Premiul Nobel pentru Chimie 2021: descoperirea organocatalizei asimetrice, un instrument esențial pentru dezvoltarea de medicamente, cu impact favorabil asupra mediului
Benjamin List și David MacMillan au primit premiul Nobel pentru Chimie 2021 pentru descoperirea organocatalizei asimetrice, un instrument esențial pentru dezvoltarea de noi compuși folosind molecule organice mici. Descoperirea are un impact asupra multor industrii, eficientizând în primul rând dezvoltarea de medicamente prin procese care nu dăunează mediului.
Catalizatorii sunt substanțe care controlează și accelerează reacțiile chimice, fără să influențeze produsul final. În secolul XIX, chimiștii au început să studieze modul în care diferite substanțe interacționează cu altele. În 1835, în cadrul Academiei Regale Suedeze de Știință, Jacob Berzelius raporta observarea în mai multe tipuri de experimente a unei forțe care putea genera activitate chimică, pe care a numit-o cataliză. Un exemplu este reacția peroxidului de hidrogen cu argintul (care conduce la obținerea de oxigen și apă), însă argintul, care a inițiat procesul, nu este implicat deloc în reacție.
Atunci când are loc o reacție chimică se pot obține adesea două molecule diferite ale căror structuri sunt în oglindă (ca palmele). Deși elementele care le alcătuiesc sunt la fel, structura și orientarea pot avea rezultate diferite. Mai ales în industria farmaceutică este foarte important să se obțină doar una dintre aceste molecule, în cursul reacțiilor chimice.
Toți catalizatorii descoperiți până în anul 2000 făceau parte din două categorii: metale sau enzime. Metalele sunt catalizatori foarte buni pentru că acceptă temporar electroni sau cedează electroni în cursul unui proces chimic. Astfel, dispar legăturile dintre atomii unei molecule și se pot forma noi combinații. Limitările catalizatorilor metalici includ sensibilitatea la oxigen (necesită condiții speciale de producție) și impactul negativ asupra mediului.
Moleculele organice sunt cele care alcătuiesc organismele vii, iar în această categorie intră enzimele, proteine care catalizează reacții fundamentale pentru supraviețuire. Enzimele sunt molecule alcătuite din sute de aminoacizi și pot avea asociate metale care catalizează diferite reacții.
Multe enzime pot realiza cataliză asimetrică iar produsul final adesea nu conține structuri în oglindă. Acest proces permite obținerea de molecule complexe, cu mare precizie (ex. colesterol, stricnină). Pe baza acestor obsevații, cei doi laureați Nobel au studiat noi variante de catalizatori.
Bejamin List și David MacMillan, independent unul de altul, au dezvoltat un al treilea tip de cataliză numită organocataliză asimetrică, ce folosește molecule organice mici și poate fi folosită pentru o multitudine de reacții chimice.
Catalizatorii organici sunt formați dintr-o structură stabilă de atomi de carbon la care se pot atașa grupări chimice active (oxigen, sulf, fosfor). Dezvoltarea rapidă a catalizatorilor organici este datorată capacității de a realiza cataliză asimetrică. Avantajele țin de costurile de producție reduse și impactul favorabil asupra mediului.
În cadrul Scripps Research Institute, Benjamin List și-a început cercetările cu studierea anticorpilor drept compuși cu proprietăți catalitice. Acesta a observat că multe enzime catalizează reacții chimice fără ajutorul metalelor, iar reacțiile sunt determinate de anumiți aminoacizi din acele enzime. Ipoteza de la care a plecat a fost folosirea unor structuri mai simple din aceste enzime mari (chiar un singur aminoacid). Benjamin List a demonstrat că aminoacidul prolină este un catalizator eficient și poate determina cataliza asimetrică. Atunci când a publicat lucrarea în februarie 2000, acesta a descris cataliza asimetrică drept un concept nou cu multe oportunități, având ca obiective de viitor realizarea de noi designuri de catalizatori.
David MacMillan studia în tot acest timp, la Harvard, metode pentru a îmbunătăți cataliza asimetrică folosind metale, însă observase că tipurile de catalizatori dezvoltați în cercetare erau rareori utilizați la scară industrială. Procedeele folosite erau prea laborioase și scumpe.
Ulterior, la Universitatea Berkley, acesta a început cercetările asupra unor molecule organice simple, care precum metalele, ar putea ceda sau primi electroni. Pentru ca o moleculă organică să catalizeze reacții chimice, aceasta trebuia să formeze un ion de imină (o grupare funcțională care conține un atom de azot care are afinitate pentru electroni). MacMillan a testat acestă ipoteză cu succes, publicând în ianuarie 2000, rezultatele cercetării care perimitea obținerea unei varietăți de molecule asimetrice, printr-o nouă strategie de organocataliză.
Aplicații
Multe industrii depind de capacitatea de producție de noi molecule funcționale, aplicațiile fiind diverse, de la stocarea energiei în baterii și celule solare, până la obținerea de molecule cu rol terapeutic.
În industria farmaceutică, înainte de aplicațiile organocatalizei asimetrice, medicamentele conțineau ambele structuri „în oglindă” ale unei molecule: una era activă, însă cealaltă, uneori, putea avea efecte nedorite. Un exemplu ale acestor efecte secundare este legat un scandal din anii ’60 care a implicat talidomida, un medicament folosit ca sedativ. Una dintre structurile „în oglindă” din substanța activă determina malformații importante la nou-născuți. Medicamentul a fost retras în 1961.
Astăzi, datorită organocatalizei se obțin cantități mari de molecule asimetrice mult mai simplu și eficient. În companiile farmaceutice e folosită pentru producția de numeroase tipuri de medicamente care deja sunt pe piață, cum sunt antiviralele (ex. oseltamivirul) sau antidepresivele (ex. paroxetina).
Una dintre aplicațiile organocatalizei este eficientizarea sintezei moleculei de stricnină (o moleculă foarte complexă). Când a fost descoperit pentru prima dată, în 1952, pentru obținterea stricninei au fost necesare 29 de reacții chimice diferite. În 2011, s-a folosit organocataliza pentru obținerea stricninei în doar 12 pași, într-un proces de 7.000 de ori mai eficient.
Citește și
- Premiul Nobel pentru Fizică 2021: Contribuțiile în înțelegerea sistemelor fizice complexe. Descifrarea mecanismelor prin care acțiunile umane influențează schimbările climatice
- Premiul Nobel pentru Medicină și Fiziologie 2021: Descoperirea receptorilor termici și tactili