abból csupán néhányat említünk: a rutinozidok közül a neolinarinnak, a Linearia vulgaris új glükozidjának meghatározását 1937-ben, majd a linarin és pektolinarin és a neolinarin végleges szerkezetének megállapítását és szintézisét végezte Bognár Rezsővel, Mester Lászlóval és Farkas Loránddal (51, 63–64, 66). A hesperidin és neo-hesperidin szerkezetét Tettamanti Károllyal (53–54), a ruberitinsav szintézisét Müller Sándorral, ill. Bognár Rezsővel dolgozta ki (42, 56–57). A floridzin szintézisével is régóta vajúdó problémát oldott meg Bognár Rezső segítségével (61–62).
A floridzinvizsgálatokkal munkássága átjutott a természetben gyakori flavonoidok területére. Az 1940-es években Zemplén érdeklődése a növényekben nagy számban található flavonoidok kémiája irányába fordult, és lépésről lépésre haladva, a flavonoidok aglükonjainak legváltozatosabb szerkezetével is sorra megbirkózott. E munkák bizonyítják, hogy kutatói tehetsége a szénhidrátokon kívül, más területeken is jelentős sikereket ért el. Zemplén és munkatársai a flavonoidkémiában is úttörő jelentőségű vizsgálatokat végeztek. Így például a flavonglükozidok fontos tagja a heszperetin, szintézisét Bognár Rezsővel végezte 1942-ben. Az oxiflavonglükozidok csoportjába tartozó toringinnek szintézisére 1944-ben került sor (67) Bognár és Mechner segítségével. Az akác virágából előállítható robinin szerkezetének minden részletében való felderítését is elvégezte. Ennek során felderített ismeretlen diszacharidnak Zemplén a robinobióz nevet adta (590). A flavonoidkémiába tartozó vizsgálatokat szívesen választották disszertációjuk tárgyául Zemplén doktoranduszai – Farkas Loránd, Schuller Nóra, Sattler Tibor stb. –, akik a nála végzett kísérleteiket azután 1959-ben, majd az 1960-as években publikálták. 1945 után a Zemplén-iskola munkatársai, Bognár Rezsővel és Mester Lászlóval az élen, futószalagszerűen végzett vizsgálataikkal a flavonoidkémiában vitatott szerkezeti kérdések tucatjait oldották meg.
Utolsó éveiben Zemplén a cukorszármazékok egy új osztályával, az ún. cukorformazánokkal foglalkozott. Szerkezetükről és előállításukról 1951-ben Zemplén és Mester László közösen számoltak be (69). E vizsgálatok során előállítottak olyan új, nitrogéntartalmú cukorszármazékokat, mint például a galaktóz-metilfenilhidrazon és az arabinóz-defenilhidrazon. A cukorformazánok redukciójával, illetve oxidációjával színtelen, nitrogéntartalmú, optikailag aktív cukorszármazékokhoz jutott Zemplén – e kísérleteknél Messmer András és Eckhardt Ede működtek közre (69–70). A Zemplén-iskola tehát új területen, a fenilhidrazin-származékok és cukorformazánok feltárásában is eredményes volt.
Sikeres kutatói módszereiről néhány közelebbi munkatársának jellemzését idézzük. Gerecs Árpád így jellemzi Zemplént: „Ami kutatási módszereit általánosságban illeti, kétségtelen, hogy cukorkémikus kortársai közül voltak, akik sokkal inkább az elmélet oldaláról közelítették meg a problémákat. Zemplén Géza elsődlegesnek tekintette az anyag kémiai tulajdonságainak kísérleti úton való közvetlen megismerését, és az ehhez kapcsolódó személyes élményt.” A céltudatos cselekvés akarategysége érvényesült munkásságában Bognár Rezső szerint is: „Láthattuk és tapasztalhattuk, hogy mit jelent a zseniális tudós problémalátása,... célkitűzése. Hihetetlen éleslátásával ki tudta választani a »témát«. A legkényesebb problémánál is szinte megdöbbentő biztonsággal jelölte meg a sokféle lehetőség között a megoldás útját, amin aztán makacsul megmaradt az eredmény eléréséig.”
Kutatásmódjáról Mester László írja: „Az elmélet és gyakorlat elválaszthatatlan volt számára.... Azt vallotta, hogy korlátozott anyagi lehetőségeink mellett nem szabad erőnket részletkérdésekkel elforgácsolni, hanem a »nagy témákkal« kell foglalkozni.” Vezetői ténykedésére mutat rá Farkas Loránd, aki szerint Zemplén a kutatásokat naponta legalább kétszer ellenőrizte, és az eredményeket kellő óvatossággal fogadta. Tudományos publikációinál alapelve volt, hogy csak azt írjuk le, ami még száz év múlva is igaz (86). E lényegileg ma is időszerű irányelvek következetes megvalósítása eredményezte sikereit, melyekkel a szerves kémia tudományos művelését megalapozta hazánkban.
