Nobel z chemii za pomysł tak prosty i genialny, że aż dziwne, iż nikt wcześniej o tym nie pomyślał

[KopalniaWiedzy.pl 357]

Tegoroczną Nagrodą Nobla z chemii podzielą się Benjamin List z Niemiec i David MacMillan z USA, zdecydowała Szwedzka Królewska Akademia Nauk. Nagrodę przyznano za rozwój asymetrycznej katalizy organicznej. Prace Lista i MacMillana mają olbrzymi wpływ na tworzenie nowych leków, a przy okazji czynią procesy chemiczne bardziej przyjazne środowisku naturalnemu.

Bardzo wiele dziedzin nauki i obszarów działalności przemysłowej jest zależnych od możliwości tworzenia molekuł o pożądanych właściwościach. Takich, dzięki którym powstaną wytrzymałe materiały, w których będzie można przechowywać energię czy molekuł służących do walki z chorobami. Stworzenie takich cząsteczek wymaga użycia odpowiednich katalizatorów, substancji pozwalających kontrolować i przyspieszać reakcje chemiczne, ale które nie wchodzą w skład finalnego produktu tych reakcji. Katalizatory są wszechobecne. Mamy je też w naszych organizmach, gdzie katalizatorami są enzymy, biorące udział w wytwarzaniu związków chemicznych niezbędnych do życia.

Przez całe dziesięciolecia uważano, że katalizatorami mogą być jedynie metale lub enzymy. Jednak w 2000 roku dowiedzieliśmy się, że istnieje trzeci rodzaj katalizatorów, gdy Benjamin List i David MacMillan – niezależnie od siebie – odkryli proces asymetrycznej katalizy organicznej, który opiera się na niewielkich molekułach organicznych.

Ten pomysł na przeprowadzenie katalizy jest tak prosty i genialny, że aż rodzi się pytanie, dlaczego nikt nie wpadł na to wcześniej, powiedział Johan Åqvist, przewodniczący zespołu przyznającego Nagrodę Nobla z chemii.

Naukowcy przez dziesięciolecia mogli tylko z zazdrością patrzeć na możliwości enzymów, dzięki którym natura tworzy niezwykle złożone cząsteczki. Nauka jednak powoli szła do przodu i nasze możliwości również się zwiększały. Na przełomie wieków, dzięki Listowi i MacMillanowi nasze zdolności w tym zakresie znacząco się zwiększyły. Obaj uczeni przenieśli możliwości tworzenia molekuł na całkowicie nowy poziom. Opracowali proce, który nie tylko jest mniej szkodliwy dla środowiska, ale przede wszystkim znacząco zwiększa możliwości tworzenie molekuł asymetrycznych.

Chemicy przez długie lata mieli problem z tym, że wiele molekuł występuje w dwóch postaciach – odbić lustrzanych, które jednak nie są identyczne. Są obiektami chiralnymi, o różnych właściwościach. Za przykład może tutaj posłużyć limonen, cząsteczka odpowiadająca za zapach cytryny, której lustrzane odbicie daje zapach pomarańczy. Problem w tym, że zwykle potrzebujemy konkretnej wersji danej molekuły. Jest to wyjątkowo ważne przy produkcji leków. A gdy w procesie katalizy powstaną obie wersje, trzeba te wymieszane bliźniaczo podobne molekuły zidentyfikować i od siebie oddzielić, co nie jest łatwym zadaniem.

W XIX wieku chemicy zauważyli niezwykłe zjawisko. Na przykład gdy do nadtlenku wodoru (H₂0₂) dodali srebra, dochodziło do pojawienia się wody (H₂O) i tlenu (O₂), jednak wydawało się, że cała ta reakcja nie miała żadnego wpływu na srebro. W 1835 roku szwedzki chemik Jacob Berzelius opisał taki proces na kilkunastu różnych przykładach i nazwał to zjawisko katalizą.

Z czasem odkryto olbrzymią liczbę katalizatorów, dzięki którym można było łączyć lub rozdzielać molekuły. Proces katalizy zaczęto wykorzystywać tak powszechnie, że obecnie około 35% światowego PKB w jakiś sposób jest z nim związane. Jednak przed rokiem 2000 wszystkie znane katalizatory były albo metalami albo enzymami. Metale są świetnymi katalizatorami, ale mają poważną wadę – są bardzo wrażliwe na działanie tlenu i wody. Zatem do pracy często potrzebują beztlenowego suchego środowiska, a jego uzyskanie w wielkoskalowych procesach przemysłowych jest bardzo trudne. Ponadto wiele świetnych katalizatorów to szkodliwe dla środowiska i człowieka metale ciężkie.

Drugim z rodzajów katalizatorów są enzymy. Jako, że są niezwykle wydajne, w latach 90. ubiegłego wieku prowadzono intensywne prace nad stworzeniem nowych enzymów do katalizy. Prace takie trwały też w Scripps Research Institute, w którym pracował Benjamin List.

Naukowiec obserwując sposób działania enzymów zwrócił uwagę na fakt, że mimo iż często zawierają one metale, to wiele enzymów katalizuje procesy chemiczne bez pomocy metali. Wykorzystują jedynie aminokwasy. List zaczął więc się zastanawiać, czy aminokwasy te muszą być częścią enzymów, by prowadzić katalizę czy też mogą działać samodzielnie lub będąc częścią jakiejś prostszej cząstki.

Naukowiec wiedział, że latach 70. prowadzono prace nad wykorzystaniem aminokwasu o nazwie prolina w procesie katalizy, ale je zarzucono. List przypuszczał, że stało się tak, gdyż pomysł nie wypalił. Mimo to, postanowił spróbować. Przeprowadził test, by sprawdzić, czy prolina może być katalizatorem reakcji aldolowej, w której atomy węgla z dwóch różnych molekuł łączą się ze sobą. Ku jego zdumieniu aminokwas świetnie się w tej roli sprawdził. W trakcie kolejnych eksperymentów List wykazał, że prolina nie tylko jest wydajnym katalizatorem, ale również może być wykorzystana w katalizie asymetrycznej, w trakcie której znacznie częściej powstaje tylko jedno z dwóch odbić lustrzanych molekuły. W porównaniu z metalami i enzymami prolina ma wiele zalet. Jest prostą, tanią i przyjazną środowisku molekułą. Naukowiec przygotował artykuł, który zaakceptowano do publikacji. Miał się on ukazać w lutym 2000 roku.

Jednak List nie był jedynym, który w tym czasie pracował nad takim rozwiązaniem.

David MacMillan pracował na Uniwersytecie Harvarda z metalami w roli katalizatorów. O ile w laboratorium łatwo jest o dobre warunki do pracy takich katalizatorów, to w przemyśle jest to bardzo trudne. Dlatego gdy przeniósł się z Harvarda na Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley zarzucił prace nad metalami i zaczął projektować proste molekuły organiczne, które – podobnie jak metale – miały uwalniać lub więzić elektrony. Wybrał kilka molekuł i testował je w roli katalizatorów reakcji Dielsa-Aldera, której produktem jest węglowodór cykliczny.

Okazało się, że wykorzystane molekuły bardzo dobrze się sprawują, a niektóre z nich świetnie sobie radzą w reakcjach asymetrycznych. W wyniku ich pracy w ponad 90% przypadków powstawała tylko jedna z dwóch wersji poszukiwanej cząsteczki. W styczniu 2000 roku, na miesiąc przed ukazaniem się artykułu z wynikami pracy Lista, uczony przesłał do czasopisma naukowego swój własny artykuł. Nazwał w nim zaobserwowane przez siebie zjawisko katalizą organiczną.

Od 2000 roku prace nad katalizą organiczną ruszyły z kopyta. W procesie tym nie tylko wykorzystuje się proste łatwe do uzyskania molekuły, ale w niektórych przypadkach cząsteczki te, podobnie jak enzymy, potrafią działać w systemie „pracy ciągłej”. Wcześniej konieczne było po każdym etapie procesu chemicznego wyizolowanie i oczyszczenie produktu przejściowego, w przeciwnym razie na końcu całego procesu uzyskiwano zbyt dużo produktu ubocznego. Dzięki katalizie organicznej często można przeprowadzić wiele kroków procesu produkcyjnego jednym ciągiem. Dzięki takiej reakcji kaskadowej znacząco zmniejsza się liczba odpadów w przemyśle chemicznym.

Przykładem, jak bardzo wynalazek Lista i MacMillana zrewolucjonizował produkcję chemiczną niech będzie strychnina. Gdy w 1952 roku została po raz pierwszy zsyntetyzowana, konieczne było użycie 29 różnych reakcji chemicznych, jedynie 0,00009% oryginalnego materiału utworzyło strychninę. Reszta się zmarnowała. W 2011 roku dzięki katalizie organicznej produkcję strychniny uproszczono do 12 kroków, a sam proces był 7000 razy bardziej wydajny.

Benjamin List urodził się w 1968 roku we Frankfurcie nad Menem w Niemczech. prace doktorską obronił na Uniwersytecie Goethego. Obecnie jest profesorem na Uniwersytecie w Kolonii i dyrektorem Instytutu Badań nad Węglem im. Maxa Plancka. Jest też głównym badacze w Instytucie Projektowania Reakcji Chemicznych na Hokkaido University.

David MacMillan urodził się w 1968 roku w Bellshill w Szkocji. W wieku 22 lat wyjechał do USA by rozpocząć studia doktoranckie na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine. Później pracował na Uniwersytecie Harvarda i Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley. Obecnie jest pracownikiem Princeton University. Był też założycielem i pierwszym dyrektorem pisma Chemical Science, wydawanego przez brytyjskie Royal Society of Chemistry.

« powrót do artykułu

[Sławko 101]

Bo ja wiem, czy rzeczywiście nikt wcześniej na to nie wpadł? Może po prostu inny prowadzili takie badania na mniejszą skalę.