Подробности Нобелевской премии по химии за 2021 год
Нобелевскую премию по химии за 2021 год поделят между собой немец исследователь Беньямин Лист (Benjamin List) и американец Дэвид Макмиллан David MacMillan) «за развитие ассиметричного органокатализа».
«Эта концепция катализа настолько же проста, насколько и гениальна, и дело в том, что многие люди задавались вопросом, почему мы не додумались до неё раньше», - говорит Йохан Эквист Johan Åqist, председатель Нобелевского комитета по химии.
Учёные подглядывают за матерью-природой и копируют её химические шедевры. Они уже научились создавать новые молекулы из небольших строительных блоков. Из рукотворных молекул состоят тысячи веществ, которые мы используем в повседневной жизни - лекарства, пластмассы, парфюмерия и пищевые ароматизаторы.
Правильно собрать молекулярную конструкцию очень сложно, иначе можно получить множество нежелательных побочных продуктов. Для точности химики используют катализаторы. Эти вещества ускоряют химические реакции, расщепляют молекулы или соединяют их вместе. При этом сами в конечный продукт не попадают. Например, если в перекись водорода (H2O2) добавить серебро, она распадётся на воду (H2O) и кислород (O2). А с серебром ничего не произойдет. Другой пример: катализаторы в автомобилях превращают токсичные вещества в выхлопных газах в безвредные молекулы.
До 2000 года химики знали две группы катализаторов: металлы и ферменты. Металлы - отличные катализаторы. Они могут временно удерживать электроны или отдавать их другим молекулам в ходе химического процесса. Это ослабляет связи между атомами в молекуле, их можно разорвать и собрать новые. Однако некоторые металлы чувствительны к кислороду и влаге, и создать подходящие условия для их массового производства трудно. Кроме того, многие из них - тяжёлые металлы - могут навредить окружающей среде.
Вторая группа - ферменты. В живых организмах, в том числе в наших телах, их тысячи. Они запускают реакции необходимые для жизни. Например, помогают переваривать и усваивать пищу, обновлять клетки, разрушать токсины.
Тут немного отвлечёмся от ферментов. Многие молекулы существуют в двух вариантах, одна копия - зеркальное отражение другой. Но часто они по-разному действуют. Например, один вариант молекулы лимонена пахнет лимоном, а его зеркальное отражение - апельсином.
Химикам часто нужна только одна из этих зеркальных копий. Раньше многие лекарства содержали оба варианта молекулы. Один из них был активным, а другой мог иногда даже навредить. Как например произошло с талидомидом. В 1960-е годы его прописывали беременным женщинам как успокоительное и снотворное. Так работал один вариант молекулы, а его зеркальное отражение вызвало серьезные уродства у детей, которых эти женщины родили.
Так вот ферменты могут помочь получить нужный вариант молекулы. Потому что они - специалисты по асимметричному катализу. Это значит, что они всегда образуют одно зеркальное изображение молекулы из двух возможных.
Ферменты - огромные молекулы, которые состоят из сотен аминокислот, некоторые ещё дополнительно содержат металлы. Беньямин Лист обратил внимание на то, что многие из них ускоряют химические реакции без металлов, действует только одна или несколько аминокислот. Тогда он задал нестандартный вопрос: должны ли аминокислоты входить в состав фермента, чтобы ускорить реакцию? Может ли одна аминокислота или другие подобные простые молекулы делать то же самое?
Он проверил сможет ли аминокислота пролин ускорить химическую реакцию. И это сработало! Из двух возможных зеркальных изображений одно пролин образовывал чаще, чем другое. Тут надо отметить, что ещё за 25 лет до Листа пролин пытались использовать как катализатор, но исследования никто не продолжил. Так что Лист и не надеялся на такой результат. Он опубликовал своё открытие в феврале 2000 года.
В это же время на другой стороне океана над ассиметричным катализом работал Дэвид Макмиллан. Сначала с металлами, а потом он начал разрабатывать органические молекулы, которые, как и металлы, могут отдавать или принимать электроны. Из этих молекул построено всё живое. Они имеют стабильный каркас из атомов углерода. К нему прикреплены активные химические группы, которые часто содержат кислород, азот, серу или фосфор. В зависимости от того, как собрать эти простые элементы, они могут получить сложные свойства.
Макмиллан отобрал подходящие молекулы - те, которые могут образовать ион иминия - и провел химическую реакцию. Реакция прошла блестяще. Из двух зеркальных изображений одно составляло более 90 процентов продукта. Макмиллан понял, что существуют и другие органические катализаторы, поэтому назвал свой метод органокатализ. В январе 2000 года он подал свою рукопись для публикации в научном журнале.
Насколько эффективен органокатализ доказывает яд стрихнин, которые мы знаем по детективам Агаты Кристи. Впервые его синтезировали в 1952 году. Для этого потребовалось 29 различных химических реакций, и только из 0,0009 процента исходного материала получился стрихнин. А в 2011 году исследователи благодаря органокатализу получили всего за 12 шагов, и процесс производства стал в 7 000 раз эффективнее.
Органические катализаторы запускают множество химических реакций. Их преимущество в том, что они состоят из простых молекул, могут работать на конвейере и не вредят окружающей среде. С их помощью исследователи могут создавать все, что угодно - от лекарств до солнечных батарей.
Беньямин Лист (Benjamin List), 1968 г. - директор Института Макса Планка по исследованию угля, Мюльхайм ан дер Рур, Германия
Дэвид Макмиллан (David MacMillan), 1968 г. - профессор Принстонского университета, США.
В 2020 году Нобелевскую премию по химии получили француженка Эммануэль Шарпантье (Emmanuelle Charpentier) и американка Дженифер Дудна (Jennifer Doudna) «за исследование метода редактирования генома».
Из русских и советских физиков Нобелевской премии по химии удостоился
в 1956 Н. Н. Семенов «за исследования в области механизма химических реакций».
Источники:
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2021/press-release/
https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2021/popular-information/