Nobelio chemijos premija skirta mokslininkams už metodą, kuris sukuria geresnius katalizatorius

        "1835 m. švedų chemikas Jacobas Berzelius aprašė reiškinį, kai tam tikros medžiagos gali pagreitinti cheminę reakciją. Šios medžiagos buvo pavadintos katalizatoriais, o procesas vadinamas katalize. Nuo to laiko mokslininkai atrado daug katalizatorių, kurie gali sintezuoti ir suskaidyti molekules, įgalinančių išradimus, tokius, kaip plastikas, kvepalai ir farmacija.

        Iki 2000 m. mokslininkai manė, kad visi katalizatoriai yra arba metalas, arba fermentas. Metaliniai katalizatoriai, galintys laikinai sutalpinti elektronus arba pasiūlyti juos kitoms molekulėms cheminių procesų metu, gali būti toksiški ir aplinkai kenksmingi. Taurieji metalai, naudojami, kaip katalizatoriai, pvz., platina, turi būti iškasti.

        Fermentai, kurie yra gamtoje randami baltymai, yra katalizatoriai, sudarantys sudėtingas ir gyvybiškai svarbias molekules, tokias kaip cholesterolis ir chlorofilas. Kadangi fermentai yra tokie veiksmingi, dešimtojo dešimtmečio mokslininkai bandė sukurti fermentų variantus, kaip katalizatorius, kurie paskatintų chemines reakcijas, kurių reikia pramonei ir gamybai. Tačiau „fermentai yra sudėtingi“, - sakė daktaras Chengas, ir šis procesas sukėlė didžiulį atliekų kiekį.

        2000 m. daktaras Listas ir daktaras MacMillanas, dirbdami nepriklausomai vienas nuo kito, sukūrė naują katalizės tipą, kuriame naudojamos organinės molekulės, vadinamos asimetrine organokatalize.

        Organinės molekulės, tokios kaip angliavandeniai, vadinamos taip, nes jos sudaro visas gyvas būtybes. Pasak Viskonsino-Madisono universiteto chemiko Tehshiko Yoono, mokslininkai atrado „pigesnius, mažesnius ir saugesnius“ katalizatorius, kuriuose naudojamos organinės molekulės. Jų technika taip pat buvo paprastesnė ir draugiškesnė aplinkai.

        Dr. Listas dirbo su fermentais Scripps tyrimų institute San Diege, Carlos F. Barbas III vadovaujamoje tyrimų grupėje. Jis žinojo apie aštuntojo dešimtmečio tyrimus, kuriuose, kaip katalizatorius, buvo naudojama paprasta amino rūgštis, vadinama prolinu. Tokie tyrimai tuo metu pritraukė mažai dėmesio.

        Jis išbandė, ar prolinas gali katalizuoti aldolio reakciją, kurios metu dviejų skirtingų molekulių anglies atomai susijungia. Reakcija veikė, įrodydama, kad prolinas yra puikus katalizatorius ir kad aminorūgštis gali paskatinti vadinamąją asimetrinę katalizę.

        Daugelis organinių molekulių egzistuoja dviejuose veidrodiniuose variantuose, kaip, pavyzdžiui, žmogaus rankos - tai vadinama chiralumu. Pavyzdžiui, viena limoneno molekulės versija-dešiniarankė-kvepia citrina, o jos veidrodinis vaizdas, kuris yra kairiarankis, kvepia apelsinu.

        „Organinės molekulės, kurios vaidina svarbų vaidmenį gyvenime, turi šią svarbią rankos savybę-dešiniosios ir kairiosios rankos versiją, kuri gali turėti labai skirtingą chemiją ir labai skirtingas biologines pasekmes“,-sakė JAV Nacionalinės sveikatos institutų direktorius dr. Francis Collins. Institutai finansavo ir daktaro Listo, ir daktaro MacMillano darbą, pastarojo nuolat nuo 2000 m.

        Chemikai ir farmacijos tyrėjai dažnai nori tik vienos molekulės versijos, o tipinė katalizė pagamina abi versijas. Abiejų turėjimas gali sukelti pražūtingų padarinių; šeštajame ir šeštajame dešimtmečiuose vienas veidrodinis talidomido molekulės vaizdas sukėlė sunkių apsigimimų tūkstančiams kūdikių.

        Tačiau asimetrinė katalizė gali sintezuoti tik vieną iš šių asimetrinių molekulių, kairę arba dešinę, ir tai bus saugumas ir sumažins cheminių atliekų kiekį.

        Prieš dvejus metus daktaras MacMillanas paliko pareigas Harvardo universitete, kur tyrė asimetrinę metalų katalizę. Jis pastebėjo, kad šie metaliniai katalizatoriai realiame pasaulyje buvo naudojami retai, nes jie buvo brangūs ir sunkiai prižiūrimi. Kai kurie metaliniai katalizatoriai turi būti aplinkoje, kurioje nėra deguonies ir drėgmės, o tai sunku pasiekti didesniu mastu.

        Taigi daktaras MacMillanas, dabar dirbantis Kalifornijos universitete Berklyje, sukūrė patvaresnį katalizatorių iš organinių molekulių, kurios, kaip ir metalai, galėtų laikinai paimti iš reagentų arba aprūpinti reagentus elektronais. Jis išbandė organinės molekulės gebėjimą sukelti Diels-Alder reakciją, kuri gali sukurti anglies atomų žiedus.

        Jo rezultatai parodė, kad kai kurios iš šių organinių molekulių puikiai atliko asimetrinę katalizę, sukurdamos daugiau nei 90 procentų norimo veidrodinio vaizdo.

        2000 m. daktaras Listas ir daktaras MacMillanas paskelbė savo straipsnius. Daktaras MacMillanas sukūrė šios naujos katalizės terminą - organokatalizę - kad kiti tyrėjai galėtų ieškoti naujų organinių katalizatorių.

        „Tai buvo slenksčio peržengimo akimirka“, - sakė daktaras Yoon. „Ši idėja buvo tokia akivaizdi ir tokia elegantiška, kad kitiems žmonėms buvo labai lengva pritaikyti šią pagrindinę koncepciją kitoms reakcijoms“.

        Po to, kai daktaras Listas ir daktaras MacMillanas kartu atrado organokatalizę, šiedu mokslininkai ir kiti tyrėjai sukūrė daugybę molekulių, naudojamų vaistams, agrocheminėms medžiagoms ir veiksmingoms, patvarioms, medžiagoms. Jų tyrimai taip pat paspartino esamų vaistų, tokių kaip antidepresantas paroksetinas ir antivirusinis oseltamiviras, kuris gydo kvėpavimo takų infekcijas, gamybą “, - rašė Nobelio komitetas."

Šis katalizės metodas galėtų būti pritaikytas modeliuojant pirmųjų gyvų organizmų susidarymo sąlygas:

"Macmillanas naudojo mažas organines molekules ir pakeitė katalizatoriaus metalo atomą organinės kilmės jonais, turinčiais ryšį tarp azoto atomo ir anglies atomo. Daugelyje jų darbų svarbu nustatyti reakcijos mechanizmą, kuris leidžia sukurti tokius katalizatorius. Benjaminas Listas ir Davidas Macmillanas savo darbe daugiausia dėmesio skyrė organiniams katalizatoriams - tai yra katalizatoriams, kurie yra nedideli (palyginti su natūraliais fermentais) - organinėms molekulėms.

Listas ir Macmillanas savo darbuose iš tikrųjų bandė modeliuoti gamtoje vykstančius biocheminius procesus žemesniu cheminiu lygiu. Vis dėlto fermentai yra sudėtingi objektai, o dauguma organokatalizatorių turi mažą molekulinę masę, jie yra gana maži (ir nebrangūs) objektai, specialiai susintetinti vieno tyrėjo reikalingo proceso katalizavimui. Jų taikomas metodas vadinamas biomimetiniu (biomodeliavimu).

Benjamin Listo darbas daugiausia buvo pagrįstas natūraliais junginiais. Net paprasčiausios natūralios baltymų statybinės medžiagos - amino rūgštys - gali veikti, kaip katalizatoriai ir padėti sukurti kitas organines molekules. Pavyzdžiui, jis paėmė natūralų alkaloidą chininą, pakeitė jį, kad suteiktų reikiamą katalitinį aktyvumą, ir panaudojo jį, kaip katalizatorių. Šis požiūris davė labai ryškių rezultatų sintetinės organinės chemijos srityje “.