Химиците могат да създават нови молекули, като свързват малки химически градивни елементи, но контролирането на невидимите вещества, така че те да се свързват по желания начин, е трудно.
Бенджамин Лист и Дейвид Макмилън са удостоени с Нобелова награда за химия 2021 за разработването на нов и гениален инструмент за изграждане на молекули: органокатализата. Употребата му включва изследвания на нови фармацевтични продукти и също така е помогнала да се направи химията по-зелена.
Много индустрии и области на изследване зависят от способността на химиците да изграждат нови и функционални молекули. Те могат да бъдат всичко - от вещества, които улавят светлината в соларните клетки или съхраняват енергия в батерии, до молекули, които могат да направят леки маратонки или да потискат развитието на болестта в организма ни.
Ако обаче сравним способността на природата да изгражда химически творения със своите собствените произведения, ние сме си останали в каменната ера.
Еволюцията е произвела невероятно специфични инструменти, ензими за конструиране на молекулярни комплекси, които придават на живота неговите форми, цветове и функции. Първоначално, когато химиците са изолирали тези химически шедьоври, те само са ги гледали с възхищение. Чуковете и длетата в техните собствени кутии с инструменти за молекулно изграждане са били тъпи и ненадеждни, така че когато са се опитвали да копират продуктите на природата, те често приключвали с много нежелани странични продукти.
Нови инструменти на химията
Кредит: ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Всеки нов инструмент, който химиците са добавяли към своята кутия с инструменти, е увеличил прецизността на техните молекулни конструкции. Бавно, но сигурно, химията е напреднала от дялане на каменни оръдия до нещо по-майсторско. Това е от голяма полза за човечеството и няколко от тези инструменти са наградени с Нобелова награда за химия.
Много молекули съществуват в два варианта, като едната е огледален образ на другата. Те често имат напълно различни ефекти върху организма. Например една версия на молекулата лимонин има аромат на лимон, докато огледалният и образ мирише на портокал. Кредит: ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Откритието, за което е присъдена Нобелова награда за химия 2021, извежда молекулярното изграждане на изцяло ново ниво. То не само прави химията по-зелена, но и прави много по-лесно производството на огледално симетрични (хирални) молекули. По време на химическото изграждане често възниква ситуация, при която могат да се образуват две молекули, които - също като нашите ръце - са огледален образ една на друга. Химиците често просто търсвт само едно от тези огледални изображения, особено когато произвеждат фармацевтични продукти, но е трудно да се намерят ефективни методи за сортирането им. Концепцията, разработена от Бенджамин Лист и Дейвид Макмилън - асиметрична органокатализа - е толкова проста, колкото и блестяща. Факт е, че много хора се чудят защо не сме се досетили по-рано.
Защо наистина? Няма лесен отговор на този въпрос, но преди дори да опитаме, трябва да хвърлим бърз поглед назад към историята. Ще определим термините катализа и катализатор и как се стигна до Нобеловата награда за химия 2021 г.
Катализаторите ускоряват химичните реакции
През деветнадесети век, когато химиците започват да изследват начините, по които различните химикали реагират помежду си, правят някои странни открития. Например, ако поставят сребро в чаша с водороден пероксид (H2O2), водородният пероксид изведнъж започва да се разпада на вода (H2O) и кислород (O2). Но среброто - което стартира процеса - изобщо не изглежда засегнато от реакцията. По подобен начин вещество, получено от покълнали зърна, може да разгради нишестето до глюкоза.
През 1835 г. известният шведски химик Якоб Берцелиус започва да вижда някаква закономерност в това. В годишния доклад на Кралската шведска академия на науките, описващ най-новия напредък във физиката и химията, той пише за нова „сила“, която може да „генерира химическа активност“. Той изброява няколко примера, в които само наличието на вещество стартира химическа реакция, като посочи как това явление се среща значително по-често, отколкото се е смятало дотогава. Той вярвал, че веществото има каталитична сила и нарекъл самото явление катализа.
Катализаторите произвеждат пластмаса, парфюми и вкусна храна
Много вода е изтекла през пипетите на химиците от времето на Берцелиус. Те са открили множество катализатори, които могат да разграждат молекули или да ги съединяват. Благодарение на тях вече могат да изброят хиляди различни вещества, които използваме в ежедневието си, като фармацевтични продукти, пластмаси, парфюми и вкусотии. Смята се, че 35 % от общия световен БВП по някакъв начин е благодарение на химическата катализа.
По принцип всички катализатори, открити преди 2000 г., принадлежат към една от двете групи: те са или метали, или ензими. Металите често са отлични катализатори, тъй като имат специална способност временно да настаняват електрони или да ги доставят на други молекули по време на химичен процес. Това помага да се разхлабят връзките между атомите в молекулата, така че връзките, които са иначе са здрави, могат да бъдат разкъсани и да се образуват нови.
Но има един проблем с някои метални катализатори и той е, че са много чувствителни към кислород и вода, така че за да работят, те се нуждаят от среда без кислород и влага. Това е трудно да се постигне в масовата индустрия. Също така много метални катализатори са тежки метали, които могат да бъдат вредни за околната среда.
Катализаторите на живота работят с поразителна точност
Втория вид катализатор се състои от протеини, известни като ензими. Всички живи същества имат хиляди различни ензими, които задвижват необходимите за живота химични реакции. Много ензими са специалисти по асиметрична катализа и по принцип винаги образуват единия от двата възможни огледални образи. Те също така работят във верига един след друг - когато единият ензим завърши с реакция, друг поема. По този начин те могат да изграждат сложни молекули с невероятна точност, като холестерол, хлорофил или токсин, наречен стрихнин, който е една от най-сложните молекули, за които знаем.
Тъй като ензимите са тмного ефективни катализатори, изследователите през 90-те години на миналия век се опитват да разработят нови варианти на ензими, които да стимулират химичните реакции, необходими на човечеството. Една изследователска група, работеща по този въпрос, е базирана в Изследователския институт Скрипс в Южна Калифорния и се ръководи от покойния Карлос Ф. Барбас III. Бенджамин Лист е бил постдокторант в изследователската група на Барбас, когато се ражда блестящата идея, която довежда до едно от откритията, отбелязани от тазгодишната Нобелова награда за химия.
Бенджамин Лист мисли нестандартно ...
Бенджамин Лист работи с каталитични антитела. Обикновено антителата се прикрепят към чужди вируси или бактерии в телата ни, но изследователите от Скрипс ги преработват, за да могат да управляват вместо това химични реакции.
По време на работата си с каталитични антитела Бенджамин Лист започва да мисли за това как всъщност действат ензимите. Обикновено те са огромни молекули, изградени от стотици аминокиселини. В допълнение към тези аминокиселини значителна част от ензимите също имат метали, които подпомагат задвижването на химичните процеси. Но - и това е въпросът - много ензими катализират химичните реакции без помощта на метали.
Вместо това, реакциите се водят от една или няколко отделни аминокиселини в ензима. И Бенджамин Лист си задава въпроса: „Аминокиселините трябва ли да бъдат част от ензим, за да катализират химическата реакция? Или една единична аминокиселина или други подобни прости молекули биха могли да вършат същата работа?
... с революционен резултат
Бенджамин Лист е знаел, че има изследвания от началото на 70-те години, когато аминокиселина, наречена пролин, е била използвана като катализатор - но това е било преди повече от 25 години. Разбира се, ако пролинът наистина е бил ефективен катализатор, някой би продължил да работи по него?
Това горе-долу си е мислел Бенджамин Лист. Той е предположил, че причината никой да не продължи да изучава явлението е, че веществото не е работил оособено добре. Без реални очаквания, Лист проверява дали пролинът може да катализира алдолна реакция, при която въглеродните атоми от две различни молекули са свързани заедно. Това е прост експеримент, който, невероятно, сработва веднага
|
|
| 1. Ензимите се състоят от стотици аминокиселини, но често само няколко от тях участват в химическата реакция. И Бенджамин Лист си задава въпроса: дали наистина е необходим цял ензим за получаване на катализатор. (горе) |
Кредит: ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences |
| 2. Бенджамин Лист тества дали аминокиселина, наречена пролин - която изглежда много по-проста - би могла да катализира химическа реакция. Работи блестящо. Пролинът има азотен атом, който може да осигури електроните за химичните реакции (вдясно) | |
Бенджамин Лист залага бъдещето си
С експериментите си Бенджамин Лист не само демонстрира, че пролинът е ефективен катализатор, но също така, че тази аминокиселина може да предизвика асиметрична катализа. От двата възможни огледални образа по-често се формира един от тях.
За разлика от изследователите, които преди това са тествали пролина като катализатор, Бенджамин Лист разбира огромния потенциал, който може да има.
В сравнение с металите и ензимите, пролинът е мечтан инструмент за химиците. Това е много проста, евтина и екологична молекула. Когато публикува откритието си през февруари 2000 г., Лист описва асиметричната катализа с органични молекули като нова концепция с много възможности: „Проектирането и скринирането на тези катализатори е една от нашите бъдещи цели“.
В това обаче той не е сам. В лаборатория по-северно в Калифорния Дейвид Макмилан работи за същата цел.
Дейвид Макмилън изоставя чувствителните метали ...
Две години преди това Дейвид Макмилън се премества от Харвард в Калифорнийския университет в Бъркли. В Харвард той е работил върху подобряване на асиметричната катализа с помощта на метали. Това е област, която привлича много внимание, но Дейвид Макмилън отбелязва, че разработените катализатори рядко се използват в промишлеността. Той започна да мисли защо и приема, че чувствителните метали са просто твърде трудни и скъпи за използване. Постигането на условия без кислород и без влага, изисквани от някои метални катализатори, е сравнително лесно в лаборатория, но провеждането на мащабно промишлено производство при такива условия е сложно.
Изводът му е, че ако химическите инструменти, които разработва, са полезни, те се нуждаят от преосмисляне. Така че, когато се премества в Бъркли, изоставя металите.
... и разработва по-проста форма на катализатор
Вместо това Дейвид Макмилън започна да проектира прости органични молекули, които - също като металите - могат временно да осигурят или настанят електрони. Тук трябва да определим какво представляват органичните молекули - накратко, това са молекулите, които изграждат всички живи същества. Те имат стабилна рамка от въглеродни атоми. Към тази въглеродна рамка са прикрепени активни химични групи и те често съдържат кислород, азот, сяра или фосфор.
По този начин органичните молекули се състоят от прости и общи елементи, но в зависимост от това как са сглобени, могат да имат сложни свойства. Познанията на Дейвид Макмилън по химия му показват, че за да може органичната молекула да катализира реакцията, която го интересува, тя трябва да може да образува иминиев йон. Той съдържа азотен атом, който има афинитет към електроните.
Той избира няколко органични молекули с правилните свойства и след това тества способността им да предизвикват реакция на Дилс-Алдер, която химиците използват за изграждане на пръстени от въглеродни атоми. Точно както се е надявал и вярвал, тя сработва блестящо. Някои от органичните молекули също се държат отлично при асиметрична катализа. От две възможни огледални изображения, едното от тях представлява повече от 90 % от продукта.
1. Дейвид Макмилън работи с метални катализатори, които лесно се разрушават от влагата. Затова започва да се пита дали е възможно да се разработи по-траен тип катализатор. Кредит: ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
2. Той проектира някои прости молекули, които могат да създадат иминиеви йони. Една от тях се оказа подходяща за асиметрична катализа.Кредит: ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Дейвид Макмилан въвежда термина органокатализа
Когато Дейвид Макмилън е готов да публикува резултатите си, той осъзнава, че концепцията за катализа, която е открил, се нуждае от име. Факт е, че преди това изследователите са успели да катализират химичните реакции, използвайки малки органични молекули, но това са изолирани примери и никой не е осъзнал, че методът може да бъде обобщен.
Дейвид Макмилън иска да намери термин, който да опише метода, така че други изследователи да разберат, че има още органични катализатори, които трябва да бъдат открити. Неговият избор е органокатализа.
През януари 2000 г., точно преди Бенджамин Лист да публикува откритието си, Дейвид Макмилън представя ръкописа си за публикуване в научно списание. Въведението гласи: „Тук въвеждаме нова стратегия за органокатализа, която очакваме да бъде подложена на редица асиметрични трансформации“.
Използването на органокатализа се разраства
Независимо един от друг, Бенджамин Лист и Дейвид Макмилън откриват изцяло нова концепция за катализа. От 2000 г. развитието в тази област може почти да се оприличи на златна треска, в която Лист и Макмилън поддържат водещи позиции. Те са проектирали множество евтини и стабилни органокатализатори, които могат да се използват за предизвикване на огромно разнообразие от химични реакции.
Не само, че органокатализаторите често се състоят от прости молекули, в някои случаи - точно като естествените ензими - те могат да работят на конвейерна лента. Преди това в химическите производствени процеси е било необходимо да се изолира и пречисти всеки междинен продукт, в противен случай обемът на страничните продукти ставал твърде голям. Това води до загуба на част от веществото на всеки етап от химическото производство.
Органокатализаторите са много по-щяадящи, тъй като сравнително често няколко стъпки в производствения процес могат да бъдат изпълнени в непрекъсната последователност. Това се нарича каскадна реакция, която може значително да намали отпадъците при производството на химикали.
Синтезът на стрихнин сега е 7000 пъти по-ефективен
Един пример за това как органокатализата е довела до по-ефективни молекулни конструкции е синтезът на естествената и изумително сложна молекула на стрихнина. Много хора ще разпознаят стрихнина от книгите на Агата Кристи, кралицата на загадъчните убийства. За химиците обаче стрихнинът е като кубчето на Рубик: предизвикателство, което искат да разрешат с възможно най-малко стъпки.
Когато стрихнинът е синтезиран за първи път през 1952 г., той изисква 29 различни химични реакции и само 0,0009 % от първоначалния материал образува стрихнин. Останалото е пропиляно.
През 2011 г. изследователите успяват да използват органокатализа и каскадна реакция за изграждане на стрихнин само в 12 стъпки, а производственият процес е 7000 пъти по-ефективен.
Органокатализата е най-важна във фармацевтичното производство. Органокатализата е оказала значително въздействие върху фармацевтичните изследвания, които често изискват асиметрична катализа. Във времената, когато химиците не можеха да провеждат асиметрична катализа, много фармацевтични продукти са съдържали и двете огледални изображения на молекулата - едното от тях е активно, а другото понякога може да има нежелани ефекти. Катастрофичен пример за това е скандалът с талидомида през 60-те години, в който един огледален образ на фармацевтичния продукт с талидомид причинява сериозни деформации в хиляди развиващи се човешки ембриони.
Използвайки органокатализата, изследователите вече могат да направят големи обеми от различни асиметрични молекули сравнително просто. Например те могат изкуствено да произвеждат потенциално лечебни вещества, които могат в противен случай се изолира само в малки количества от редки растения или дълбоководни организми.
Във фармацевтичните компании методът се използва и за оптимизиране на производството на съществуващи фармацевтични продукти. Примерите за това включват пароксетин, който се използва за лечение на тревожност и депресия, и антивирусното лекарство озелтамивир, което се използва за лечение на респираторни инфекции.
Простите идеи често са най-трудни да си ги представим
Възможно е да се изброят хиляди примери за това как се използва органокатализата - но защо никой не е измислил тази проста, зелена и евтина концепция за асиметрична катализа по-рано? Този въпрос има много отговори.
Едния е, че простите идеи често са най-трудни да си ги представим. Нашият поглед е замъглен от силни предубеждения за това как трябва да работи светът, като например идеята, че само метали или ензими могат да предизвикат химични реакции. Бенджамин Лист и Дейвид Макмилън успяха да видят през тези предубеждения, за да намерят гениално решение на проблем, с който химиците се борят в продължение на десетилетия. По този начин органокатализаторите носят - точно сега - най -голямата полза за човечеството.
Източник: Their tools revolutionised the construction of molecules, The Royal Swedish Academy of Sciences
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари