Vysvětleno: Jednoduchý nápad, který katalyzoval reakce měnící se hry

Jednoduchá myšlenka, se kterou přišli List a MacMillan, pracovali nezávisle, bylo hledat nové katalyzátory, látky používané k urychlení chemických reakcí, když většina věřila, že zůstaly u stávající, poněkud neefektivní sady.

Laureáti roku 2021 Benjamin List (vlevo) a David Macmillan. (webové stránky Nobelovy ceny)

Jednoduché nápady je často nejobtížnější si představit, řekl výbor pro udělování Nobelových cen, když uctíval Benjamina Lista a Davida MacMillana letošní Nobelovou cenou za chemii.

Jednoduchá myšlenka, se kterou přišli List a MacMillan, pracovali nezávisle, bylo hledat nové katalyzátory, látky používané k urychlení chemických reakcí, když většina věřila, že zůstaly u stávající, poněkud neefektivní sady.

Nové katalyzátory, odvozené z přirozeně se vyskytujících chemikálií, byly zelenější a levnější a zajistily, že konečný produkt chemické reakce byl specifické odrůdy – a nemusel procházet procesem čištění, aby se získal požadovaný typ sloučeniny.

Objev, kterému byla udělena Nobelova cena za chemii 2021, posunul molekulární konstrukci na zcela novou úroveň, uvedl Nobelov výbor. Jeho použití zahrnuje výzkum nových léčiv a také pomohl učinit chemii ekologičtější.

Katalyzátory

Když dvě nebo více sloučenin reagují za vzniku nových sloučenin, procesu často napomáhají jiné chemikálie, které se samy nemění, ale pomáhají urychlit reakci. Tyto katalyzátory jsou známy minimálně od poloviny 19. století a dnes se používají prakticky v každém chemickém procesu.

Až do roku 2000 byly známy pouze dva druhy chemikálií, které působily jako účinné katalyzátory: kovy, hlavně těžší kovy; a enzymy, přirozeně se vyskytující těžké molekuly, které usnadňují všechny život podporující biochemické procesy. Obě tyto sady katalyzátorů měly omezení.

Těžší kovy jsou drahé, obtížně se těží a jsou toxické pro člověka a životní prostředí. Navzdory nejlepším postupům zůstaly v konečném produktu stopy; to představovalo problémy v situacích, kdy byly požadovány sloučeniny velmi vysoké čistoty, jako při výrobě léků. Kovy také vyžadovaly prostředí bez vody a kyslíku, což bylo v průmyslovém měřítku obtížné zajistit.

Na druhé straně enzymy fungují nejlépe, když se jako médium pro chemickou reakci používá voda. Ale to není prostředí vhodné pro všechny druhy chemických reakcí.

Organo-katalýza

List a MacMillan, oba 53, začali experimentovat s jednoduchými organickými sloučeninami. Organické sloučeniny jsou většinou přirozeně se vyskytující látky, postavené kolem struktury atomů uhlíku a obvykle obsahující vodík, kyslík, dusík, síru nebo fosfor. Chemické látky podporující život, jako jsou proteiny, což jsou dlouhé řetězce aminokyselin (sloučeniny uhlíku obsahující dusík a kyslík), jsou organické. Enzymy jsou také proteiny, a tedy organické sloučeniny.

List a MacMillan věděli o dřívějších výzkumech ze 70. let 20. století, ve kterých byla jako katalyzátor v některých specifických reakcích použita aminokyselina zvaná prolin. Jeho role však nebyla plně prozkoumána. Začali pracovat s jednotlivými aminokyselinami v enzymech – a narazili na zlato.

Asymetrická katalýza

Jednotlivé aminokyseliny měly další výhodu: zajistily, že při reakci byla získána pouze jedna odrůda konečného produktu.

Látky mohou mít přesně stejné chemické složení a molekulární vzorec; se však svými vlastnostmi značně liší. Jsou známé jako izomery. Jedním typem izomerů jsou ty, které se liší způsobem orientace jednotlivých atomů v trojrozměrném prostoru. Dvě molekuly by mohly být úplně stejné, až na to, že jsou navzájem zrcadlovými obrazy, jako naše ruce. Pro zjednodušení vědci často označují tyto molekuly jako levotočivé nebo pravotočivé. Tento jednoduchý rozdíl může mít někdy obrovské důsledky, protože umožňuje molekulám vázat se na různých místech, když interagují s jinými molekulami.

Konečným produktem chemické reakce je obvykle směs levotočivých a pravotočivých molekul. Normální chemické reakce prováděné v laboratořích nejsou v tomto ohledu selektivní. Ale příroda ano. Protože zrcadlové obrazy mohou mít velmi odlišné vlastnosti, přírodní procesy jsou extrémně selektivní a přesné. Produkují buď levotočivou nebo pravotočivou molekulu.

List a MacMillan zjistili, že použitím přírodní sloučeniny, jako je aminokyselina, jako katalyzátoru, získali pouze jeden konkrétní zrcadlový obraz konečného produktu. To bylo později pojmenováno asymetrická katalýza.

List a MacMillan přišli s absolutní změnou hry. Oblast organokatalyzátorů, což je jméno, které MacMillan později použil k popisu těchto nových sad katalyzátorů, v posledních dvou desetiletích explodovalo. Objevili jednoduchý, důmyslný nástroj, ale jeho dopad byl obrovský, hlavně ve farmaceutickém průmyslu, ale také na několika dalších místech, řekl Prof RG Bhat z Indického institutu vědeckého vzdělávání a výzkumu v Pune, který sám s organokatalyzátory pracuje. .

Dr. S. Chandrashekhar, ředitel indického institutu chemické technologie se sídlem v Hajdarábádu, uvedl, že velký význam práce spočívá v tom, že díky ní jsou procesy mnohem bezpečnější a udržitelnější než dříve.

Jsem také velmi rád, že mohu konstatovat, že Nobelova komise tentokrát vybrala průlom v čisté chemii. V minulosti Nobelova cena za chemii často uznala práci, která v podstatě patřila do oblasti biologie, řekl.

Zpravodaj| Kliknutím dostanete do své doručené pošty nejlepší vysvětlivky dne

Sdílej Se Svými Přáteli: