Vysvetlené: Jednoduchý nápad, ktorý katalyzoval reakcie na zmenu hry

Jednoduchá myšlienka, s ktorou prišli List a MacMillan, pracovali nezávisle, bolo hľadať nové katalyzátory, látky používané na urýchlenie chemických reakcií, keď väčšina verila, že zostali pri existujúcej, trochu neefektívnej súprave.

Laureáti za rok 2021 Benjamin List (vľavo) a David Macmillan. (webová stránka Nobelovej ceny)

Jednoduché nápady sú často najťažšie predstaviteľné, povedal výbor udeľujúci Nobelovu cenu, keď ocenil Benjamina Lista a Davida MacMillana tohtoročnou Nobelovou cenou za chémiu.

Jednoduchá myšlienka, s ktorou prišli List a MacMillan, pracovali nezávisle, bolo hľadať nové katalyzátory, látky používané na urýchlenie chemických reakcií, keď väčšina verila, že zostali pri existujúcej, trochu neefektívnej súprave.

Nové katalyzátory, odvodené z prirodzene sa vyskytujúcich chemikálií, boli ekologickejšie a lacnejšie a zabezpečili, že konečný produkt chemickej reakcie bol špecifickej odrody – a nemusel prejsť procesom čistenia, aby sa získal požadovaný typ zlúčeniny.

Objav, ktorému bola udelená Nobelova cena za chémiu za rok 2021, posunul molekulárnu konštrukciu na úplne novú úroveň, uviedol Nobelov výbor. Jeho využitie zahŕňa výskum nových liečiv a tiež prispelo k ekologickejšej chémii.

Katalyzátory

Keď dve alebo viac zlúčenín reagujú za vzniku nových zlúčenín, procesu často napomáhajú iné chemikálie, ktoré sa samy nemenia, ale pomáhajú urýchliť reakciu. Tieto katalyzátory sú známe prinajmenšom od polovice 19. storočia a v súčasnosti sa používajú prakticky v každom chemickom procese.

Okolo roku 2000 boli známe len dva druhy chemikálií, ktoré pôsobili ako účinné katalyzátory: kovy, najmä ťažšie kovy; a enzýmy, prirodzene sa vyskytujúce ťažké molekuly, ktoré uľahčujú všetky život podporujúce biochemické procesy. Obe tieto sady katalyzátorov mali obmedzenia.

Ťažšie kovy sú drahé, ťažko sa ťažia a sú toxické pre ľudí a životné prostredie. Napriek najlepším procesom zostali v konečnom produkte stopy; to spôsobovalo problémy v situáciách, keď sa vyžadovali zlúčeniny veľmi vysokej čistoty, napríklad pri výrobe liekov. Kovy tiež vyžadovali prostredie bez vody a kyslíka, čo bolo ťažké zabezpečiť v priemyselnom meradle.

Na druhej strane, enzýmy fungujú najlepšie, keď sa ako médium pre chemickú reakciu používa voda. Ale to nie je prostredie vhodné pre všetky druhy chemických reakcií.

Organo-katalýza

List a MacMillan, obaja 53-roční, začali experimentovať s jednoduchými organickými zlúčeninami. Organické zlúčeniny sú väčšinou prirodzene sa vyskytujúce látky, postavené okolo štruktúry atómov uhlíka a zvyčajne obsahujú vodík, kyslík, dusík, síru alebo fosfor. Chemické látky podporujúce život, ako sú bielkoviny, čo sú dlhé reťazce aminokyselín (uhlíkové zlúčeniny obsahujúce dusík a kyslík), sú organické. Enzýmy sú tiež proteíny, a teda organické zlúčeniny.

List a MacMillan si boli vedomí skoršieho výskumu zo 70. rokov 20. storočia, v ktorom sa ako katalyzátor v niektorých špecifických reakciách používala aminokyselina nazývaná prolín. Jeho úloha však nebola úplne preskúmaná. Začali pracovať s jednotlivými aminokyselinami v enzýmoch - a narazili na zlato.

Asymetrická katalýza

Jednotlivé aminokyseliny mali ďalšiu výhodu: zaisťovali, že v reakcii sa získa iba jeden druh konečného produktu.

Látky môžu mať presne rovnaké chemické zloženie a molekulový vzorec; sa však značne líšia svojimi vlastnosťami. Sú známe ako izoméry. Jedným typom izomérov sú tie, ktoré sa líšia spôsobom orientácie jednotlivých atómov v trojrozmernom priestore. Dve molekuly môžu byť úplne rovnaké, až na to, že sú vzájomnými zrkadlovými obrazmi, ako sú naše ruky. Pre jednoduchosť vedci často označujú tieto molekuly ako ľavotočivé alebo pravotočivé. Tento jednoduchý rozdiel môže mať niekedy obrovské dôsledky, pretože umožňuje molekulám viazať sa na rôznych miestach, keď interagujú s inými molekulami.

Konečným produktom chemickej reakcie je zvyčajne zmes ľavotočivých a pravotočivých molekúl. Normálne chemické reakcie uskutočňované v laboratóriách nie sú v tomto smere selektívne. Ale príroda áno. Pretože zrkadlové obrazy môžu mať veľmi odlišné vlastnosti, prírodné procesy sú mimoriadne selektívne a presné. Produkujú buď ľavotočivú alebo pravotočivú molekulu.

List a MacMillan zistili, že použitím prírodnej zlúčeniny, ako je aminokyselina, ako katalyzátora, získali iba jeden špecifický zrkadlový obraz konečného produktu. Toto bolo neskôr pomenované ako asymetrická katalýza.

List a MacMillan prišli s absolútnym herným meničom. Oblasť organokatalyzátorov, názov, ktorý MacMillan neskôr použil na označenie týchto nových sád katalyzátorov, v posledných dvoch desaťročiach explodovala. Objavili jednoduchý, dômyselný nástroj, ale jeho vplyv bol obrovský, hlavne vo farmaceutickom priemysle, ale aj na niekoľkých iných miestach, povedal Prof RG Bhat z Indického inštitútu vedeckého vzdelávania a výskumu v Pune, ktorý sám pracuje s organokatalyzátormi. .

Dr. S. Chandrashekhar, riaditeľ Indického inštitútu chemickej technológie so sídlom v Hajdarábade, povedal, že veľký význam práce spočíva v tom, že vďaka nej sú procesy oveľa bezpečnejšie a udržateľnejšie ako predtým.

Som tiež veľmi rád, že môžem konštatovať, že Nobelova komisia tentoraz vybrala prielom v čistej chémii. V minulosti Nobelova cena za chémiu často uznávala prácu, ktorá v podstate patrila do oblasti biológie, povedal.

Newsletter| Kliknutím dostanete do doručenej pošty najlepšie vysvetlivky dňa

Zdieľajte So Svojimi Priateľmi: